基于PLC控制的四层电梯课程设计.docx

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基于PLC控制的四层电梯课程设计

基于PLC控制的四层电梯课程设计

唐山学院

PLC课程设计

题目基于西门子PLC的电梯控制系统设计及调试

系（部）信息工程系

班级12电本

姓名

学号

指导教师关榆君、田红霞、田丽欣

2016年1月4日至1月15日共2周

2016年1月15日

1引言

1.1课程设计的目的和意义

可编程控制器作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。

它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大型等各种规格的系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。

随着科学技术的发展和计算技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高。

PLC（可编程控制器）作为一种工业控制计算机，它以安全可靠、运行稳定、编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在电梯控制过程中得到了广泛的运用。

电梯从电梯手柄快关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。

PLC在电梯升降控制上的应用主要体现它的逻辑开关控制功能。

由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。

在电梯升降过程中，各种逻辑控制开关与PLC很好结合，很好的实现了对系统的控制。

2任务及要求

2.1设计要求

（1）电梯具有运行速度（高速）和平层速度（低速）两种运行速度并可实现高低速的平滑转换

（2）电梯具有呼梯登记及登记显示功能

（3）电梯具有轿内选层及选层登记及显示功能

（4）电梯具有自动停层功能

（5）电梯具有顺向截停功能，若已经完成当前方向的最后一站请求，亦可实现逆向截停功能

（6）电梯具有自动确定运行方向及运行方向保持功能

（7）电梯具有厅门、轿门连锁保护功能

（8）电梯具有自动平层功能

（9）电梯具有超载、超速及端站限位保护功能

（10）电梯具有运行方向及层楼指示功能

（11）满足了呼梯要求即应消除呼梯登记信号

2.2设计条件

基础知识：

工厂供电、电控方面的相关知识；PLC理论及应用；智能控制

实验条件：

计算机一台，60点三菱PLC两台，三菱PLC编程软件，电梯实验模型一部

参考文献：

西门子PLC使用手册（或教材），自行查找相关的应用论文10篇（其中英文原文论文至少两篇）

2.3设计任务

电气控制系统主回路电气原理图

PLC接线图

PLC梯形图

设计说明书

梯形图程序电子版

答辩与质疑

3总体设计方案

3.1PLC的工作特点 

1.抗干挠能力强，可靠性好

PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸引了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑，具体措施主要由以下几个方面

1）隔离：

这是抗干扰的主要措施之一，PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号，这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间比避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。

2）滤波：

这是抗干扰的另一个主要措施，在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。

3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。

另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。

4）内部设置了连锁、环境监测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。

5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。

6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。

7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。

8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性，而采用循环扫面的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。

2.控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不用要求的控制系统。

在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸于继电器之类的物理电子器件和大量而又烦琐的硬接线线路，当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线修改程序，同一个装置用于不同的控制对象，知识组件和相应的软件不同，PLC可直接与交流220V，直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。

3编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式，梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现场直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和与语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会，

4功能完善

PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式的性质的开关量和模拟量的输入/输出，在PLC内部具有许多控制技能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等，由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。

5设计、施工、调试、的周期短

用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便，而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

6体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装，PLC的输入/输出系统能够直观的反应现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反应控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。

3.2PLC的工作方式

3.2.1PLC的扫描工作方式 

可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。

从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。

然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。

可编程序控制器工作时的扫描过程如下图所示，包括五个阶段：

内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。

PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。

扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。

图3-1PLC的扫描过程

3.2.2PLC的程序执行过程

PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如下图所示：

图3-2PLC的程序执行过程

3.2.3 PLC的扫描周期 

在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。

即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。

3.2.4 PLC的I／O响应时间 

PLC采用集中I/O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。

输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。

3.3硬件电路设计及描述

3.3.1电梯运行控制要求

I1.1、I1.2、I1.3、I1.4分别为轿厢内一层、二层、三层、四层电梯内选按钮；I2.1、I2.3、I2.5分别为二层、三层、四层电梯外下降呼叫按钮；I2.0、I2.2、I2.4分别为一层、二层、三层电梯外上升呼叫按钮；I0.1、I0.2、I0.3、I0.4分别为一层、二层、三层、四层限位开关，模拟实际电梯位置传感器的作用。

Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4分别为一层、二层、三层、四层电梯位置指示灯；Q0.7为电梯下降状态指示灯；Q0.6为电梯上升状态指示灯；Q1.1、Q1.2、Q1.3、Q1.4分别为轿厢内一层、二层、三层、四层电梯内选指示灯。

