本科毕业设计四层电梯控制系统设计.pdf

本科生毕业设计 I 摘 要 电梯系统是实现智能大厦垂直运输的重要设备，也是现代智能建筑重要的装置。 同时，电梯在企业内部应用较多，一般安装在车间内部，是企业内部经常使用的设备， 主要用来运送乘客和货物。 电梯系统设计包括电梯结构设计、硬件电路设计以及软件设计。电梯的结构设计 包括电梯整体框架的设计、电梯门的设计、低压电器的安放位置以及电梯整体布线。 硬件电路的设计包括确定电梯的原理图、I/O 接线图等。软件部分包括程序的编写和 组态的设计。 电梯系统应该为乘客提供一个安全，便利，舒心的环境，同时也应该为操作者提 供一个环保、节能和远程监控的智能化运行系统。无疑，高品质的电梯及其控制技术， 给人类带来了更多的便捷和更大的舒适性。 关键词：电梯；PLC；控制器；调速；车间 本科生毕业设计 II ABSTRACT The elevator system is the important equipment to realize intelligent building vertical transportation, modern intelligent buildings important device. At the same time, the elevator in the enterprise internal applications are usually installed in the workshop, is the enterprise internal often use equipment, mainly used to transport passengers and cargo. Elevator system design including structural design, hardware circuit design and software design. Structure design including the design of the elevator of the overall framework of the lift, elevator door design, integrated wiring the placement of low voltage apparatus and the elevator. The design of hardware circuit including schematic diagram of the lift, the I/O wiring diagram, etc. Software part includes the writing of the program and configuration design. The elevator system should provide a security for passengers, convenient, comfortable environment, but also should provide the operator with a environmental protection, energy saving and intelligent operation of remote monitoring system. There is no doubt that high quality elevator and its control technology, bring people a more convenient and more comfortable. Key words: Elevator；PLC；Controller；Speed regulation；Workshop 本科生毕业设计 目 录 摘要 Abstract 第 1 章 引言1 1.1 课题研究的目的和意义1 1.2 工企车间电梯控制国内外研究现状1 1.3 课题研究的主要内容和技术路线1 1.3.1 课题研究的内容1 1.3.2 技术路线的确定2 第 2 章 方案设计及论证3 2.1 总体设计方案3 2.2 控制方式的选择3 2.3 拖动方案的选择4 2.4 系统结构设计5 2.5 本章小结5 第 3 章 硬件电路设计6 3.1 硬件选择原则6 3.2 电梯控制系统设计6 3.2.1 控制电路的设计6 3.2.2 电机及其驱动电路的设计8 3.3 触摸屏设计9 3.4 本章小结9 第 4 章 软件电路设计10 4.1 电梯运行流程图10 4.2 I/O 接口分配11 4.3 内部标志位存储器的分配11 4.4 各部分程序的设计12 4.4.1 开关门的设计12 4.4.2 指令的输入及显示灯的设计13 本科生毕业设计 4.4.3 平层控制的设计14 4.4.4 显示当前楼层以及上下行指示的设计14 4.4.5 轿厢上下行的设计14 