基于-PLC的六層電梯系統(tǒng)設(shè)計

1、 電氣及自動化課程設(shè)計報告題 目： 基于PLC的六層電梯系統(tǒng)設(shè)計 課 程： PLC原理與應用 學生： 學生學號： 年 級： 14級 專 業(yè)： 自動化 班 級： 2班 指導教師：機械與電氣工程學院制2017年6月目錄1課程設(shè)計的任務及要求11.1課程設(shè)計的任務11.2課程設(shè)計的要求12設(shè)計的容及主要功能12.1設(shè)計容12.2主要功能13 PLC概述23.1 PLC的定義23.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)23.3 PLC工作原理43.4 PLC編程語言44 電梯簡介54.1 電梯結(jié)構(gòu)54.2 電梯控制要求75 系統(tǒng)硬件選取85.1 PLC的選取85.2 系統(tǒng)I/O分配表96 系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真116.1

2、初始化116.2 外呼信號的記憶與消除116.3 平層信號126.4 電梯上下行信號136.5 自動及手動開關(guān)門信號146.6 加減速信號156.7 程序仿真177設(shè)計總結(jié)20參考文獻211 / 23基于PLC的六層電梯系統(tǒng)設(shè)計機械與電氣工程學院 自動化專業(yè)1課程設(shè)計的任務及要求1.1課程設(shè)計的任務使用西門子S7-200PLC編寫程序?qū)崿F(xiàn)六層電梯系統(tǒng)的設(shè)計并使用仿真軟件進行其功能的實現(xiàn)。1.2課程設(shè)計的要求（1）編程實現(xiàn)按下呼梯按鈕時按鈕指示燈亮；（2）編程實現(xiàn)電梯自動平層，加減速；（3）編程實現(xiàn)電梯到層后自動開門與自動關(guān)門；（4）運行過程中監(jiān)控電梯所在樓層并顯示在數(shù)碼管上。2設(shè)計的容及主要功

3、能2.1設(shè)計容目前電梯的控制普遍采用了兩種方式，一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實現(xiàn)電梯的自動調(diào)度和集選運行功能，拖動控制則由變頻器來完成；第二種控制方式用可編程控制器取代微機實現(xiàn)信號控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大的區(qū)別。PLC可靠性高，程序設(shè)計方便靈活。本設(shè)計在用PLC控制電梯進行上下行，開關(guān)門等動作。2.2主要功能（1）行車途中如遇呼梯信號時，順向截車，反向不截車；（2）選信號、呼梯信號具有記憶功能，執(zhí)行后解除；（3）選信號、呼梯信號、行車方向、行車樓層位置均有信號燈指示；（4）停層時可延時3s自動開門、手動開門、(關(guān)門過程中)本

4、層順向呼梯開門；（5）有選信號時延時自動關(guān)門，關(guān)門后延時自動行車；（6）停層進人超重時進行報警不關(guān)門，行車過程超重不響應外呼信號；（7）集選控制，將所有呼梯信號集中進行分析比較選取最優(yōu)路線行車。3 PLC概述3.1 PLC的定義20世紀70年代末至80年代初期，微處理器日趨成熟，使PLC的處理速度大大提高，增加了許多功能。在軟件方面，除了保持原有的邏緝運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡通信、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊，并擴大了存儲器的容量，而且還提供一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器。為此，美國電氣制造

5、協(xié)會將可編程序邏輯控制器，正式命名為編程序控制器（Programmable Controller），簡稱PC。但由于PC容易和個人計算機PC（Personal puter）混淆，故人們?nèi)粤晳T地用PLC作為可編程序控制器的簡稱1。    由該定義可知：PLC是一種由“事先存貯的程序”來確定控制功能的工控類計算機。3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖2.1所示：圖3-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)1、中央處理單元（CPU） 中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并

6、存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)：檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤，當PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高PLC 的可靠性，靈活性，近年來對大型PLC 還采用雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個C

7、PU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行2。2、存儲器（Memory） 可編程控制器的控制中樞，在系統(tǒng)監(jiān)控下工作，承擔著將外部輸入的信號的狀態(tài)寫入映像寄存器區(qū)域，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域。CPU常用的微處理器有通用型微處理器，單片機和位片式計算機等。小型PLC的CPU多采用單片機或?qū)Ｓ玫腃PU。大型PLC的CPU多用位片式結(jié)構(gòu)，具有高速數(shù)據(jù)處理能力。 3、基本I/O接口電路 （1）輸入接口單元。PLC部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的、符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光耦電路送至PLC部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容

