基于S7-300的电梯控制系统的设计与实现毕业论文.doc

基于基于 S7 300S7 300 的电梯控制系统的设计与实的电梯控制系统的设计与实 现现毕业论文毕业论文 目 录 1 绪论绪论 1 1 1 电梯的概述 1 1 1 1 电梯的起源与发展 1 1 1 2 电梯的发展现状 1 1 1 3 电梯的发展趋势 2 1 1 4 电梯的结构 3 1 2 论文的研究背景 内容及意义 4 1 2 1 研究背景 4 1 2 2 研究内容 4 1 2 3 研究意义 4 2 控制系统的总体设计控制系统的总体设计 6 2 1 控制系统的总体目标 6 2 2 控制系统的总体方案 6 3 S7 300 基础知识的概述基础知识的概述 7 3 1 S7 300 的概况 7 3 1 1 S7 300 的组成部件 8 3 1 2 S7 300 的结构 9 3 1 3 I O 模块地址的确定 10 3 1 4 模块诊断与过程中断 10 3 2 S7 300 的 CPU 模块 11 3 2 1 CPU 模块的元件 11 3 2 2 S7 300CPU 的分类 12 3 3 S7 300 的输入 输出模块 12 3 3 1 数字量输入模块 12 3 3 2 数字量输出模块 13 3 3 3 数字量输入 输出模块 13 3 3 5 模拟量输出模块 14 3 3 6 模拟量输入 输出模块 14 3 4 S7 300 的其他模块 14 4 基于基于 S7 300 的电梯控制的电梯控制 16 4 1 S7 300 控制的电梯的总体介绍 16 4 1 1 电梯控制的总体要求 16 4 1 2 I O 点数的分配 16 4 1 3 程序流程图 16 4 2 总体设计 16 4 2 1 电梯模型的简介 17 4 3 电梯控制系统的 PLC 的程序设计 17 4 3 1 STEP7 的简介 3 17 4 3 2 控制系统的硬件接线图 20 4 3 3 变量表的生成 21 4 3 4 指示灯的控制 21 4 3 5 厢的升降控制 22 4 3 6 箱门开关控制 22 4 4 电梯控制系统程序的调试 24 4 4 1 连线 24 4 4 2 系统的硬件组态和程序调试 25 4 4 3 运行 27 4 5 小结 27 5 基于基于 WINCC 的电梯监控系统的电梯监控系统 28 5 1 WINCC 的简介 28 5 2 WINCC 中画面的编辑和脚本的编辑 30 5 3 WINCC 与 PLC300 的连接 35 5 3 1 PC 机上 MPI 网卡的安装和设置 35 5 3 2 在 WINCC 上添加 SIAMTICST 通信协议 35 5 3 3 WINCC 的通信连接参数设置 35 5 3 4 在 WINCC 上建立通信连接 35 5 3 5 通信诊断 36 5 4 基于 WINCC 的电梯监控系统的实现 38 5 5 基于 WINCC 的两台电梯的监控系统 39 5 5 1 PLCSIM 简介 39 5 5 2 使用 S7 PLCSIM 仿真软件调试程序的步骤 40 5 5 3 视图对象与仿真软件的设置与存档 40 5 5 4 两台电梯运行状态的监控 41 5 6 小结 44 6 基于模糊理论的电梯群控算法的研究基于模糊理论的电梯群控算法的研究 45 6 1 电梯群控系统的常用调度原则 45 6 2 电梯群控系统的多目标性 45 6 2 1 基于模糊技术的电梯群厅层召唤分配 46 6 2 2 变量的模糊化 49 6 2 3 模糊推理 50 6 2 4 模糊电梯群控系统最优调度流程 53 6 3 小结 54 7 结结 论论 55 参考文献参考文献 56 附附 件件 57 翻译部分翻译部分 66 英文原文 66 中文译文 77 致致 谢谢 87 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 0 页 1 绪论 1 1电梯的概述 1 1 11 1 1 电梯的起源与发展电梯的起源与发展 随着城市建设的不断发展 楼群建筑不断增多 电梯在当今社会的生活中有着广泛 的应用 电梯作为楼群建筑中垂直运行的交通工具与人们的日常生活密不可分 它起源于公元前 236 年的古希腊 当时阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬 机 共造出三台 安装在妮罗宫殿里 人们把这三台卷扬机看作是现代电梯的鼻祖 事 实上 早在公元前 