4.4.6 曳引电动机正反转的设计15 4.4.7 电机降速程序的设计15 4.5 组态设计16 4.5.1 概述16 4.5.2 变量的定义16 4.5.3 画面的设计16 4.6 本章小结19 第5章 程序调试及降压斩波电路仿真19 5.1 程序的调试19 5.1.1 概述19 5.1.2 调试过程19 5.2 降压斩波电路的仿真29 5.3 系统整体调试30 5.4 本章小结33 结束语34 参考文献 35 致谢36 附录 A 电气接线图37 附录 B 结构设计图38 附录 C 实物图39 附录 D 程序图40 本科生毕业设计 1 第 1 章 引 言 1.1 课题研究的目的和意义 自 1889 年美国奥蒂斯公司研制出世界上第一台以直流电动机为动力传动的电梯， 电梯的设计和工艺得到不断的提升， 电梯的品种也逐渐增多。 随着高层建筑日趋增多， 建筑设计档次不断进步，人们对电梯的要求不再仅限于速度、舒适等方面，对电梯的 安全、可靠性以及更多的功能有了更高要求。 在现代建筑中，运用先进的监控手段，对电梯运行的状态、安全及防护、维修和 保养进行全方面管理。在我国许多新建的建筑中，有越来越多的电梯运用先进的控制 技术。 随着高质量电梯驱动技术的运用，高层建筑的电梯变得更加舒适、高速以及消耗 更少的电力。而性能良好的电梯群控系统，能够有效的调配电梯群中的轿厢，以实现 用最少的装置使交通人流最大化，达到整体最优，即最短的等候电梯时间、最高的载 送能力、最小范围的乘客聚群。 1.2 工企车间电梯控制国内外研究现状 在过去的 100 多年，电梯控制方式发生了很大改变，体现在如下几个方面： （1）电梯拖动技术得到了很大发展，直流电梯已经逐步被交流电梯所替代。目前交流 拖动电梯得到了很大发展，由变级调速发展成为调压调速、调压调频调速，使乘客获 得更大的舒适度。 （2）电梯的逻辑控制方式为可编程序控制和微机控制，控制方式也发展成为群控、并 联控制等，电梯运行更加安全。 （3）目前已经广泛使用群控管理。 （4） 由于国际上机械加工水平得到了不断的提高， 使得行星齿轮传动和斜齿传动应用 更加广泛，使电梯的传动形式更加多元。 1.3 课题研究的主要内容和技术路线 1.3.1 课题研究的内容 本次课题研究的主要内容包括电梯的结构、 构造， 控制方式以及电梯功能的实现。 电梯的主要功能： （1）能够实现轿厢向上和向下运行以及厅门开通和闭合。 本科生毕业设计 2 （2） 轿厢的上下运行和电梯门的开关分别由两台直流电动机控制。 每一楼层的电梯门 旁边都有呼叫电梯上下运行的带灯按钮，轿厢内部控制面板装有 1 至 4 层的带灯按钮 和控制开关门的按钮，在轿厢运行的井道内部装有用于楼层定位的接近开关，在电梯 门的两侧装有用于开关门定位的行程开关。 （3） 系统选择使具有按钮功能和指示灯功能为一体的带灯按钮， 能够对两种功能分别 实现控制。当按钮按下，对应指示灯立刻打开，当完成指令后，对应指示灯能够熄灭。 （4）在轿厢内部和每层电梯门的旁边，都有用来显示当前轿厢所在楼层的数码管。 （5）轿厢停在某一楼层，当该层有外呼信号时，厅门实现自动打开。 （6）当轿厢接收到多条指令的时候，按照先入为主的原则，自动实现定向，并且按照 指令输入顺序自动依次停靠，并完成全部指令。 （7）当遇到顺向召唤信号时能够停靠做出应答，遇到反向信号时，不予应答。当顺向 要求实现后，再完成反向的要求。 （8）当电梯运行到最上面楼层或者最下面楼层的时候，能够自动转变运行方向。 （9）当全部内部指令完成的时候，并且没有门厅外部召唤，则能自行关闭厅门并且停 留在原来的位置等待乘客。 1.3.2 技术路线的确定 PLC 作为工业控制器，其可靠性比较高并且技术先进，在电梯控制系统中得到了 较为广泛的应用，目前已经成为电梯控制和电梯技术改造的热点。 所以本设计将使用 PLC 实现升降电梯的控制。首先，根据系统功能的要求，做出 系统的电气原理图，结构设计图，以及 PLC 的 I/O 接线图。然后，根据 I/O 点数，确 定所需要 PLC 的机型。通过对四层电梯的硬件部分作详细的分析，列出所需要的所有 硬件，并且做出电梯的模型。然后再进行系统软件的设计，绘制出系统流程图，并写 出梯形图。最后是进行软件的调试，软件调试通过后，再进行硬件的调试，将程序下 载到 PLC 中，把电梯模型中对应的输入点和输出与 PLC 做相应的连接，并检查该程序 是否可行以及电梯的功能能否顺利实现。 本科生毕业设计 3 第 2 章 方案设计及论证 2.1 总体设计方案 电梯是由机械与电气紧密融合的复杂装置，是使用最多的垂直交通运输工具。通 常，由电气部分、机械部分和安全保护部分组成。其中，机械部分是骨架，电气部分 实现拖动和控制，安全保护部分则与机械、电气有机的结为一体，用以保障电梯能够 安全、可靠地运行。 电梯的机械系统由曳引系统、重量平衡与导向系统、轿厢与门系统以及机械安全 保障系统。电气系统主要包括运行控制系统和拖动控制系统两大系统。