8、濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應時間一般在0.115ms之間。多數(shù)PLC的輸入接口單元都相同，通常有兩種類型。一種是直流輸入，一種是交流輸入。 （2）輸出接口單元。PLC輸出電路用來將CPU運算的結(jié)果變換成一定形式的功率輸出，驅(qū)動被控負載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等）。PLC輸出電路結(jié)構(gòu)形式分為繼電器式、晶閘管式和晶體管輸出型等三種。 4、接口電路 PLC接口電路分為I/O擴展接口電路和外設(shè)通信接口電路兩類 （1）I/O擴接口電路 I/O擴展接口電路用連接I/O擴展單元，可以用來擴充開關(guān)量I/O點數(shù)和增加模擬量的I/O端子。I/O擴展接口電

9、路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。 （2）外設(shè)通信接口電路 通信接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能組成PLC的控制網(wǎng)絡。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS-485接口和電纜與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能3。 3.3 PLC工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在

10、每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段4。圖3-2 PLC工作原理圖3.4 PLC編程語言梯形圖編程語言的特點是：與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；與原有繼電器控制相一致，電氣設(shè)計人員易于掌握5。梯形圖編程語言與原有的繼電器控制的不同點是，梯形圖中的能流不是實際意義的電流，部的繼電器也不是實際存在的繼電器，應用時，需要與原有繼電器控制的概念區(qū)別對待6。圖3-3 西門子S7-200梯形圖語言4 電梯簡介4.1 電梯結(jié)構(gòu)電梯是機、電一體化產(chǎn)品。用電氣其機械部分好比是人的軀體，電氣部分相當于人的神經(jīng)，控

11、制部分相當于人的大腦。各部分通過控制部分調(diào)度，密切協(xié)同，使電梯可靠運行。盡管電梯的品種繁多，但目前使用的電梯絕大多數(shù)為電力拖動、鋼絲繩曳引式結(jié)構(gòu)，其機械部分由曳引系統(tǒng)，轎廂和門系統(tǒng)，平衡系統(tǒng)，導向系統(tǒng)以及機械安全保護裝置組成。而電氣控制部分由電力拖動系統(tǒng)，運行邏輯功能控制系統(tǒng)和電氣安全保護等系統(tǒng)組成。電梯基本結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。（1）曳引系統(tǒng) 電梯曳引系統(tǒng)的功能是輸出動力和傳遞動力，驅(qū)動電梯運行。主要由曳引機，曳引鋼絲繩，導向輪和反繩輪組成。曳引機為電梯的運行提供動力，由電動機，曳引輪，連軸器，減速箱，和電磁制動器組成。曳引鋼絲的兩端分別連著轎廂和對重，依靠鋼絲繩和曳引輪之間的摩擦來

12、驅(qū)動轎廂升降。導向輪的作用是分開轎廂和對重的間距，采用復繞型還可以增加曳引力。圖4-1 電梯結(jié)構(gòu)2）導向系統(tǒng) 導向系統(tǒng)由導軌，導靴和導軌架組成。它的作用是限制轎廂和對重的活動自由度，使得轎廂和對重只能沿著導軌做升降運動。（3）門系統(tǒng) 門系統(tǒng)有轎廂門，層門，開門，連動機構(gòu)等組成。轎廂門設(shè)在轎廂入口，由門扇，門導軌架，等組成，層門設(shè)在層站入口處。開門機設(shè)在轎廂上，是轎廂和層門的動力源。 （4）轎廂 轎廂是運送乘客或者貨物的電梯組件。它是有轎廂架和轎廂體組成的。轎廂架是轎廂體的承重機構(gòu)，由橫梁，立柱，底梁，和斜拉桿等組成。轎廂體由廂底，轎廂壁，轎廂頂以及照明通

13、風裝置，轎廂裝飾件和轎廂操縱按鈕板等組成。轎廂體空間的大小由額定載重量和額定客人數(shù)決定 （5）重量平衡系統(tǒng) 重量平衡系統(tǒng)由對重和重量補償裝置組成。對重由對重架和對重塊組成。對重將平衡轎廂自重和部分額定載重。重量補償裝置是補償高層電梯中轎廂與對重側(cè)曳引鋼絲繩長度變化對電梯的平衡設(shè)計影響的裝置。 （6）電力拖動系統(tǒng) 電力拖動系統(tǒng)由曳引電機，供電系統(tǒng)，速度反饋裝置，調(diào)速裝置等組成，的作用是對電梯進行速度控制。曳引電機是電梯的動力源，根據(jù)電梯配置可采用交流電機或者直流電機。供電系統(tǒng)是為電機提供電源的裝置。速度反饋系統(tǒng)是為調(diào)速系統(tǒng)提供電梯運行速度信號。一般采用測速

