基于S7200和力控的电梯模型设计.docx
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基于S7200和力控的电梯模型设计
东北大学秦皇岛分校控制工程学院
自动控制系统课程设计
基于S7-200和力控的电梯模型设计
专业名称
自动化专业
班级学号
5090529
学生姓名
张键
指导教师
王宏伟
设计时间
2012.06.30
东北大学秦皇岛分校控制工程学院
《自动控制系统》课程设计任务书
专业：
自动化班级：
50905姓名：
张键
设计题目：
基于S7-200和力控的电梯模型设计
一、设计实验条件
地点：
自动化系实验室
实验设备：
PC机、西门子S7—200PLC
二、设计任务
本次课程设计，我们组题目是基于S7-200和力控的电梯模型设计，本设计采用PLC为控制中心，针对所在的不同楼层分别进行合理的调度。
四层电梯设计采用西门子S7-200控制，利用软件实现对电梯运行自动控制，大大提高了电梯的可靠性、安全性、快捷性，另外节省了大量外部接线，简化了控制系统结构。
三、设计说明书的内容
1、设计题目与设计任务（设计任务书）
2、前言（绪论）
3、主体设计部分
4、参考文献
5、结束语
四、设计时间与设计时间安排
1、设计时间：
2、设计时间安排：
熟悉课题、收集资料：
3天（6月18日～6月20日）
具体设计（含上机实验）：
5天（6月21日～6月25日）
编写课程设计说明书：
6天（6月25日～6月30日）
答辩：
1天（7月1日）
基于S7-200和力控的电梯模型设计
１.前言
1.1电梯模型的意义
电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。
PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技术改造的热点之一。
高校中关于PLC教学实验的中等模型较少，为此，自行设计并制作了专用4层集选电梯。
此电梯模型所采用的类型为西门子S7-200。
PLC程序设计采用模块化编程思想，即根据各功能实现的条件及原则设计各个功能模块。
设计的程序要求完成电梯自动运行功能如：
内选外召唤信号的登记、到层自动开门、延时自动运行等。
合理分配轿厢内指令的执行和厅外召唤的应答。
1.2电梯模型的应用
电梯控制系统是模拟现实中的电梯，根据其工作原理制作而成，该电梯共有四层，有电梯上下行轿厢，上下行指示灯，电梯所在楼层数码显示和开关门功能。
一楼有一个上行外交按钮，四楼有一个下行外交按钮，二楼和三楼均有上下按钮。
轿厢内有一楼至四楼四个内叫按钮和开关门两个按钮。
按钮全部为非自锁式，按下按钮接通一个指示灯，按钮自动化弹起。
当电梯响应该请求信号运行到该层时，该指示灯熄灭
优先级上在电梯上行过程中，上行请求优先，上行请求执行完毕后，响应下行请求。
同理在电梯下行过程中，下行请求优先，下行完毕后响应上行请求。
开关门动作在开关停在该层。
该层限位开关接通时才会发生。
1.3电梯的结构及组成部件
电梯是机电一体化产品。
其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。
各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。
尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。
电梯的基本结构如图2-1所示。
1—控制柜（屏）
2一拽引机
3—拽引钢丝绳
4—限速器
5—限速器钢绳
6—限速器张紧装置
7—轿厢
8—安全钳
9—轿厢门安全触板
10—导轨
11—对重
12—厅门
13—缓冲器
1.4可编程控制器的概述
可编程控制器的起源于在1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
初期它仅有逻辑运算、定时、计数等功能，用于开关量控制，实际只能进行逻辑运算，所以称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
20世纪80年代后，以微处理器构成的微机取得了飞速发展，使得可编程逻辑控制器在概念、设计、性能上都有了新的突破。
这种控制器的功能不再局限于当初的逻辑运算，增加了数值运算、模拟量的处理、通信等功能，成为真正意义上的可编程控制器（ProgrammableController）,简称PC。
但为了与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别，可编程控制器仍简称为PLC。
随着可编程控制器的不断发展，其定义也在不断变化。
最终国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：
“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器，它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作、并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。
”
事实上，由于可编程控制技术的迅猛发展，许多新产品的功能已超出上述定义。
1.5PLC控制电梯的优点
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。
电梯从手柄开关操纵电梯、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在电梯控制上的应用主要体现在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。
在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。
本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对四层电梯的控制，形成电梯控制系统。
