毕业设计（论文）基于plc的四层简易电梯的电气控制系统设计

沈阳理工大学PAGE1一、概述1.1PLC的基本概念早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去b.中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。c、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。d、输入输出接口电路1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。e、功能模块如计数、定位等功能模块。f、通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。1.2PLC的发展概况PLC产生于上世纪60年代，崛起于70年代，成熟于80年代，于90年代取得技术上的新突破，21世纪PLC技术发展的几个特点为：适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力；PLC向开放性发展；PLC的体积小型化，运算速度高速化；软PLC出现；PLC编程语言趋于标准化。其应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。21世纪PLC技术发展的几个特点

1、适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力

在信息时代的今天，几乎所有PLC制造商都注意到了加强PLC通信联网的信息处理能力这一点。小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有专门的通信模块。随着计算机网络技术的飞速发展，PLC的通信联网能使其与PC和其它智能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。也就是说，用户需要PLC与PC更好地融合，通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能，在PLC这一级就可以加强信息处理能力。例如，CONTEC与日本三菱电机公司（以下简称为三菱电机）合作，推出专门插在小Q系列PLC的机架上的PC机模块，该模块实际上就是一台可在工厂现场环境下正常运行，而且可通过PLC的内部总线与PLC的CPU模块交换数据的PC机。其处理芯片采用IntelCeleron400M主频、系统内存128MB、Cache128K、支持外挂显示器，该模块内装WindowsNT4.0或Windows2000。支持的软件有：三菱综合F4软件，包括PLC编程软件GT、FA数据处理软件MX、人机界面画面设计软件GT、运动控制设计编程软件MT等。

2、PLC向开放性发展

早期的PLC缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专用总线、通信网络及协议、I/O模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不相同，编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此，几乎各个公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在开放性方面已有实质性突破。十多年前PLC被攻破的一个重要方面就是它的专有性，现在情况有了极大改观，不少大型PLC厂商在PLC系统结构上采用了各种工业标准，如IEC61131-3、IEEE802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等。例如，AEGSchneider集团已开发以PLC机为基础，在Windows平台下，符合IEC61131-3国际标准的全新一代开放体系结构的PLC实现高度分散控制，开放度高。高度分散控制是一种全新的工业控制结构，不但控制功能分散化，而且网络也分散化，所谓高度分散化控制，就是控制算法常驻在该控制功能的节点上，而不是常驻在PLC上或PC上，凡挂在网络节点上的设备，均处于同等的位置，将“智能”扩展到控制系统的各个环节，从传感器、变送器到I/O模块，乃至执行器，无处不采用微处理芯片，因而产生了智能分散系统（SDS）。

3、PLC的体积小型化，运算速度高速化

PLC小型化的好处是节省空间、降低成本、安装灵活。目前一些大型PLC，其外形尺寸比他们前一代的同类产品的安装空间要小50%左右。

近几年，很多PLC厂商推出了超小型PLC，用于单机自动化或组成分布式控制系统。西门子公司的超小型PLC称通用逻辑模块LOGO！，它采用整体式结构，集成了控制功能、实时时钟和操作显示单元，可用面板上的小型液晶显示屏和6个键来编程。LOGO！超小型PLC使用功能模块图FBD编程语言，有在PC上运行的Windows98/NT编程软件。

三菱电机的超小型PLC叫简单应用控制器，简称α并有AL-PCS/win-C型VLS软件，是强有力且界面友好的编程工具。松下电工的超小型PLC叫可选模式控制器。德国金钟—默勒公司（MOELLER）的超小型PLC称控制继电器，简称easy。

4、软PLC出现

所谓软PLC，实际就是在PC机的平台上，在Windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能，也就是说，软PLC是一种基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期，可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。软PLC具有硬PLC的功能，同时又提供了PC机环境的各种优点。GEFanuc公司推出了一种外形类似笔记本电脑的PC以Windows为操作系统，可实现PLC的CPU模块的功能，通过以太网和I/O模块、通信模块用于工厂的现场控制。在美国底特律汽车城，大多数汽车装配自动生产线、热处理工艺生产线等都已由传统PLC控制改为软件PLC控制，可以说，高性能价格比的软PLC将成为今后高档PLC的发展方向。5、PLC编程语言趋于标准化

