基于S7-200PLC的电梯控制系统设计毕业论文.doc

基于基于 S7 200S7 200 PLCPLC 的电梯控制系统设计的电梯控制系统设计 张静 陕理工机械工程学院 测控技术与仪器专业 071 班 陕西 汉中 723003 指导教师 王明武 摘要摘要 电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具 与人们的生活紧密联系 随着人 们对电梯运行的安全性 高效性 舒适性 方便性等要求的不断提高 让电梯得到快 速发展 本文介绍了一种基于力控组态软件和西门子可编程控制器的电梯控制系统 该控制系统使用西门子S7 200系列的可编程控制器CPU226作为控制器 实现对电梯的 精确控制 并利用装有力控组态软件的工控机作为上位机 来对电梯控制系统进行监 控和数据采集 CPU226和上位机采用PPI接口来进行数据通讯和交换 分析了电梯的控 制原理 对控制系统的硬件结构 软件设计和力控组态画面进行了较详细的说明 该 电梯控制系统具有层楼信号的产生与消除 停层信号的登记与消除 电梯的定向 停 车信号 开关门环节及报警等功能 关键词关键词 电梯 可编程控制器 控制 组态软件 Design of elevator control system based on S7 200 PLC Zhang Jing Grade07 Class1 Major Observation and control technology and instrument School of Mechanical engineering Shaanxi University of Technology Han zhong 723003 Shanxi tutor Wang Mingwu Abstract As elevator is the vertical traffic tools of a modern high rise buildings it closely contact with people s life as people s requirements for safe running high efficiency comfort and convenience the unceasing enhancement of the elevator the elevator has fast developed This paper describes the elevator control system configuration software based on configuration software and Siemens PLC The control system uses the Siemens S7 200 series PLC CPU226 as the controller to achieve precise control of the elevator and the use of configuration software installed industrial computer as the host computer achieve the elevator control system to monitor and data collection CPU226 and PC interface with PPI data communication and exchange Analysis of the elevator control theory the control system hardware architecture software design and power control configuration screen for a more detailed explanation The elevator control system has the floor and the elimination of signal generation stop the registration and the elimination of the signal level elevator directional stop signal switching the door sessions alarm functions and so on Keywords Elevator Programmable Logic Controller control Configuration software 目 录 引言 1 1 电梯的发展与分类 4 1 1 概述 4 1 1 1 电梯产品的录属关系和在人们物质生活中的作用 4 1 1 2 电梯产品发展简史 4 1 1 3 电梯的运行工作情况 4 1 2 电梯的分类 5 1 3 电梯的主要参数及规格尺寸 7 1 3 1 电梯的主要参数 7 1 3 2 我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定 8 1 4 电梯的组成部件 8 1 5 电梯工作原理 9 2 方案论证 10 2 1 电梯控制方式的论证 10 2 2 可编程控制器用于控制电梯的特点 11 2 3 整体设计流程的确定 12 3 硬件及软件的概述 13 3 1 PLC 简介 13 3 1 1 PLC 的基本结构 13 3 1 2 PLC 的性能特点 14 3 1 3 PLC 的工作原理 16 3 1 4 PLC 控制系统设计思路 16 3 2 编程软件简介及安装 17 3 2 1 PLC 的编程语言 17 3 2 2 