PLC S7-200 電梯設(shè)計(jì).doc

安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題設(shè)計(jì)基于S7-200 PLC的電梯系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)系 （部） 電氣工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 機(jī)電3135班 姓 名 黃蒙蒙 學(xué) 號(hào) 1202133197 指導(dǎo)教師 曾勁松 2015 2016 學(xué)年第 1 學(xué)期摘要我國(guó)的電梯行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段，無(wú)論是產(chǎn)量還是銷量都已經(jīng)界首位。電梯作為垂直運(yùn)輸工具，已經(jīng)成了人們生活中不可缺少的一部分。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電梯行業(yè)也進(jìn)入了更高的高度，調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速和由可編程控制器組成的邏輯控制器成為了現(xiàn)在電梯控制技術(shù)?，F(xiàn)代電梯在追求速度、簡(jiǎn)單和舒適的同時(shí)，也在提高安全性能和節(jié)能上面提出了更高的要求。 通過(guò)對(duì) I/O 點(diǎn)數(shù)的估算，選擇了西門子 S7-200 系列 CPU224 型可編程控制器作為電梯控制器。采用變頻調(diào)速技術(shù)提高電梯效率、節(jié)省能源，本課題選擇的是VS-61665 型變頻器。為了使電梯平穩(wěn)調(diào)速，獲得良好地舒適感，設(shè)計(jì)了電梯的起制動(dòng)速度曲線為兩段拋物線加一段直線，加速度斜率和拋物線變化率決定該曲線形狀的構(gòu)成和改變；采用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)發(fā)出脈沖信號(hào)構(gòu)成位置反饋，達(dá)到電梯的精確位移控制。本文所設(shè)計(jì)的電梯與傳統(tǒng)的電梯相比，在運(yùn)行上具有良好的舒適感，在生活中可以節(jié)約電能，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，達(dá)到了理想的目的。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)電梯行業(yè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出了基于可編程控制器的電梯控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電梯的開(kāi)關(guān)門控制、內(nèi)外召喚指令的登記與消除、層樓顯示、呼梯鈴控制與故障報(bào)警、定向和反向截梯等功能。關(guān)鍵詞：電梯；控制系統(tǒng)；可編程控制器 目 錄第一章 概 述31.1 電梯的發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)31.2 設(shè)計(jì)方案比較3第二章 可編程序控制器原理分析42.1 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)42.2可編程控制器的工作原理52.3可編程控制器的特點(diǎn)52.4 電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求6第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)73.1電梯模型控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)73.2地址分配及I/O鏈接7第四章軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)94.1程序設(shè)計(jì)梯形圖9參考文獻(xiàn)12第一章 概 述1.1 電梯的發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)電梯的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）電梯控制技術(shù)方面智能化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化；采用高位數(shù)CPU，增強(qiáng)電梯信號(hào)的處理和速度；電梯群控系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯和專家控制，以提高效率和精度；不斷增加和擴(kuò)展電梯的各種選擇并與建筑物和諧的融為一體。（2）電梯拖動(dòng)技術(shù)方面電梯的拖動(dòng)技術(shù)有了較大的發(fā)展，直流電梯由于能耗大、維修量大等缺點(diǎn)，逐步被交流電梯所替代，液壓電梯由于運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)房位置靈活等特點(diǎn)，使得在低樓層場(chǎng)合得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。