基于PLC和组态王的电梯控制设计.doc
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基于PLC和组态王的电梯控制设计
摘要
这个设计论文主要是关于PLC及组态王在电梯控制上的应用，设计了一个能够实现远程监控的四层电梯控制系统。
首先应用PLC对此系统进行了程序设计，然后运用组态王软件进行了模拟控制实验，实验结果表明此控制系统设计能够满足实验要求。
本文简要介绍了可编程控制器（PLC）及其在电梯中的应用，分析了使用PLC进行四层电梯控制系统的设计思路与方法，并描述了使用组态王建立电梯监控系统的方法，以及如何实现程序和组态的连接，从而实现了对电梯的远程监控。
通过这个设计和调试运行的过程，达到了学习和使用PLC和组态的目的。
关键词：
电梯控制系统，PLC，组态王
Abstract
Thisdesignpaper,whichmainlyaboutPLCandKingviewintheelevatorcontrolapplications,designedafourlayerselevatorcontrolsystemswhichcanautomaticcontroltheelevatorandremotemonitoring.FirstlyapplyingthePLCprogrammingforthissystem,thenusingofKingviewsoftwaretosimulatethecontrolexperiment,theexperimentalresultsshowthatthiscontrolsystemdesigncanmeetthetestrequirements.
ItgenerallyintroducesthePLCanditsapplicationsintheelevatorcontrol，analyzesthewayhowtousethePLCtocarryonafourlayerselevatorcontrolsystemdesign,describeshowtoestablishanelevatormonitoringsystemandhowtorealizestheprogramandKingview’sconnections.Itrealizesremotemonitoringcontrol.RunningthroughthedesignanddebuggingprocesstolearnandusePLCandConfigurationpurposes.
Keywords:
elevatorcontrolsystemPLCKingview
目录
第一章前言 3
第二章可编程控制器（PLC）介绍及电梯应用 4
2.1可编程控制器（PLC）的概述 4
2.2电梯的简介 7
2.3PLC在电梯中的应用及发展方向 8
第三章电梯控制系统的PLC设计 10
3.1设计任务分析 10
3.2电梯的运行原则 10
3.3PLC选型及输入输出符号表 11
3.4电梯控制流程图 14
3.5PLC程序板块分析 15
第四章组态王软件的使用及组态画面设计 19
4.1组态王软件介绍 19
4.2组态画面设计 21
4.3程序与组态的运行与调试 27
结束语 29
致谢 30
参考文献 31
附录 32
第一章前言
本设计的主要任务是使用PLC设计一个四层电梯控制系统并使用组态王设计其监控系统。
PLC（ProgrammableLogicController）是工业专用计算机，这种计算机采用面向用户的指令，因而编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作，还具有数字量,模拟量输入/输出控制的能力，并且容易与工业控制系统连为一体，易于扩充。
当今电梯已经成为高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，而且它的抗干扰能力远远强于传统电梯，使电梯运行更加安全、方便、舒适。
该设计首先分析设计任务，结合电梯结构与工作原理，提出电梯的电气控制系统的基本功能要求，为实现这些功能，再从硬件和软件两个方面入手设计：
硬件方面，主要从PLC的选型、PLC输入输出的编址方面考虑；软件方面，系统分为启动初始化、用户呼叫指示、电梯到层指示、电梯开门控制、电梯上下行控制、和超载报警、限位保护等基本模块。
完成硬件和软件部分的设计，整体工程就完成了重要的一部分，然后进行组态监控系统的设计。
此后还需要反复修改、运行调试。
鉴于作者水平有限，不足之处还请各位老师批评指正。
第二章可编程控制器（PLC）介绍及电梯应用
2.1可编程控制器（PLC）的概述
2.1.1可编程控制器（PLC）的定义
IEC在1987年对可编程控制器（PLC）下的定义是：
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑计算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入/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连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
由上述定义可见，PLC是工业专用计算机，这种计算机采用面向用户的指令，因而编程方便。
它能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作”，还具有“数字量,模拟量输入/输出控制”的能力。
并且容易与“工业控制系统连为一体”，易于扩充。
因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机。
2.1.2PLC的特点及分类
PLC能如此迅速发展，除了工业自动化的客观需求外，还因为其具有许多独特的优点。
如较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
以下是其主要特点:
