基于S7-200的电梯控制系统的设计

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学生姓名：学号：所在院系：专业：电气工程及其自动化入学时间：2010年9月导师姓名：职称/学位：副教授/硕士导师所在单位：完成时间：2014年5月安徽三联学院教务处制基于S7-200的电梯控制系统的设计摘要：本文主要讲述的是S7-200可编程控制器对四层电梯的控制设计。电梯是一种特殊的运输工具，主要安装于高楼大厦里面，其主要功能是实现对人或货物的上下运输，在人们的生活中起着很重要的作用。由于人们经济水平不断的提升，电梯的进化也在不停地进行，人们对电梯的要求也在不断提高。正是因为人们都在追求安全性高，可靠性高，PLC控制电梯的优点得到了广泛的应用，如效率高，操作简单，可靠性高。本设计主要从控制系统的硬件和软件两个方面，采用西门子可编程控制器。关键词：电梯；PLC控制；梯形图ThedesignoftheelevatorcontrolsystembasedonS7-200

Abstract：ThemaincontentofthisdissertationisaboutdesignoffourflightsofstairscontrolledbyS7-200PLC.Nowadayselevatorisaspecialtransportwhichnormallyinstalledintallbuildings.Thebasicfunctionofislyingtobenefitpeopleandcarrygoods,soitisveryimportantinhumanlife.Asweknownthedevelopmentoftheelevatorhasalonghistory,sowiththegrowthinthelivingstandard,therequirementofitbecamemoresecret.NowpeopleareseekingformoresecureandreliableelevatorswhichstimulateawideapplicationofPLCcontrolelevatorforitshighefficiencyandhighreliability.Thedesignisengagedintwoside,hardwareandsoftware,andthecontrolsystemisthesiemensPLC.Keywords:Elevator；PLCcontrol；LadderDiagram目录第一章绪论1.1电梯的起源和发展伴随着经济的发展，电梯也在不断的创新与发展，同时给人们生活上带来很大的便捷。事实上，电梯的起源可以追溯到公元前2600年，古埃及人用原始的升降机，主要用在金字塔建造上，但当时电梯主要是以人力为动力的一个简单的动态升降系统。1203年，一个起重机出现在法国的一个修道院，其动力是驴子代替人力，从此在电梯方面解放了人力。然后到瓦特发明蒸汽机后，蒸汽变成了升降系统的动力。再往后就是威廉.汤姆逊研发出了一种以水为介质的液压为动力的升降机。随后出现了一代又一代的电梯工程师，他们利用自己的智慧在不断的改进电梯的技术，但是那个时候的电梯因为一个非常重要的安全问题始终没法解决，那就是拉升缆绳一旦断裂，升降机就会坠毁，所以当时的电梯不能得到广泛的应用。不过后来这个安全问题被美国的奥的斯先生解决掉了，在1889年2月，奥的斯电梯公司制造出了一台既安全又实用的实际意思上的电梯，该电梯的驱动动力是直流电动机，它是通过涡轮减速器带动拉升缆绳来升降轿厢。正是由于电动机功率大，体积小又便于操作等优点，从而使电梯得到广泛的应用。