电梯由安装在各楼层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。

电梯轿箱内设有楼层内选按钮I1.1～I1.4，用以选择需停靠的楼层。

Q0.1为一层指示、Q0.2为二层指示、Q0.3为三层指示、Q0.4为四层指示，I0.1、I0.2、I0.3、I0.4分别为一层、二层、三层、四层限位开关。

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，电梯停在由一层运行至三层的过程中，在二层轿箱外呼叫时，若按二层上升呼叫按钮，电梯响应呼叫；若按二层下降呼叫按钮，电梯运行至二层时将不响应呼叫运行至三层，然后再下降，响应二层下降呼叫按钮。

3.3.2电气控制系统主回路电气原理图

据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图所示。

图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。

FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。

FU1为熔断器，起过电流保护作用。

曳引电机、门电机正反转的原理图，如下图：

图3-3曳引电机与门电机正反转原理图

3.3.3四层电梯PLC的实际接线图

图3-4PLC的实际接线图

4单元电路设计

4.1各段程序块功能

4.1.1复位初始化模块

首先观察检测电梯是否处于关门状态，如果不是，就执行关门。

当电梯门彻底闭合之后，将关门电机复位，停止关门。

梯形图如下：

图4-1电梯开关门状态

中间继电器M1.1的作用是记录轿厢是不是在楼层上，到达任一楼层后，复位M1.1表示已经到达正确楼层。

梯形图如下：

图4-2电梯是否到达正确楼层

4.1.2内选模块

举例说明，假设内选一层，内选一层时一层指示灯亮；到达一层并且执行开门时指示灯熄灭；电梯停在某一层时该层指示灯灭。

梯形图如下：

图4-3一层指示灯电路

4.1.3上下行指示中间继电器

当电梯处于下行状态或者上行没有到3、4楼的任务时，M0.0有效；当电梯处于上行状态或者下行没有到1楼的任务时，M0.1有效；当电梯处于下行状态或者上行没有到4楼的任务时，M0.2有效；当电梯处于上行状态或者下行没有到1、2楼的任务时，M0.3有效。

梯形图如下：

图4-4上下行指示中间继电器

4.1.4外呼模块

举例说明，假设电梯到达二层，则电梯开门。

电梯是上行方向或者下行但是没有往下的任务时取消呼梯信号。

梯形图如下：

图4-5二楼外呼上行电路

4.1.5平层感应

有时电梯运行时由于某些影响，导致电梯不能准确的停留在欲停留的楼层，会与楼层出现错位，因此要加装平层感应装置。

梯形图如下：

图4-6平层感应电路

4.1.6电梯高低速运行

电梯运行过程中有一个高低速转换状态，电梯开始启动时先进入低速模式，一定时间后转为高速状态。

当预停车继电器M2.0有效时，当电梯有上行输出且上平层感应器接触时；或者电梯有下行输出且下平层感应器接触时；电梯则由高速运行转为低速运行。

当有电梯上行输出且下平层感应器接触断开时；或者电梯有下行输出且上平层感应器断开时；电梯由低速运行转为高速运行。

梯形图如下：

图4-7电梯高低速运行

4.1.7停车模块

M2.0为预停车继电器，当在一层，有一层内选或上呼时；当在二层，有二层内选或上、下呼时；当在三层，有三层内选或上、下呼时；当在四层，有四层内选或下呼时；则M2.0有效。

当平层到位时，M2.0复位。

梯形图如下：

图4-7电梯高低速运行

图4-8停车电路

4.1.8电梯上下行中间继电器

以下行中间继电器为例，M0.5为下行继电器，当电梯在三层，有三楼下呼、二楼上呼、二楼下呼、一楼上呼、轿厢内选一层、轿厢内选二层时；当电梯在二层，有一楼上呼、轿厢内选一层时；当电梯有轿厢内选四层时；下行继电器M0.5有效。

平层到位继电器有效，当电梯在二层，二楼可上行继电器有效时；当电梯在三层，三层可上行继电器有效时；当电梯在一层时；则下行继电器复位。

梯形图如下：

图4-9电梯上下行中间继电器

图4-7电梯下行中间继电器

4.1.9开关门模块

以开门状态举例，在满足各楼层的开门条件，并且前提是关门状态时，执行开门，在按下关门电机或者关门到位的时候关闭开门电机，开门到位后延时一段时间，电梯自动关门。

梯形图如下：

图4-10开门电路

4.1.10电梯上下行输出

当电梯处于上下行状态的时候，会有该状态的状态显示。

以上行输出为例，当上行指示灯亮，关门到位信号有效，电梯既没有执行开门动作也没有下行输出，则电梯上行输出灯亮。

当电梯上限位有效或执行开门动作时，电梯执行上行输出复位。

梯形图如下：

图4-11上下行输出电路

5仿真

5.1仿真软件的简介

我们这次的课程设计仿真运用的是juan luis villanueva设计的英文版S7-200 PLC 仿真软件（V2.0），原版为西班牙语。

该仿真软件可以仿真大量的S7-200指令（支持常用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等，但部分指令如顺序控制指令、循环指令、高速计数器指令和通讯指令等尚无法支持）。

