四层电梯控制系统模拟.docx

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1、目录1、概述11.1 电梯11.2 电梯的发展12、硬件设计22.1 控制要求22.2 选择 PLC型号32.3 系统设计流程示意图72.4 I/O分配表82.5 I/O接线图93、软件设计103.1 设计梯形图103.2 梯形图解释304、调试364.1 软件部分调试364.2 硬件部分调试365、结束语366、参考文献371、概述1.1 电梯电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，亦称垂直电梯（英语：Elevator/Lift），在马来西亚、新加坡和香港俗称“?” （lift的译音）。垂直电梯装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。电梯也有台阶式， 踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯，

2、亦称电动扶梯（英文：Escalator ）、行人电梯、扶手电梯等。 电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间。具有轿厢的电梯，其轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。1.2 电梯的发展电梯的起源要从公元前2600 年埃及人在建造金字塔时使用了最原始的提升系 统说起，但这一类起重机都是以人力作为能源的。 直到 1203 年，法国的一个修道 院安装了一台起重机，所不同的地方是该机器是用驴作为动力的，载荷由绕在一个大滚筒上的绳子进行吊起，这样的方法一直用到了近代，在1800 年后，才有一个煤矿主利用起重机在矿洞里运送煤。 几百年来人们制造过各种各样

3、的升降机 , 但它们都有缺陷：在升降过程中起吊绳断裂时，升降机便会急速地坠落下来，这样会非常不安全。 1854 年奥的斯设计了一种制动器：将一个货车用的弹簧和一个制动 杆安装在升降机的平台顶部，与升降机井道两侧的轨道连接起来，把起吊绳与货车弹簧连接起来， 这样仅是起重平台的重量就完全能把弹簧拉开，避免与制动杆接触。如果起吊绳断裂，货车弹簧就会将拉力减弱，两端立刻与制动杆咬合，即可将平台 牢固地原地固定而不再继续下坠。这台安全的升降机的成功发明使得奥的斯成了人 们注目的中心。“安全”的概念不仅开创了升降机工业，而且也为些想建造更高层建筑物以增加更多可利用空间的设计打开的通路。但真正的电梯应该是在

4、 20 世纪初才出现的。国际上无机房电梯已经经历了四代，第一代无机房电梯诞生在意大利， 其诞生的主要原因是欧洲对古建筑的1保护以及与液压电梯的竞争。主要原理是电梯主机跨井道底置， 即只有一个轮子在井道里， 第二代无机房电梯也是井道底置，但是将主机全部搬进了井道，第三代无机房电梯为上置式， 主机主要放置的形式为放在导轨上，而第三代至第四代无机房电梯的过渡产品为主机搁置于导轨顶3部。由于安全隐患严重，目前在欧洲的大多数国家基本上把前两代无机房电梯都淘汰掉了，所以 1997 年以后几乎就没有欧洲的公司再生产前两种电梯了。 第三代无机房电梯则属于改变前两代无机房电梯特点的新型电梯。 但是很多问题仍旧没

5、有得到很好的解决， 例如主机放在厢顶的安全问题和噪音很大， 所以在欧洲也没有得到十分好的发展。只有通力的电梯在第三代无机房电梯得到了发展。 但通力的产品虽然有了一些技术上的突破， 特别是主机的突破应该说对无机房的普遍应用提供了十分好的机会，但是共振共鸣问题仍然没有彻底解决， 这是一个重要的技术缺陷。而且这项技术限制了电梯的提升速度和提升高度。第三代至第四代过渡产品主要是，OTIS， OTIS 与第三代的无机房电梯另一个区别就是使用它的主机是轴式马达，轴式马达可以节省顶层空间， 但因为它的结构不同， 所以顶层高度还不能最小，此外轴式马达的另一个缺点是不节能，并且主机的寿命可能会缩短。 第四代无机

6、房电梯就从根本上解决了前三代无机房电梯的缺陷， 第一是安全隐患得到了解决，第二是共振共鸣问题的解决， 第三是速度上只要主机生产企业能够供应， 提高高度及速度不存在技术问题。 所以第四代无机房电梯是目前世界上最先进的无机房电梯。2、硬件设计2.1 控制要求电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿厢内设有楼层内选按钮S1S4，用以选择需停靠的楼层。 L1 为一层指示、 L2 为二层指示、 L3 为三层指示、 L4 为四层指示， SQ1SQ4为到位行程开关。电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向的呼叫均无效。例如，电梯停在一层

7、，在三层轿厢外呼叫时，必须按三层上升呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从一层运行到三层） ，按三层下降呼叫按钮无2效；反之，若电梯停在四层，在三层轿厢外呼叫时，必须按三层下降呼叫按钮，电梯才响应呼叫（从四层运行到三层） ，按三层上升呼叫按钮无效，依此类推。2.2 选择 PLC型号在 PLC系统设计时 , 首先应确定控制方案 , 下一步工作就是 PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。 PLC及有关设备应是集成的、标准的 , 按照易于与工业控制系统形成一个整体 , 易于扩充其功能的原则选型所选用 PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统 ,PLC 的系统硬件、软件配置