1903年电梯又出现了一次新的革命，曳引式电梯代替传统的鼓轮式电梯。鼓轮式电梯的工作原理相对简单一点，那就是缆绳的一端固定在轿厢上，另一端缠绕在鼓轮上，靠在鼓轮的转动从而缩短和释放缆绳的长度来升降轿厢，由于缆绳不能做的太长，所以轿厢的升降高度受限，另外一方面是缆绳的根数也不能太多，从而影响了起重量。并且鼓轮式电梯的安全性也不是很好，当升降控制失灵后，绳轮继续在转动，轿厢就会超越顶楼极限位置冲向楼顶发生撞击，从而发生重大事故。鉴于以上种种原因，鼓轮式电梯的发展受到限制，而曳引式电梯孕育而生。曳引式电梯的工作原理是缆绳悬挂在曳引轮上，绳的一端吊挂轿厢，另外一端固定在对重上，缆绳和曳引轮之间存在摩擦力，当曳引轮转动时，轿厢和对重作相反运动，当一边上升时，另外一边下降，这样缆绳不需要缠绕在曳引轮上，缆绳的长度和根数也不受限制，从而使轿厢上升的高度和起重量不再受限。在安全方面，曳引式电梯是靠摩擦力传动的，当电梯的上下运行控制出现失灵时，轿厢就会冲向楼顶，但只要绳的另一端的对重被缓冲器阻挡，缆绳和曳引轮之间就会打滑，轿厢不会继续上升，从而可以避免轿厢撞上楼顶的事故发生。因此曳引式电梯得到很好的发展，一直沿用至今。到了1949年，在美国纽约的联合国大厦首次投入使用了4-6台群控电梯。1955年由小型计算机控制的电梯被研制出了。1962年美国生产出超高速电梯，运行速度为每秒8米。1963年又发明出了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年人们又把固体晶闸管应用于电梯。到了1976年电梯中有了微处理器的应用。1977年日本开发的超高速电梯10米每秒。从此电梯控制技术有了很大的发展。随着技术的不断进步，可编程控制器(即PLC)取代了传统的继电气控制系统，由于PLC控制系统操作具有简单易懂、可靠性好、易于维修等优点，在电梯控制方面得到很好的发展和利用。1.2电梯的种类根据不同的用途，电梯的种类也有很多，目前市场上存在的电梯种类大致有以下几种：（1）按用处分类有载人电梯、运货电梯、杂物电梯、参观电梯、医用电梯、车辆电梯、建设施工电梯以及其它类型的电梯等。（2）按速度分类有小于1米每秒的低速电梯、1~2米每秒的中速电梯、速度高于2米每秒的高速电梯和速度超过5米每秒的超高速电梯。（3）按启动方法分类有直流电梯，、交流电梯、齿轮齿条电梯、液压电梯、螺杆式电梯和直线电机驱动的电梯。（4）按操作控制方法分类有按钮控制电梯、手柄开关操纵电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、并联控制电梯和群控电梯。（5）根据有没有司机分类有有司机电梯、无司机电梯和电梯有无司机并存控制的。1.3电梯的主要参数和性能指标1、主要参数（1）轿厢的尺寸(cm)：宽*深*高。（2）额定负载(kg)：电梯设计规定的最大负荷。（3）轿门的形式：封闭式平分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等。（4）开门方向：左开门、右开门和中分门。（5）额定速率：电梯设计所规定的轿厢正常运转的速度。（6）牵引方式：一般的有半绕1:1悬吊法、半绕2:1悬吊法和全绕1:1悬吊法。（7）电气控制系统：电梯的控制方式和驱动系统等。（8）井道尺寸(cm)：宽*深。2、性能指标可靠性电梯之所以能得到人们广泛的使用，正是由于它的可靠性，它给人们带来了方便快捷的生活。假如一部电梯的可靠性很低，频繁出现故障，那么会给人们带来很多不便。一部电梯的可靠性高不高完全取决于组成电梯的部件以及电梯的电气控制系统，因此要想提高电梯的可靠性，那么就必须从基础做起，在生产和制造过程中要严格要求，不过后期的安全检修也是必不可少的。