电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。
传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。
目前电梯设计使用可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。
维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。
当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：
根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。
将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。
另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
1.6SIMATICSTEP7编程软件的介绍
SIMATICSTEP7编程软件是指西门子公司为可编程控制器编制的工业编程软件的集合，STEP7—Micro/WINV4.0SP4版的编程软件是基于Windows的S7—200专用编程软件。
其也是西门子公司2007年推出的S7—200编程软件，适用于所有S7—200CPU的编程，并具有TD400C在内的文本显示向导功能。
编程软件STEP7的基本功能是协助用户完成PLC应用程序的开发，同时具有设置PLC参数、加密和运行监视等功能。
STEP7—Micro/WIN编程软件在离线条件下，可以实现程序的输入、编辑、编译等功能，在联机工作方式（PLC与编程计算机相连）可实现上载、下载、通信测试及实时监控等功能。
1.7力控软件概述
力控开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统及以标准的工业计算机软件、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开发性好、易于扩展、经济开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
组态软件也为实验者提供来可视化监控画面，有利于试验者实现现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图像编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线、历史趋势曲线等，可以便利的生成各种报表。
力控是运行于MicrosoftWindows98/NT中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。
组态王具有一个集成开发环境“力控工程浏览器”，在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。
画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统和画面运行系统来完成的。
画面制作系统是应用程序的开发环境。
您需要在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。
画面制作系统具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。
画面运行系统是力软件的实时运行环境，在画面制作系统中建立的图形画面只有在画面运行系统中才能运行。
画面运行系统从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。
它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
2.主体设计部分
2.1总体方案设计
基本要求：
1．当某层有呼叫并有呼叫信号显示时，轿厢模型作相应的运动，并准确平层，平层的位置误差4mm。
2．平均每层运行时间不超过4秒，平层结束时给出提示信号。
3．当有多层呼叫时，轿厢模型将按说明中的电梯模型运行规则作相应的运动，并依次在呼叫的楼层停留3～8秒；
4．增设模拟轿厢内表示乘客欲到达层数的按钮，轿厢模型将按照电梯模型运行规则作相应的运动
5．能显示轿厢模型当前到达的楼层编号。
2.2硬件设计
2.2.1PLC型号的选择：
根据控制要求，PLC控制系统选用西门子公司S7—200系列CPU226。
小型PLC系统由主机（主机箱）、I/O扩展单元、文本/图形显示器、编程器等组成。
其中CPU226型PLC的主机外形结构如图3-1所示。
CPU226型PLC的主机外形结构
CPU226型PLC主机箱体外部设有RS—485通信接口，用以连接编程器（手持式或PC机）、文本/图形显示器、PLC网络等外部设备，还设有工作方式开关、模拟电位器、I/O扩展接口、工作状态指示和用户程序存储卡、I/O接线端子排及发光指示等。
CPU226外部电路接线电路图如图3-2所示：
CPU226外部电路接线电路图
输入电路采用了双向光电耦合器，24VDC极性可任意选择，1M、2M为输入端子的公共端。
1L、2L为输出公共端。
CPU226另有24V、280mA电源供PLC输入点使用。
2.2.2I/O分配图：
I/O点数的估算
采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。
电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。
一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。
一至四层有到位行程开关SQ1～SQ4。