STEP 7 概述 18 3 2 3 STEP 7 Micro WIN 软件安装步骤 18 3 3 力控组态软件简介及安装 22 3 3 1 力控组态软件概述 22 3 3 2 力控组态软件安装要求及安装步骤 23 4 硬件设计 31 4 1 控制要求分析 31 4 2 PLC 选型 32 4 2 1 PLC 控制系统的 I O 点数计算与分配 32 4 2 2 PLC 的型号选择 34 4 3 电梯控制硬件连接 34 5 软件设计 35 5 1 开关轿厢门程序 35 5 2 轿厢内呼和楼层外呼指示程序 37 5 3 自动选向程序 39 6 上位机组态及编程 42 6 1 力控组态建立新工程的步骤 42 6 2 创建组态界面 43 致谢 54 参考文献 55 附录 A 外文资料翻译 附录 B 程序清单 附录 C 硬件连接图 附录 D 上位机组态界面 引言引言 随着经济不断发展和科技进步 世界各地高层建筑不断涌现出来 作为建筑中枢 神经的电梯 起着其它设备装置不可替代的作用 电梯已成为人类社会现代生活中广 泛使用的人员货物运输工具 作为建筑物内部的主要运输工具 全社会使用电梯的数 量正在迅速增加 但是人们对电梯安全性 高效性 舒适性的不断追求推动了电梯技 术的更新 电梯的的种类也多种多样 如载货电梯 观光电梯 住宅电梯 客货电梯 病床电梯 杂物电梯等 自动平层 图像显示 微机检测 监控以及现代通信都在电 梯中得到应用 电梯技术正向现代化 网络化 智能化发展 给人们提供了更方便和 舒适的生活条件 可编程控制系统 Programmable Logic Controller 作为一种工业控制微型计算 机 它采用易懂易学的梯形图语言 控制灵活方便 抗干扰能力强 运行稳定可靠等 特点 现在的电梯控制多采用可编程控制器来实现 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上 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 所以在电梯控制过程中 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 以PLC 力控组态软件为单元 可以组成从简单到复杂的各种工业控制系 统 PLC可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程 但对于先进控制算法 如模糊控 制算法等涉及到矩阵运算 由于算法本身的复杂性 只依靠PLC编程功能已经不能满足 要求 组态软件编程语言虽简单 但大多是脚本语言 在处理算法方面存在诸多不便 因此 我们提出将算法写入STEP7程序的思路 用STEP7的快速运算功能及丰富的函数 库 可以方便的实现算法编写 求解输出值并通过可靠的PPI接口反馈给力控组态软件 最终实现对所控制对象的控制 本文正是基于上述思路 设计开发了基于力控和STEP7 软件的电梯控制系统 并实现了对电梯的控制 人机界面装置是工业操作人员与PLC之间双向沟通的桥梁 相当多工业被控对象要 求控制系统具有较强的人机界面功能 用以实现操作人员与计算机控制系统之间的对 话和相互作用 人机界面装置用来显示PLC的I O状态和各种系统信息 接收操作人员 发出的各种命令和设置的参数 并将它们传送给PLC 人机界面装置一般安装在控制屏 上 而且必须能够适应恶劣的现场环境 其可靠性应与PLC的可靠性相当 以前用按钮 开关和指示灯等做人机界面装置 提供的信息量少 而且操作困难 需要熟练的操作人员来操作 如果用七段数字显示器来显示数字 用拨码开关来输入 参数 占用的PLC的I O点数多 而且硬件成本高 有时还需要自制印刷电路板 在环境条件较好的控制室内 可以用计算机作人机界面装置 早期的工业控制计 算机用CRT显示器和薄膜键盘作工业现场版的人机界面 它体积大 安装困难 对现场 环境的适应能力差 现在基本上都在使用基于液晶显示器 LCD 的操作员面板和触摸屏 人机界面 Human Machine Interface 又称人机接口 简称为HMI 从广义上说 HMI泛指计算机 包括PLC 与操作人员交换信息的设备 西门子公司的手册上将人机 界面装置统称为HMI设备 人机界面是按工业现场环境的应用来设计的 正面的防护等级为IP65 背面的防 护等级为IP20 坚固耐用 其稳定性和可靠与PLC相当 能够在恶劣的工业环境中长时 间并连续运行 因此人机界面是PLC的最佳拍档 人机界面用于承担下列任务 操作员对过程的控制 操作员通过图形界面来控制过程 例如 操作员可以用触 摸屏画面上的输入域来修改控制系统的参数 或者用画面上的按钮来起动电动机 输出过程值和报警记录 例如可以在某一轮班结束时打印输出生产报表 过程可视化 在人机界面上动态显示过程数据 即PLC采集的现场数据 过程和设备的参数管理 将过程和设备的参数存储在配方中 可以一次性将这些 参数从人机界面下载到PLC 以便改变产品的品种 显示报警 过程的临界状态会自动触发报警 例如当变量超出设定值时 记录 归档 功能 顺序记录过程值和报警信息 用户可以检索以前的生产数据 在使用人机界面时 需要我们解决画面设计和与PLC通信的问题 人机界面生产厂 家用组态软件很好地解决了这两个问题 组态软件使用方便 易学易用 使用组态软 件可以很容易地生成人机界面画面 还可以实现某些需要的动画功能 人机界面用文 字或图形动态地显示PLC中开关量的状态和数字量的数值 通过各种输入方式 将操作 人员的开关量状态的命令和数字量设定值传送到PLC里 各种品牌的人机界面一般都可以和各主要生产厂家的PLC通信 用户不用编写PLC 和人机界面的通信程序 只需要在PLC的编程软件和人机界面的组态软件中对通信参数 