运行控制系统 实现对电梯的运行进行操纵和控制，拖动控制系统实现电梯的速度控制。同时电梯必 须做到足够安全，要保证乘客的绝对安全，同时电梯本身和所载的物品以及建筑也要 进行全面的保护。为了预防一切安全事故，需要设置多种保护装置。 综上所述， 电梯设计包括控制方式的选择、 拖动方式的选择以及系统结构的设计。 电梯的基本结构如图 2.1 所示： 电梯 机房部分轿厢部分井道、底坑部分层站部分 控 制 柜 曳 引 机 限 位 开 关 限 速 器 选 层 器 导 轨 缓 冲 器 对 重 限 速 张 紧 装 置 终 端 限 位 开 关 安 全 钳 轿 厢 导 靴 厅 门 地 坎 门 锁 装 置 召 唤 按 钮 箱 门 套 厅 门 楼 层 指 示 导 向 轮 平 衡 补 偿 装 置 曳 引 绳 门 机 装 置 随 行 电 缆 厅 门 换 速 平 层 装 置 图 2.1 电梯基本结构 2.2 控制方式选择 为了能够安全、舒适、方便地运行，必须有一套安全可靠的控制系统。随着技术 不断的发展，电梯控制也不断改变。主要分为三种：分别是继电器控制方式、微机控 制方式和可编程控制器（PLC）控制方式。 本科生毕业设计 4 由于继电器控制方式缺陷较多，现在已逐渐被淘汰。虽然微机控制方式在智能控 制方面较强，但抗干扰性差、系统设计比较复杂、维修技术难以被维修人员快速掌握 等缺陷，已逐步被淘汰。而 PLC 中的内部辅助继电器、保持继电器等均为本身系统内 存工作单元，即没有线圈又没有触点，使用的次数不受限制。因此，PLC 控制方式运 行可靠性高、抗干扰性强、设计和调试周期较短、使用和维修方便，备受人们的重视， 目前已经成为用的最多的控制方式。 SIMATIC S7-200 系列属于小型、整体式结构的 PLC，具有内置电源，本身自带 RS-485 通讯接口、I/O 接口，并且具有丰富的指令系统和扩展模块。其通信能力和实 时特性比较强大，且易于掌握、便于操作、可靠性高。 综上所述，采用 PLC 作为控制方式，PLC 的结构如图 2.2 所示： 输 入 接 口 及 模 块 输 出 接 口 及 模 块 电源 中央处理器 系统程 序存储 器 用户程 序存储 器 外设I/O接口 可编程控制器可编程控制器 手动开关 限位开关 传感器 接近开关 数字开关 编码器 电源 继电器，接触器 电磁阀 变频器输入端 数码显示器 指示器 蜂鸣器 电源 编 程 器 盒 式 磁 带 其 打 印 机 EPROM 打 印 器 图 形 监 控 系 统 P L C 图 2.2 PLC 的结构 2.3 拖动方案选择 目前拖动系统有如下几种类型： 单、双速交流电动机其拖动系统结构紧凑、维护方便，并且线路简单、成本较低， 但是舒适感比较差。由于涡流制动、能耗制动的应用，使得这种拖动方式获得了广泛 的应用。虽然变频变压调速系统采用交流电动机驱动，但是采用变频变压技术，使其 可以达到直流电机的水平。 由于本设计需要制作一台电梯模型，因此整个拖动系统由一台直流电动机作为主 驱动电机、一台直流电动机作为开关门的驱动电机。其中主电动机通过一个降压斩波 电路实现电压的调整，从而实现双速运行，门电机实现正反转运行。 本科生毕业设计 5 2.4 系统结构设计 电梯系统结构设计包括井道的设计、轿厢结构的设计、拖动电机和其它低压电器 的安装位置以及电梯的布线设计。电梯主要结构由铝合金型材构成，包括井道、厅门 和配重部分。这里选用 2020 型号的工业铝型材，并且采用与之配套的角件，螺栓采用 T 型螺栓，螺母采用 T 性螺母。整个框架由铝合金型材、角件、T 型螺栓和 T 性螺母 组装而成。 该电梯模型设计为三层，整个电梯模型的高度为 80cm，由四根铝合金型材作为支 撑。电梯的长度为 24cm，宽度为 21.5cm。轿厢门的高度为 20cm，长度为 20cm。每 个楼层的设计高度为 25cm。井道的支架均为铝合金型材，它们通过角件、T 型螺栓和 T 性螺母进行固定，整体结构紧固。 在电梯的上部为由 4 个滑轮组成的导向轮，通过导向轮来实现力的方向的改变。 通过导向轮，将钢丝绳跨过电机轴端的滑轮上，实现电梯的提升和下降。钢丝绳选用 1.5mm 型号，端部通过不锈钢绳加来实现固定，一端连接在轿厢上部，另一端连接在 对重上部。 轿厢的开门和关门需要限位， 由两个微动开关实现。 将微动开关布置在门柱上端， 由门电动机带动厅门实现开门和关门动作，厅门触碰微动开关，实现指令输入。在井 道的下部和上部，分别安装两个微动开关，作为一层下限位和三层上限位，在井道的 两旁固定接近开关，从下到上高度分别为 23cm、27cm、48cm、52cm 处，分别作为一 层上限位、二层下限位、二层上限位和三层下限位。 电梯的控制面板由木板制作完成，上面安装有 9 个带灯按钮，一个急停按钮和一 个旋钮。整个面板固定在电梯夹的下部，同时在面板的另一面还固定着本次设计所需 要的电路。电路由两块板组成，一块用来安放继电器以及其相关电路，另一块板子用 来制作降压斩波电路以及其驱动部分。