我们的祖先和古埃及也都曾经使用了这种人力卷扬机 1831 年英国人法拉弟发明电机以后 德国最早出现了用电力拖动的升降机 电梯 电梯在美国发展很快 1889 年美国纽约的 戴维斯特 大厅安装了第一批直流电动 机与蜗轮蜗杆电梯 提升速度达到了 0 5m s 1985 年日本生产出世界上第一台螺旋式自动扶梯 使其明显减少了占地面积 1993 年日本生产的 12 5m s 世界上最高速的交流变频调速电梯已投入运行 当前 在电梯电力拖动方面 除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外 用交流变 频调速方式已成为高速电梯的主流 应用微机全面取代继电器控制逻辑实现闭环控制 进一步提高电梯的性能和可靠性 降低现场调试要求 是电梯控制技术的方向 电梯群 控系统是现代电梯的技术的又一重要组成部分 它不但有完善的分区服务 运行监控 客流交通统计分析等功能 还具备故障诊断功能 在电梯品种方面 出现了双层电梯 大吨位的集装箱电梯等 为适应摩天大楼对电梯的特殊要求 目前正在研制无绳直线驱 动电梯 此外 用电子位置传感器取代机械选层器 用更先进的装置取代门安全触板 增设轿厢内通信设施以及轿厢非安全门区语音提醒和运行状态语音报告等装置 也是电 梯技术现代化的体现 同时 更着重于可靠性 安全性和乘坐的舒适性 进而主张电梯 扶梯与大自然相协调 对经济性 能耗 噪声等级和电磁干扰程度等方面也有相应要求 至此 电梯进入了全面快速发展的新时期 1 1 21 1 2 电梯的发展现状电梯的发展现状 1 国内的电梯行业的发展 市场竞争激烈 电梯行业外商云集 国际上最大的电梯公司几乎全部进入我国 最先进的电梯产品 争先在中国生产 美国的奥的斯 瑞士迅达 德国蒂森 日本三菱 日立 东芝 富士 达灯世界最盛名的电梯公司在中国投资建厂 中国电梯市场的特色已经不是国内企业的 竞争 而是全球电梯行业的竞争 国内企业的实力不断增强 对外开放的政策和国外先进技术与先进管理的引进对国内电梯企业的发展产生了强 大的推动作用 有力的促进了内资企业的技术进步 苏州江南 山东百斯特 浙江巨人 上海房屋设备总公司 东莞飞鹏 宁波宏大 苏州申龙河东南液压电梯等优秀的内资企 业并没有被各自企业挤出市场 反而现代化合资企业的示范作用使他们看清了自己的定 位于出路 目前这些企业在管理 技术水平 产品质量 售后服务等方面均无逊色 不 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 1 页 但在国内的电梯市场上占据了一席之地 而且产品出口到了东南亚 欧洲和美国 事实 证明这些企业不但在国内市场而且在国际市场上 同样具有一定的竞争实力 传统的电梯生产结构正在改变 在国外各大电梯公司纷纷进入我国的同时 国内配件生产企业如宁波欣达 宁波申 菱 张家港润发 上海新时达 沈阳蓝光 等也迅速发展起来 不少配件生产企业的销 售额已经超过了中等规模的整机生产企业 专业化生产具有质量好 价格低的优势 不 但给生产能力较弱的中小型企业助了一臂之力 而且也给大型企业提供了降低成本的可 能 零部件的社会化 专业化生产改变了 经济规模 的概念 使得企业能否赢利不在 取决于生产能力的强弱 企业无论大小 只要有技术有人才 就有生存空间 今后的电梯市场会更加活跃 国内电梯的生产能力 产品质量和制造成本有很强的国际竞争力 我国电梯市场是 很大的市场 也是很挑剔的市场 中国的电梯用户不但对产品质量要求高 而且对新技 术的接受很快 所以变频变压调速技术 无机房电梯 永磁同步拖动技术 计算机控制 技术 远程监控技术等广泛推广 随着我国城市化 城镇化和村镇化建设步伐的加快 尤其是西部大开发的实施 住宅建设不见 商场 机场和地铁项目明细增多 住宅电梯 自动扶梯和自动人行道的需求量继续看好 电梯是一种售后服务工作量特别大的机电产 品 其使用可靠性不但取决于产品的制造与安装 而且更大程度上取决于完善的维修和 保养 在用电梯的总量的不断增加给维修服务业带来了发展机遇 配件的专业化生产对 提高产品质量 降低生产成本具有十分积极的作用 受到了许多电梯公司和维修保养单 位的欢迎 仍然有发展空间 为了更好的适应市场要求 电梯企业目前应该注意进一步 遵守市场行为规范 努力培育自主开发能力 组建完善的维修保养和售后服务网络 不断 提高过长电梯和名族品牌的市场竞争力 2 国外的电梯业的发展 当今世界 