进行简单的设置 就可以实现人机界面与PLC的通信 不同厂家的人机界面 包括它们 的组态选择 之间互不相容 过去人机界面的价格较高 限制了它的应用和普及 近年来人机界面的价格已经 大幅度下降 大规模应用人机界面的时代正在到来 现在人机界面已经成为现代工业 控制系统必不可少的设备之一 毕业设计是完成本专业教学计划的最后一个重要教学环节 是对各门课程的综合 运用和提高 通过本毕业设计 初步掌握PLC工程设计的思想 内容方法和步骤 通过 毕业设计 巩固和加深学生所学专业理论知识 锻炼学生分析和解决实际工程问题能 力 培养和提高学生综合使用技术规范 技术资料 进行有关设计 绘图和编写技术 文件的初步技能 为今后进行相关场所的电气设计 安装 运行 检修 试验打下基 础 经过力控创建上位机界面 学习新的软件使自己学习新知识 接受新想法的能力 提高 1 1 电梯的发展与分类电梯的发展与分类 1 11 1 概述概述 1 1 11 1 1 电梯产品的录属关系和在人们物质生活中的作用电梯产品的录属关系和在人们物质生活中的作用 随着人口的增加 科学技术日新月异地发展 人们物质生活水平的逐步提高 建 筑业得以迅速发展 大批的高楼大厦拔地而起 十几层至几十层的宾馆 饭店 办公 楼 住宅楼鳞次栉比 我们完全可以想到 随着社会的发展 电梯产品在人们物质文 化生活中的地位将会和汽车一样 成为重要的运输设备之一 在我国 电梯 手扶梯 自动人行道等属于起重运输设备 电梯是在垂直方向上 运行的运输设备 手扶梯是在斜面上运行的运输设备 但是电梯和手扶梯都是把人或 货物从一个水平面提升到另一个水平面的起重运输设备 1 1 21 1 2 电梯产品发展简史电梯产品发展简史 根据国外有关资料介绍 公元前2800年在古代埃及 为了建筑当时的金字塔 曾 使用过由人力驱动的升降机械 公元1765年瓦特发明了蒸汽机后 1858年美国研制出 以蒸汽机为动力 并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯 1878年英国的阿姆斯特 郎发明了水压梯 并随着水压梯的发展 淘汰了蒸汽梯 后来又采用液压泵和控制阀 以及直接拄塞式和侧拄塞式结构的液压梯 这种液压梯至今仍为人们所采用 但是电 梯得以兴盛发展的根本原因在于采用了电力作为动力来源 我国电梯的使用历史悠久 80年代中期以来 随着我国对外开放 对内告活经济 的政策深入贯彻执行 随着技术引进工作的进一步开展 在国内建立一批合资和独资 电缆生产厂 使我国的电梯工业又取得巨大的发展 我国又新颁布一批具有80年代国 际水平的电梯制造标准 随着采用新标准生产的电梯批量推向市场 技术性能和质量 明显提高的电梯又进一步促进建筑业和电梯业的发展 电梯工业蓬勃发展的局面已经 形成 1 1 31 1 3 电梯的运行工作情况电梯的运行工作情况 电梯在做垂直运行的过程中 有起点站也有终点站 对于三层以上建筑物内的电 梯 起点站和终点站之间还设有停靠站 起点站设在一楼 终点站设在最高楼 设在 一楼的起点站常作为基站 起点站和终点站之间的停靠站称为中间站 各站的厅外设有召唤箱 箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮或触钮 一般电梯在两端站的召唤箱上各设置一只按钮或触钮 中间层站的召唤箱上各设置两 只按钮或触钮 对于无司机控制的电梯 在各层站的召唤箱上均设置一置有手柄开关 或与层站对应的按钮或触钮 供司机或乘用人员控制电梯上下运行 召唤箱上的按钮 或触钮称为指令或触钮 操纵箱上的按钮或触钮称为内指令按钮或触钮 外指令按钮 或触钮发出的电信号称为外指令信号 内指令按钮或触钮发出的电信号称为内指令信 号 80年代中期后 触钮已被微动按钮所取代 作为电梯基站的厅外召唤箱 除设置一只召唤按钮或触钮外 还设置一只钥匙开 关 以便下班关闭电梯时 司机或管理人员把电梯开到基站后 可以通过专用钥匙扭 动钥匙开关 把电梯的厅轿门关闭妥当后 自动切断电梯控制电源或动力源 电梯的运行工作情况和汽车有共同之处 但是汽车的起动 加速 停靠等全靠司 机控制操作 而且在运行过程中可能遇到的情况比较复杂 因此汽车司机必须经过严 格的培训和考核 而电梯的自动化程度比较高 一般电梯的司机或乘用人员只需要通 过操纵箱上按钮或触钮向电气控制系统下达一个指令 电梯就能自动关门 定向 起 动 加速 在预定的层站平层停靠开门 对于自动化程度比较高的电梯 司机或乘用 人员一次还可以下达一个一上的指令信号 电梯便能够依次起动和停靠 依次完成任 务 尽管电梯和汽车在运行工作过程有许多不同的地方 但仍有许多共同之处 其中 乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车 在起点站和终点站之间往返运行 在运行方 向前方的停靠站上有顺向的指令信号时 电梯到站能自动平层停靠开门接客 而载货 电梯的运行工作情况下则类似卡车 执行任务为一次性的 司机或乘用人员控制电梯 上下运行时一般一次只能下达一个指令任务 当一个指令任务完成后才达另一个任务 在执行任务的过程中 从一个层站出发到另一层站时 假若中间层站出现指令信号 一般都不能自动停靠 所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低 1 21 2 电梯的分类电梯的分类 电梯的分类比较复杂 一般常从不同的角度进行分类 按用途分类 1 载货电梯 为运送货物而设计的并通常有人伴随的电梯 主要用于两层楼以上 的车间和各类仓库等场合 这类电梯的装潢不太讲究 自动化程度和运行速度一般比 较低 而载重量和轿厢尺寸的变化范围比较大 2 住宅电梯 供住宅楼使用的电梯 3 