课程设计（论文）-四层电梯控制系统设计.doc

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1、目 录 摘 要.II 目 录III 1 概 述1 1.1 PLC 的发展历程.1 1.2 PLC 组成及特点.2 1.3 PLC 的工作原理.4 1.4 PLC 的编程语言.5 1.5 PLC 在电梯上的应用.5 2 程控制器的机型选择7 2.1 控制电磁阀等所需的 I/O 点数 7 2.2 内存估计 7 2.3 响应时间 7 2.4 输入输出模块的选择 8 3 硬件设计9 3.1 硬件配置简介 9 3.2 电梯控制系统 9 3.3 电气控制系统框图 .11 3.4 输入输出的分配 .11 4 软件设计.13 4.1 程序流程图 .13 4.2 电梯定向逻辑 .15 4.3 电梯 PLC 控制

2、系统设计 .16 4.4 四层电梯的梯形图设计 .19 5 系统调试.24 5.1 硬件部分调试 .24 5.2 软件部分调试 .24 总 结.26 致 谢.27 参考文献.28 1 概 述 1.11.1 PLCPLC 的发展历程的发展历程 第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。当时的目的是要 求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易 懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时 间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机 接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司 （DEC）于

3、1969 年研制成第一台 PLC，型号为 PDP-14，投入通用汽车公司的生 产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了 PLC 的新纪元。 在短时间内，PLC 在其他工业部门也得到应用。到 70 年代初，食品、金属 和制造等工业部门相继使用 PLC 代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的 第一步。 70 年代中期，由于大规模集成电路的出现，使 8 位微处理器和位片处理器 相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了 数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期， 日本、西德（原）和法国相继研制出了自己的 PLC，我国在 1974 年也开始研制

4、。 70 年代由于超大规模集成电路的出现，使 PLC 向大规模、高速性能方向发 展，形成了多种系列化产品。这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出 现了工艺人员使用的图形语言。在功能上，PLC 可以代替某些模拟控制装置和 小型机 DDC 系统。 进入八九十年代后，PLC 的软硬件功能进一步得到加强，PLC 已发展成为一 种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产 生，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使 PLC 符合今天对高质量高产出的 要求。尽管 PLC 功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。 1.21.2 PLCPLC 组成及特点组成及特点 P

5、LC 的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部分及外部设备组成。除了硬 件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，却一不可，共同构成 PLC。PLC 的软件系由系统程序和用户程序两大部分组成。 PLC 能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为他具有许多 独特的优点。他较好到解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、 方便、经济等问题。以下是其主要特点。 （1）编程方法简单易学（2）功能强， 性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强（4）可靠性高、 抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维 修方便（7）体积小、耗能低 1.2.11.2.

6、1 硬件的可靠性硬件的可靠性 可编程控制是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制系统和通 信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵 活通用与维修方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环 境的能力，受到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广 泛的应用，成为了现代工业的三大支柱之一。一个设计良好的 PLC 能置于有很 强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。 PLC 的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。各部分 之间通过内部系统总线进行连接。CPU 是 PLC 的核心部分，由它实现逻辑运算， 协调

7、控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行 的。PLC 的对外功能主要是通过各类接口模块的红外线，实现对工业设备和生 产过程的检测和控制。PLC 的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围 宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。路串一旦某模块出现故障，进 行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。 1.2.21.2.2 编程简单，使用方便编程简单，使用方便 用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有 一定水平的计算机硬件和软件知识。 PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如， 目前打多数 PLC 均采用的梯形图语言编

8、程方式，既继承了传统控制线路的清晰 直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被 电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。 1.2.31.2.3 接线简单，通用性好接线简单，通用性好 PLC 的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与 PLC 输入端子连接， 将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与 PLC 输出端 子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻 烦。PLC 的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络” ，这样生产线的自动 化过程就能随意改变。这种性能使 PLC 具有很高的经济效益。 用于