8、及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间 , 因此 , 工程设计选型和估算时 , 应详细分析工艺过程的特点、控制要求 ,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作 , 然后根据控制要求 , 估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC的功能、外部设备特性等 , 最后选择有较高性能价格比的 PLC和设计相应的控制系统。一、输入输出 (I/O) 点数的估算：I/O 点数估算时应考虑适当的余量 , 通常根据统计的输入输出点数 , 再增加 10%20%的可扩展余量后 , 作为输入输出点数估算数据。二、存储器容量的估算：存储器容量是可编程序控制器本

9、身能提供的硬件存储单元大小, 程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小 , 因此程序容量小于存储器容量。设计阶段 , 由于用户应用程序还未编制 , 因此 , 程序容量在设计阶段是未知的 , 需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算 , 通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式 , 许多文献资料中给出了不同公式 , 大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍, 加上模拟 I/O 点数的 100 倍, 以此数为内存的总字数 (16 位为一个字 ), 另外再按此数的 25%考虑余量。三、控制功能的选择：3该选择包括运算功能、控制功能、通

10、信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。( 一 ) 运算功能：简单 PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通 PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型 PLC中还有模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现 , 目前在 PLC中都已具有通信功能 , 有些产品具有与下位机的通信 , 有些产品具有与同位机或上位机的通信 , 有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发 , 合理选用所需的运算功能。大多数应用场合 , 只需要逻辑运算和计时计数功能 , 有些应用需要数据传送和比较

11、 , 当用于模拟量检测和控制时 , 才使用代数运算 , 数值转换和 PID 运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。( 二 ) 控制功能：控制功能包括 PID 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等 , 应根据控制要求确定。 PLC主要用于顺序逻辑控制 , 因此 , 大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制 , 有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能 , 提高 PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用 PID 控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、 ASC码转换单元等。( 三 ) 通信功能：大中型 PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议 ( 如 TCP

12、/IP), 需要时应能与工厂管理网 (TCP/IP) 相连接。通信协议应符合 ISO/IEEE 通信标准 , 应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口 (RS2232C/422A/423/485) 、RIO 通信口、工业以太网、常用 DCS接口等；大中型 PLC通信总线 ( 含接口设备和电缆 ) 应 1:1 冗余配置, 通信总线应符合国际标准 , 通信距离应满足装置实际要求。 PLC系统的通信网络中 , 上级的网络通信速率应大于1Mbps,通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式 :1)PC 为主站 , 多台同型号 PLC为从站 , 组成简易

13、PLC网络；2)1 台 PLC为主站 , 其他同型号 PLC为从站 , 构成主从式 PLC网络；3)PLC 网络通过特定网络接口连接到大型 DCS中作为 DCS 的子网； 4) 专用 PLC网络 ( 各厂商的专用 PLC通信网络 ) 。为减轻 CPU通信任务 , 根据网络组成的实际需要 , 应选择具有不同通信功能的 ( 如点对点、4现场总线、工业以太网 ) 通信处理器。( 四 ) 编程功能：离线编程方式:PLC 和编程器公用一个CPU,编程器在编程模式时 ,CPU只为编程器提供服务 , 不对现场设备进行控制。完成编程后 , 编程器切换到运行模式 ,CPU对现场设备进行控制 , 不能进行编程。离

14、线编程方式可降低系统成本 , 但使用和调试不方便。在线编程方式 :CPU和编程器有各自的 CPU,主机 CPU负责现场控制 , 并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换 , 编程器把在线编制的程序或数据发送到主机 , 下一扫描周期, 主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高 , 但系统调试和操作方便 , 在大中型 PLC中常采用。 五种标准化编程语言 : 顺序功能图 (SFC)、梯形图 (LD) 、功能模块图 (FBD)三种图形化语言和语句表 (IL) 、结构文本(ST) 两种文本语言。( 五 ) 诊断功能： PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置

15、, 软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对 PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断, 通过软件对 PLC的 CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC 的诊断功能的强弱 , 直接影响对操作和维护人员技术能力的要求, 并影响平均维修时间。( 六 ) 处理速度： PLC采用扫描方式工作。 从实时性要求来看 , 处理速度应越快越好 , 如果信号持续时间小于扫描时间 , 则 PLC将扫描不到该信号 , 造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、 CPU处理速度、软件质量等有关。目前 ,PLC 接点的响应快、速度高 , 每条二进制指令执行时间约 0.2 0.4Ls, 因此能适应控