仿真程序提供了数字信号输入开关、两个模拟电位器和LED输出显示，仿真程序同时还支持对TD-200文本显示器的仿真，在实验条件尚不具备的情况下，完全可以作为学习S7-200的一个辅助工具。

该软件的使用方法：

1、导出S7-200的程序代码，默认的文件扩展名为.AWL

2、执行仿真软件s7-200.EXE,此软件不需安装。

3、配置CPU,选定所需CPU的型号。

4、载入导出的程序。

5、点击工具栏中的“RUN",从停止切换到运行模式。

6、正式运行待调试的程序后，即可进行仿真。

5.2仿真界面

图5-1程序仿真图

6设计经验与体会

通过这次的课程设计,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛。

PLC课程是我们这个学期学的内容，再加上初次认识和使用系统仿真软件S7-200和编译软件STEP7_MicroWINV4，自己动手设计电路，所以在刚开始的课程设计遇到了很大困难！

说到这确实深感惭愧，但这也给自己创造了一个学习的机会！

重新回顾整个学期学过的内容，并且在图书馆和网上查阅了很多资料，通过和同学之间的交流，还有老师的辅导，自己开始熟悉并掌握有关PLC的设计！

经过两个礼拜的努力，看到了自己的成果！

同时对PLC有了一个新的认识，产生了很大的兴趣！

我想以后多多进行这样的课程设计，这样不仅能将课上的原理分析得更透彻，而且能将其灵活地应用于实际生活中，提高动手能力和创新能力，很有意义。

我们要不断温习以前学过的知识，而不能学过去了就把它扔在一边！

这样自己才能有进步！

课程设计检验的是综合能力，自己不仅要掌握课本上的东西，还有自己的动手能力，组织能力等等，要认真对待课程设计，学以致用，理论联系实际，尽自己的最大努力把它做好！

这个经历会磨练袭击的意志，我相信对自己以后的学习和工作有很大的帮助。

7参考文献

[1] 储云峰.施耐德电气可编程控制器原理及应用.北京:

机械工业出版社.2006.8 

[2] 宋伯生.PLC 编程原理、算法及技巧[M].北京:

机械工业出版社.2006 

[3] 刘裁文.电梯控制系统.北京：

电子工业出版社.1996 

[4] 陈家盛.电梯结构原理及安装维修，机械工业出版社.2003 

[5] 陈在平.可编程控制器技术与应用系统设计，机械工业出版社.2005

[6]陈建民.电气控制与PLC应用[M]. 北京：

电子工业出版社.2011. 

[7] 邓星钟. 机电传动控制. 武汉：

华中科技大学出版社.2001. 

[8] 静  康. 实用电工典型线路图例. 北京：

中国水利水电出版社.1998. 

[9] 朱英韬. 工厂电气控制技术. 北京：

工业大学出版社.1991. 

[10] 杨长能,张兴毅. 可编程程序控制器基础及应用.重庆:

重庆大学出版社.2001.

