三层电梯plc课程设计文档格式.docx
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院（系）：
机电工程学院
专业班级：
13级电气工程及其自动化一班
学号：
指导教师：
成绩：
时间：
2016年6月13日至2016年6月24日
1、绪论
1.1研究背景
目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。
而PlC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；
又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。
PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。
1.2研究意义
随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。
然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。
绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。
电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强调电梯与环境的协调与和谐。
目前意义上的“绿色”，一般是强调“天然”的一面，强调与环境的协调与和谐。
电梯属于纯粹的工业产品，其天然性应表现为对环境影响的尽可能小，与环境的协调与平衡，以及电梯本身的人性化。
这也应是绿色电梯的发展方向。
2、PLC的发展
2.1PLC的发展背景
继电接触器控制系统是靠硬件连线逻辑构成的系统，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，不利于产品的更新换代。
20世纪60年代末期。
美国汽车制造业竞争激烈，整个控制系统需重新配置。
为了适应生产工艺不断更新的需要，寻求一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器势在必行。
1968年，美国通用汽车公司（GM）公开招标，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的众多条件，引发了开发热潮。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了第一台PLCPDP-14,并在GM公司汽车生产线上试用成功，取得了满意的效果，PLC由此诞生。
PLC是生产力发展的必然产物。
PLC自问世以来，发展及其迅速。
进入20世纪80年代，PLC都采用了微处理器、只读存储器、随机存储器或单片机作为核心，处理速度大大提高，增加了多种功能，体积进一步减小。
20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，在各类工业控制过程中的作用不断扩展。
PLC是可编程序逻辑控制器的简称，目前世界上的主流有美国产品、欧洲产品和日本产品。
德国的西门子S7系列是现在我们实验室的主要实验器材。
2.2PLC的定义
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
2.3PLC的发展趋势
1．向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
2．向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
4．编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
2.4PLC的基本结构
PLC的基本结构如图2.4所示。
图2.4PLC的基本结构
2.5PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
2.6PLC的选型
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。
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要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、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。
1.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，在增加10%到20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法故本设计的I/O点数为输入10点，输出12点。
2.存储器容量的选择
存储器容量是可编程序控制器本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实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。
设计阶段，由于用户程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须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代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到15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），另外再按次数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
3、电梯模型PLC控制系统设计
3.1电梯模型PLC控制系统设计
由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。
即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。
每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。
为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示（开关上带有指示灯）。
3.2设计内容
主要是用可编程控制器（PLC）自动控制电梯系统。
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。
因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。
针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来模拟控制电梯。
主面板如图3.2所示。
图3.2主面板
主要内容如下：
首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。
接着根据电梯的控制要求，设计模拟控制模板，确定PLC所需的输入/输出口的数量，确定PLC的型号，选定主机机型，并进行扩展。
然后设计PLC的外部接线图、流程图等，编写控制程序，最后对编写的电梯控制程序进行仿真和调试。
具体要求如下：
⑴电梯在一层时（上行）
电梯外呼叫：
按U2按钮此时UP2灯亮表示二层呼叫上行;
按U3按钮此时UP3灯亮表示三层呼叫上行。
电梯内呼叫：
按K2按钮此时SL2灯亮表示电梯到二层时会停车开门；
按下K3按钮此时SL3灯亮表示电梯到三层时会停车开门。
⑵电梯在二层时（上行）
按U3按钮此时UP3灯亮表示三层呼叫上行；
⑶电梯在二层时（下行）
按U1按钮此时UP1灯亮表示一层呼叫上行；
按K1按钮此时SL1灯亮表示电梯到一层时会停车；
⑷电梯在三层时（下行）
按D2按钮此时DN2灯亮表示二层呼叫下行；
按下K2按钮此时SL2灯亮表示电梯到二层时会停车开门；
按下K1按钮此时SL1灯亮表示电梯到一层时会停车开门；
⑸电梯在一层时此时需拨动开关SQ1表示电梯停在一层，此时L1灯亮；
电梯在二层时此时需拨动开关SQ2表示电梯停在二层，此时L2灯亮；
电梯在三层时此时需拨动开关SQ3表示电梯停在三层，此时L3灯亮。
3.3设计方法与步骤
3.3.1闪烁信号的作用
利用PLC的典型闪烁信号程序来实现电梯的所在楼层数。
以第一层为例，当电梯在一楼时，打开按钮SQ1（I0.4），此时L1灯（Q0.4）通过T38会产生一个通两秒断一秒的过程。
如图3.3-1。
图3.3-1闪烁信号装置
3.3.2自锁的设置
电梯楼层位置由行程开关控制。
在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。
用于控制机械设备的行程及限位保护。
构造:
由操作头、触点系统和外壳组成。
在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。
以1层指示灯为例：
若电梯在1楼平层时（I0.0），层指示灯亮（Q0.0），当电梯向上运行，指示灯依然亮着，直到电梯到达上层平层位置；
指示灯会熄灭。
如图3.3-2。
图3.3-2指示灯
3.3.3电梯的上升和下降
当然，电梯还需要提醒电梯外部和内部的有关人员电梯处于上升还是下降状态，对于上升，二楼和三楼需要上升的程序；
对于下降，只有一楼和二楼的需要提醒。
对于上升和下降来说，需要对它俩进行互锁状态。
如图3.3-3和图3.3-4。
分别为上升状态的警示信号和下降状态的警示信号。
图3.3-3上升状态
图3..3-4下降状态
3.4I/O口的分配
表3.4I/O分配表
状态
输入
输出
1楼向上U1
I0.0
UP1
Q0.0
2楼向上U2
I0.1
UP2
Q0.1
2楼向下D2
I0.2
DN2
Q0.2
3楼向下D3
I0.3
DN3
Q0.3
电梯1楼SQ1
I0.4
L1
Q0.4
电梯2楼SQ2
I0.5
L2
Q0.5
电梯3楼SQ3
I0.6
L3
Q0.6
1楼开门K1
I0.7
SL1
Q0.7
2楼开门K2
I1.0
SL2
Q1.0
3楼开门K3
I1.1
SL3
Q1.1
UP
Q1.2
DOWN
Q1.3
从任务设计要求中可以看出此次课程设计的电梯需要分配10个输入和12个输出。
输入有三个控制电梯层数的行程开关，四个控制楼梯上下的按键和内部三个呼叫电梯的按键。
输出主要是针对输入的信号，另外多了两个输出，电梯向上和向下的信号。
I/0分配表表3.4所示.