电梯的所有接线都固定到一起，由电梯的下部 引出，连接到 PLC 对应的 I/O 上。 2.5 本章小结 本章首先确定了总体设计的方案，然后通过对几种电梯的拖动和控制方式进行比 较，确定了本次电梯系统设计的控制方式以及拖动方式。 本科生毕业设计 6 第 3 章 硬件电路设计 3.1 硬件选择原则 电梯系统硬件部分包括拖动电机及其驱动电路，触摸屏和其它低压电器，如接近 开关、微动开关、按钮、继电器以及其它器件。硬件的合理选择关系到电梯的功能能 否实现，所以要正确的选择硬件。 电机及其驱动电路应该提供足够的拖动能力，并且还要符合调速性能的要求。触 摸屏的选择要充分考虑到实际的情况，根据实验室所具有的型号以及所要实现的功能 来确定。低压电器的种类较多，并且同一类型的器件具有多种型号，需要根据所要完 成的功能及要求来加以确定。 在选择所有器件的时候都要首先确定其规格、参数，这是判断器件型号的重要依 据。其中器件的各项参数都是根据相关原则一步一步确定下来的，同时还要灵活选用 各器件。还要充分考虑成本问题，尽量使花费最少。要选择质量稳定、可靠的元件， 优先选择低功耗、低热阻、低损耗角和高效益的器件。必须按照标准化、通用化的原 则来选择元件，这样才能降低维修成本。 3.2 电梯控制系统的设计 PLC 的控制系统主要由曳引电动机、门电动机及其驱动电路，召唤按钮箱，PLC 及控制柜，轿厢操作盘，楼层指示器等部分。如图 3.1 为电梯的控制系统。 安全保护 装置 井道装置 拖动控制 指层器 PC主机 CPU存储器 输 入 接 口 输 出 接 口 调整 门机保护装置 轿厢操作盘厅外呼叫 图 3.1 电梯控制系统 3.2.1 控制电路的设计 1、控制电路由 PLC 主机、扩展模块以及相应的开关、灯和接触器组成。将行程开关 和接近开关与 PLC 进行连接，通过开关量的输入，来实现指令的输入。由于 CPU224 本科生毕业设计 7 的输入、输出接口不足，需要连接扩展模块。 2、器件的选择 （1）PLC 及其扩展模块的选择 目前 PLC 的种类较多，并且同一品牌的 PLC 也有很多类型。根据自身学习的特 点，在学习期间主要接触的是西门子 S7-200，比较熟悉 S7-200 的各种功能指令，并且 可以熟练利用 S7-200 各种功能指令进行编程。 所以本次设计选择 S7-200 系列的 PLC。 由于本次设计的电梯共四层，可以根据电梯功能的要求，确定 PLC 的 I/O 点数以 及对 PLC 的要求。本次课题设计需要输入端口 23 个，输出端口 20 个。固本设计采用 CPU224 以及数字量模块 EM223（16I/O） 。 （2）按钮的选择 由于电梯的按键和对应的指示灯同时动作，因此选用带灯的按钮，来实现指令的 输入以及相应的显示。因为 PLC 自带电压为直流 24V，因此选择按钮电压为 DC 24V， 工作电流为 1A，开启式常开带灯按钮，具体型号为 K16-311RL。由于本次设计需要多 个按钮，为了区别各自的功能，可以采用不同颜色的按钮来加以区别。 （3）微动开关的选择 轿厢门可以使用微动开关来确定开门、关门的程度。当厅门打开的时候，触碰到 微动开关，则停止开门，门电机停止运行。关门时，触碰到微动开关，则立即停止关 门，门电机停止运行。所选择型号为 KW8-OZ，电流为 16A 的微动开关。 （4）接近开关的选择 在电梯运行的时候，需要有平层信号来控制电梯平层，所以选择电容式接近开关 来实现此功能。每一层需要有两个平层信号，当轿厢同时接通两个平层开关时，停止 运行。所以选择型号为 LJC24A3 的容式接近开关，其体积比较小，便于安装。 （5）急停按钮的选择 当电梯运行的时候，如果需要紧急停止，可以采用急停按钮，来实现此功能。急 停按钮种类较多， 可选用红色的直径 40mm 的钮头， 在其头部上面有 3 个弧状的箭头， 当按下头部时锁定，向右旋转时恢复。LA23-2 系列急停按钮适用于不超过 440V 的直 流电压。 （6）接触器的选择 电梯中需要用到多种电磁继电器。当 PLC 控制电机正反转时，需要采用通过控制 双路继电器，其中一路导通时，电机正向运行，另一路导通时，电机反向运行。同时， 电容式接近开关需要连接一个继电器才能够把开关量输入到 PLC 中， 所以采用单路继 电器。双路继电器的型号为 SMI-12VDC-SD-2C，触点形式为二开二闭。单路继电器 本科生毕业设计 8 的型号为 JT73，接触式触点。 3.2.2 电机及其驱动电路的设计 1、方案确定 本次设计，由于需要制作电梯模型，所以电机采用直流电机。根据功能要求，设 计成为双速电梯。正常运行时，高速运行，当轿厢接近目标楼层时，半速运行。为了 实现这一功能，经过降压斩波电路来调整电机电压，以实现调速目的。降压斩波电路 的驱动，由 TLP250 以及外围电路来实现。