客货电梯 主要用做运送乘客 但也运送货物的电梯 它与乘客电梯的区别在 于轿厢内部的装饰结构不同 4 病床电梯 为运送病床而设计的电梯 5 乘客电梯 为运送乘客而设计的电梯 主要用于宾馆 饭店 办公楼 大型商 店等客流量大的场合 这类电梯为了提高运送效率 其运行速度比较快 自动化程度 比较高 轿厢的尺寸和结构形式多为宽度大于深度 使乘客能畅通地进出 而且安全 设施齐全 装潢美观 6 杂货电梯 服务电梯 供图书馆 办公楼 饭店运送图书 文件 食品等 并不允许人员进入的电梯 这种电梯的安全设施不齐全 不准运送乘客 为了不使人 员进入轿厢 进入轿厢内部的门洞及轿厢的面积都设得非常小 而且轿厢的净高度一 般不大于1 2m 7 特殊电梯 除上述常用的几种电梯外 还有为特殊环境 特殊条件 特殊要求 而设计的电梯 如船舶电梯 观光电梯 防腐电梯 车辆电梯等 按速度分类 1 电梯低速度 速度V 1 0m s的电梯 2 电梯快速度 速度1 0m s V 2 0m s的电梯 3 电梯高速度 速度V 2 0m s的电梯 按有无蜗轮减速器分类 1 有蜗轮减速器的电梯 适用于梯速为3 0m s以下的电梯 2 无蜗轮减速器的电梯 适用于梯速为3 0m s以上的电梯 按曳引电动机的电源分类 1 交流电源供电的电梯 1 采用交流异步双速电机变极调速拖动的电梯 简称交流双速电梯 速度一般小 于1 0m s 2 采用交流异步双绕组双速电机调压调速拖动的电梯 俗称ACVV拖动电梯 3 采用交流异步单绕组单速电机调频调压调速拖动的电梯 俗称VVVF拖动的电梯 2 直流电源供电的电梯 80年代中期前用在中高档乘客电梯上 以后不再产生 按驱动方式分类 1 钢丝绳式 曳引电动机通过蜗杆 蜗轮 曳引绳轮 驱动曳引钢丝绳两端的轿 厢和对重装置做上下运行的电梯 2 液压式 电动机通过液压系统驱动轿厢上 下运行的电梯 按控制方式分类 1 轿内手柄开关控制的电梯 2 轿内按钮开关控制的电梯 3 轿外按钮开关控制的电梯 4 轿内 外按钮开关控制的电梯 5 集选控制的电梯 6 信号控制的电梯 7 2台或3台并联控制的电梯 8 梯群控制的电梯 按拖动方式分类 1 交流异步单速电机拖动的电梯 2 交流异步双速电机变极调速拖动的电梯 3 交流异步双绕组双速电机调压调速 俗称ACVV 拖动的电梯 4 交流异步单速电机调频调压调速 俗称VVVF 拖动的电梯 5 直流电机拖动的电梯 1 31 3 电梯的主要参数及规格尺寸电梯的主要参数及规格尺寸 1 3 11 3 1 电梯的主要参数电梯的主要参数 1 额定载重量 kg 制造和设计规定的电梯载重量 2 轿厢尺寸 mm 高 宽 深 3 轿厢形式 有单或双面开关门及其它特殊要求等 以及对轿顶 轿底 轿壁的 处理 颜色的选择等 4 轿门形式 有栅栏门 封闭式中分门 封闭式双拆门 封闭式双拆中分门等 5 开门宽度 mm 轿厢门和厅门完全开启的净宽度 6 开门方向 人在厅外面对厅门 门向左方向的为左开门 门向右方向开启的为 右开门 两扇门分别向左右两边开启者为中开门 也称为中分门 7 曳引方式 常用的有半绕1 1吊索法 轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度 半绕2 1吊索法 轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半 全绕1 1吊索法 轿厢 的运行速度等于钢丝的运行速度 8 额定速度 m s 制造和设计所规定的电梯运行速度 9 电气控制系统 包括控制方式 拖动系统的形式等 如交流电机拖动或直流电 机拖动 轿内按钮控制或集选控制等 10 停层站数 站 凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站 11 提升高度 mm 由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离 12 顶层高度 mm 由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的 垂直距离 电梯的运行速度越快 顶层高度一般越高 13 底坑深度 mm 由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离 电梯的运行 速度越快 底坑一般就越深 14 井道深度 mm 由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间 的垂直距离 1 3 21 3 2 我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定 为了加强对电梯产品的管理 提高电梯产品的使用效果 国家曾于1974年颁布了 JBI435 74 JBI816 74 JB Z110 74等一批电梯产品的局部标准 电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据 用户选用电梯时 必须根 据电梯的安装使用地点 载运对象等 按照标准的规定 正确选择电梯的类别和有关 参数与尺寸 并根据这些参数与规格尺寸 设计和建造安装电梯的建筑物 否则会影 响电梯的使用效果 1 41 4 电梯的组成部件电梯的组成部件 电梯是一种复杂的机电产品 一般由机房 轿厢 厅门及井道和井底设备等4个基 本部分组成 1 机房 机房位于电梯井道的最上方或最下方 用于装设曳引机 控制柜 限速器 选层 器 地震检测仪 配线板 总电源开关及通风设备等 当机房设在井道底部时 称为下置式曳引方式 由于此种方式结构较复杂 钢丝 绳弯折的次数较多 缩短了钢丝绳的使用期限 增加了井道承重 且保养困难 