（3）速度要求方面多用途、全功能的塔式建筑成為潮流，超高速電梯在2012年繼續(xù)成為研究方向。曳引式超高速電梯的研究正在向超大容量電動(dòng)機(jī)、高性能的微處理器、減振技術(shù)、新式滾輪導(dǎo)靴、安全鉗、永磁同步電動(dòng)機(jī)、轎廂氣壓緩解和噪聲抑制系統(tǒng)等方面推進(jìn)。同時(shí)，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯也有較大研究空間，超高速電梯的舒適感也會(huì)明顯提高。（4）節(jié)能高效方面電梯作為高層建筑最大能耗設(shè)備之一，節(jié)能將成為行業(yè)發(fā)展方向。要求電梯功耗小、電磁兼容性強(qiáng)、噪聲低、壽命長(zhǎng)、采用綠色裝潢材料、與建筑物協(xié)調(diào)等。1.2 設(shè)計(jì)方案比較電梯控制方式主要分為三種，分別是繼電器控制方式、微機(jī)控制方式和可編程控制器（PLC）控制方式，由于繼電器控制存在功能弱、故障多、可靠性差和工作壽命短的缺陷現(xiàn)在已逐漸被淘汰，微機(jī)控制可靠性差故也不多采用，而PLC控制采用一種巡回掃描的方式分時(shí)處理各項(xiàng)任務(wù)，而且依靠程序運(yùn)行，這就保證只有正確的程序才能運(yùn)行，否則電梯不會(huì)工作。又由于PLC中的內(nèi)部輔助繼電器及保持繼電器等是它本身系統(tǒng)內(nèi)存工作單元，即無(wú)線圈又無(wú)觸點(diǎn)，使用次數(shù)不受限制，因此，它比繼電器控制有明顯的優(yōu)越性，比微機(jī)控制有明顯的可靠性，自動(dòng)化水平更高。綜上所述PLC控制是三種控制方式中最具有可靠性、優(yōu)越性和實(shí)用性的控制方式，它更適合用在電梯的技術(shù)改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，是電梯控制系統(tǒng)中理想的控制新技術(shù)，所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用可編程控制器(PLC)作為控制方式。第二章 可編程序控制器原理分析2.1 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 可編程序控制器的英文全稱是 Programmable Logical Controller，簡(jiǎn)稱 PLC?？删幊炭刂破鞑捎靡活惪删幊痰拇鎯?chǔ)器。它用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序；執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令；通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程；它是專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。PLC 可以代替繼電器來(lái)控制復(fù)雜的控制系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)就是減少了絕大部分的機(jī)械觸點(diǎn)，從而提高了可靠性，降低了功耗；PLC 還具備微機(jī)技術(shù)，可以程序編制，大大提高了靈活性，而且 PLC 的編程和繼電器梯形圖基本一致，使用戶方便易學(xué)；PLC 還具備很強(qiáng)的抗干擾能力，使其迅速在工業(yè)領(lǐng)域普及。PLC 種類雖然很多，但基本思路是一樣的，用戶一般按照說(shuō)明書就能學(xué)會(huì)編程和如何去接線，可以看出 PLC 的靈活方便?？删幊炭刂破髦饕删幊唐鳌⒋鎯?chǔ)器、輸入裝置、輸入電路、主機(jī)、電源、輸出裝置、輸出電路、外圍設(shè)備組成。圖2-1可編程控制器結(jié)構(gòu)圖2.2可編程控制器的工作原理可編程控制器是通過(guò)執(zhí)行程序來(lái)完成各項(xiàng)任務(wù)的，執(zhí)行程序只能一步一步的進(jìn)行，所以同一時(shí)間只能做一件事情，屬于串行工作方式?？删幊炭刂破鞯墓ぷ鳡顟B(tài)有兩種，一種是運(yùn)行（RUN）狀態(tài)；一種是停止（STOP）狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)是執(zhí)行應(yīng)用程序的狀態(tài)，停止?fàn)顟B(tài)一般用于程序的編寫和修改。可編程序控制器運(yùn)行狀態(tài)是采用不斷順序掃描循環(huán)的工作方式，按順序逐條的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束，然后又開(kāi)始新一輪掃描。所以可編程控制器只能是停機(jī)或切換到停止?fàn)顟B(tài)，才能停止運(yùn)行?？删幊炭刂频难h(huán)過(guò)程一般來(lái)說(shuō)可分為5 個(gè)階段，內(nèi)部處理、通信服 務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理。 圖2-2 可編程控制器循環(huán)過(guò)程2.3可編程控制器的特點(diǎn)（1）高可靠性PLC內(nèi)部電路與外部的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電路均采用了光電隔離，使輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，最大程度保護(hù) PLC 的安全和抗干擾能力。