《基于西门子S7-1200PLC的四层电梯控制系统设计》8900字

第1章绪论1.1课题研究背景和意义当代，随着社会经济的快速发展，电梯作为在建筑物内、外的特殊通行运输工具在我们生活中起着至关重要的作用。中国电梯行业起步较晚。从1949年到1979年30年间，中国安装的电梯总数只有10000台。随着我国改革开放和城市化的迅猛发展，我国的楼层越来越高，电梯已经成为人们日常生活必需的垂直运输工具，我国电梯制造业进入了快速发展阶段。我国电梯数量从2009年的130.7万台增加到2019年的709.75万台，复合年增长率为16.13%。虽然我国目前已经成为世界上拥有电梯数目最多的国家，但我国电梯的人均拥有量却远低于世界平均水平，大约只有世界电梯人均拥有量平均水平的三分之一。由此可见，我国电梯市场还远未完全饱和，我国电梯行业还有很大的发展空间。我国最初的传统电梯是由继电器来实现逻辑判断，但随着微电子技术和PLC的进步和发展，继电器控制已经不能满足人们的要求，逐渐被PLC控制所取代。1.2可编程逻辑控制器的介绍（1）定义可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是带有微处理器的专门针对工业生产而开发设计的一种自动化数字逻辑运算控制器，它将顺序控制、定时、计数、算术逻辑操作和逻辑判断等各种面向用户的逻辑控制指令随时进行数据储存和自动执行。PLC主要由CPU、数据内存、电源、输入/输出接口及数字模拟转换等模块组成。PLC具有可靠性高、操作简单、抗干扰能力强的特点，可以在工厂这种具有高温、振动等恶劣环境下工作，已经为工业自动控制作出重要贡献。（2）中央处理单元CPU中央处理器(CPU)是PLC大脑，它的性能决定着PLC的性能。它自动接收和储存用户程序和系统数据，并且能够自动检查输入输出接口、存储器、看门狗定时器和电源的状态。它还能够检查用户程序中的语法错误。当PLC控制器开始运行时，CPU在系统的外部监控程序的控制下开始工作，它将外部输入信号的状态和输入数据以扫描方式写入输入映像存储区，然后从程序存储器按顺序逐个读取用户指令，按用户指令进行逻辑运算、数据传输等操作，然后将逻辑运算结果送到输出映像区。（3）存储器PLC存储器主要用于储存系统程序、系统工作数据、逻辑变量和用户程序等相关数据信息。PLC的存储器包含系统程序存储器和用户程序及数据存储器。系统程序存储器用于储存只能由厂家编写然后固化到只读存储器中的系统软件，这部分用户无法更改。用户程序及数据存储器用于存放用户程序和数据。（4）输入输出接口输入/输出接口实际上是PLC与受控设备之间进行信号传递的一个接口部件。输入接口的功能主要是采集并接收各种输入信号，其中输入信号分为两类：开关量输入和模拟量输入。输入单元还需要将这些不同种类电平信号进行转化，变为CPU可以识别并进行处理的数字信号。输出接口的功能是把寄存着PLC运算结果的数字信号进行转化，变成外部设备能接收并进行处理的电平信号，并将电平信号传送给外部设备，驱动被控对象的执行元件动作。（5）电源电源的功能是将外部的交流电转换成PLC内部所需的直流电，目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电，PLC的内部开关电源为PLC的中央处理器、I/O接口、存储器等电路提供5V、-12V/12V、24V直流电源。1.3PLC工作原理当PLC控制器开始运行后，它的具体工作流程一般可以分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。PLC采用循环扫描工作方式，完成一次三个阶段的时间称为PLC的扫描周期，如图1.1。图1.1PLC的工作原理1、输入采样阶段在每个输入采样处理阶段，PLC依次读取各个不同输入端子的输入状态，并将这些输入状态存储在输入映像寄存器的相应单元中。这过程我们称为输入采样阶段。PLC完成各输入端子的输入采样后，将之输入用户程序以执行。