IEC61131是可编程控制器的国际标准，共有8个部分，从1992年开始陆续颁布实行。IEC61131-3是PLC编程语言的标准，于1993年颁布实施。

IEC61131-8于2001年颁布实施，与IEC61131-3被称为PLC语言的实现导则。IEC61131-3PLC编程语言国际标准是将现代软件概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功的结合，使它在工业控制领域的影响远远超出PLC的界限，已成为DCS、PC控制、运动控制以及SCADA的编程系统事实上的标准。IEC61131-3规定了二大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。前者包括指令语句表语言（IL）和结构化文本化语言（ST），后者包括梯形图语言（LD）和功能块图语言（FBD）。而顺序功能图（SFC）可以在梯形图语言中使用，也可以在指令语句表语言中使用。

5、PLC的国产化

国内开始研制PLC产品是上世纪70年代中期，当时上海、北京、西安、广州和长春等地的不少科研单位、大专院校和工厂，总计20多家单位都在研制和生产PLC（绝大多数都是小型PLC）。特别值得一提的是国家科委和原机械工业部在仪器仪表重点课题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序控制器子项攻关，由部属北京机械工业自动化研究所负责，先后研制开发了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。这几种型号的PLCI/O点数为256～512，并可扩展到1024点，开创了国内研制大型PLC的先河，先后在注塑机、恒温室、锅炉控制、汽车压力机生产线上获得了应用。这些项目有自动开发的操作系统、工业控制编程语言并具有与上位机、HMI连网和通信等功能。当时国内研制开发的PLC产品由于缺乏资金、后续研制力量不足及生产技术相对落后等原因，没有形成批量工业化生产，因而被国外产品淘汰而纷纷消失。可喜的是在90年代，由于PLC应用不断深入，国内又掀起研制PLC的高潮，虽然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性比70年代的产品有明显的提高。其代表产品如：南京冠德科技（原江苏嘉华实业PLC工厂）的JH200系列PLC，I/O为12～120点，具有高速计数器和模拟量功能；杭州新箭电子的D系列PLC，D20P的I/O点数为20点，D100的I/O点可从40～120点；兰州全志电子的RD系列小型PLC很有特点，RD100型PLC的I/O点9/4点，2点模拟量输入，而RD200型PLC的I/O为20～40点，扩展的功能有编码盘测速、热电偶测温和模拟量I/O，RD200型PLC最多可32台连网，并能与上位PC机进行实时通信。

PLC的应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。PLC的技术发展除了小型化、超高速，大容量存储器，多CPU，多任务并行运行外，PLC的开放性更大，通信联网能力更强，集成化软件更优。标准化的IEC61131-3PLC编程语言已被众多PLC厂商所接受，其推广速度越来越快。软PLC的应用范围将更广。1.3PLC技术的发展动向从1969年第一台PLC问世至今，可编程控制器大约经历了三个阶段：

第一阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点。用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为20~50ms/KB，指令较为简单，只有逻辑运算、计时、计数等，编程语言采用简单的语句表语言。使用上，主要用来作开关量控制。

第二阶段：PLC的容量有所扩展，I/O点数从512点至1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速度也有提高，扫描速度达到5~6ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数外，还增加了算术运算指令、比较指令，以及模拟量处理指令等，输入／输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O。编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言。

第三阶段：进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品。使PLC在概念，设计，性价比以及应用方面都有了新的突破。这一阶段的产品向大型和小型两个方向发展:

A、大型产品的I/O点数，超过4000点，有些产品达到8000个I/O点，用户存储区容量超过32KB，配置有各种智能模块（例如温度控制模块、轴定位模块、过程控制模块等）和通信模块，扫描速率也大大提高，达到0.47ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数、顺序控制外，还有算术浮点运算指令、PID调节功能指令、图形组态功能指令、网络和通信指令等。编程语言普遍采用梯形语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言（典型的有GRAFCET语言）。为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等。这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展，有16点I/O，24点I/O的整体型小型PLC在小型PLC上配置模拟量I/O、通信口、高速计数，指令上也设置有算术运算、比较指令以及PID调节指令。

B、小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和GRAFCET语言进行编程。

这一阶段PLC的软件设计也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在PLC产品上提供大量的通用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务给使用带来极大的方便。使用的编程器越来越完善，专用编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控，程序打印以及程序固化，实现图形组态，可以联网（即挂在PLC网络上），有些编程器还可以使用高级语言除了专用编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却了专用编程器，既便于推广又节省投资。随着技术的进步，PLC的功能越来越强，应用范畴越来越广，与其它工业控制机，如分散型控制系统（DCS）的界限已经不十分明显，很多以往必须由分散型控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上“交错”已经成为普遍现象。