（1）硬件的可靠及抗干扰能力
（2）编程简单，使用方便
（3）接线简单，通用性好
（4）可连接为控制网络系统
（5）易于安装，便于维护
（6）体积小、耗能低
2.1.3PLC的分类
目前，可编程控制器（PLC）产品种类很多，按照其用途、功能、结构、点数等有多种分类方法。
（1）按点数和功能分类
为满足不同控制系统处理信息量的需求，PLC具有不同的I/O点数、用户程序存储量和控制功能。
由I/O点数的多少可将PLC分成小型，中型和大型。
小型PLC的I/O点数小于256点，以开关量控制为主，具有体积小，价格低的优点。
适合小型设备的控制。
中型PLC的I/O点数在256—1024之间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂的逻辑控制和闭环过程控制。
大型PLC的I/O点数在1024点以上，用于大规模过程控制，集散式控制和工厂自动化网络。
（2）按结构形式分类
根据结构形式不同，可编程逻辑控制器可分为整体式和模块式结构两大类。
小型PLC一般采用整体式结构，即将所有电路安装于1个箱内为基本单元，另外可以通过并行接口电路连接I/O扩展单元。
中型以上PLC多采用模块式，不同功能的模块，可以组成不同用途的PLC，适用于不同要求的控制系统。
（3）按用途分类
根据可编程控制器的用途，PLC可分为通用性和专用型两大类。
通用型PLC作为标准装置，可供各类工业控制系统选用。
专用型PLC是专门为某类控制系统设计的，由于其专用，结构设计更为合理，控制性能更完善。
2.1.4PLC的工作原理
PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
PLC则采用循环扫描工作方式。
在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。
如此周而复始不断循环。
每一个循环称为一个扫描周期。
所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。
这实际是将输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O（输出）刷新”。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出输入产生了响应。
反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。
由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。
扫描周期的长短主要取决于这几个因数：
一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。
2.1.5PLC的编程语言
PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。
PLC提供的编程语言通常有以下几种：
梯形图、指令表、功能图和功能块图。
（1）梯形图（LAD）
梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。
（2）指令表（STL）
指令表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。
所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。
（3）顺序功能流程图（SFC）
顺序功能流程图（SFC）编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。
使用它可以对具有选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。
（4）功能块图（FBD）
S7—200的PLC专门提供了FBD编程语言，利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。
它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为盒指令出现的，程序逻辑由这些指令盒之间的连接决定。
本设计中，选择用梯形图作为编程语言。
2.2电梯的简介
2.2.1电梯的定义
一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
服务于规定楼层的固定式升降设备。
它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。
2.2.2电梯的组成及功能
现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置（如限速器、安全钳和缓冲器等）、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。
这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。
通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。
电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。
电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等。
2.2.3电梯的结构
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。
电梯主要分为几个部分：
曳引系统 、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、安全保护系统。
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、钢丝绳曳引式结构。