9、连接现场设备的硬件接口实际上是 PLC 的组成部分，模块化的自诊断 接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就 使现场电气人员与技术人员易于是用。 1.2.41.2.4 可连接为控制网络系统可连接为控制网络系统 PLC 可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采 用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为 5002500m； 另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为 1M10Mbps，传输距 离为 5001000m，网上结点可达 1024 个。这两类网络可以级连，网上可兼容 不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大

10、的局部网络。 1.2.51.2.5 易于安装，便于维护易于安装，便于维护 PLC 安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控 制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到 PLC 系统的情况下，PLC 小 的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改 换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。 在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴 电缆获双扭线连向 CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法 也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由 PLC 制造商预先连好线，这一方 法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。 从一

11、开始，PLC 便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的， 维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件 中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是 ON 还是 OFF，还可写编程指令来报告故障。 PLC 的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装 后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC 的潜在优 点还取决于应用时的创造性。 1.31.3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。他通过执行用户程序 来实现控制任务。但是，在时间上，PLC 执行的任务是串行，与

12、继电接触器 控制系统中任务的执行有所不同。PLC 采用循环扫描工作方式。在程序执行过 程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处 理，并把结果输出到生产过程的执行机构中。 所谓 I/O 刷新即对 PLC 的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新 读入 PLC 中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存 入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O(输出) 刷新” 。 由此可见，若输入变量在 I/O 刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输 出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。反之，若在本次 I/O 刷新之后，输

13、入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要 到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，所 以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决 于这几个因数：一是 CPU 执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指 令条数的多少，即程序的长短。 对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处 反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统 响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起 的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。 但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系

14、统，这一问题就需慎重 考虑。应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序， 以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。 1.41.4 PLCPLC 的编程语言的编程语言 PLC 提供了较完整的编程语言，以适应 PLC 在工业环境中的应用。利用编 程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电 器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序” 。程序由编程器送到 PLC 内部的存 储器中，它也能方便地读出、检查与修改。 PLC 提供的编程语言通常由三种：梯形图、指令表、功能图等。 梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。 PLC 梯形图

15、 PLC 的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在 使用符号和表达方式上有一定区别。PLC 的梯形图使用的时内部继电器、定时 器/计数器，都是由软件实现的。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程 语言的首选。 指令表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，他是可编程控制器 最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表 可编程控制器的某种操作功能。 顺序功能流程图（SFC）编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用 它可以对具有并发、选择等复杂的系统进行编程。许多 PLC 都提供了用于 SFC 编程的指令。 每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每

16、一种特殊的控制要求，根据 编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。 1.51.5 PLCPLC 在电梯上的应用在电梯上的应用 随着科技的发展，工业控制的自动化程度不断提高，以微处理器为核心组 成的可编程序控制器（PLC）得到了广泛的应用。很多工厂的生产流水线、加工 设备、船舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由 PLC 控制，只要把预定的控 制任务编成程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据输入各种指令， 经过模拟量、数字量等输入输出部件对生产过程和设备进行控制。 PLC 在电梯中的应用也已很成熟。PLC 作为主控制器，一方面要采集电梯的 各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信

17、号、门锁信号、门 区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。另一方面要把采 集到的信号进行计算和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开 关门信号、方向继电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。 我们利用 PLC 内的条件跳转和主控指令，把对电梯的控制程序划分为几个 程序段：检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段。当给 电梯送电时，PLC 就开始扫描电梯的所有输入、输出信号，检测电梯的安全回 路是否接通、厅门轿门是否关闭、电梯处在何种状态。正常自动状态时，PLC 检测门锁是否接通，若门锁不通则给出关门信号，控制电梯关门；当门锁接通 时，进入待机状态，此时一收到指

18、令信号电梯即起动。当电梯到达减速楼层时, PLC 程序是仿照继电器控制理念进行编制。 2 程控制器的机型选择 2.12.1 控制电磁阀等所需的控制电磁阀等所需的 I/OI/O 点数点数 有电磁阀的动作原理可知，一个单线圈电磁阀用可编程控制器时需两个输 入及一个输出；一个双线圈电磁阀需三个输入及两个输出；一个比例式电磁阀 需三个输入及五个输出。一个按钮需一个输入；一个光电开关要占用一个或两 个输入点；一个信号占用一个输出点；而波段开关，有几个波段就占用几个输 入点；一般情况，各种位置开关都要占用两个输入点。根据上面所述原理分析， 本设计用到十个按钮，需要十个输入点。四个位置按钮，需要八个输入点。