PLC技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过PLC与各种单元自动化装置（如智能仪表、数字化传单装置、智能的液压和气动阀组等）以及现场总线、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。二、硬件设计2.1控制要求2.2选择PLC型号为了完成设定的控制任务，主要根据电梯的控制方式与输入/输出的点数和占用内存的多少来确定PLC的型号。本系统为四层楼的电梯，采用集选控制方式，所需输入/输出点数与内存容量估算如下输入/输出点数的估算：采用PLC构成四层简易电梯的电气控制系统。电梯的上下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为电梯下降。一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6.一层到四层有到位行程开关SQ1-SQ4。电梯内有一至四层的呼叫开关K7-K10和指示灯H7-H10：电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到为开关由行程开关ST1检测，开门到为开关由行程开关ST2检测。轿厢上下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两个指示灯。输入点共有14个，输出点共有16个，总共30个。内存容量的估算用户控制程序所需要的内存容量和内存利用率、出入/输出点数、用户的程序编写水平等有关。因此，在用户程序编辑前只能根据输入/输出点数，控制系统的复杂程度进行估算，本系统有开关量总点数30个，模拟量0个。利用估算PLC内存容量的计算公式：所需总内存点数=开关量I/O点总数X（10~15）+模拟量I/O总点数X（150~200）在按30%左右预留余数。估算本系统需要约1K字节的内存容量。综合I/O点数以及内存容量，S7—200的CPU226输入/输出的点数为24/16，足以满足要求。2.3系统设计流程图图2.1电梯升降图2.2电梯启停电梯在一楼，二三四有信号，电梯上升，没有信号，电梯不上升。电梯在二楼，一楼有信号，电梯下降，三四楼有信号，电梯上升。电梯在三楼，一二楼有信号，电梯下降，四楼有信号，电梯上升。电梯在四楼，一二三楼有信号，电梯下降。2.4I/O分配表2.5I/O接线图图2.3接线图三、软件设计3.1PLC梯形图概述梯形图是使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是从左至右，从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映射寄存器中的值，而不是根据解算瞬间时外部输入触点的状态来记性的3.2STEP7概述

STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP7的编程功能：

1．编程语言

基本编程语言：梯形图(LAD)、功能块图(FBD)和语句表(STL)。

S7-SCL(结构化控制语言)，S7-GRAPH（顺序功能图语言），S7HiGraph和CFC。

2．符号表编辑器

3．增强的测试和服务功能

设置断点、强制输入和输出、多CPU运行(仅限于S7-400)，重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态等。

程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找。

4．STEP7的帮助功能

按F1键便可以得到与它们有关的在线帮助。菜单命令“Help→contents”进入帮助窗口。STEP7的硬件组态与诊断功能

1．硬件组态

（1）系统组态：选择硬件机架，模块分配给机架中希望的插槽；

（2）CPU的参数设置；

（3）模块的参数设置，可以防止输入错误的数据。

2．通信组态

（1）网络连接的组态和显示；

（2）设置用MPI或PROFIBUS-DP连接的设备之间的周期性数据传送的参数。

（3）设置用MPI、PROFIBUS或工业以太网实现的事件驱动的数据传输，用通信块编程。3.3主程序梯形图初始复位置位指示灯上呼指示灯开门情况判断是否上下行上升下降指示灯箱体上升下降四、调试例如接通SQ1，表示轿厢原停楼层一，按S3，即I0.1接通一下，则Q0.7接通，三层内选指示灯亮，Q0.5接通，表示电梯上升，手动SQ1断开，电梯在底层与二层之间运行，一段时间后，二层指示灯亮，然后三次指示灯亮，直至SQ3接通，Q0.7断开，Q0.5断开，三层指示灯灭，电梯达到三层。电梯在一、二、三、四层分别设置一个行程开关，在轿厢内设置四个楼层内选按钮。在行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4都断开的情况下，呼叫不起作用。用指示灯来模拟电梯的运行过程。从一层到二层，接通I1.2即接通SQ1，表示轿厢原停楼层一，按S2，表示呼叫楼层二，则Q1.0接通，二层内选指示灯亮，Q0.5亮，表示电梯上升，断开SQ1，一层指示灯亮，一会，一层指示