电梯内有一至四层呼叫按钮K10～K7和指示灯H10～H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。
轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。
综上所述，输入点共有14个，输出点共有16个。
可编程控制器S7—200的CPU226输入，输出点数为24／16。
足以满足要求。
该系统占用PLC的30个I/O口，14个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如下图所示：
序号
名称
输入点
序号
名称
输出点
0
一层平层
I0.0
0
电梯上行记忆
Q0.0
1
二层平层
I0.1
1
电梯下行记忆
Q0.1
2
三层平层
I0.2
2
电机正转
Q0.2
3
四层平层
I0.3
3
电机反转
Q0.3
4
内呼一楼
I0.4
4
内呼一楼指示
Q0.4
5
内呼二楼
I0.5
5
内呼二楼指示
Q0.5
6
内呼三楼
I0.6
6
内呼三楼指示
Q0.6
7
内呼四楼
I0.7
7
内呼四楼指示
Q0.7
8
一层外呼上行
I1.0
8
一层外呼上行指示
Q1.0
9
二层外呼上行
I1.1
9
二层外呼上行指示
Q1.1
10
三楼外呼上行
I1.2
10
三楼外呼上行指示
Q1.2
11
二楼外呼下行
I1.3
11
二楼外呼下行指示
Q1.3
12
三楼外呼下行
I1.4
12
三楼外呼下行指示
Q1.4
13
四楼外呼下行
I1.5
13
四楼外呼下行指示
Q1.5
14
手动开门
I2.0
14
门电机正转
Q1.6
15
手动关门
I2.1
15
门电机反转
Q1.7
16
开门限位
I2.2
17
关门限位
I2.3
18
电梯上升极限位
I2.4
19
电梯下降极限位
I2.5
2.3软件设计
在工程中，对PLC应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大的差异。
现将常用的几种应用程序的设计方法简要介绍如下。
1.经验设计法
经验设计法也叫凑试法。
在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。
这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。
经验设计法的具体步骤如下：
（1）确定输入/输出电器；
（2）确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；
（3）做出系统动作工程流程图；
（4）选择PLC指令并编写程序；
（5）编写其它控制控制要求的程序；
（6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。
2.逻辑设计法
工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器元件来实现的。
而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：
断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。
该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。
在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。
3.顺序控制法
对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。
顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。
在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。
功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。
功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：
步于步之间必须用转移隔开；
转移与转移之间必须用步隔开；
转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。
按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。
一个顺序功能图中至少有一个出初始步。
2.4PLC程序设计思路：
（1）内叫的实现
按下按钮后通过自锁达到一直亮，串上常闭的限位开关实现到位后灯灭。
（2）外叫的实现
按下按钮后通过自锁达到一直亮，串上常闭的限位开关及上下行指示实现有选择的到位后灯灭。
（3）开门的实现
到位后指示灯由亮变灭，通过到位后产生的下降沿触发及自锁为开门计时，达到到位后计时开门，串上手动按钮及在符合开门的情况下实现手动开门。
（4）关门的实现
通过开门完毕的计时实现自动关门，并通过串联的手动按钮在符合开门的情况下实现手动开门。
（5）楼层指示的实现
通过限位开关，及各层的联系及自锁实现正确显示。
（6）上行的实现
分析内外叫按钮对电梯上下行的启动作用，从内外叫按钮分情况编写，然后组合到一块儿，实现电梯的上下行。
2.5调试程序
因为条件有限，调试程序时用按钮来表示输入，用指示灯来模拟程序运行后的输出。
1）轿厢在一层时有二层内呼
首先按住一层平层按钮，然后按下二层内呼按钮，此时二层内呼指示灯亮起。
松开一层平层按钮，电梯上行指示灯亮起，按下二层平层按钮，则电梯开门指示灯亮起，二层内呼指示灯熄灭。
再按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭，3秒之后电梯关门指示灯自动亮起。
再按下关门限位按钮，整个运动过程结束。
2）电梯在一层时（此时电梯门关着），一层外呼上（四层内呼），未到二层时，同时收到四层外呼下指令（一层内呼），二层外呼下指令，三层外呼上指令（四层内呼）