附录一I/O分配表

输入信号

输出信号

序号

编号

名称

编号

名称

1

I0.0

开门

Q0.0

开门

2

I0.1

一层限位

Q0.1

一层指示

3

I0.2

二层限位

Q0.2

二层指示

4

I0.3

三层限位

Q0.3

三层指示

5

I0.4

四层限位

Q0.4

四层指示

6

I0.5

关门

Q0.5

关门

7

I0.6

开门到位

Q0.6

上行指示

8

I0.7

关门到位

Q0.7

下行指示

9

I1.0

上平层感应器

Q1.0

高速

10

I1.1

一层内选

Q1.1

一层内选指示

11

I1.2

二层内选

Q1.2

二层内选指示

12

I1.3

三层内选

Q1.3

三层内选指示

13

I1.4

四层内选

Q1.4

四层内选指示

14

I1.5

下平层感应器

Q1.5

低速

15

I1.6

上限位

Q1.6

上行输出

16

I1.7

下限位

Q1.7

下行输出

17

I2.0

一楼上呼

Q2.0

一楼上行

18

I2.1

二楼下呼

Q2.1

二楼下行

19

I2.2

二楼上呼

Q2.2

二楼上行

20

I2.3

三楼下呼

Q2.3

三楼下行

21

I2.4

三楼上呼

Q2.4

三楼上行

22

I2.5

四楼下呼

Q2.5

四楼下行

23

I2.6

关门测试信号

附录二程序

Network1

//关门指示

LDSM0.1

ANI0.6

ANI0.7

SQ0.5,1

Network2

//关门到位1

LDI0.7

RQ0.5,1

Network3

//初始下行复位

LDSM0.1

ANI0.1

ANI0.2

ANI0.3

ANI0.4

ANI1.6

SM1.1,1

Network4

//复位

LDI0.1

OI0.2

OI0.3

OI0.4

OI1.7

RM1.1,1

Network5

//一层内呼

LDNI0.1

AI1.1

LDNI0.1

ONQ0.0

AQ1.1

OLD

=Q1.1

Network6

//二层内呼

LDNI0.2

AI1.2

LDNI0.2

ONQ0.0

AQ1.2

OLD

=Q1.2

Network7

//三层内呼

LDNI0.3

AI1.3

LDNI0.3

ONQ0.0

AQ1.3

OLD

=Q1.3

Network8

//四层内呼

LDNI0.4

AI1.4

LDNI0.4

ONQ0.0

AQ1.4

OLD

=Q1.4

Network9

//二层外呼下响应

LDM0.4

ANQ1.3

ANQ1.4

ANQ2.2

ANQ2.3

ANQ2.4

ANQ2.5

OM0.5

=M0.0

Network10

//二层外呼上响应

LDM0.5

ANQ2.0

ANQ2.1

ANQ1.1

OM0.4

=M0.1

Network11

//三层外呼下响应

LDM0.4

ANQ1.4

ANQ2.4

ANQ2.5

OM0.5

=M0.2

Network12

//三层外呼上响应

LDM0.5

ANQ1.1

ANQ1.2

ANQ2.1

ANQ2.3

ANQ2.0

OM0.4

=M0.3

Network13

//一层外呼上灯

LDI2.0

LDNI0.1

ONQ0.0

AQ2.0

OLD

=Q2.0

Network14

//四层外呼下灯

LDI2.5

LDNI0.4

ONQ0.0

AQ2.5

OLD

=Q2.5

Network15

//二层外呼下灯

LDI2.1

LDNM0.0

ONQ0.0

ONI0.2

AQ2.1

OLD

=Q2.1

Network16

//二层外呼上灯

LDI2.2

LDNM0.1

ONQ0.0

ONI0.2

AQ2.2

OLD

=Q2.2

Network17

//三层外呼下灯

LDI2.3

LDNI0.3

ONM0.2

ONQ0.0

AQ2.3

OLD

=Q2.3

Network18

//三层外呼上灯

LDI2.4

LDNI0.3

ONM0.3

ONQ0.0

AQ2.4

OLD

=Q2.4

Network19

//开门

LDQ1.1

OQ2.0

AI0.1

LDM0.0

AQ2.1

LDM0.1

AQ2.2

OLD

OQ1.2

AI0.2

OLD

LDM0.2

AQ2.3

LDM0.3

AQ2.4

OLD

OQ1.3

AI0.3

OLD

LDQ1.4

OQ2.5

AI0.4

OLD

LDI0.0

ANQ0.0

ANQ0.5

OLD

ANQ0.5

LDQ0.7

ANQ0.6

EU

OI0.6

NOT

LPS

AQ0.0

=Q0.0

LPP

ALD

OQ0.0

=Q0.0

Network20

//开门后延时3秒

LDI0.6

TONT33,300

Network21

//关门

LDI0.5

EU

OT33

ANQ0.0

LDI0.0

ANI0.5

EU

OI0.7

NOT

LPS

AQ0.5

=Q0.5

LPP

ALD

OQ0.5

=Q0.5

Network22

//上行指令中间继电器

LDQ2.2

OQ1.3

OQ1.4

OQ2.3

OQ2.4

OQ2.5

AI0.2

OI0.1

LDQ2.4

OQ1.4

OQ2.5

AI0.3

OLD

ANM0.5

LDI0.2

AM0.0

LDI0.3

AM0.2

OLD

OI0.4

OI1.7

NOT

LPS

AM0.4

=M0.4

LPP

ALD

OM0.4

=M0.4

Network23

//关断是否下行

LDQ2.1

OQ1.1

O