电梯的生产情况和使用数量已经成为衡量一个国家或地区建筑业及现代 化程度的标志之一 现在 在发达国家 电梯的使用已经很普遍 全世界电梯的年需求 量大概是 15 万台左右 并且预计未来世界年平均增长率为 7 而亚太地区为 9 世界 上有名的几家电梯公司 包括 美国奥的斯公司 瑞士迅达公司 日本三菱公司和日立 公司 芬兰科恩公司 其电梯产量已经占世界市场的 51 其中美国奥的斯公司和日本 三菱公司是世界上年产量最大的电梯生产企业 在亚洲 日本对电梯市场占有绝对优势 占有率约 67 远远超过我国 1 1 31 1 3 电梯的发展趋势电梯的发展趋势 1 智能化 电梯智能群控系统将基于强大的计算机软硬件资源 如基于专家系统 模糊控制 神经网络 计算机图像监控的群控等 将智能控制方法与新兴科学 如最优控制 预测控 制 模式识别 机器学习 计算机视觉等 进行结合是未来智能化电梯的发展方向 随着 智能建筑的发展 电梯的智能群控系统将与大楼所有的自动化服务设备结合成整体智能 系统 2 超高速 21 世纪将会发展多用途 全功能的塔式建筑 超高速电梯继续成为研究方向 未来 超高速电梯不仅速度会大大提高 舒适感也会有明显改善 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 2 页 3 蓝牙技术广泛应用 蓝牙技术是一种全球开放的 短距无线通讯技术规范 它可通过短距离无线通讯把 电梯各种电子设备连接起来 实现无线组网 这种技术将减少电梯的安装周期和费用 提高电梯的可靠性和控制精度 有利于把电梯归纳到大楼管理系统或智能化管理小区系 统中 1 1 41 1 4 电梯的结构电梯的结构 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 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 1 拽引系统 电梯拽系统的功能是输出动力和传递动力 驱动电梯运行 主要由拽引机 拽引钢 丝绳 导向轮和反绳轮组成 拽引机为电梯的运行提供动力 由电动机 拽引轮 连轴 器 减速箱 和电磁制动器组成 拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重 依靠钢丝绳和拽引 轮之间的摩擦来驱动轿厢升降 导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距 采用复绕型还 可以增加拽引力 2 导向系统 导向系统由导轨 导靴和导轨架组成 它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度 使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动 3 门系统 门系统有轿厢门 层门 开门 连动机构等组成 轿厢门设在轿厢入口 由门扇和门 导轨架等组成 层门设在层站入口处 开门机设在轿厢上 是轿厢和层门的动力源 4 轿厢 轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件 它是有轿厢架和轿厢体组成的 轿厢架是轿 厢体的承重机构 由横梁 立柱 底梁 和斜拉杆等组成 轿厢体由厢底 轿厢壁 轿 厢顶以及照明通风装置 轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成 轿厢体空间的大小由 额定载重量和额定客人数决定 5 重量平衡系统 重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成 对重由对重架和对重块组成 对重将平 衡轿厢自重和部分额定载重 重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳 长度变化对电梯的平衡设计影响的装置 6 电力拖动系统 电力拖动系统由拽引电机 供电系统 速度反馈装置 调速装置等组成 它的作用 是对电梯进行速度控制 拽引电机是电梯的动力源 根据电梯配置可采用交流电机或者 直流电机 供电系统是为电机提供电源的装置 速度反馈系统是为调速系统提供电梯运 行速度信号 一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连 调速装置对拽引电机 进行速度控制 7 电气控制系统 