16、制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期 ( 处理器扫描周期 ) 应满足 : 小型 PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型 PLC的扫描时间不大于 0.2ms/K。四、机型的选择：( 一 )PLC 的类型： PLC按结构分为整体型和模块型两类, 按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为 1 位、4 位、 8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发 , 通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC的 I/O 点数固定 , 因此用户选择的余地较小, 用于小型控制系统；模块型 PLC提供多种 I/O 卡件或插卡 , 因此用户可较合理地选择和配5置控制系统的 I

17、/O 点数 , 功能扩展方便灵活 , 一般用于大中型控制系统。( 二 ) 输入输出模块的选择：输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块 , 应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块, 应考虑选用的输出模块类型, 通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁, 电感性低功率因数负荷场合, 但价格较贵 , 过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等 , 与应用要求应一致。 可根据应用要求 , 合理选用智能型输入输出模块 , 以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架

18、或远程I/O 机架等。( 三 ) 电源的选择： PLC的供电电源 , 除了引进设备时同时引进 PLC应根据产品说明书要求设计和选用外 , 一般 PLC的供电电源应设计选用 220VAC 电源 , 与国内电网电压一致。重要的应用场合 , 应采用不间断电源或稳压电源供电。 如果 PLC本身带有可使用电源时 , 应核对提供的电流是否满足应用要求 , 否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的 , 有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。( 四 ) 存储器的选择：由于计算机集成芯片技术的发展 , 存储器的价格已下降 , 因此 , 为保证应用项目的正常

19、投运 , 一般要求 PLC的存储器容量 , 按256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时, 应选择容量更大, 档次更高的存储器。( 五 ) 冗余功能的选择1控制单元的冗余： (1) 重要的过程单元 :CPU(包括存储器 ) 及电源均应 1B1冗余。 (2) 在需要时也可选用 PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、 2 重化或 3 重化冗余容错系统等。2I/O 接口单元的冗余： (1) 控制回路的多点 I/O 卡应冗余配置。 (2) 重要检测点的多点 I/O 卡可冗余配置。 3) 根据需要对重要的 I/O 信号 , 可选用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口单元。(

20、六 ) 经济性的考虑：选择PLC时, 应考虑性能价格比。考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素, 进行比较和6兼顾 , 最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后 , 相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加 , 因此 , 点数的增加对 CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。 在估算和选用时应充分考虑 , 使整个控制系统有较合理的性能价格比。综上所述，根据控制系统要求选择 S7-200 系列 PLC， S7-200 系列 PLC 属于小型整体式结构的 PLC，本机自带 RS48

21、5通信接口，内置电源和 I/O 接口，它的结构小巧，运有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时性和通信能力强大，便于操作，易于掌握，性价比高，是中小规模控制系统的理想控制设备。2.3 系统设计流程示意图图 2.1 流程示意图72.4 I/O分配表经过系统控制功能分析，本设计需要输入点14 个，输出点 16 个。共计30 个，具体如下：（一）输入：序号名称输入点序号名称输出点0四层内选按钮 S4I0.07一层上呼按钮 U1I1.11三层内选按钮 S3I0.18二层上呼按钮 U2I1.02二层内选按钮 S2I0.29三层上呼按钮 U3I0.73一层内选按钮 S1I0.310一层行程开关 SQ1I1.5

22、4四层下呼按钮 D4I0.411二层行程开关 SQ2I1.45三层下呼按钮 D3I0.512三层行程开关 SQ3I1.36二层下呼按钮 D2I0.613四层行程开关 SQ4I1.2表 2.4.1 I/O输入分配表（二）输出：序号名称输入点序号名称输出点0四层指示 L4Q0.08二层内选指示 SL2Q1.01三层指示 L3Q0.19一层内选指示 SL1Q1.12二层指示 L2Q0.210一层上呼指示 UP1Q2.03一层指示 L1Q0.311二层上呼指示 UP2Q2.14轿厢下降指示 DOWNQ0.412三层上呼指示 UP3Q2.25轿厢上升指示 UPQ0.513二层下呼指示 DN2Q2.36四

23、层内选指示 SL4Q0.614三层下呼指示 DN3Q2.47三层内选指示 SL3Q0.715四层下呼指示 DN4Q2.5表 2.4.2 I/O 输出分配表82.5 I/O接线图图 2.5 I/O接线图93、软件设计3.1 设计梯形图初始复位10置位指示灯1112上呼指示灯13开门情况141516判断是否上下行1718上升下降指示灯19箱体上升下降202122232425262728图 3.1 梯形图293.2 梯形图解释1电梯在一、二、三、四层楼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。2 用指示灯来模拟电梯的运