由于 S7-200 具有输出 PWM 的功能，所以 可以利用 PLC 作为 PWM 信号波发生器， 通过驱动电路， 输入到电力场效应晶体管中， 控制其导通与关断，从而实现电压调整。 2、降压斩波电路主电路基本原理 斩波电路主要为电子电路供电，同时可以驱动直流电动机。在降压斩波电路中， 调节全控型器件 V 的导通占空比，来调节输出电压大小。其原理图如图 3.2 所示。 0.5 图 3.2 主电路 3、电力 MOSFET 驱动电路 电力 MOSFET 为电压驱动型器件，需要驱动电路才能够工作，这里选择 TLP250 作为集成驱动电路芯片，内部包括电气隔离和晶体管放大电路。电路如图 3.3 所示： 10k20 图 3.3 驱动电路 本科生毕业设计 9 4、器件的选型 （1）电机的选型 本模型所用的电机采用微型直流减速电机，额定电压为 DC 24V。主曳引电机采 用空载转速为 35r/min，电流为 30A 的微型直流减速电机。门电动机采用空载转速为 22r/min,电流为 30A 的微型直流减速电机。 （2）光耦的选型 为了能控制器件的开通和关断，需要驱动电路，把 PLC 产生的 PWM 数字信号变 为使器件开通和关断的信号。选择 TLP250 来搭建驱动电路 （3）其它相关器件的选型 在 TLP250 的 5 角与 8 角之间需要连接 0.1uf 的瓷片电容， 用来维持电压稳定。 在 2 脚上需要接一个 10K 的电阻，用来限流。电力场效应晶体管的控制端需要连接一个 20 欧姆的加速电阻，并且并联一个电压为 18V 的双向稳压二极管。降压斩波电路里采 用肖特基二极管，电感为 100uH。 3.3 触摸屏设计 由于选择了 S7-200 系列的 PLC，相应的采用与之配套的 SIMATIC 操作面板，来 实现人机交互功能。并且通过 WinCC flexible 软件，进行画面设计。 SIMATIC 操作员面板有如下几种： （1）纯按键板：有 PP7 系列和 TP17 系列 （2）微型面板：有 TD 系列，77Micro 系列以及 177Micro 系列 （3）面板：有 77 系列、177 系列以及 277 系列 （4）多功能面板：有 MP277 系列和 MP377 系列 （5）移动面板：有 Mobile177 系列和 Mobile277 系列 因为实验室具有 TP177B 型号的触摸屏，并且 TP 177B 所具有的特点满足电梯功 能的要求，选择 TP 177B 能够实现预期的功能。 3.4 本章小结 电梯是现代建筑必不可缺的运输设备，本章介绍了硬件选择的原则，介绍了电梯 的控制系统、电机及其驱动电路以及组态的设计。本章对硬件部分有了一个大体的了 解。 本科生毕业设计 10 第 4 章 软件电路设计 4.1 电梯运行流程图 启动 厅外是否按下 开门 是 否 开门是否到位 是 关门 否 关门是否到位否 内指令是否 输入 是 否 是 全速运行 是否应该减速否 是 减速运行 是否到达目标 楼层的平层处 否 是 电梯停车 是否关停电梯 否 是 电梯下行 是否到一楼 否 是 停止 图 4.1 电梯运行流程 本科生毕业设计 11 电梯的功能不仅依靠硬件来实现，更主要的还需要软件来实现控制。软件部分包 括如下几个部分：电梯的开关门控制，楼层及外呼指令输入控制，当前楼层显示，电 梯平层控制，上下行判断，电机正反转控制以及电机减速控制等。 4.2 I/O 接口分配 在设计软件之前，需要确定 I/O 接口的分配。I/O 分配表如表 4.1 所示： 表 4.1 I/O 分配 输入端口 输出端口 急停按钮 I0.0 高速脉冲输出 Q0.0 一层上行按钮 I0.1 一层指示灯 Q0.1 二层上行按钮 I0.2 二层指示灯 Q0.2 二层下行按钮 I0.3 三层指示灯 Q0.3 三层下行按钮 I0.4 上行灯 Q0.4 内一层按钮 I0.5 一层上行灯 Q0.5 内二层按钮 I0.6 二层下行灯 Q0.6 内三层按钮 I0.7 二层上行灯 Q0.7 开门按钮 I1.0 三层下行灯 Q1.0 关门按钮 I1.1 下行灯 Q1.1 一层上限位 I1.2 上行电机 Q2.0 二层上限位 I1.3 下行电机 Q2.1 二层下限位 I1.4 开门电机 Q2.2 三层下限位 I1.5 关门电机 Q2.3 开门到位信号 I2.0 四层指示灯 Q2.4 关门到位信号 I2.1 三层上行灯 Q2.5 一层下限位 I2.2 四层下行灯 Q2.6 三层上限位 I2.3 显示为一层 Q3.0 三层上行按钮 I2.4 显示为二层 Q3.1 四层下行按钮 I2.5 显示为三层 Q3.2 四层下限位 I2.6 显示为四层 Q3.3 四层上限位 I2.7 内四层按钮 I3.0 4.3 内部标志位存储器的分配 程序内部标志存储器分配表如表 4.2 所示： 本科生毕业设计 12 表 4.2 内部标志位存储器分配 内部标志位 作用 M0.0 实现门的自锁 M0.1 当轿厢内按钮有被按下时，置 1 M0.2 当电梯外有上下按钮被按下时，置 1 M0.3 当电梯位于一层平层时，置 