3.5外部接线图
外部接线图如图3.5所示。
图3.5外部接线图
4、调试结果及分析
4.1程序的仿真
本次设计采用以西门子公司的可编程控制器STEP7-Micro/Win进行实验。
首先在WINDOWS环境下打开STEP7-Micro/Win软件，向软件中输入程序，待程序输入完毕将其变换后写入PLC中。
写入完毕后，打开菜单栏中仿真软件，将程序下载在到软件当中，运行软件实现对PLC过程的监控功能。
根据实验要求，动作相应开关，模拟电梯控制系统的工作过程。
在实验过程中要注意观察程序运行的变化过程。
若输入的程序有问题，对程序进行修改，经变换后再写入PLC中调试。
4.2程序的编写
单击左侧树中的程序块，打开程序块中的分支，单击树枝中的主程序，在主程序窗口中输入编写的电梯程序，如图4.2所示。
图4.2主程序面板
4.3程序的编译及调试
当程序编写完成后，要进行验证编写的程序是否有错误，当然最好是分开进行，减少错误量，例如先编写LED显示模块，进行调试，再编写开关门程序，再调试等。
所有的程序编写完成后再统一调试，并下载到模型机里面进行联机调试。
下载界面如图4.3所示。
图4.3下载界面图
4.4程序调试结果
经过近一周的努力，在老师和同学们的帮助下，最终能实现所要求的设计。
如图4.4所示。
图4.4最终接线图
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。
电梯轿箱内设有楼层内选按钮K1～K3，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，SQ1～SQ3为到位行程开关。
具体如下：
1、开始时，电梯处于任意一层。
2、当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开。
3、当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开。
4、在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号。
5、电梯未平层运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。
4.5程序分析
本次设计利用S7-200可编程控制器实现对电梯的控制。
通过I/O口的估算，合理的选择PLC的型号。
根据电梯的控制要求，合理的分配I/0口，绘制流程图，编写电梯控制程序，并通过软件对程序进行仿真调试，使电梯实现了轿内与各层呼梯指令的记录、电梯运行方向和选层的控制，电梯上下行和电梯的指层控制等功能，达到了预定的设计目的。
总结
经过近两周的研究工作，通过在图书馆、互联网上查阅有关资料，了解了电梯的起源和发展过程，并且加深了对电梯的运行过程、控制系统的认识。
熟悉了可编程控制器在电梯控制系统中的运用。
尤其是可编程控制器（PLC），我以前的课程中虽然学过,但是不精。
为了完成这个课题，我用了更多时间来再次学习PLC及电气自动化。
虽然在开始阶段感到很困难，但坚持下来却感觉并不难。
并且在所学知识的基础上利用已有的电梯控制系统的设计，尝试了对电梯控制系统的研究。
并且，使我将原来所学的知识系统化、理论化、实用化，对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。
通过这次设计，我还认识到无论做什么，都需要踏实、勤奋、严谨的工作态度这对我以后的工作产生深远的影响。
设计达到了预定的设计目的，利用可编程控制器（PLC）控制技术改造旧电梯，充分利用了现代电力电子技术、计算机原理和检测技术，达到了对电梯的可靠控制。
通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了电梯的运行可靠性。
采用PLC改造后的电梯结构紧凑、维修简单、故障率低。
如果PLC与交流变频调速（VVVF）控制技术结合将提升电梯的的效率和舒适感，有利于电梯的节能。
具有一定的经济效益和社会效益。
参考文献
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[9]李华,可编程控制器（PLC）在电梯设计中的重要作用.科技与经济.2006.
附录
梯形图
语句表
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