所以 一般不采用 只有机房不可能设在井道顶部时才采用 相反 机房上置式曳引方式因 设备简单 钢丝绳弯折次数少 成本低 维护简单等特点 最为普遍采用 如果机房 即不可能设在井道底部 也不了能设在顶部时 可考虑选用液压式电梯 即机房侧置 式 机房结构必须坚固 防震和隔音 有足够的面积 高度 承重能力和良好的通风 条件 而且室内经常保持有适度的照明亮度 保持干燥清洁等 通常有如下的规定 1 面积一般至少为井道侧面积的2倍以上 对交流电梯 一般为2 2 5倍 对直流 电梯 一般为3 3 5倍 2 高度指机房地面至顶板的垂直距离 对客梯 病房梯 一般为2 2 2 8m以上 对货梯 一般为2 2 2 4m以上 3 承重能力 机房的地板要求能承重6kPa 杂物梯为4kPa 的均部载荷 在曳引机 安装的上方 应设吊钩用于维修 钩的承重能力如下 对额定载重量500 3000kg的电梯 应大于2000kg 对额定载重量5000kg的电梯 应大于3000kg 4 对于机房的设置有以下3种方式 机房下置式 机房上置式和机房侧置式 2 轿厢与对重 1 轿厢 轿厢是是用来安全运送乘客及物品到目的层的箱体装置 它的运行轨迹 是在曳引钢丝绳的牵引下沿导轨上下运行 2 对重 对重又称平衡重 起到平衡轿厢的作用 但这种平衡是相对的和变化的 对重与轿厢通过曳引绳的连接 利用曳引绳与曳引轮槽之间的摩擦力驱动轿厢的上 升和下降 3 厅门 层门 厅门是为确保在候梯厅的乘客安全而设置的开闭装置 只有在轿厢停层和平层时 才被打开 4 井道与井底设备 1 曳引钢丝绳 连接轿厢与对重 驱动轿厢上下运行 2 导轨 使轿厢和平衡对重在井道内垂直升降的导向装置 3 限速钢丝绳 张紧装置 用以防止限速钢丝绳的松弛或摇动 把轿厢速度正确 地传送到限速器的辅助装置 4 补偿链 由于轿厢升降 轿厢侧与对重侧的曳引钢丝绳重量比随之变化 为了 修正这个变化 减轻电动机的负载 将轿厢与对重用补偿链连接起来 一般用于提升 高度超过30m的电梯 5 终端保护装置 终端保护装置由终端电气保护装置和机械缓冲装置两部分相组 成 终端电气保护装置由换速开关 限速开关和极限开关组成 机械缓冲装置是指位 于底坑的各种缓冲器 它们是电梯安全保护的最后一道措施 设置在井道底坑中且正 对轿厢和对重 起作用是防止轿厢和对重冲顶撞底 1 51 5 电梯工作原理电梯工作原理 曳引绳两端分别连着轿厢与配重 并通过变频器变速后带动曳引轮转动 靠曳引 绳与曳引轮摩擦所产生的牵引力 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做往复升降运动 防止 轿厢在运动中产生偏斜或摆动的动作 常闭式制动器在电动机工作时间松闸 使电机 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静止状态 以供人 员和货物出入 轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件 配重用来平衡轿厢载荷 减 少发动机功率 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 报警工作 指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置 2 2 方案论证方案论证 2 12 1 电梯控制方式的论证电梯控制方式的论证 随着科学目前 电梯行业在我国迅速的发展 在一定程度上占有很大的市场 目 前电梯控制系统主要有三种控制方式 继电路控制系统 早期安装的电梯多位继电器 控制系统 微机控制系统 PLC控制系统 而在今天选择控制电梯运动的设备已经从 传统的继电器 接触器转变成可编程控制器 PLC 继电器控制系统由于线路复杂 接线多 故障率高 维修保养难 许多已处于闲 置状态 其曳引系统多采用交流双速电机系统换速 由于效率低 调速性能指标较差 等缺点 严重影响电梯运行质量 目前已逐渐被淘汰 微机控制系统虽在智能控制方 面有较强的功能 但也存在抗干扰性差 系统设计复杂 一般的技术维修人员难以掌 握其维修技术等缺陷 而PLC控制系统由于运行可靠性高 使用维修方便 抗干扰性强 设 计和调试周期较短等优点 倍受人们重视 已成为目前在电梯控制系统中使用最多的 控制方式 目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造中 可编程控制器 PLC 与其他计算机控制相比较 个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能 有丰富的软件支持 但它们 是为办公室自动化和家庭设计的 对环境要求很高 抗干扰能力不强 一般不适合在 工业现场使用 单片机只是一片集成电路 不能直接将它与外部I O信号相连 要将它用于工业控 制 还要附加一些配套的集成电路和I O接口电路 硬件设计 制作和程序设计的工作 量相当大 要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实践经验 工业控制计算机 简称工控机 也是为工业控制设计的 目前比较流行的是PC总 线工控机 它与个人计算机兼容 工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的 有 实时操作系统的支持 因此在要求快速 实时性强 功能复杂的领域均占有优势 工 控机的外部I O接线一般都用多芯扁平电缆和插头 插座 直接从印刷电路板上引出 不如可编程控制器的接线端子方便可靠 以上各种计算机用于控制的程序一般都是用汇编语言编写的 可编程控制器不仅 