在这个阶段，无论输入信号如何随程序改变，输入映像寄存器中的数据都不会随之改变。仅在下一个周期对输入进行采样时，才会再次读取输入映像寄存器中的数据。2、程序执行阶段在程序执行阶段，PLC按照先上后下、先左后右的顺序扫描程序。当扫描程序遇到输入端子的输入状态时，PLC从输入映像寄存器读取响应信号，然后用户程序执行相应的逻辑判断并将逻辑判断的结果存储在相应的寄存器中。存储在该寄存器中的内容将随着程序的执行而变化，并随时间而变化。当扫描程序遇到输出端子时，PLC将存储在寄存器中的数据输出到输出映像寄存器。3、输出刷新阶段当用户程序执行完后，PLC把相应寄存器内的数据输出到相应的输出映像寄存器中的对应状态，然后输出到相应的输出锁存电路，再通过相应的功率放大电路，驱动相应的外部设备装置。1.4论文主要内容本文共主要分为三部分，分别为系统总体设计、系统硬件设计和系统软件设计。系统总体设计部分主要从输入部分、输出部分以及可编程控制器的基本工作过程等方面介绍了电梯PLC的控制系统结构以及从电梯实际的运行情况出发推出电梯控制系统的控制要求，也是编程的第一步。系统硬件设计部分主要是系统硬件部分的设计。这部分介绍了电梯控制系统的主电路，通过对输入输出点的估算选出本次设计所需要的硬件主控制器CPU1214CDC/DC/DC以及扩展模块SM1223。进行了电梯控制系统的输入信号和输出信号的地址分配，设计了电梯控制系统的外部接线图。系统软件设计部分主要介绍了系统软件设计。画出了整个系统的流程图，也详细的介绍了程序要实现的基本功能和程序设计的基本思路，为后期编写梯形图程序奠定了基础。在最后介绍了PLC电梯控制系统的程序仿真和调试工作。同时仿真结果也表明本次设计达到本次设计预期目标。第2章系统总统设计2.1电梯PLC控制系统结构四层电梯控制系统的输入部分主要是由平层信号、内呼命令信号、外呼命令信号、开关阀门信号和红外传感信号组成。输出部分主要包括内外呼梯指示灯、开关阀门控制、楼层显示和运行方向指示灯等几部分。在PLC的输入采样阶段把输入端子的输入信号读取到输入映像寄存器的相应储存单元，然后再根据用户指令进行一系列的逻辑运算，再把这些逻辑操作和运算结果储存到输出映像寄存器的相应单元，最后再通过输出刷新阶段驱动内外呼梯指示灯、楼层显示以及运行方向指示显示灯作用，输出刷新阶段还驱动电梯开关门信号、上升信号或下降信号曳引电机或门电机发出正反转控制命令。电梯控制系统基本结构框图如图2.1所示。图2.1PLC控制系统的结构框图2.2电梯控制系统设计流程PLC电梯控制系统的设计流程如图2.2所示，根据电梯的实际运行情况分析得到电梯控制系统所要实现的功能，然后分析得到系统控制要求，再根据电梯的控制要求找出I/O点，再把这些I/O点进行合理的地址分配，再根据输入输出点的数目选择合理的硬件，本次设计选择的是主控制器CPU1214CDC/DC/DC以及扩展模块SM1223，经检验该硬件满足设计要求。根据电梯的实际运行情况分析得到合理的程序流程图，再根据程序流程图和所选取的输入输出变量编写梯形图程序，在程序编写完毕后，将编好的程序下载到仿真器里仿真，用系统自带的HMI绘制画面并与PLC相连接，然后再把HMI变量与PLC中的对应变量相连接，运行并修改程序，直到满足系统要求。分析控制要求分析控制要求进行I/O分配进行I/O分配选择合适的硬件选择合适的硬件绘制流程图绘制流程图编程编程调试与运行调试与运行图2.2PLC电梯控制系统设计思路流程图2.3电梯控制系统控制要求（1）乘客呼叫信号的确定呼叫信号分为电梯内乘客的呼叫请求和电梯外乘客的呼叫请求。电梯内的乘客按下所要去的楼层所对应的按钮发出的信号称为内选信号，当内选信号请求时，该请求会被储存并点亮该内选按钮所对应的指示灯，当到达该楼层指示灯熄灭。外呼信号分为外呼上升信号和外呼下降信号，外呼下降呼叫时，电梯处于上升状态时，保存但不响应该信号，当电梯处于下降状态时响应该信号。外呼上升信号呼叫时亦然。（2）轿厢位置的确定要在电梯内和各楼层都要安装显示器来显示轿厢所在的楼层，方便乘客乘坐。