1 M0.4 当电梯位于二层平层时，置 1 M0.5 当电梯位于三层平层时，置 1 M0.6 当电梯位于四层平层时，置 1 M0.7 轿厢内判断为上行 M1.0 轿厢内判断为下行 M1.1 当完成各指令后，对应的指示灯灭了后，置 1 M1.2 当电梯接近目标楼层的时候，置 1 M2.0 当轿厢内去一层指令完成后，置 1 M2.1 当轿厢内去二层指令完成后，置 1 M2.2 当轿厢内去三层指令完成后，置 1 M2.3 当轿厢内去四层指令完成后，置 1 M2.4 当一层上呼指令完成后，置 1 M2.5 当二层上呼指令完成后，置 1 M2.6 当三层上呼指令完成后，置 1 M2.7 当二层下呼指令完成后，置 1 M3.0 当三层下呼指令完成后，置 1 M3.1 当四层下呼指令完成后，置 1 M4.0 电梯外判断为上行 M4.1 电梯外判断为下行 M4.4 电梯在一楼停住，按下一层外呼，置 1 M4.5 电梯在二楼停住，按下二层外呼，置 1 M4.6 电梯在三楼停住，按下三层外呼，置 1 M4.7 电梯在四楼停住，按下四层外呼，置 1 M5.0 本层有外呼时，开门 M5.1 电机高速运行 4.4 各部分程序的设计 4.4.1 开关门的设计 本科生毕业设计 13 电梯的开门由多种方式控制，包括按下开门按钮、超载和防夹等。当电梯的关门 按钮被按下或延时 5 秒后，轿厢门自动闭合。开门程序如图 4.2 所示，关门程序如图 4.3 所示： 图 4.2 开门 图 4.3 关门 4.4.2 指令的输入及显示灯的设计 电梯的指令输入方式包括厅外按钮以及轿厢内楼层输入按钮，当按下按钮时，将 对应的指令输入， 同时对应的显示灯点亮。 若电梯的厅外按钮在轿厢所在楼层外按下， 电梯门立即打开，同时对应的显示灯闪亮。若轿厢不在指令输入的楼层，则指令输入 的同时显示灯亮，直到对应的指令完成后显示灯才熄灭。对应程序如图 4.4 所示： 图 4.4 输入指令 本科生毕业设计 14 4.4.3 平层控制的设计 电梯的平层功能是通过平层信号来实现的，对应程序设计如图 4.5 所示： 图 4.5 平层控制 4.4.4 显示当前楼层以及上下行指示的设计 在电梯的门厅外和轿厢内部，需要设置数码管用来显示当前楼层。同时，还要显 示上下行指示。对应的程序如图 4.6 所示： 图 4.6 楼层显示 4.4.5 轿厢上下行的设计 轿厢的上下行由两个部分控制，其一是轿厢内指令，另一个是厅外指令。对应的 指令程序如图 4.7 所示： 本科生毕业设计 15 图 4.7 判断运行方向 4.4.6 曳引电机正反转设计 通过控制曳引电动机正转、反转，实现轿厢向上、向下运行。同时在控制程序里 加上急停按钮，完成紧急停止功能。对应的程序如图 4.8 所示： 图 4.8 轿厢上下行 4.4.7 电机降速程序的设计 正常情况的时候，轿厢全速运行。但是，轿厢将要到目标楼层时 M1.2 置 1，电机 就要半速运行。对应的程序如图 4.9 所示： 图 4.9 电梯减速 本科生毕业设计 16 4.5 组态设计 4.5.1 概述 为了进行人机交互， 可以使用 SIMATIC 操作面板来进行控制。 WinCC Flexible 是 西门子 HMI 软件产品，其功能较强、操作容易、使用方便。目前西门子操作面板的组 态主要是通过与其配套的 WinCC Flexible 来实现的。 SIMATIC 操作面板的特点主要有： （1）集成了组态、数据管理以及通讯功能。 （2）适用于恶劣的工业环境，其结构坚固、紧凑，操作符合人体工程标准并且比较安 全，显示器比较明亮，可实现较好的显示效果。 （3）开放性较高并且易于扩展，可用于多功能面板的 OPC 通讯，并且可连到第三方 控制器，通过 PROFINET / Ethernet 可实现 TCP / IP 协议 。 （4）支持多种语言。 4.5.2 变量的定义 为了实现 S7-200 与触摸屏的连接， 需要在 WinCC Flexible 中定义变量。 在 WinCC Flexible 中定义的所有变量， 有外部变量和内部变量之分。 外部变量用来实现人机界面 和 PLC 的数据交换，且其值随着程序运行发生变化。只有 HMI 设备才能够访问到内 部变量，其值与 PLC 无关。 应建立与 PLC 的连接，这里建立的连接名称为 dianti，通讯驱动程序为 SIMATIC S7 200，在线状态为开。