充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求 同时也照顾到现场电 气维护人员的技能和习惯 摒弃了常用的计算机编程语言的表达方式 独具风格的形 成了一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构 使用户程序的 编写清晰直观 调试和查错都很容易进行 可编程控制器是专为工厂现场应用环境设计的 结构上采取整体密封或插件组合 型 对印刷电路板 电源 机架 插座的制造和安装 均采用了严密的措施 由于可 编程控制器具有上述的各种优点 在工业控制领域具有不可比拟的竞争力 当然可编程控制器在电梯的控制领域也具有重要的地位 把可编程控制器用于电 梯运动的核心部分是很合理的选择 而且可编程控制器现在在市场上也是一种成熟的 产品 总之 经上述比较可得 确定选用PLC控制电梯的运行 在PLC中相比较 主要为西门子与三菱的竞争 由于西门子编程的灵活性是三菱没 法比拟的 有很多功能西门子很容易实现 三菱就不行 再加上题目的要求 我们选 用西门子S7 200PLC设计电梯控制系统 2 22 2 可编程控制器用于控制电梯的特点可编程控制器用于控制电梯的特点 1 可靠性高 所有的I O输入输出信号均采用光电隔离 使工业现场的外电路与控制器内部电路 之间电气上隔离 1 为了消除信号噪声 在输入接口内设置了多种滤波电路 2 为了PLC的信号处理 输入接口内有电平转换及信号锁存电路 3 为了便于与现场信号的连接 在输入接口外部设有接线端子排 4 良好的自诊断功能 一但电源或其他软 硬件发生异常情况 CPU立即采取 有效措施 以防止故障扩大 大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统 以及实现电源模块冗余 IO模块冗余 使可靠性更进一步提高 2 实时性强 信号处理时间短 速度快 信号处理和程序运行的速度快 能满足各种型号电梯的控制目标 3 编程方便 PLC的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的 它采用易于理解和掌握的 梯形图语言 以及面向工业控制的简单指令 这种梯形图语言继承了传统继电器控制线 路的表达式 又考虑到工业企业电气技术人员的看图习惯和微机应用水平 因此得到了 广大电气技术人员的欢迎 4 安装简单 维修方便 可以在各种工业环境下直接运行 使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I O 端相连接 即可投入运行 各种模块上均有运行和故障指示装置 便于用户了解运行 情况和查找故障 由于采用模块化结构 因此一旦某模块发生故障 用户可以通过更换模块的方法 使系统迅速恢复运行 5 设计 施工 调试周期短 PLC完成一项控制工程中 由于其硬 软件齐全 设计和施工可同时进行 由于用软 件编程取代了继电器硬接线实现控制功能 使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减 少 缩短了施工周期 同时 由于用户程序大都可以在实验室模拟调试好后 再将PLC控 制系统在生产现场进行联机统调 因此大大缩短了设计和投入运行的周期 综上所述 可编程控制器非常适用于交流电梯控制系统 2 32 3 整体设计流程的确定整体设计流程的确定 综上所述 本设计就以PLC作为工具对升降电梯的各种操作进行控制 对五层电梯 的硬件部分作分析 看需要什么样的开关 电机 信号灯等 然后 估计一下I O点数 这样可以确定所选机型 再进行软件设计 写出梯形图 利用力控组态软件画出电梯 系统控制面板 最后是进行调试 看看此程序是否可行 3 3 硬件及软件的概述硬件及软件的概述 3 13 1 PLCPLC 简介简介 3 1 13 1 1 PLCPLC 的基本结构的基本结构 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机 其硬件结构和微机是基本一致的 如下图所示 编程器 中央处理单元 CPU 输入电路 输出 电路 系统程序存储区用户程序存储区 电源 图 3 1 PLC 硬件的基本结构 可编程控制器实际是一种工业控制计算机 它的硬件结构与一般微机控制系统相 似 可编程控制器主要由CPU 中央处理单元 存储器 RAM和EPROM 输入 输出模 块 简称I O模块 编程器和电源五大部分组成 1 CPU模块 CPU模块又叫中央处理单元或控制器 它主要由微机处理器 CPU 和存储器组成 CPU的作用类似于人类的大脑和心脏 它采用循环扫描方式工作 并且每一次扫描要完 成以下工作 输入处理 将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存 器 程序执行 逐条读入和解释用户程序 产生相应的控制信号控制相关的电路 完 成数据的存取 传送和处理工作 并根据运算结果更新各有关寄存器的内容 输出处理 将输出映像寄存器的内容送给输出模块 去控制外部负载 2 I O模块 可编程控制器通过输出模块控制接触器 电磁阀 电磁铁 调节阀 调速装置等 执行器 可编程控制器控制的另一类外部负载有指示灯 数字显示装置和报警装置等 CPU模块的工作电压一般是5V 而可编程控制器的输入 输出信号电压一般较高 比如直流24V和交流220V 从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元 器件 或使可编程控制器不能正常工作 所以CPU模块不能直接与外部输入 输出装置 相连 I O模块除了传递信号外 还具有电平转换与噪声隔离的作用 