（3）上升和下降的呼叫请求电梯的上升和下降时根据乘客的呼叫请求而确定的，电梯在上升的过程中，电梯只响应向上乘客的请求，对于下降乘客的请求只记忆不响应。只有当电梯响应完最远楼层的乘客后，电梯才反向去响应向下乘客的请求。同理，电梯在下降的过程中，电梯只响应向下乘客的请求，对于向上乘客的请求只记忆不响应。（4）电梯的开关门控制只有当电梯楼层限位信号发生时才能开关门，在没有到达各楼层限位时，手动开关门按钮不起作用。（5）安全保护功能电梯关乎乘客的生命安全，必须严格保护电梯和乘客的安全。因此在本次设计中增加了故障按钮和警报按钮。总而言之，电梯的控制系统是复杂的，传统电梯控制系统是由继电器来实现逻辑判断，随着时代的不断进步和科技的发展，继电器电梯控制系统由于自身存在的各自问题已经不能满足人们的日常需求，目前已经采用可编程逻辑控制器来取代继电器电梯控制，使用可编程逻辑控制器电梯控制系统可以使得电梯运行更加舒适、效率更高。为了提高电梯运行效率和方便乘客乘坐，电梯内外都安装数字显示器来显示电梯所在楼层。在电梯外的乘客可以按外呼上升按钮或外呼下降按钮来呼叫电梯。然后电梯对一系列的呼叫请求进行逻辑判断来确定电梯所要到达的楼层以及判断电梯是先响应上升请求还是下降请求。因此，如果电梯运行的方向和电梯外乘客选择的方向相同时，电梯停靠让乘客乘坐。到达指定楼层后会自动熄灭指灯。假如电梯停在一楼，某楼层电梯外有乘客按下外呼上升呼叫请求或外呼下降呼叫请求时，电梯会立即响应该呼叫信号，到达该楼层后，电梯会自动开关门。在电梯上升阶段，只能响应上升乘客的请求，对于下降乘客的请求只记忆不响应。同理，在电梯下降阶段，只能响应下降乘客的请求，对于上升乘客的请求只记忆不响应。但当电梯上升或下降时，前方没有了呼叫请求信号，电梯会反方向响应其他乘客的呼叫请求。第3章系统硬件设计3.1电梯控制系统主电路根据四层电梯控制系统的控制要求，本次设计主要由两台电动机完成，一台负责电梯升降的曳引电机，一台负责电梯开关门的门电机。曳引电机和门电机的主电路图如图3.1所示。在本次设计中，用接触器来实现对曳引电机和门电机的正反转和停止控制。图中的FU为熔断器，在电路中起着短路保护的作用。FR为热继电器，在系统中起着过载保护的作用。图3.1四层电梯的主电路3.2I/O点估算在本次四层电梯控制系统中使用曳引电机和门电机分别来实现电梯的升降和电梯开关门。在一楼电梯外安装外呼上升按钮以及它所对应的指示灯，在二楼和三楼的电梯外安装外呼上升护叫按钮和外呼下降呼叫按钮以及它们各自对应的指示灯。在四楼电梯外安装外呼下降按钮以及它所对应的指示灯。并且在一楼到四楼电梯外安装数字显示器来显示电梯所在楼层。在一楼到四楼还安装着平层开关和电梯的门限开关。在电梯内设有到达每一层的内呼按钮以及它们各自的指示灯。在电梯内设有手动开门按钮和关门按钮以及它们各自的指示灯。在电梯门上设有红外传感器来保护乘客安全。电梯内还设有超重检测设备和报警按钮来保证电梯安全。本次设计的系统输入点有21个，输出点有14个，I/O点共设置36个。因此，本此设计采用的主控制器CPU1214CDC/DC/DC以及扩展模块SM1223满足设计要求。3.3输入输出点分配表3.1I/O分配表仪器名称说明输入点仪器名称说明输出点SQ1一层限位开关I0.0KM1电梯上升Q0.0SQ2二层限位开关I0.1KM2电梯下降Q0.1SQ3三层限位开关I0.2KM3电梯开门Q0.2SQ4四层限位开关I0.3KM4电梯关门Q0.3SB1一层按钮I0.4HL1一层内按钮指示灯Q0.4SB2二层按钮I0.5HL2二层内按钮指示灯Q0.5SB3三层按钮I0.6HL3三层内按钮指示灯Q0.6SB4四层按钮I0.7HL4四层内按钮指示灯Q0.7SB11一层外上升按钮I1.0H11一层上升指示灯Q1.0SB21二层外上升按钮I1.1H21二层上升指示灯Q1.1SB31三层外上升按钮I1.2H31三层上升指示灯Q2.0SB22二层外下降按钮I1.3