本科毕业设计-工企车间四层电梯控制系统设计

本科学生毕业设计 工企车间四层电梯控制系统设计 系部名称： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气 11-2 班 学生姓名： 孙千志 指导教师： 宋起超 职 称： 教授 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二一五年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Four layers of elevator control system design for industrial workshop Candidate：Sun Qianzhi Specialty：Electric Engineering Class：11-2 Supervisor：Professor. Song Qichao Heilongjiang Institute of Technology 2015-06 Harbin 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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4 2.1 总体设计方案4 2.2 控制方式的选择4 2.3 拖动方案的选择5 2.4 系统结构设计6 2.5 本章小结6 第 3 章 硬件电路设计7 3.1 硬件选择原则7 3.2 电梯控制系统设计7 3.2.1 控制电路的设计7 3.2.2 电机及其驱动电路的设计9 3.3 触摸屏设计10 3.4 本章小结10 第 4 章 软件电路设计11 4.1 电梯运行流程图11 4.2 I/O 接口分配12 4.3 内部标志位存储器的分配12 4.4 各部分程序的设计14 4.4.1 开关门的设计14 4.4.2 指令的输入及显示灯的设计14 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 4.4.3 平层控制的设计15 4.4.4 显示当前楼层以及上下行指示的设计15 4.4.5 轿厢上下行的设计15 4.4.6 曳引电动机正反转的设计16 4.4.7 电机降速程序的设计16 4.5 组态设计17 4.5.1 概述17 4.5.2 变量的定义17 4.5.3 画面的设计18 4.6 本章小结19 第5章 程序调试及降压斩波电路仿真20 5.1 程序的调试20 5.1.1 概述20 5.1.2 调试过程20 5.2 降压斩波电路的仿真30 5.3 系统整体调试31 5.4 本章小结32 结束语37 参考文献 38 致谢39 附录A40 附录B41 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 经过 100 多年的发展，电梯控制方式发生了很大的改变，主要体现在如下几个方 面： （1）电梯拖动技术得到了很大的发展，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）目前已经广泛应用智能化的群控管理。 （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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 2 （1）能够实现电梯轿厢的上下运行以及电梯门开通和闭合。 （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。当按钮按下时，对应的指示灯立刻点亮；当到达目标楼层时，对应的指示 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）电梯停在某一楼层时，在该层的外部有按钮被按下时，厅门实现自动开门。 （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。当完成 所有顺向指令后，再完成反向的指令。 （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）当电梯完成全部轿厢内部指令的时候，并且又无门厅外部召唤信号，电梯能自动 关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。 综上所述，本设计将以 PLC 作为控制器对升降电梯进行控制。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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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，电梯的控制方式发生了很大的变化。电梯的控制方式主要分为三种：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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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，本次设计采用 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 电梯拖动系统的发展经历了一个从简单到复杂的过程。目前电梯的拖动系统主要 有如下几种：单、双速交流电动机拖动系统，交流电动机定子调压、调速拖动系统， 变频变压调速拖动系统等。 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 5 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。 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。电梯的主要结构由铝合金型材搭建，包括井道、轿 厢和配重部分。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。 在导向轮的上部，固定一部直流电机，在电机轴端的位置安装一个滑轮。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。 为了实现电梯门的开关限位，需要安装两个微动开关。为了简化结构和安装，这 里把开关装在轿厢门柱的上部，由电机带动厅门的开关，然后由厅门触发开关。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。电路由两块电路板组成，其中一块用来安放继电器以及其相关的电路，另 一块板子用来制作降压斩波电路以及其驱动电路部分。 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。最后给出了电梯系统的结构 设计。 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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定性分析，定量估算，试验调整的原则一步一步 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，尽量使成本最低。 要选择质量稳定、可靠的器件，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器件，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 S7-200 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 7 系列的 CPU224 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，有西门子、三菱、欧姆龙等。并且同一品牌的 PLC 也有 很多类型，例如西门子有 S7-200、S7-300、S7-400 等多种产品。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 西门子 S7-200 系列的 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的电源电压为直流24V， 因此选择工作电压为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 由于轿厢门的开关位置必须固定，所以可以采用微动开关来限制。当轿厢门打开 的时候，触碰到微动开关，则停止开门。关门的时候，触碰到微动开关，则立即停止 关门。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。每一个楼层需要有两个平层信号，到达目标楼层时，当电梯同时接通 两个开关时，电梯停止运行。所以选择型号为 LJC24A3 的容式接近开关，其体积小， 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 停按钮型号较多，可选用型号为红色直径为 40mm 的钮头，在蘑菇形状的头部上面有 3 个弧形的箭头，其操作方式为按下蘑菇状头部锁定，当向右旋转蘑菇状头部时弹起 复位。LA23-2 系列急停按钮适用于直流电压至 440V 的电磁起动、继电器、接触器以 及其它线路中用作远程控制。 （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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 8 双路继电器，其中一路导通时，电机正转，另一路导通时，电机反转。