各輸入端均采用 R-C 濾波器。各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。良好的自診斷功能，以防止故障擴(kuò)大。大型PLC 還可以采用由雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)；甚至可以采用三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。 (2) 編程簡(jiǎn)單易學(xué)PLC 的編程和繼電器梯形圖基本一致，用戶只要能看懂繼電器接線圖，就能夠按照繼電器的邏輯關(guān)系進(jìn)行編程，就能夠很快地輕松學(xué)會(huì)并掌握PLC 的編程。 (3)采用模塊化結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)是各個(gè)行業(yè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，它最大的優(yōu)勢(shì)就是可根據(jù)用戶需要自行組合。模塊化結(jié)構(gòu)就是每個(gè)功能編程一個(gè)模塊，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一個(gè)子程序，只要表明入口出口就行了，方便自己的同時(shí)也方便了別人。 (4)安裝簡(jiǎn)單，維修方便PLC抗干擾能力強(qiáng)，一般只要把 PLC 的 I/O 端與相應(yīng)的設(shè)備相連，即可投入運(yùn)行。由于 PLC由各個(gè)模塊組成，所以一旦出現(xiàn)問(wèn)題，只要把問(wèn)題模塊換掉，就可以輕松解決問(wèn)題，即可迅速恢復(fù)正常工作。2.4 電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求2.4.1電梯控制要求(1).開(kāi)始時(shí)，電梯處于任意一層。(2).當(dāng)有外呼梯信號(hào)到來(lái)時(shí)，轎廂響應(yīng)該呼梯信號(hào)，到達(dá)該樓層時(shí)，轎廂停止運(yùn)行，停若干秒后，轎廂門打開(kāi)，延時(shí)4S后自動(dòng)關(guān)門。(3).當(dāng)有內(nèi)呼梯信號(hào)到來(lái)時(shí)，轎廂響應(yīng)該呼梯隊(duì)信號(hào)，到達(dá)該樓層時(shí)，轎廂停止運(yùn)行，停若干秒后，轎廂門打開(kāi)，延時(shí)4S自動(dòng)關(guān)門。(4).在電梯轎廂運(yùn)行過(guò)程中，轎廂上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信號(hào)均不響應(yīng)，但如果反向外呼梯信號(hào)前方向無(wú)其它內(nèi)、外呼梯信號(hào)時(shí)，則電梯響應(yīng)該外呼梯信號(hào)。例如，電梯轎廂在一樓，將要運(yùn)行到三樓，在此過(guò)程中可以響應(yīng)二層向上外呼梯信號(hào)，但不響應(yīng)二層向下外呼梯信號(hào)。同時(shí)，如果電梯到達(dá)三層，如果四層沒(méi)有任何呼梯信號(hào)，則電梯 可以響應(yīng)三層向下外呼梯信號(hào)。否則，電梯轎廂將繼續(xù)運(yùn)行至四樓，然后向下運(yùn)行響應(yīng)三層向下外呼梯信號(hào)。(5).電梯應(yīng)具有最遠(yuǎn)反向外呼梯響應(yīng)功能。例如，電梯轎廂在一樓，而同時(shí)有二層向下外呼梯，三層向下外呼梯，四層向下外呼梯，則電梯轎廂先去四樓響應(yīng)四層向下外呼梯信號(hào)。(6).電梯未平層或運(yùn)行時(shí)，開(kāi)門按鈕和關(guān)門按鈕均不起作用。平層且電梯轎廂停止運(yùn)行后，按開(kāi)門按鈕轎廂門打開(kāi)，按關(guān)門鈕轎廂門關(guān)閉。根據(jù)上述分析,該系統(tǒng)共有19個(gè)輸入點(diǎn),9個(gè)輸出點(diǎn),選用SIMATlC S7- 200 CPU 226對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)相當(dāng)合適,而且S7- 200的擴(kuò)展模塊還有利于今后系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1電梯模型控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的五層電梯模型采用的是曳引式電梯,這種類型的電梯是垂直交通工具中使用最普遍的一種?；窘Y(jié)構(gòu)包括曳引系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、門系統(tǒng)、轎廂、質(zhì)量平衡系統(tǒng)等。本系統(tǒng)主要由五層電梯模型柜、電動(dòng)機(jī)、松下變頻調(diào)速器、控制器、開(kāi)關(guān)按鈕、開(kāi)關(guān)燈和開(kāi)門燈等構(gòu)成。系統(tǒng)的總體框圖如圖3-1所示。3-1 電梯控制系統(tǒng)總體框圖3.2地址分配及I/O鏈接本次設(shè)計(jì)使用的梯形圖來(lái)編寫程序，梯形圖是PLC使用得最多的圖形編程語(yǔ)言，被稱為PLC的第一編程語(yǔ)言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。