（2）安全性电梯的安全性尤其重要，特别是载人电梯，电梯的安全存在问题那将直接威胁到乘客的人身安全。电梯的安全和生产电梯的每一个环节都密切相关，每一个细小的环节出现问题都对电梯的安全问题产生隐患。快速性和舒适性电梯给我们的生活带来了很多方便，电梯的快速给人们节约了时间，但是在一味追求快速性的同时舒适问题也是不可忽略的，电梯在加速和减速时都要考虑到人们的承受能力，因此如何兼顾好快速和舒适也是在设计电梯时必须考虑的因素。1.4PLC的发展历程20世纪60年代初，随着美国汽车产业的竞争力愈来愈大，汽车的更新速度也愈来愈快，随之生产的控制技术要求也愈来愈高，因此传统的继电器控制系统很难满足要求。因此人们需要更经济、可靠、易控制的控制装备。1968年美国的通用汽车公司提出了一种新的设计理念，其主要的内容是在传统继电器控制的基础上加以计算机技术，从而来研制出一种更为简单、操纵简易、功能齐全、灵活通用的控制装置。在1969年美国的数字设备公司根据以上理念成功制造出了第一台PDP-14的可编程序控制器（即PLC）。这个新技术的使用在工业产生了很多的影响，发展也及其迅速。1971年日本成功研制了型号为DCS-8可编程序控制器，1973~1974年德国和法国也研制出了可编程序控制器，到了1977年我国也研制出了自己的可编程序控制器，其核心是MC14500微型处理器。到了二十世纪80年代，伴随着计算机技术和微电子技术的进一步成长，PLC技术也越来越成熟，因此可以适用更多的领域。最终PLC的发展趋势是向大容量、高速度、小体积、高集成度和高性能方向发展。

第二章电梯的结构和工作原理2.1电梯的主要结构如图2.1所示，电梯是一种解决垂直运输的特殊设备，是电气和机械结合在一起的大型复杂设备。图2.1曳引式电梯示意图电梯正是由于电气和机械的高度结合，才能使轿厢自由地沿着导轨做上下往复运动，把人和货物从一个水平面提升或下降到另一个水平面。电梯的电气部分主要由两大系统组成，分别是电气控制系统和电力驱动系统。电梯的机械部分主要由曳引电梯系统（如图2.2所示）、轿厢、门机、平衡系统、转向轮和机械安全保护装置等部分组成。图2.2曳引控制系统2.2电梯的电气设备电梯的电气设备由电梯电动机及拖动原理、电气控制柜和外围控制设备三部分组成。2.2.1电梯电动机及拖动原理电梯中主要存在的电动机有两部分，一个是曳引电动机，另一个是门电机。其中曳引电动机的作用是将电能转换成机械能，转换成的机械能就是电梯运行的动力源。因为电梯的运转过程是非常复杂的，有频繁的起动、制动、正反转等，并且轿厢的负载也会时刻改变，所以必须要使用专用电梯电机。一般电梯曳引电动机有直流和交流两种，不过交流电机应用的比较多。门电动机主要是在轿门和厅门开关过程中提供动力，其也有直流和交流两种，直流电动机采用的是电枢串并联电阻调速方式，而交流异步电动机采用VVVF调速方式。2.2.2电气控制柜电梯的控制柜是整部电梯指令发出的所在地，控制柜包含各种元件，其中低压电气设备有断路器、转换开关、按钮、接触器、中间继电器、相序继电器、变压器等，断路器有三相和单相，电梯中的钥匙开关和检修开关称为转换开关，还有各种外呼、内选、开门、关门等按钮。控制柜中的主要元件是可编程序控制器、基板控制器和变频器等。2.2.3外围控制设备外围设备主要有制动电磁铁、电梯楼层显示器、行程开关、光电开关门保护、光幕门保护、安全触板门保护、磁门区开关和光电门区开关等。其中的光电开关由红外发射端和接收端组成。安全触板门保护功能是当在关门过程中电梯有人或货物触摸到安全触板，电梯将停止关门动作，从新打开门，防止夹人或货物。