H22二层下降指示灯Q2.1SB32三层外下降按钮I1.4H32三层下降指示灯Q2.2SB42四层外下降按钮I1.5H42四层下降指示灯Q2.3SB5开门按钮I2.0BJ电梯故障报警Q2.4SB6关门按钮I2.1CZ超重警告Q2.5SB7检修开关I2.2SQ5开门门限I2.3SQ6关门门限I2.4BJ报警I2.5SA红外传感器I2.63.4PLC的外部接线图根据输入输出点的数目以及电梯控制系统的设计要求，本次设计选择的硬件是主控制器CPU1214CDC/DC/DC以及扩展模块SM1223，本次设计的四层电梯控制系统的外部接线图如图3.2所示。图3.2四层电梯的主电路第4章系统软件设计本次设计选用的是西门子S7-1200PLC，这是一款结构简单、易学易用且功能强大的模块化PLC。PLC是通过用户程序实现对电梯控制系统的控制，PLC常见的程序汇编语言主要有五种，而其中最为常用的汇编语言是梯形图语言。本次设计采用的就是梯形图语言，梯形图语言逻辑简单、清晰直观，让人更加容易学习和掌握，还能够让人清晰的看到PLC程序的执行过程和执行结果。而且梯形图是图形化语言，与C语言和汇编语言相比，梯形图的指令能够让人更加容易理解和运用。S7-1200PLC控制程序用博图汇编软件开发。博图是西门子公司开发的面向工厂自动化生产而设计的一款集成工程组态和软件项目环境开发而一体的自动化软件。它具有简单快捷的操作界面，以及简单实用、直观明了的程序编程和调试功能。使用博图梯形图的编程可以简单快捷的实现对自动化任务的监视和控制。4.1系统流程图如图4.1为流PLC电梯控制系统的工作程图，从图中可知在电梯通电后，先进行初始化，使PLC程序变量里的数据变为初始数据。然后等待呼叫请求，当电梯内呼或电梯外呼时，判断呼叫请求的楼层是否为当前楼层，如果请求信号的楼层为当前楼层，电梯发出开门命令实现开门，延时3秒后关门。如果请求信号的楼层不是当前层，判断请求信号的楼层是大于当前楼层还是小于当前楼层，如果大于当前楼层，电梯上升。如果小于当前楼层，电梯下降。当电梯检测到指定楼层限位信号时，电梯发出停止命令。电梯发出开门命令实现开门，延时3s后关门。在电梯的平层限位信号作用时，开关门按钮可以实现对电梯开关门的控制。以上为电梯的运行形况，除了上述的电梯运行情况还有各种指示灯来显示电梯的运行情况。当呼叫按钮请求时，该呼叫按钮指示灯亮，当电梯执行完该请求时，指示灯熄灭。在各楼层和电梯内还有数字显示器来显示当前电梯所在楼层，并且随着电梯的楼层变化而变化。图4.1系统流程图4.2梯形图设计1、开关门环节电梯的开关门存在以下几种情况：（1）呼梯开门。当电梯停靠在某一楼层时，当有乘客按下该楼层的外呼按钮时，电梯应发出开门命令实现开门让乘客进入。当有其他楼层的乘客按下外呼按钮时，电梯首先应该进行逻辑判断确定电梯的运行方向，然后电梯按逻辑顺序运行，当电梯运行到指定楼层时，电梯应自动开门让乘客进入。（2）电梯自动停靠时的开门。电梯正处于运行状态时，有乘客下电梯或上电梯时，电梯在呼叫请求信号和该层平层信号共同作用下停止运行，电梯应自动开门。（3）关门过程中重新开门。在电梯关门过程中，当有人想要进入电梯，这时电梯内的乘客按下开门按钮，电梯会发出开门信号实现开门。同时，在关门期间如果有物体挡在两门中间，安装在门上的红外传感器会发出信号，电梯会发出开门命令实现开门。（4）自动关门。电梯在开门后延时3秒，电梯执行关门命令。（5）手动关门。电梯在开门过程中或者是在开门后延时的3秒内，如果有乘客按下关门按钮，电梯立即执行关门命令。图4.2电梯开关门程序2、内呼请求信号的登记和消除环节当电梯内的乘客按下内呼按钮后，该按钮指示灯变亮，电梯收到内呼请求后，响应该信号，当电梯到达指定楼层后，电梯楼层限位信号作用，内呼请求信号被清除，按钮指示灯熄灭。图4.3电梯内呼程序3、外呼请求信号的登记和消除环节当乘客在电梯外按下外呼上升按钮或按外呼下降按钮时，该按钮指示灯亮，当电梯到达该楼层时，外呼请求信号被消除，指示灯熄灭。