下面就程序的各個(gè)模塊單獨(dú)列出程序。SIMATIC S7- 200 CPU226輸入端口(I)和輸出端口(Q)的地址分配以及I/O連接如圖3-2所示。圖3-2 I/O地址分配及接線圖第四章軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)主要包括梯形圖和指令,S7- 200系列無(wú)需使用手持編程器,它直接通過(guò)RS485通訊/編程口和計(jì)算機(jī)相連,在安裝有西門子S7- 200編程軟件STEP7- Micro/WIN32 V3.2+ SP4的計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出梯形圖,通過(guò)編程口將邏輯梯形圖傳輸?shù)絇LC內(nèi)部存儲(chǔ)器,如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,直接在計(jì)算機(jī)上對(duì)梯形圖進(jìn)行修改即可。4.1程序設(shè)計(jì)梯形圖以西門子S7- 200 CPU226 PLC為核心的電梯模型控制系統(tǒng)的主要梯形圖及實(shí)現(xiàn)的具體功能如下。(1)電梯上升和下降電梯的運(yùn)行方向取決于電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,本系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于電梯上升(如圖4-3所示);電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于電梯下降(如圖4-4所示)。圖4-3電動(dòng)機(jī)正傳電梯上升梯形圖圖4-4電動(dòng)機(jī)反傳電梯下降梯形圖(2)二樓上升、下降梯形圖分析:若有人已經(jīng)按下二樓向上按鈕,電梯停靠二樓,二樓向上指示燈Q0.1熄滅,并且二樓的霍爾感應(yīng)器I1.1有感應(yīng),給電機(jī)一個(gè)脈沖,通過(guò)程序自鎖,電梯上升,如圖4-5(a)所示;若有人已經(jīng)按下二樓向下按鈕,電梯?？慷?二樓向下指示燈Q0.2熄滅,并且二樓的霍爾感應(yīng)器I1.1有感應(yīng)給電機(jī)一個(gè)脈沖,通過(guò)程序自鎖,電梯下降,如圖4-5(b)所示。三樓、四樓的上升、下降梯形圖和二樓類似,這里不再重復(fù)。圖4-5 二樓上升、下降梯形圖 圖4-6 電機(jī)正反轉(zhuǎn)延時(shí)梯形圖（3）樓層延時(shí)在電梯模型柜到達(dá)指定樓層時(shí)應(yīng)該延時(shí)一段時(shí)間,以此來(lái)模擬乘客上下電梯,本系統(tǒng)中在每一樓停留時(shí)間暫設(shè)定為3s,相對(duì)應(yīng)的延時(shí)梯形圖如圖4-6所示。（4）底層(一樓)和頂層(五樓)指示燈在整個(gè)模擬電梯系統(tǒng)控制過(guò)程中底層(一樓)和頂層(五樓)比較特殊,梯形圖如圖4-7所示。Q0.0一直亮著。當(dāng)電梯?？恳粯菚r(shí),霍爾感應(yīng)器I1.0有感應(yīng),長(zhǎng)閉觸點(diǎn)斷開(kāi),指示燈熄滅,如圖4-7(a)所示。當(dāng)五樓按鈕I0.7按分析:當(dāng)一樓按鈕I0.0按下,并且此時(shí)一樓霍爾感應(yīng)器I1.0沒(méi)有感應(yīng),通過(guò)程序自鎖,一樓指示燈下,并且此時(shí)五樓霍爾感應(yīng)器I1.4 圖4-7一樓、五樓指示燈梯形圖 沒(méi)有感應(yīng),通過(guò)程序自鎖,五樓指示燈Q0.7一直亮著。當(dāng)電梯停靠五樓時(shí),霍爾感應(yīng)器I1.4有感應(yīng),長(zhǎng)閉觸點(diǎn)斷開(kāi),指示燈熄滅,如圖4-7(b)所示。（5）二樓向下指示燈二樓向下指示燈梯形圖見(jiàn)圖4-8所示。分析:當(dāng)二樓向下按鈕I0.2按下,并且此時(shí)二樓霍爾感應(yīng)器I1.1沒(méi)有感應(yīng),通過(guò)程序自鎖,二樓向下指示燈Q0.2一直亮著。此時(shí)需要判斷電梯是上升還是下降。當(dāng)一樓指示燈Q0.0處于熄滅狀態(tài)時(shí),說(shuō)明電梯是上升?？慷?此時(shí)線路導(dǎo)通指示燈亮著。當(dāng)三樓向下指示燈Q0.4處于熄滅狀態(tài)時(shí),說(shuō)明電梯是下降?？慷?霍爾感應(yīng)器I1.1有感應(yīng),線路斷開(kāi),指示燈熄滅,如圖4-8所示。二樓向上指示燈以及三樓、四樓指示燈梯形圖和二樓類似,同樣需要判斷電梯是上升還是下降,這里不再重復(fù)。其余的一些小功能,如上下極限開(kāi)關(guān)以及開(kāi)門燈的梯形圖相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較容易了,這里就不一一列舉了。本系統(tǒng)的電梯模型在尺寸上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)實(shí)生活中的電梯,暫時(shí)沒(méi)有設(shè)置轎廂內(nèi)響應(yīng),若只有某一層的指示燈亮(廳外),則電梯停靠該層,并且一直停止,直到有其他樓層呼叫。圖4-8二樓向下指示燈梯形圖參考文獻(xiàn) 1 李金良 基于可編程控制器的電梯控制系統(tǒng)