光电门区的工作原理是当电梯运行到某一楼层时，此层的隔板就会插入到光电开关中，此时光电接收装置就会接收不到信号，从而发出门区信号。2.3电梯的工作原理事实上，简单地说，电梯的工作原理就是平衡原理，缆绳悬挂在曳引轮上，绳的一端悬挂轿厢，另外一端固定在配重上，电梯运行时，曳引电动机经过变频器变速后牵动曳引轮转动，此时缆绳与曳引轮之间就会产生摩擦力，此力就会作为牵引力，缆绳随着曳引轮的滚动而运动，轿厢和对重作相反运动，一边上升另外一边下降，从而把轿厢从某一平台升降到另一个平台，实现运输功能。在作往复起落运动的轿厢，固定在轿厢上的导靴沿着安置在井道壁上的固定导轨上下垂直运行，从而保证了电梯能上下垂直的升降而不发生偏移。电梯的轿厢是用来运输乘客和货物的，对重装置是用来平衡轿厢负载，减少曳引电动机功率的。常闭块式制动器在电机正常工作时是松闸的，使电梯正常工作，在没有内呼或外呼信号输入的情况下制动，使轿厢静止在当前的楼层。电梯的补偿装置是用来补偿轿厢内负载的变化，稳定曳引电动机的功率，从而保证电梯稳定的运行。电气控制系统是控制电梯的运转。安全问题由电梯安全装置来保障。电梯工作原理如图2.3。图2.3电梯工作原理图

第三章电梯控制系统的硬件设计3.1可编程控制器的工作原理PLC就是一种工业控制计算机，与普通的计算机一样，属于串行工作方式。具体的工作方式是基于集中输入、集中输出、不断的循环扫描，每扫描一次的时间称为工作周期。CPU从第一条指令开始，逐条按顺序的执行程序直到程序结束，然后返回从新扫描。扫描过程主要分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新。输入采样PLC在执行程序之前要对所有的输入端子进行扫描，并将扫描到的输入状态存入到输入映像寄存器中。然后进入到下一个阶段即程序执行，在此过程中不管输入信号怎么变化，输入映象寄存器中的内容都不会转变，一直到下一个新的输入阶段才能将扫描到的新的输入状态写入。程序执行PLC在程序执行时正常按从上到下、从左到右的次序执行程序。在执行过程中PLC就从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读入相应的信息状态。然后把运算结果转化到元件映像寄存器中，由于程序始终在执行，元件映像寄存器的内容是跟着执行进程的进展而转变的。输出刷新当全部指令执行完了后，将元件映象寄存器中的状态全部转入到输出锁存寄存器中，再经过一些方法输出，最后由输出端子送给执行器。扫描周期的计算是T=自检时间+读入一点时间*输入点数+程序步数*运算速率+输出一点时间*输出点数。3.2四层电梯控制主回路原理图根据本次设计的要求，电气控制系统主回路原理如图3.1所示。图中M1为曳引电动机，M2为门电机，轿厢和门厅是交流接触器KM1-KM4通过控制两台电动机的运转来控制的。FR1，FR2为热继电器，起到过载保护的作用。FU1为熔断器，起到过电流保护的作用。图3.1电梯的电气控制系统主回路原理图L1、L2、L3是三相电源，为电机的转动提供电源。当接触器KM1接通时，曳引电动机正转，此时电梯上行；当电梯达到顶层或收到下行信号时，接触器KM2接通，电机反转，电梯下行；在电梯上行或下行途中，如果遇到限位开关的停层信号，曳引电动机停止转动，电梯停层，此后接触器KM3或KM4接通，门电机运行，电梯开关门。QS为断路器，作用是实现对电梯的手动开机和关机。3.3可编程控制器的选择3.3.1电梯控制功能电梯的控制系统实现如下功能：（1）开始时，电梯处于任意一层。（2）当接收到外呼信号时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运转，延时2秒后电梯门打开，5S后自动关门。