WinCC Flexible 中变量分配表如表 4.3 所示： 4.5.3 画面的设计 第一个画面用来实现电源供电以及切换第二个画面，如图 4.10 所示： 图 4.10 组态画面 1 本科生毕业设计 17 表 4.3 变量分配 名称 连接 数据类型 地址 数组计数 采集周期 楼层显示 内部变量 Bool 没有地址 1 1s 电源 内部变量 Bool 没有地址 1 1s 急停 内部变量 Bool 没有地址 1 1s 一层指示灯 dianti Bool Q0.1 1 1s 二层指示灯 dianti Bool Q0.2 1 1s 三层指示灯 dianti Bool Q0.3 1 1s 上行灯 dianti Bool Q0.4 1 1s 一层上行灯 dianti Bool Q0.5 1 1s 二层下行灯 dianti Bool Q0.6 1 1s 二层上行灯 dianti Bool Q0.7 1 1s 三层下行灯 dianti Bool Q1.0 1 1s 下行灯 dianti Bool Q1.1 1 1s 上行电机 dianti Bool Q2.0 1 1s 下行电机 dianti Bool Q2.1 1 1s 开门电机 dianti Bool Q2.2 1 1s 关门电机 dianti Bool Q2.3 1 1s 四层指示灯 dianti Bool Q2.4 1 1s 三层上行灯 dianti Bool Q2.5 1 1s 四层下行灯 dianti Bool Q2.6 1 1s 显示为一层 dianti Bool Q3.0 1 1s 显示为二层 dianti Bool Q3.1 1 1s 显示为三层 dianti Bool Q3.2 1 1s 显示为四层 dianti Bool Q3.3 1 1s 因为此次组态设计仅需要显示按钮部分和显示部分，所以只需要两个画面。画面 1 中包括项目名称及其说明、电源部分和启动按钮。在画面 2，包括三部分，厅外呼叫 按钮，轿厢内按钮以及显示部分。轿内按钮用来实现轿厢内指令的输入，包括开关门 按钮、楼层按钮和急停按钮。外呼按钮部分实现各楼层门厅外的上下行指令的输入。 楼层显示部分用来显示轿厢当前楼层。上下行部分显示当前电梯的运行状态，包括上 行和下行。电源显示部分用来显示电源的状态，红色表示没有上电，绿色表示已经上 电。画面 2 如图 4.11 所示： 本科生毕业设计 18 图 4.11 组态画面 2 4.6 本章小结 本章首先给出了电梯的工作流程图，然后列出了电梯的 I/O 分配、内部标志存储 器的分配以及电梯各功能软件的设计，最后给出了组态的设计。 本科生毕业设计 19 第 5 章 程序调试及降压斩波电路仿真 5.1 程序的调试 5.1.1 概述 电梯的调试包括软件调试和硬件调试，首先是软件的调试，软件调试通过后，将 程序下载到 PLC 里， 再进行硬件的调试。 当全部的调试都通过时， 电梯可以上电运行。 5.1.2 调试过程 上电后程序开始运行。首先，电梯停在一层，此时一层厅外按下上呼按钮，如图 5.1 所示，Q0.5 为 1，由于电梯停在一层，则电梯门立即打开，Q0.5 也立即为 0，如 图 5.2 所示，然后电梯门立即打开，如图 5.3 所示： 图 5.1 一层上行输入 图 5.2 上行灯闪灭 本科生毕业设计 20 图 5.3 电梯门打开 厅门打开，触碰到开门限位开关后，电机停止运行，Q2.2 变为 0，如图 5.4 所示。 此时若触发关门按钮，电梯门则立即关闭，若不触发关门按钮，则延时 5s 后自动关闭 厅门，如图 5.5 所示。关门如图 5.6 所示。电梯门关闭，当触碰到关门到位开关时， 停止关门，Q2.3 变为 0，如图 5.7 所示。 图 5.4 停止开门 图 5.5 延时关门 本科生毕业设计 21 图 5.6 电梯门关闭 图 5.7 停止关门 当乘客进入到轿厢内，按下三层按钮，则按钮灯点亮，如图 5.8 所示。此时电梯 内判断为上行，如图 5.9 所示。对应指令输入，电梯上行，如图 5.10 所示。电梯显示 为上行，如图 11 所示。 图 5.8 内三层指令输入 本科生毕业设计 22 图 5.9 内指令判断为上行 图 5.10 电梯上行 图 5.11 电梯显示为上行 电梯上行，当二层下限开关 I1.4 接通时，显示当前楼层为二层，如图 5.12 所示。 轿厢继续向上，速度为全速运行，如图 5.13 所示。当三层下限开关 I1.5 接通时，显 示当前楼层为三层，如图 5.14 所示。轿厢继续上行，半速运行，如图 5.15 所示。 本科生毕业设计 23 图 5.12 显示当前为二楼 图 5.13 全速运行 图 5.14 显示当前为三层 图 5.15 半速运行 本科生毕业设计 24 当电梯到达三层时，即平层信号 I1.5，12.3 同时接通时，如图 5.16 所示，电梯 立即停止运行，如图 5.17 所示。厅门立即打开，重复开门、关门过程。 图 5.16 三层平层 图 5.17 电机停止运行 以上为一个上行运行过程， 中间不涉及到同时按下多个按钮， 运行情况较为简单。 下面调试过程，接着上面步骤进行，只不过会同时输入多条指令，由程序来判断电梯 的上下行，以及最近楼层停车等多种功能，并依靠各指令输入顺序，依次完成各条指 令。 电梯停在三层，乘客进入轿厢，按下一层按钮 I0.5，如图 5.18 所示。电梯下行， 如图 5.19 所示， 显示为下行， 如图 5.20 所示。 此时二层按下下行按钮 I0.3， 如图 5.21 所示，电梯下行，速度为全速运行。