电梯的电气控制系统由控制装置 操纵装置 平层装置 和位置显示装置等部分组 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 3 页 成 其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求 控制电梯的运行 设置在机房中的控 制柜上 操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的 平层 装置是发出平层控制信号 使电梯轿厢准确平层的控制装置 所谓平层 是指轿厢在接 近某一楼层的停靠站时 欲使轿厢地坎与厅门地坎达到用 平面的操作 位置显示装 置 是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯 厅门指示灯还用尖头指示电 梯的运行方向 8 安全保护系统 电磁制动器 装于曳引机轴上 一般采用直流电磁制动器 启动时通电松闸 停层 后断电制动 强迫减速开关 其分别装于井道的顶部和底部 当轿厢驶过端站换速未减速时 轿 厢上的撞块就触动此开关 通过电器传动控制装置 使电动机强迫减速 限位开关 当轿厢经过端站平层位置后仍未停车 此限位开关立即动作 切断电源 并制动 强迫停车 行程极限保护开关 当限位开关不起作用 轿厢经过端站时 此开关动作 急停按钮 装于轿厢司机操纵盘上 发生异常情况时 按此按钮切断电源 电磁制 动器制动 电梯紧急停车 厅门开关 每个厅门都装有门锁开关 仅当厅门关上才允许电梯启动 在运行中如出 现厅门开关断开 电梯立即停车 关门安全开关 常见的是装于轿厢门边的安全触板 在关门过程中如安全触板碰到 乘客时 发出信号 门电机停止关门 反向开门 延时重新开门 此外还有红外线开关 等 超载开关 当超载时轿底下降开关动作 电梯不能关门和运行 其它的开关 安全窗开关 钢带轮的断带开关等 1 2 论文的研究背景 内容及意义 1 2 11 2 1 研究背景研究背景 随着城市经济的发展和大型和巨型楼宇越来越多建造 电梯应用得到了快速发展 在当今生活中扮演着重要的角色 电梯控制系统主要包括三种方式 继电器控制 微机 控制 PLC 控制 继电器控制由于技术老旧 故障率高基本已经淘汰 微机控制对于小 规模企业而言设计和制造成本高而且抗干扰能力弱 PLC 控制方式以可编程控制器为控 制单元 完成电梯的信号采集 运行状态和功能设定 实现电梯的自动调度和集选运行 功能 该方法可靠性高 程序设计简单 维修方便 抗干扰能力强 已成为电梯系统中 常用的控制方式 本系统就是基于以上认识 进行电梯系统设计的 1 2 21 2 2 研究内容研究内容 1 本论文通过 PLC 控制设计来实现实验电梯的全自动化控制运行 电梯是根据 外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的 而呼叫是随机的 电梯控制是一个人机交互 式的控制系统 本论文利用西门子 300 的 PLC 利用其丰富的基本及功能指令 通过程 序设计来实现对电梯的控制 2 研究如何通过组态技术设计 实现电梯在运行过程中实时动态监控其运行状 况以及检测其运行过程中的参数变化情况等等 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 4 页 3 研究基于计算机 PC 的 PLC 通讯原理与 WNCC 组态设计 实现计算机与下面 的 PLC 通讯 同时通过组态运行能实现对对应通讯运行站号的 PLC 及电梯运行监控 4 研究群组电梯的调度算法并如何通过 PC 的 PLC 和 WINCC 组态设计实现多台 电梯的仿真控制 1 2 31 2 3 研究意义研究意义 由于可编程控制器 PLC 具有程序设计方便灵活 控制运行稳定可靠 生产规模较小 成本低 抗干扰能力强以及强大的网络通讯功能等特点 并与功能强大的组态及网络技 术相结合更能实时监控电梯运行状况 当电梯出现故障时 电梯通过组态监控及网络向 客户服务中心发出信号并使维保人员能及时准确了解电梯出现故障的原因及相关信息 客户的人身安全是否受到威胁 并在第一时间内赶赴事故现场进行抢修 把电梯出现故 障的负面影响降到最低 充分体现其人性化的设计 特别是针对 PLC 控制的中小型电梯 利用其性价比高 可靠性高的特点 更能赢得广大家庭用户的青睐 所以有着极其广阔 的应用前景 而由本人设计的电梯控制 