（3）当接收到内呼信号时，电梯响应该呼梯信号，到达指定楼层时，电梯停止运转，延时2秒后电梯门打开，5S后自动关门。（4）当电梯在运行过程当中，不会去应答任何反方向的呼梯信号，直到电梯反向运行时才去逐一响应。（5）电梯设一楼为基站，两分钟内无任何呼梯操作，电梯自动返回一楼。（6）电梯具有手动和自动开关门功能，电梯没有平层或运行时，手动开门按钮和关门按钮不起作用。当电梯平层且停止运行后，按开门按钮门打开，按关门按钮门关闭。3.3.2PLC控制系统的I/O点数的计算和分配本次设计选用PLC组成四层电梯控制系统。一台曳引电机控制电梯的上行和下行，电机正转为电梯上行，反转为下行。一楼设有上行呼叫按钮K1以及指示灯H1，二楼设有上行呼叫按钮K2、指示灯H2和下行呼叫按钮K4、指示灯H4，三楼设有上行呼叫按钮K3、指示灯H3和下行呼叫按钮K5、指示灯H5，四楼设有下行呼叫按钮K6以及指示灯H6。SQ1～SQ4为一至四楼的行程开关。电梯内有一至四楼呼叫按钮K10～K7以及指示灯H10～H7。SB5为电梯的开门按钮，SB6为电梯的关门按钮，电梯开门和关门由接触器KM3和KM4控制，行程开关ST1检测关门是否到位，行程开关ST2检测开门是否到位。接触器KM1和KM2控制轿厢的上下行，设有上下行记忆指示灯。经计算输入点有14个，输出点有16个,共有30个。输入、输出点数分配表如表3.1所示。表3.1输入、输出点数分配表序号名称输入点序号名称输出点0一楼平层I0.00电梯上行记忆Q0.01二楼平层I0.11电梯下行记忆Q0.12三楼平层I0.22电机正转Q0.23四楼平层I0.33电机反转Q0.34内呼一楼I0.44内呼一楼指示Q0.45内呼二楼I0.55内呼二楼指示Q0.56内呼三楼I0.66内呼三楼指示Q0.67内呼四楼I0.77内呼四楼指示Q0.78一楼外呼上行I1.08一楼外呼上行指示Q1.09二楼外呼上行I1.19二楼外呼上行指示Q1.110三楼外呼上行I1.210三楼外呼上行指示Q1.211二楼外呼下行I1.311二楼外呼下行指示Q1.312三楼外呼下行I1.412三楼外呼下行指示Q1.413四楼外呼下行I1.513四楼外呼下行指示Q1.514手动开门I2.014门电机正转Q1.615手动关门I2.115门电机反转Q1.716开门限位I2.2

17关门限位I2.3

18电梯上升极限位I2.4

19电梯下降极限位I2.5

3.3.3PLC机型的选择S7-200系列有4种不同基本型号的8种CPU，大致分为CPU221/222/224/224XP/226。综上输入和输出点数的计算，西门子S7-200PLC的CPU226的输入，输出点数为24/16满足设计要求。CPU226装配有集成式2v编码器，可以直接连接编码器和传感器。此外它具有输出电流600mA可作为负载电源。主要有PPI接口和用户可编程接口，PPI接口用于编程功能和HMI功能，用户编程接口具有中断能力，用于和非西门子设备进行串行数据交换。它能对过程信号的上升沿或下降沿作出极高速响应。另外它具有6个高速计数器和2个模拟电位计。西门子S7-200是一种小型的可编程序控制器，它依赖着非常高的可靠性、丰富的指令集和扩展模块、浮点计算速度很快、内部集成功能非常强大等方面适用于各个行业中的监测、自动化检测和控制。功能极其强大，应用领域十分广泛。3.3.4PLC外部接线图本设计的PLC外部接线图如图3.2所示。CPU226CN的传感器电源为24V(DC)能够输出600mA电流，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5~30V（DC）或5~250V（AC）。