当二层上限开关 I1.3 接通时，显示当前楼层为二 层，如图 5.22 所示。轿厢继续向下，半速运行。 图 5.18 内一层输入 本科生毕业设计 25 图 5.19 电梯下行 图 5.20 显示为下行 图 5.21 二层下行输入 图 5.22 显示当前为二层 当电梯到达二层时，即平层信号 I1.3，11.4 同时接通，如图 5.23 所示，电梯立 本科生毕业设计 26 即停止运行。同时电梯门打开，重复开关门动作，此处不再复述。 图 5.23 二层平层 在二层时，有乘客进入，按下四层按钮，如图 5.24 所示。当开门、关门动作完成 后，自动判断轿厢行进方向，如图 5.25 所示。 图 5.24 内四层输入 图 5.25 电梯下行 此时电梯下行，速度为全速运行。当一层上限开关 I1.2 接通时，显示当前楼层为 一层，如图 5.26 所示。电梯继续下行，半速运行。当电梯到达一层时，即平层信号 I1.2，12.2 同时接通时，如图 5.27 所示，电梯立即停止运行。同时电梯门打开，重 复开关门动作，此处不再复述。 本科生毕业设计 27 图 5.26 显示当前为一层 图 5.27 一层平层 在一层时，当完成了开关门动作外，由于二层有人按下了四层内选按钮，则电梯 判断为上行，如图 5.28 所示。电梯方向为上行，如图 5.29 所示。 图 5.28 内指令判断为上行 图 5.29 显示为上行 本科生毕业设计 28 此时电梯上行，速度为全速运行。当四层下限开关 I1.2 接通时，显示当前楼层为 四层，如图 5.30 所示。电梯继续向上，半速运行。当电梯运行到四楼时，即平层信号 I2.6，12.7 同时接通，电梯立即停车。厅门自动打开，重复以上的开门、关门过程。 图 5.30 显示当前为四层 在四层时，乘客进入轿厢，按下内选一层按钮 I0.5，如图 5.31 所示，则电梯下 行。在运行的过程中，若出现了意外情况，立即按下急停按钮 I0.0，则电梯立即停止 运行，如图 5.32 所示。 当急停按钮恢复后，电梯恢复正常，如图 5.33 所示。 图 5.31 内一层输入 图 5.32 电梯下行停止 本科生毕业设计 29 图 5.33 电梯正常运行 经过以上运行的情况，可以确定该程序运行可靠，每一步都能按照预期进行，能 够完成设定的功能。 5.2 降压斩波电路的仿真 在 MATLAB 软件里面， Simulink 是一个单独的工具包， 用来完成动态系统的建模 和仿真，是一种高效而先进的工具。Simulink 的图形化仿真方式，具有更加简单、易 读和实用的优点。 在使用 Simulink 仿真之前，应首先在 Simulink 中选择所用模块，然后连接各模块， 完成上述步骤后进行仿真。Simulink 仿真如图 5.34 所示： 图 5.34 Simulink仿真 MATLAB 的仿真结果如下所示： 图 5.35 =0.2 时 本科生毕业设计 30 图 5.36 =0.4 时 图 5.37 =0.6 时 图 5.38 =0.8 时 图 5.39 =0.99 时 通过对上述结果的观察，发现此电路可以实现预期的要求。 5.3 系统整体调试 首先需要调试程序，将程序下载到 PLC 中，经过在线模拟运行，直到调试成功， 才能确定程序符合要求。然后是硬件部分的调试，在硬件搭建完成后，需要正确连接 各部分的线路，经检查无误后，就可以连接 PLC 进行调试。在程序调试通过后，将程 序下载至 PLC 中， 把硬件电路里所有需要连接的线路连接到 PLC 的 I/O 接口上， 这样 系统整体调试的准备工作完成了。下面是系统整体调速的过程。 本科生毕业设计 31 首先将所有线路连接正确之后旋转上电开关，将电源接通，如图 5.40 所示。 图 5.40 电源接通 最初电梯停在一层， 但按下一层上行按钮的时候， 电梯门立即打开如图 5.41 所示， 电梯进行开关门动作。之后按下内部二层按钮，电梯门关闭后，电梯立即上行，如图 5.42 所示，电梯的上行指示灯点亮。电梯运行到二楼下限位处，电梯半速运行，运行 到二楼平层处时，电梯立即停车，并打开电梯门，如图 5.43 所示。 图 5.41 厅门打开 本科生毕业设计 32 图 5.42 电梯上行 图 5.43 电梯停止 此时按下三层内呼按钮，如图 5.44 所示，在电梯门关闭后，电梯立即上行，到达 三层平层位置后停止运行并开门，如图 5.45 所示。此时按下一层内选按钮，电梯门关 闭后立即下行。当电梯到达一层时，电梯进行开关门，此时无指令输入，电梯停止运 行。 本科生毕业设计 33 图 5.44 内选三层 图 5.45 电梯停在二层 5.4 本章小结 本章主要介绍了电梯的程序调试过程，同时还简要介绍了降压斩波电路的仿真。 经过调试，确定该程序能够按照预期的步骤运行，能够完成控制要求。经过降压斩波 电路的仿真，确定该电路能够正常运行，能够对电机进行调压。在结尾部分，通过系 统的整体调试，完成了此次调试的内容。 本科