14、發(fā)電機或速度脈沖發(fā)生器與電機相連。調(diào)速裝置對曳引電機進行速度控制。 （7）安全保護系統(tǒng) 安全保護系統(tǒng)包括機械的和電氣的各種保護系統(tǒng)，可保護電梯安全的使用。機械方面的有：限速器和安全鉗起超速保護作用，緩沖器起沖頂和撞底保護作用，還有切斷總電源的極限保護裝置。電氣方面的安全保護在電梯各個運行環(huán)節(jié)中都有體現(xiàn)7。4.2 電梯控制要求根據(jù)不同樓層客戶需求及時響應，實現(xiàn)自動平層、開關(guān)門、超重提示、實現(xiàn)上下限位，層門聯(lián)鎖保護等，并根據(jù)不同的需現(xiàn)合理的響應。具體地，應具備如下功能：（1）電梯初始化比賽開始時，電梯模型會給出自動運行信號，示意比賽開始，控制程序需要在收到該信號后，進行必要的初

15、始化工作，完成后使電梯位于基站（即一層）待命，并返回準備就緒信號以確認。（2）集選控制集選控制是指在信號控制的基礎(chǔ)上把召喚信號集合起來進行有選擇的應答。電梯在運行過程中可以應答同一方向所有層站呼梯信號和轎廂的選層指令信號，并自動在這些信號指定的層站平層?？?。（3）開關(guān)門控制電梯門會根據(jù)當前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號、選層信號及光幕信號狀態(tài)等，合理的進行相應的響應。當門未全關(guān)時，如有光幕信號，須優(yōu)先響應，保持電梯門打開；當電梯平層開門后，延時關(guān)閉，此時間可修改。（4）啟?？刂聘鶕?jù)電梯主電路，完成按時間原則的啟動、停止過程。當電梯平層時，需要依時間原則依次觸發(fā)三級制動減速，待平層后，切斷上

16、行、下行接觸器，抱閘停車。（5）運行控制在運行過程中，需要始終對當前運行方向、當前樓層（采用七段數(shù)碼管顯示）進行實時監(jiān)控與顯示。5 系統(tǒng)硬件選取5.1 PLC的選取根據(jù)電梯設(shè)計的輸入輸出接點要求，選取圖5-1中的西門子S7-200 CPU226 PLC，同時為了擴充輸入輸出接口，還需要EM223擴展模塊。表5-2-1 S7-200系列選型表規(guī)格/描述CPUDC/DC/DC；6點輸入/4點輸出CPU221AC/DC/繼電器；6點輸入/4點輸出DC/DC/DC；8點輸入/6點輸出CPU222AC/DC/繼電器；8點輸入/6點輸出DC/DC/DC；14點輸入/10點輸出CPU224AC/DC/繼電器

17、；6點輸入/4點輸出DC/DC/DC；24點輸入/16點晶體管輸出CPU226AC/DC/繼電器；24點輸入/16點輸出數(shù)字量擴展模塊系列號4點輸入，24V DC 4點輸出，24V DCEM2234點輸入，24V DC 4點輸出，24V 繼電器16點輸入，24V DC 16點輸出，24V DC16點輸入，24V DC 16點輸出，24V 繼電器32點輸入，24V DC 32點輸出，24V DC5.2 系統(tǒng)I/O分配表六層電梯輸入變量如表5-3-1所示：表5-3-1輸入接口序號變量名稱偏移地址1六層下行按鈕I +1.02五層下行按鈕I +1.13五層上行按鈕I +1.24四層下行按鈕I +1.3

18、5四層上行按鈕I +1.46三層下行按鈕I +1.57三層上行按鈕I +1.68二層下行按鈕I +1.79二層上行按鈕I +2.010一層上行按鈕I +2.111轎廂按鈕6I +2.212轎廂按鈕5I +2.313轎廂按鈕4I +2.414轎廂按鈕3I +2.515轎廂按鈕2I +2.616轎廂按鈕1I +2.717轎廂門開按鈕I +3.018轎廂門關(guān)按鈕I +3.119紅外光幕信號I +3.220超重信號I +3.321檢修開關(guān)I +3.422轎廂門鎖信號I +3.5231層樓層門鎖信號I +3.6242層樓層門鎖信號I +3.7253層樓層門鎖信號I +4.0264層樓層門鎖信號I +4.

19、1275層樓層門鎖信號I +4.2286層樓層門鎖信號I +4.329電梯門開到位信號I +4.430電梯門關(guān)到位信號I +4.531上平層信號I +4.632下平層信號I +4.733上端站第1限位I +5.034上端站第2限位I +5.135下端站第1限位I +5.2六層電梯輸出變量如表5-3所示：表5-3-2 輸出接口序號變量名稱偏移地址1六層外呼指示燈（下）Q +2.02五層外呼指示燈（下）Q +2.13五層外呼指示燈（上）Q +2.24四層外呼指示燈（下）Q +2.35四層外呼指示燈（上）Q +2.46三層外呼指示燈（下）Q +2.57三層外呼指示燈（上）Q +2.68二層外呼指示燈