24、行过程。（1）从一层到二层：接通 .I1.2 即接通 SQ1，表示轿厢原停楼层 1，按 S2，即 I0.2 接通一下，表示呼叫楼层 2，则 Q1.0 接通，二层内选指示灯 SL2 亮，Q0.5接通，表示电梯上升。断开 SQ1，一层指示灯 L1 亮，过 2 秒后，一层指示灯 L1 灭、二层指示灯 L2 亮。直至 SQ2接通， Q1.0 断开（二层内选指示灯 SL2灭）， Q0.5 断开（表示电梯上升停止） ，二层指示灯 L2 灭，电梯到达二层。在轿厢原停楼层为 1 时，按 U2，电梯运行过程同上。（2）从一层到三层：接通 I1.2 即接通 SQ1，表示轿厢原停楼层 1，按 S3，即 I0.1 接

25、通一下，表示呼叫楼层 3，则 Q0.7 接通，三层内选指示灯 SL3 亮，Q0.5接通，表示电梯上升。断开 SQ1，一层指示灯 L1 亮，过 2 秒后，一层指示灯 L1 灭、二层指示灯 L2 亮；过 2 秒后，二层指示灯 L2 灭、三层指示灯 L3 亮。直至SQ3接通，Q0.7 断开（三层内选指示灯 SL3灭），Q0.5 断开（表示电梯上升停止），三层指示灯 L3 灭，电梯到达三层。 在轿厢原停楼层为 1 时，按 U3，电梯运行过程同上。（3）从一层到四层：接通 I1.2 即接通 SQ1，表示轿厢原停楼层 1，按 S4，即 I0.0 接通一下，表示呼叫楼层 4，则 Q0.6 接通，四层内选指示

26、灯 SL4 亮，Q0.5接通，表示电梯上升。断开 SQ1，一层指示灯 L1 亮，过 2 秒后，一层指示灯 L1 灭、二层指示灯 L2 亮；过 2 秒后，二层指示灯 L2 灭、三层指示灯 L3 亮；过 2 秒后，三层指示灯 L3 灭、四层指示灯 L4 亮。直至 SQ4接通， Q0.6 断开（四层内选指示灯 SL4 灭），Q0.5 断开（表示电梯上升停止） ，四层指示灯 L4 灭，电梯到达四层。 在轿厢原停楼层为 1 时，按 D4，电梯运行过程同上。（4）从二层到三层：接通 I1.3 即接通 SQ2，表示轿厢原停楼层 2，按 S3，即 I0.1 接通一下，表示呼叫楼层 3，则 Q0.7 接通，三层

27、内选指示灯 SL3 亮，Q0.5接通，表示电梯上升。断开 SQ2，二层指示灯 L2 亮，过 2 秒后，二层指示灯 L2 灭、三层指示灯 L3 亮。直至 SQ3接通， Q0.7 断开（四层内选指示灯 SL4灭），30Q0.5 断开（表示电梯上升停止） ，三层指示灯 L3 灭，电梯到达三层。在轿厢原停楼层为 2 时，按 U3，电梯运行过程同上。（5）从二层到四层：接通 I1.3 即接通 SQ2，表示轿厢原停楼层 2，按 S4，即 I0.0 接通一下，表示呼叫楼层 4，则 Q0.6 接通，四层内选指示灯 SL4 亮，Q0.5接通，表示电梯上升。断开 SQ2，二层指示灯 L2 亮，过 2 秒后，二层指

28、示灯 L2 灭、三层指示灯 L3 亮；过 2 秒后，三层指示灯 L3 灭、四层指示灯 L4 亮。直至SQ4接通，Q0.6 断开（四层内选指示灯SL4灭），Q0.5 断开（表示电梯上升停止），四层指示灯 L4 灭，电梯到达四层。在轿厢原停楼层为2 时，按 D4，电梯运行过程同上。（6）从三层到四层：接通 I1.4 即接通 SQ3，表示轿厢原停楼层 3，按 S4，即 I0.0 接通一下，表示呼叫楼层 4，则 Q0.6 接通，四层内选指示灯 SL4 亮，Q0.5接通，表示电梯上升。断开 SQ3，三层指示灯 L3 亮，过 2 秒后，三层指示灯 L3 灭、四层指示灯 L4 亮。直至 SQ4接通， Q0.6 断开（四层内选指示灯 SL4灭）， Q0.5 断开（表示电梯上升停止） ，四层指示灯 L4 灭，电梯到达四层。 在轿厢原停楼层为 3 时，按 D4，电梯运行过程同上。（7）从四层到三层：接通 I1.5 即接通 SQ4，表示轿厢原停楼层 4，按 S3，即 I0.1 接通一下，表示呼叫楼层 3，则 Q0.7 接通，三层内选指示灯 SL3 亮，Q0.4接通，表示电梯下降。断开 SQ4，四层指示灯 L4 亮，过 2 秒后，四层指示灯 L4 灭、三层指示灯 L3 亮。直至 SQ3