从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：
依附建筑物的机房、井道；运载乘客或货物的空间——轿厢；乘客或货物出入轿厢的地点——层站。
即机房、井道、轿厢、层站。
2.2.4电梯的工作原理
电梯的曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
2.3PLC在电梯中的应用及发展方向
随着科技的发展，工业控制的自动化程度不断提高，以微处理器为核心组成的可编程序控制器（PLC）得到了广泛的应用。
很多工厂的生产流水线、加工设备、船舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由PLC控制，只要把预定的控制任务编成程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据各种指令，经过模拟量、数字量等输入输出部件对生产过程和设备进行控制。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,在电梯行业中也迅速发展。
PLC在电梯中的应用也已很成熟。
PLC作为主控制器，一方面要采集电梯的各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。
另一方面要把采集到的信号进行计算和处理给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器，以控制电梯的运行。
当今，微机控制已成为电梯技术的发展方向，许多生产厂家与科研单位合作，相继推出了用可编程控制器取代继电器控制系统和用微机控制的电梯新机型，使电梯的控制功能增强，性能明显改善，可靠性及舒适性有所提高。
第三章电梯控制系统的PLC设计
3.1设计任务分析
本设计的要求为：
（1）利用PLC（S7—200）及电梯模型组建电梯控制系统的硬件。
（2）利用STEP7编制电梯控制程序梯形图。
（3）利用组态王编制远程监控程序。
根据任务分析，首先应该了解电梯的构造和工作原理，弄明白电梯的电气部分主要元器件的作用，列出电梯正常工作时，控制系统应该满足的要求，以此估算输入输出点数和编址，选择所用PLC的型号，结合电梯模型组建硬件。
其次，根据电梯的运行原则，画出流程图，然后使用STEP7软件编写电梯控制程序的LAD图，程序梯形图完成后，进行调试与修改。
接下来，使用组态王（Kingview）软件，建立电梯的远程监控系统，完成后再结合程序与电梯模型进行反复调试和修改，直至顺利达到设计要求任务，表示设计的完成。
3.2电梯的运行原则
（1）电梯刚开启时，初始化使之回到一楼，并初始化各项数据；
（2）在电梯运行过程中，只响应顺向外呼叫，不响应反向外呼叫，只在无同向呼叫信号时才响应反向呼叫；
（3）电梯运行方向由内呼叫信号决定，顺向时优先执行；
（4）内外呼叫信号都具有记忆保持，执行后解除；
（5）内外呼叫信号、运行方向以及行进中的楼层均由信号灯指示；
（6）到达某一楼层经短暂延时后可自动或手动开门，超重报警时不能进行自动或手动关门，关门过程中，有本层顺向外呼叫信号时响应开门；
（7）电梯上下行时不能手动开关门,开门时不能上下行。
（8）电梯应当具有最远反向外呼叫响应功能，比如，电梯轿厢在一楼，而同时有二层向下外呼梯、三层向下外呼梯，则电梯轿厢先去四楼响应四层向下外呼叫信号。
根据电梯运行原则，可以列出电梯控制系统的流程图，并进行程序的编写。
3.3PLC选型及输入输出符号表
电梯系统电气部分的主要组成就是电机拖动、信号元件以及轿内和外部的控制按扭，设计中根据这些给出的信息可以了解控制对象的特点，从而确定有关的PLC输入、输出点的选择。
（1）输入信号
首先要确定PLC的输入，根据电梯控制的特点，输入点应该包括轿内及各层门厅控制按钮，主要有轿内的楼层选择数字键1-4，各层门厅外呼叫按钮中，除一层只设置上升按钮，四层只设置下降按钮外，二三层均设置上升和下降两个按钮。
各层均应有一个限位器输入，然后还有开关门及其限位，最后还要有超重检测，共计19个输入量。
（2）输出信号
输出时，4个内呼叫信号和6个外呼叫信号都需要有指示灯，显示其按钮是否被按下及是否被响应，还要各楼层是否达到的数码显示，以及电梯上下行、开关门继电器的控制，和到位音响、超重报警。
总计有20个输出量。
因此根据控制要求，PLC控制系统选用西门子公司S7—200系列CPU224，加上几个扩展模块，可以满足电梯对电气控制系统的要求。
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CPU224型PLC的主机外形结构如图所示:
CPU224型PLC的主机外形结构
CPU224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。
CPU224外部电路接线电路图如图所示：
通过以上分析，确定输入输出量的地址，如下表所示：
符号
地址
符号
地址
四层下
I5.1
二层上灯
Q5.3
三层上
I5.2
二层下灯
Q5.4
三层下
I5.3
三层上灯
Q5.5
二层上
I5.4
三层下灯
Q5.6
二层下
I5.5
四层下灯
Q5.7
一层上
I5.6
内叫一层灯
Q6.0
一层限位
I5.7
内叫二层灯
Q6.1
二层限位
I6.0
内叫三层灯
Q6.2
三层限位
I6.1
内叫四层灯
Q6.3
四层限位
I6.2
超重报警
Q6.4
内叫一层
I6.3
一楼数码显示
Q6.5
内叫二层
I6.4
二楼数码显示
Q6.6
内叫三层
I6.5
三楼数码显示
Q6.7
内叫四层
I6.6
四楼数码显示
Q7.0
开门
I6.7
电梯上行
Q7.1
关门
I7.0
电梯下行
Q7.2
开门限位
I7.1
开门继电器
Q7.3
关门限位
I7.2
关门继电器
Q7.4
超重检测
I7.3
到位音响
Q7.5
一层上灯
Q5.2
3.4电梯控制流程图
上电
用户命令输入
初始化回到一楼
检测电梯状态
执行上行
是否有呼叫？
是否开门？
是否上行？
是否下行？
执行下行
到达目标楼层?