20、（下）Q +2.79二層外呼指示燈（上）Q +3.010一層外呼指示燈（上）Q +3.111六層呼指示燈Q +3.212五層呼指示燈Q +3.313四層呼指示燈Q +3.414三層呼指示燈Q +3.515二層呼指示燈Q +3.616一層呼指示燈Q +3.717七段數(shù)碼顯示aQ +4.018七段數(shù)碼顯示bQ +4.119七段數(shù)碼顯示cQ +4.220七段數(shù)碼顯示dQ +4.321七段數(shù)碼顯示eQ +4.422七段數(shù)碼顯示fQ +4.523七段數(shù)碼顯示gQ +4.624上行指示Q +4.725下行指示Q +5.026電機啟動信號Q +5.127故障指示Q +5.228照明Q +5.329風扇Q +

21、5.430上行接觸器Q +5.531下行接觸器Q +5.632開門繼電器Q +5.733關(guān)門繼電器Q +6.034高速運行Q +6.135低速運行Q +6.236一級制動接觸器Q +6.337二級制動接觸器Q +6.46 系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真6.1 初始化電梯在每次斷電重新上電后都需進行初始化運行，以便于電梯在下一步平層信號的判斷，具體程序如圖6-1所示：圖6-1 電梯初始化6.2 外呼信號的記憶與消除按下電梯的外呼按鈕后，電梯指示燈亮，直至電梯停在呼叫的當層，并開門時呼叫指示燈熄滅，具備了保持記憶的功能，部分程序如圖6-2所示；呼指示燈因為電梯是呼優(yōu)先的邏輯進行上下行，所以當電梯平層后，指示燈

22、即消失，外呼指示燈則要根據(jù)電梯的上下行與外呼的上下指示燈及電梯的運行方向來判斷是否消除，呼指示燈程序如圖6-3所示：圖6-2 外呼信號的記憶與消除圖6-3 呼指示燈6.3 平層信號本電梯設(shè)計時，為了節(jié)約成本只在轎廂用了兩個平層傳感器，井道上設(shè)置鋼板來返回平層信號，所以電梯每次斷電后會進行初始化來進行層數(shù)重置，利用加減計數(shù)器來判斷電梯所處位置，輸出平層信號，如圖6-4所示：圖6-4 平層信號6.4 電梯上下行信號設(shè)計中將電梯處于各層位置時的呼梯信號進行集中，然后根據(jù)呼優(yōu)先，順向截梯，方向信號記憶，來判斷上下行，部分程序如圖6-5、6-6、6-7、6-8所示：圖6-5 電梯上行信號圖6-6 電梯上

23、行接觸器圖6-7 電梯下行信號圖6-8 電梯下行接觸器6.5 自動及手動開關(guān)門信號電梯停車后，將延時2S自動開門，根據(jù)停車信號、平層信號及上下行接觸器斷電后開始計時，2S后定時器接通，開門繼電器得電，同時具有手動開門功能，當電梯處于平層狀態(tài)時，按動當前樓層的外呼按鈕，電梯的上下行接觸器沒有接通的情況下，電梯會開門，為了保證安全，開門過程中還具備了開門時間過長未接收到開門到位信號自動關(guān)門的功能，程序如圖6-9所示；在關(guān)門信號中，當開門到位后，延時4S進行自動關(guān)門，為了保證安全，接收到紅外光幕信號時，電梯由關(guān)門轉(zhuǎn)為開門，程序如下圖所示：圖6-9 開門信號圖6-10 關(guān)門信號6.6 加減速信號電梯是

24、為了人們的方便與快捷而研制出來的，同時更應該具備著舒適的功能，所以電梯需要有加減速功能，本文中，當電梯上行時上平層接觸器接通代表著平層信號接通，所以我利用上下平層傳感器接通的間隔時間進行減速控制，當電梯上行時遇到要停車樓層的下平層信號開始停車制動，直至電梯運行至上平層接觸器接通，開始延時三級制動，同時啟動時先低速運行，延時1S后轉(zhuǎn)為高速運行，進行加速，程序如下：圖6-11 電梯減速信號圖6-12 電梯三級制動抱閘信號圖6-13 電梯啟動時以低速運行信號6.7 程序仿真（1） 初始化當PLC上電時，初始化下行信號M7.0接通，下行接觸器Q5.6接通，電梯開始下行直至下端第二限位I5.3接通，電梯停止下行完成初始化。圖6-14 初始化下行信號圖6-15 下行至下端第二限位（2）外呼指示燈當電梯初始化完成后，按下非當前樓層的外呼按鈕，對應的指示燈點亮并記憶，直至電梯運行至目的層并開門消除。按下二層外呼上行按鈕I2.0和二層呼按鈕I2.6時，二層外呼上行指示燈I3.0和二層呼指示燈I3.6亮，當電梯運行至二層開門時(手動