这是一个非常复杂的运动过程，包含了设计中要求的自动定向，顺向截梯，反向记忆，自动开门等所有功能。
首先按住一层平层按钮，然后按下一层外呼按钮，一层上指示灯亮起，此时电梯开门指示灯亮起，一层外呼指示灯熄灭，接着按下开门限位按钮，电梯开门指示灯熄灭，过3秒后，电梯关门指示灯自动亮起，按下关门限位按钮，电梯关门指示灯熄灭。
电梯上行指示灯亮起来。
按下四层内呼按钮，四层内呼指示灯来亮起。
然后连接按下四层外呼下，二层外呼下，三层外呼上按钮，相应指示灯亮起。
接着按下二层平层按钮，电梯不做反应，按下三层平层按钮，电梯做开关门运动，并继续上行。
按下四层平层按钮，电梯再次做开关门运动，四层内呼指示灯熄灭，上行指示灯熄灭。
之后电梯自动下行，下行指示灯亮起，按下一层内呼按钮，一层内呼指示灯亮起，按下三层平层，电梯没有反应，按下二层平层，电梯做开关门，然后继续下行，到一层平层按钮按下，电梯最后做开关门运动，所有指示灯熄灭。
整个运动过程结束。
主函数流程图：
电梯上升下降流程图：
电梯开关门流程图：
3.参考文献
[1]路林吉，王坚。
可编程控制器原理机应用。
清华大学出版社，2002
[2]程子华，刘小明。
PLC原理与编程实例分析。
国防工业出版社，2006
[3]段晨东。
PLC及式编程技术在电梯上的应用。
机电一体化。
上海科教文献出版社，2001
[4]李建兴。
可编程控制器应用技术[M]。
北京：
机械工业出版社，2004
[5]刘建文，李毫升，钟亚林。
电梯控制技术[M]。
北京：
电子工业出版社，1996
[6]李景学，金广业。
可编程控制器应用系统设计方法[M]。
北京：
电子工业出版社，1995
[7]陈立定，吴玉香。
电气控制与可编程控制器[M]。
广州：
华南理工大学出版社，2001
[8]陈家盛。
电梯实用技术教程[M]。
北京：
中国电力出版社，2006
[9]李华，可编程控制器（PLC）在电梯设计中的重要作用[J]，科技与经济，2006
[10]叶安丽，电梯控制技术[M]。
北京：
机械工业出版社，2008
[11]赵光，西门子S7-200系列PLC应用实例详解。
北京：
化学工业出版社，2006
[12]杨后川，西门子S7-200PLC应用100例。
电子工业出版社，2008
[13]白娟娟，PLC技术应用。
北京理工大学出版社，2004
[14]何峰峰，电梯基本原理及安装维修全书。
机械工业出版社，2002
4.结束语
经过近两周的努力，我们组顺利完成了电梯模型的设计，通过设计由最初对电梯工作过程一窍不通到自己独立设计，渐渐明白了利用PLC就可以实现控制电梯复杂的运行。
刚开始在设计电梯召唤信号时用了两个按钮，即上楼呼梯和下楼呼梯，但后来感觉这样和在轿厢内选层有所重复，并且大大增加编程难度，所以省略了厅外两个召唤信号，改用一个召唤信号，上下楼选层在轿厢内选择，这样也极大的方便了不清楚要去楼层在上还是在下的用户。
设计中用到了变频器这一新时代的产物，由于对变频器的学习几乎没有，所以在图书馆、网上找了许多资料，勉强了解了变频器一些基础知识，但也足够本次设计用了。
设计中用到了PLC、变频器、压力传感器，通过对PLC为中心编程控制电梯整个运行过程，为了使电梯可靠安全运行，加入了多种保护开关，如拽引机超载保护防止电梯超载，梯门入口安全保护防止关门过程中有东西被夹到，为了让人即使了解电梯运行状况电梯装有楼层显示器、超载报警、电梯到达电铃响铃。
通过变频器变频调速，电梯在平层时轿厢速度逐渐减小，并利用“无速停车抱闸”控制方法停止电梯，启动时缓慢启动，使人不感到眩晕、振动大大提高了乘坐电梯的舒适度和安全系数。
压力传感器主要用在电梯门侧主要作用是收到压力时及时打开门防止东西被夹到。
本次设计对我们是一个很大的考验，也是一个很大的学习机会，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。
原来在我们身边还有许多能够用我们所学的专业知识来解决的问题，这使得我对我学的专业越来越喜欢，并且从理论结合实际中，我可以学到更多。
所以这次的课程设计虽然艰难也学到了很多。
我也明白了，设计必须建立在实际的基础上。
以后要更努力的学习，提高自己。
也要多多运用自己所学的知识来运用的实际中，解决实际问题。
本次课程设计我从中学到了很多，我懂得了如何从理论到实践的转化，懂得了怎样将资料中的新知识为自己所用，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去；在和同学协作过程中我们增进了彼此间的友谊，这也让我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。
大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去。
此次数字时钟设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争。
附录一
系统程序：
召唤信号登记及消除
厅外召唤指令具有登记指示，到层取消。
内指令信号登记及消除
点动内呼按钮，信号登记显示。
到层信号取消。
本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。
电梯的平层信号处理
各楼层停车信号
选层定向及反向截梯
轿厢上行
轿厢下行
内指令外召唤信号的保持
轿厢的内呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动执行开关门操作。
开关门执行一次之后，信号取消。
使电梯能够继续响应其他乘坐信号。
手动及自动开关门
如梯形图所示，电梯到层停车后，延时2s开门，5s后自动关门。
并设有手动开门按
扭和关门按钮。
可实现即时开关门。
附录二
组态仿真图：
停止状态：
轿厢外指令：
轿厢内指令：
顺向截梯：
反向不截梯：
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