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。单路继电器的型号 为 JT73，触点形式为接触式。 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动机。根据电梯的功能 要求，设计电梯采用双速运行。电梯正常运行时，采用高速模式，当电梯接近目标楼 层时，采用低速运行。为了实现这一功能，通过降压斩波电路来调整电机的电压，以 实现调速的目的。降压斩波电路的驱动电路，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，控制其导通和关断，从而实现电压的调整 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，同时也可以驱动直流电机或者带蓄电池负载。在 降压斩波电路中，通过控制全控型器件 V 的导通和关断（即导通占空比） ，来控制输 出电压的大小。降压斩波电路主电路原理图如图 3.2 所示。 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： 1 2 3 4 8 7 6 5 TLP250 20 图 3.3 驱动电路 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 9 4、器件的选型 （1）电机的选型 本模型所用的电动机采用微型直流减速电机，额定电压为直流 24V。主曳引电动 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 为了能控制电力场效应晶体管开关，需要驱动电路，将 PLC 产生的 PWM 数字信 号转换为加在电力场效应晶体管的控制端与公共端之间，使其开通和关断的信号。选 择 TLP250 来搭建驱动电路 （3）其它相关器件的选型 在TLP250 的5角和8角之间需要接一个 0.1uf的瓷片电容， 用来维持电压的稳定。 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 系列的可编程控制器，相应的采用与之配套的 SIMATIC 操作 面板，来实现人机交互功能。通过 WinCC flexible 软件，进行画面设计，为该 HMI 设 备进行组态。 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。通过本章的介绍，对电梯的硬件有 了一个大体的了解。 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 PLC 的软件之前，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 程序的内部标志存储器的分配表如表 4.2 所示： 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 12 表 4.2 内部标志位存储器的分配 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，按下三层外呼，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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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。当按下关门按 钮或者到达关门时间时， 电梯门关闭。 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 14 4.4.3 平层控制的设计 电梯的平层控制是通过平层信号来实现的，对应程序如图 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： 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 15 图 4.7 判断运行反向 4.4.6 曳引电动机正反转的设计 通过控制曳引电动机的正反转，实现轿厢的上下运行。同时在控制程序里加上急 停按钮，实现急停功能。对应的程序如图 4.8 所示： 图 4.7 轿厢上下行 4.4.7 电机降速程序的设计 正常运行的时候，电梯全速运行。但是，当电梯将要到达目标楼层时 M1.2 置 1， 电机就要减速。对应的程序如图 4.8 所示： 图 4.8 电梯减速 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 16 4.5 组态设计 4.5.1 概述 为了实现人机交互， 可以通过 SIMATIC 操作面板来实现控制。 WinCC Flexible 是 西门子 HMI 软件产品，其功能强大、简单易用、开发效率较高。目前 WinCC Flexible 主要是用来给西门子操作面板进行组态。 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，变量分为外部变量和内部变量。外部变量用来实现人机界面与 PLC 的数 据交换，是 PLC 内部定义的存储单元的印像，且其值随着程序的执行而发生变化，在 HMI 设备以及 PLC 中均可以访问。 内部变量存储在 HMI 设备内部的存储器里， 与 PLC 没有连接关系，只有 HMI 设备才能够访问。 在建立变量之前，首先应建立连接。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 中变量的分配表如表 4.3 所示： 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 17 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 4.5.3 画面的设计 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。第一 个画面用来实现电源供电以及切换第二个画面，如图 4.9 所示： 图 4.9 组态画面 1 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 18 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。如图 4.10 所 示： 图 4.10 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。通过对本章软件设计 的介绍，对整个电梯控制有了全面的学习。 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 为一，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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 20 图 5.3 电梯门打开 电梯门打开，当触碰到开门到位开关时，停止开门，Q2.2 变为 0，如图 5.4 所示。 此时若按下关门按钮，电梯门则立即关闭，若不按关门按钮，则延时 5s 后自动关门， 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 内指令判断为上行，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 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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。 电梯继续上行，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。电梯继续上行，速度为半速运行，如图 5.15 所 示。 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 23 图 5.12 显示当前楼层为二层 图 5.13 全速运行 图 5.14 显示当前楼层为三层 图 5.15 半速运行 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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。同时电梯门打开，重复开关门动作，此处不再复述。 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。电梯继续下行，速度为减速运行。 图 5.18 内一层输入 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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 显示当前楼层为二层 当电梯到达二层时，即平层信号 I1.3，11.4 同时接通时，如图 23 所示，电梯立 黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文） 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。当开关门动作完成后， 电梯自动判断运行方向，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