关门结束？
到达目标楼层?
执行开关门
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
YES
YES
YES
YES
YES
YES
YES
3.5PLC程序板块分析
初始化程序段
使用初始寄存器SM0.1在程序开始运行阶段把程序中用到的寄存器初始化，并使电梯轿厢回到一楼。
呼叫信号灯的控制
以“二层下外呼叫”为例，当有二层下外呼叫而电梯轿厢未到达二层时，二层下灯亮；或电梯处于上行过程中，或者即将要上行，二层下信号灯保持。
只有在电梯下行到达二楼时，二层下灯灭。
超重检测
检测到超重时，超重报警立即反应，发出报警信号。
如下：
到位音响
在到达某一楼层时到位音响发出声音，持续短暂的0.5秒。
在程序中，是使用了电梯上行（Q7.1）或下行（Q7.2）的下降沿来触发到位音响及定时器，定时器计时0.5s即断开音响。
如下：
开关门程序
满足开门条件时，触发开门继电器开门。
门开到位，开门限位断开，停止开门。
开门条件有：
满足条件自动开门，到达楼层手动开门，到达某一楼层时该楼层有外呼叫信号开门。
自动开门是使用各个呼叫信号灯的下降沿来触发开门延时定时器，延时2s来实现的。
满足关门条件时，触发关门继电器开门。
门关到位，关门限位断开，停止关门。
关门条件有：
自动关门和手动关门。
自动关门条件仍是延时关门定时器计时4s到，手动关门是在轿厢停在某一楼层时可以进行手动关门。
关门过程中，若有超重报警信号，或者正在开门，则不能关门。
程序如下：
上下行控制程序
满足上行条件时，电梯轿厢执行上行。
上行条件是，有二楼呼叫（包括内呼和外呼）时，轿厢在一楼；或有三楼呼叫时，轿厢在一楼或二楼；或有四楼呼叫时，轿厢在一楼或二楼或三楼，同时，电梯门已关到位，且不处于下行或即将下行或开门状态。
第四章组态王软件的使用及组态画面设计
4.1组态王软件介绍
4.1.1组态王（Kingview）软件概述
组态王（Kingview）开发监控系统软件是一种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。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据连接功能。
组态王具有一个集成开发环境“组态王工程浏览器”，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TOUCHMAK和画面运行系统TOUCHVEW来完成的。
TOUCHMAK是应用程序的开发环境。
在这个环境是用来完成设计画面、动画连接等工作。
TOUCHMAK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。
TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。
TOUCHVEW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。
4.1.2组态王的使用
“组态王”把第一台下位机都看作是外部设备，在开发过程中可以根据“设备配置向导”的提示一步步完成连接过程。
在运行期间，组态王通过驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令。
如图所示：
每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到很大的规模。
这样的通讯方式使得我们可以通过“动画连接”来建立起画面的图素与数据库变量之间的对应关系，这样，工业现场的数据，比如温度、液面高度等变量，当它们发生变化时，通过驱动程序，将引起实时数据库中变量的变化，画面上的对应图素就会将变化量通过形象的画面反映出来，快速而简便。
动画连接的引入是设计人机接口的一次突破它把程序员从重复的图形编程中解放出来，提供了标准的工业控制图形界面，并且有可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。
建立应用程序大致可分为以下四个步骤：
（1）设计图形界面
（2）构造数据库
（3）建立动画连接
（4）运行和调试
这四个步骤并不是各自独立的，而常常是交错进行的。
在使用组态王开始一个新项目时，在“组态王”中，开发的每一个应用系统称为一个项目，每个项目必须在一个独立的目录中，不同的项目不能共用一个目录
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