此时电梯由一楼上行，电机正转，则Q0.2输出，KM1闭合，同时Q0.0输出，上行记忆灯亮。当二楼或以上楼层有外呼梯信号输入时，则外呼梯信号I0.1输入，SQ2闭合。当电梯到达二楼平层时，则Q1.6输出，KM3闭合，电梯自动开门，乘客进入后，Q1.7输出，KM4闭合，电梯自动关门。在上行过程中，可接收二、三楼信号，并进行上行登记。当电梯到达顶层时，则I0.3输入，SQ4闭合。当电梯有内呼信号时，I0.4—I0.7处有一信号输入，K10—K7处某一开关闭合，Q0.4—Q0.7处有相应信号输出。内呼登记处信号灯亮，由登记信号电梯选择平层停靠。同样的，电梯下行时，电机反转，则Q0.3输出，KM2闭合，所有内外呼梯信号及平层停靠方式都和电梯上行时一样。图3.2PLC外部接线图

第四章电梯控制系统的软件设计4.1程序流程图如图4.1是根据电梯的功能和工作原理绘制的流程图。图4.1电梯控制流程图4.2外召唤信号登记及消除当乘客或司机在厅外呼梯时，呼梯信号必须被接收和记忆。当电梯运行到该楼层，且运行方向和目的地方向相同时，呼梯要求得到满足，此时呼梯信号应该被消除。该控制的梯形图程序如图4.2所示。图4.2外召唤信号登记及消除梯形图4.3内指令信号登记及消除按下内呼按钮，呼梯信号被登记。电梯到层后信号应消除。电梯设一楼为基站，两分钟内无任何呼梯操作，电梯自动返回一楼。由T40实现2分钟定时，时间到，T40闭合，Q0.4输出，等同于一楼内呼，电梯运行到一楼。实现该功能的梯形图4.3所示。图4.3内指令信号登记及消除梯形图4.4电梯的平层信号处理当电梯停靠在某一层时，指层电梯感应器产生该层的信号，来控制指层灯的状态，电梯离开该层时，该楼层信号应该被新的楼层信号所替换。实现该功能的梯形图如图4.4所示.图4.4电梯的平层信号处理4.5电梯的选层定向电梯的选向主要有两种情况，一种是上行，另一种是下行。电梯处于待命状态，接收到内呼和外呼信号时，应将电梯所处的位置与信号进行比较，确定是上行还是下行。（1）轿厢上行轿厢上行梯形图如图4.5所示。图4.5轿厢上行梯形图

（2）轿厢下行轿厢下行梯形图如图4.6所示。图4.6轿厢下行梯形图4.6内指令外召唤信号的保持电梯的内呼指令和外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动执行开关门操作。开关门执行一次之后，信号取消。使电梯能够继续响应其他乘坐信号。实现该控制功能的程序梯形图如图4.7所示。图4.7内指令外召唤信号的保持梯形图4.7各楼层停车信号乘客或司机通过对轿厢内操纵盘上1—4层选层按钮的操作，可以选择想去的楼层。选层信号被登记后，该层按钮下的指示灯亮。当电梯到达所选的楼层后，选层信号即被消除，指示灯熄灭。其梯形图如图4.8所示。图4.8各楼层停车信号4.8自动开关门电梯到达指定楼层后，延时2s自动开门，5s后自动关门。并设有手动开门按扭和关门按钮。由T37完成2S的定时，T38完成5S定时。实现该功能的梯形图如图4.9所示。图4.9自动开关门梯形图总结本设计系统是以四层电梯为例，以可编程控制器为核心，利用了可编程控制器的强大功能实现了对电梯的控制。通过本次电梯系统的设计，充分了解了S7-200系统PLC操作简单、可靠性极高、编程容易和扩展方便等特点。虽然本次设计是以四层电梯为例，但S7-200具有丰富的扩展模块，即使增加楼层数，在本次设计的基础上也是很方便更改的，只需在硬件方便增加相应的输入，输出信号，软件方面也只要增加相应的功能，需要改变的地方是非常少的。另外本次设计的编程语言全部使用梯形图，观看起来也十分简单明了，运行过程也可以很直观的了解到。只是梯形图在画的过程中比较麻烦，如果需