图4.4电梯外呼程序4、平层信号的产生和消除环节当电梯到达某一楼层时，该楼层的限位信号发出平层信号，同时该信号驱动数字显示器显示轿厢所在位置。当电梯到达其他楼层时，该信号会被该楼层的信号所覆盖并驱动数字显示器显示目前电梯轿厢所在位置。图4.5电梯平层程序5、电梯的定向环节电梯有时会同时收到多个请求信号，在这种情况下，电梯应该首先解决定向问题以实现最大效率的完成乘客运输。当电梯正处于上升状态时，电梯会先将比当前楼层更高的楼层的上升信号执行完，才会执行下降信号。同理，当电梯正处于下降状态时，电梯会先将比当前楼层更低的楼层的下降信号执行完，才会执行上升信号。图4.6电梯定向程序4.3程序的仿真和调试本次设计通过使用博途软件实现程序编程和仿真，同时使用博图软件自带的人机界面（HMI）进行上位机显示来实现对电梯的PLC梯形图程序的控制、仿真和监控。使用HMI的主要步骤：（1）打开软件TIAPortalV15软件并创建新项目。（2）添加所要用PLC和HMI。（3）进行HMI与PLC的连接。（4）用编程模块进行编写程序。（5）对HMI内的画面建立电梯系统仿真画面。（6）在HMI变量表里新建需要的变量，建立变量的数据类型要与即将要连接的PLC变量数据类型一致，否则会报错。（7）通过选择HMI变量表里的变量，找到与之对应的PLC变量将其选中，建立起它们之间的连接。（8）将编写好的程序进行编译下载仿真。程序仿真与运行结果如图所示，表明本次设计达到预期的目标。图4.7电梯上升模拟图图4.8电梯下降模拟图图4.9电梯开关门模拟图第5章结论本次设计用PLC实现对电梯的运行控制。本次设计的主要对象是PLC，利用PLC的输入输出和逻辑运算等功能完成了对四层电梯的轿内选层、轿外呼唤、楼层位置检测、自动关门控制等功能。根据自己所编写的梯形图和电梯运行模拟仿真画面不仅能真实的表现实际电梯的运行情况，还能验证自己所编写的梯形图程序是正确的。通过对实际电梯运行状态的分析，合理的进行了PLC硬件选型、参数设定以及正确高效的软件编程，本设计达到了预期的目标，实现了四层电梯的基本功能，提高了电梯的舒适度和运行效率，极大地节约了电梯耗能。另外，本设计还有一些缺陷和不足，由于自己的专业知识不足，本次设计只能通过PLC的HMI来模拟电梯运行，这样肯定会与实际电梯有一定的差距。本次设计最大的问题是没有考虑电梯运行速度的问题。另外，我相信本次设计还有一些我没有找到的问题，恳请各位老师指正。同时我相信随着时代的进步和科技的发展，未来的电梯一定能够更加舒适和高效，能够为人们的日常生活和工作带来更大的便利。通过本次设计，我不仅对书本上的知识有了更深的理解，同时学会了通过各种途径查课外资料，极大的地开拓了自己的视野，认识到自己掌握的知识还有很大的不足，希望以后自己能够更加深入地了解本专业的各种课程。在本次设计过程中，极大地提高了自己的动手能力，让自己更加了解实际生产的需要，对自己未来工作有很大的帮助。参考文献[1]廖常初.S7-1200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2017.[2]徐世许.电气控制技术与PLC[M].北京：人民宫淑贞邮电出版社，2013.[3]宫淑贞，王冬青，徐世许.可编程控制器原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2002.[4]SiemensAG.S7-1200系统手册，2016.[5]SiemensAG.S7-1200入门手册，2015.[6]ChongYuan,YeLiu,TianzeLi,TaoGao.MatildaFloorElevatorPLCControlCircuitDesign[J].InternationalJournalofAdvancedPervasiveandUbiquitousComputing(IJAPUC),2017,9(1).[7]XuexiaZhang,ZhangXuexia,ShangYin