开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态 电压等级有直流 5V 12V 24V 48V和交流110V 220V等 输入输出电压的允许范围很宽 如某交流 220V输入模块的允许低电压为0 70V 高电压为70 256V 频率为47 63HZ 各I O点的通 断状态用发光二极管或其它元器件显示在面板上 外部I O接线一般 接在模块的接线端子上 某些模块使用可拆除的插座型端子板 在不拆去端子的外部 连线的情况下 可以迅速地更换模 开关量I O模块可能有4 8 16 32 64点 3 编程器 编程器除了用来输入和编辑程序外 还可以用来监视可编程控制器运行时梯形图 中各种编程元件的工作状态 编程器可以永久地连续在可编程控制器上 将其取下来 后可编程控制器也一样可以运行 一般只在程序输入 调试阶段和检修时使用 一台 编程器可供多台可编程控制器公用 3 1 23 1 2 PLCPLC 的性能特点的性能特点 1 硬件的可靠性 PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的 一个设计良好的PLC能置于有很强 的电噪声 电磁干扰 机械振动 极端温度和湿度很大的环境中 在硬件设计方面 首先是选用优质器件 再就是采用合理的系统结构 加固 简 化安装 使它易于抗振动冲击 对印制电路板的设计 加工及焊接都采取了极为严格 的工艺措施 而且在电路 结构及工艺上采取了一些独特的方式 例如 在输入 输出 电路中都采用了光电隔离措施 做到电浮空 既方便接地 用提高了抗干扰性能 各 个I O端口都除采用了常规模拟器滤波以外 还加上了数字滤波 内部采用了电磁屏蔽 措施 防止辐射干扰 采用了较先进的电源电路 以防止由电源回路串入的干扰信号 采用了较合理的电路程序 一旦某模块出现故障 进行在线插拔 调试时不会影响各 机的正常运行 由于PLC本身具有很高的可靠性 所以发生故障的部位大多集中在输入 输出的部 件上 以及如传感器件 限位开关 光电开关 电磁电机等外围装置上 2 编程简单 使用方便 用微机实现自动控制 常使用汇编语言编程 难于掌握 要求使用者具有一定水 平的计算机硬件和软件知识 PLC采用面向控制过程 面向问题的 自然语言 编程 容易掌握 例如 目前打 多数PLC均采用的梯形图语言编程方式 既继承了传统控制线路的清晰直观感 又顾及 了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受 易于编程 程序改变时也容易修改 很灵活方便 3 接线简单 通用性好 PLC的接线只需将输入信号的设备 按钮 开关等 与PLC输入端子连接 将接受 输出信号执行控制任务的执行元件 接触器 电磁阀等 与PLC输出端子连接 接线简 单 工作最少 省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦 PLC的编程逻辑提供 了能随要求而改变的 接线网络 这样生产线的自动化过程就能随意改变 这种性能 使PLC具有很高的经济效益 用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分 模块化的自诊断接口电路 能指出故障 并易于排除故障与替换故障部件 这样的软硬件设计就使现场电气人员 与技术人员易于使用 4 可连接为控制网络系统 PLC可连成功能很强的网络系统 网络可分为两类 一类是低速网络 采用主从方 式通信 传输速率从几千波特到上万波特 传输距离为500 2500m 另一类为高速网 络 采用令牌传送方式通信 传输速率为1M 10Mbps 传输距离为500 1000m 网上 结点可达1024个 这两类网络可以级连 网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算 机 从而组成控制范围很大的局部网络 5 易于安装 便于维护 PLC安装简单而且功能有效 其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需 空间的一半的地方 在从继电器系统改换到PLC系统的情况下 PLC小的模块结构使之 能安装在继电器附近并将连线向已有接线端 其实改换很方便 只要将输入 输出设备 连向接线端即可 在大型安装中 长距离输入 输出站点安放在最优地点 长距离站通过同轴电缆获 双扭线连向CPU 这种配置大大减少了物料和劳力 长距离子系统方法也意味着系统不 同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线 这一方法大大减少了电气技术人 员的现场安装时间 从一开始 PLC便以易维护作为设计目标 由于几乎所有器件都是固态的 维护时 只需更换模块级插入式部件 故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中 就能指示 器是否正常工作 借助于编程设备可见输入 输出是ON还是OFF 还可写编程指令来报 告故障 PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分 一旦安装后 其作 用立即显现 其收益也马上实现 向其他智能设备一样 PLC的潜在优点还取决于应用 时的创造性 3 1 33 1 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 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则是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 如此周而不 断的进行循环 