19、十 六个信号灯，需要十六个输出点。 2.22.2 内存估计内存估计 用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量 输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。 2.2.12.2.1 内存利用率内存利用率 我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内 存字数的比值称为利用率。 2.2.22.2.2 开关量输入输出的点数开关量输入输出的点数 一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为 6：4。这方面的经验公司是 根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。 所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10 2.2.32.2.3 模拟量输入输出的总点数模拟量输

20、入输出的总点数 只有模拟量输入时： 内存字数=模拟量点数*100 模拟量输入输出同时存在：内存拟量字数*200 2.32.3 响应时间响应时间 可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描 周期的输入信号。 系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时 刻的时间间隔。 系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期。 2.42.4 输入输出模块的选择输入输出模块的选择 模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。输出 模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值。输出模 块的电流值必须大于负载电流的额定值。 3 硬件设

21、计 3.13.1 硬件配置简介硬件配置简介 PLC 产品出现以来，它以面向工业控制的鲜明特点，普遍受到电器控制领 域的欢迎。特别是中小容量 PLC 成功取代了传统的继电控制系统，使得控制系 统的可靠性大大提高。目前各国生产的 PLC 品种繁多，发展速度快。本文所用 到的产品是 S7-200 系列的 PLC 作系列电梯的。在此简单的介绍该机型的一些技 术指标。 技术性能分为：一般性能，功能特性（基本单元） ，输入性能，输出性能和 其它性能。 3.23.2 电梯控制系统电梯控制系统 电梯模拟系统如下图所示： 电梯控制系统的模拟 二 层 底层 轿厢 三 层 四 层 输入 输出配置 图 3.2.1 电

22、梯系统控制模拟图 3.33.3 电气控制系统框图电气控制系统框图 图 3.3.1 输入与输出： 图 3.3.1 中输出为：1、电动机；2、上下行接触器；3、快慢速接触器；4、 位置指示；5、门锁。输入为：6、轿内指令；7、厅外指令；8、门区感应；9、 手动开关门；10、楼层感应。PLC 系统部分完成所设定的控制任务所需要的 PLC 规模主要取决于控制系统对输入，输出点的需求量和控制过程的难易程度 3.43.4 输入输出的分配输入输出的分配 输入点： 序号 名称 输入点 0 一层行程开关 I0.0 1 二层行程开关 I0.1 2 三层行程开关 I0.2 3 四层行程开关 I0.3 4 四层呼叫按

23、钮 I0.4 5 三层呼叫按钮 I0.5 6 二层呼叫按钮 I0.6 7 一层呼叫按钮 I0.7 8 手动开关按钮 I1.6 1 11 2 345 6789 输 出 PLC 西门子 S7-200 输 入 9 手动关门按钮 I1.7 10 红外传感器 I2.2 11 红外传感器 I2.3 输出点： 序号 名称 输出点 0 一层指示灯 Q0.1 1 二层指示灯 Q0.2 2 三层指示灯 Q0.3 3 四层指示灯 Q0.4 4 电动机正转指示灯亮 Q0.5 5 电动机反转指示灯亮 Q0.6 6 开门电机正转 Q0.7 7 开门电梯反转 Q1.0 图 3.4.1 I/O 接线图 4 软件设计 4.14.1 程序流程图程序流程图 得电 电梯上升 得电 电梯上升 得电 电梯下降 （接下页） 停止 得电 电梯下降 得电 电梯上升 得电 电梯下降 电梯在二楼 电梯在一楼 电梯在四楼 电梯在三楼 2，3，4楼 有信号吗？ 1楼有信号吗？ 4楼有信号 1，2，3楼 有信号吗？ 1，2楼 有信号 停止 3，4楼 有信号 停止 行程开关 有信号吗？ 停止 图 4.1