每一个循环称为一个扫描周期 一个扫描周期大致可分为I O刷新和执 行指令两个阶段 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 输出的寄存器 中的内容进行一次更新 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 或者说输出对输入产生了响应 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 CPU执行指令的速度 每条指 令占用的时间 指令条数的多少 即程序的长短 对于慢速控制系统 响应速度常常不是主要的 故这种方式不但没有坏处反而可 以增强系统的抗干扰能力 因为干扰常是脉冲式的 短时的 而由于系统响应较慢 常常要几个扫描周期才响应一次 而多次扫描后 瞬间干扰所引起的误动作将会大大 减少 故增加了抗干扰能力 3 1 43 1 4 PLCPLC 控制系统设计思路控制系统设计思路 根据电梯的工作过程要求设计由PLC构成的电梯控制装置 本装置以西门子S7 200 PLC 为控制核心 对电梯的工作过程和各个细节进行显示和控制 PLC控制系统设计一 般分为以下几个步骤 1 熟悉被控对象 本次设计的对 象为五层电梯 制定控制方案 2 确定I O点数 3 选择PLC机型 本次设计采用西 门子S7 200PLC 4 选择输入 输出设备 分配PLC 的I O地址 5 程序设计 包括梯形图的绘制 6 系统调试 7 编制相关技术文件 8 系统总体设计流程如右图3 2所 示 图 3 2 PLC 系统总体设计流程图 3 23 2 编程软件简介及安装编程软件简介及安装 3 2 13 2 1 PLCPLC 的编程语言的编程语言 PLC程序是PLC指令的有序集合 PLC运行程序就是按一定的顺序 执行这集合中的 一条条指令 其中指令是指PLC动作的文字代码或图形符号 使用的编程语言不同 这 些文字代码和图形符号就不相同 但从本质上来讲 指令的实质都是二进制机器码 同普通的计算机一样 PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码 PLC提供了功能较为完整的编程语言 以适应PLC在各种工业环境中的应用 利用 PLC的编程语言 按照不同的控制要求编制不同的控制程序 这相当于设计和改变继电 器控制的硬件接线 也就是所谓的 可编程 PLC的编程语言一般有五种 顺序功能图 Sequential Function Chart 梯形图 Ladder Diagram 功能块图 Function Block Diagram 指令表 Instruction List 和 结构文本 Structured Text 其中 顺序功能图 SFC 梯形图 LD 功能块图 FBD 是图形编程语言 指令表 IL 和结构文本 ST 是文字语言 梯形图 LD 是目前使用最 广泛的PLC图形编程语言 梯形图与继电器控制系统的电路图相似 比较易于掌握且程 序表达很清楚 本系统PLC程序的编制采用梯形图语言 编程软件为STEP 7 Micro WIN 该软件能 够完成制作程序 对可编程控制器CPU的写入 读出 监控程序运行 调试程序 PLC错 误诊断等一系列功能 3 2 23 2 2 STEPSTEP 7 7 概述概述 STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包 它是SIMATIC 工业软件的组成部分 有下列版本的STEP 7标准软件包 用于使用带有各种功能的SIMATIC S7 300 ST 400 SIMATIC M7 300 M7 400 和SIMATIC C 7的STEP 7 用于SIMATIC S7 200上简单单站应用的STEP 7 Micro DOS和STEP 7 Micro WIN 具有扩展功能 能够解决复杂的自动化任务 创建调制解调模块程序 具有密码保护功能 支持IL LAD FBD三种编程语言 可以在三者之间随时切换 强大的工控编程组态软件 STEP7编程软件允许结构化用户程序 可以将程序分解为单个的自成体系的程序部 分从而使大规模的程序更容易理解 可以对单个的程序部分进行标准化程序组织简化 3 2 33 2 3 STEPSTEP 7 7 Micro WIN 软件安装步骤软件安装步骤 STEP 7 Micro WIN可以安装在下列操作系统平台上 MS Windows 2000 至少SP1 MS Windows XP 建议SP1 上述操作系统需要安装Microsoft internet Explorer 5 0 或以上 版本 一般安 装在MS Windows 2000 XP 下较为稳定 在Windows 2000 XP操作系统中必须具有管理员 Administrator 权限才能进行 STEP 7 Micro WIN的安装 运行STEP 7 Micro WIN安装光盘上的Setup exe开始安装 STEP 7 Micro WIN的安 装界面同大多数Windows应用程序相似 在整个安装过程中 安装程序一步一步地指导 用户该如何进行 在安装的任何阶段 用户都可以切换到上一步或下一步 安装过程中 有一些选项需要用户选择 下面是对一部分选项的解释 1 安装语言选择 选择英语 如图3 3 图 3 3 语言选择 2 选择需要安装的程序 另外其它为扩展用的可选软件 如图3 4 图 3 4 可选软件 Acrobat Reader 5 0 PDF阅读器 如果用户的PC机上已经安装了该软件 可不必选择 STEP 7 Micro WIN 4 0 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