监控系统就能充分体现以上的设计思路 能实现 电梯仿真控制及远程监控 另外 本论文设计中的仿真电梯是根据最常见的升降式电梯结构 采用透明有机材 料制成 其结构与实际电梯完全相同 且几乎具备实际电梯的全部功能 事实上可以把 它看作是小型化了的电梯 由于其几乎所有部件均是采用透明有机材料 因此便于观察 了解整个电梯结构 同时 电梯运行过程中的每个动作也一目了然 所以制作一个仿真 的 PLC 控制的电梯控制系统并结合组态 网络技术 对于机电 电气 楼宇智能化等专 业的学生或者技术维护人员而言 具有重要的理论意义及实际应用价值 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 5 页 2 控制系统的总体设计 2 1 控制系统的总体目标 1 实现基于 PLC300 的电梯控制 根据提出的电梯控制要求 绘制控制流程图 分配 I O 利用 Simatic manger 完成硬 件组态并利用 LAD 语言编写程序实现电梯控制 最后完成在电梯模型上的软硬件调试 2 实现 WINCC 组态软件与 PLC 的通信 并能够通过 WINCC 对电梯控制系统进行 监控 根据电梯运行情况编辑出监控画面 并且实现画面动态的与 LAD 程序之间的通信 最终实现对电梯的监控 3 实现两台电梯的具有约束条件的控制 4 实现多台电梯的调度算法的研究 2 2 控制系统的总体方案 根据控制系统要实现的总体目标 设计出如下的总体结构图 PLC 300 电梯设备 MPI W WI IN NC CC C监监控控 图 2 1 电梯控制系统的总体结构图 电梯系统主要实现电梯外呼信号 内呼信号的检测和电梯上行 下行以及相关操作 的外部显示输出 利用 PLC 300 是通过编写程序来完成对电梯控制要求的实现 并且利 用 WINCC 与 PLC 之间的通信以及通过编辑控制画面来实现对电梯控制系统的实时监控 当电梯有外呼或内呼信号时 能够 PLC 来对其实现响应控制 同时能够在监控画面上直 观的看到电梯该时刻的运行情况 当有多台电梯时 能够利用群组电梯的调度算法进行分析控制来实现最优调度 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 6 页 3 S7 300基础知识的概述 SIMATIC S7 系列 PLC 是德国西门子公司于 1995 年陆续推出的 它是在 S5 系列基 础上开发的一种高性能 PLC 系列 该系列有小型的 S7 200 系列 中小型的 S7 300 系列 和高性能的 S7 400 系列 PLC SIMATIC S7 系列 PLC 均采用模块化 无风扇的结构 易 于用户掌握 各种单独的模块之间可进行广泛组合以利于扩展 其应用领域包括专用机 床 纺织机械 包装机械 通用机械工程应用 控制系统 机床 楼宇自动化 电器制 造工业及相关产业 多种性能递增的 CPU 和带有许多方便功能的 I O 扩展模块及功能模 块 使用户可以完全根据实际应用而选择 S7 300 是模块化的中小型 PLC 系统 它能满足中等性能要求的应用 目前已成为各 种从小规模到中等性能要求控制任务中方便又经济的解决方案 本章主要介绍 SIMATIC S7 300 系列 PLC 的硬件系统 包括各个硬件的特性和主要 模块 和其他 PLC 一样 SIMATIC S7 300 系列 PLC 也是采用循环扫描方式 即 CPU 首 先扫描输入模块的状态并更新过程映像寄存区 接着执行用户程序 并且按照用户程序 将输出映像寄存区的值输出到输出模块 PLC 会不断循环地执行上述过程 3 1 S7 300的概况 S7 300 是一种通用型的 PLC 其具有模块化 无风扇结构 易于实现分布式的配置 以及易于掌握等特点 这使得它能适应自动化工程中的各种应用场合 执行各种控制任 务 因此在实践中成为一种既经济又可靠的控制装置 S7 300PLC 是模块化的中小型 PLC 见图 3 1 各种模块能以不同的方式组合在一 起 模块式 PLC 有机架和模块组成 1 图 3 1 PLC300 的结构 1 电源模块 2 后备电池 3 DC24V 连接器 4 模式开关 5 状态和故障指示灯 6 存储器卡 CPU313 以上 7 MPI 多点接口 8 前连接器 9 前盖 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 7 页 S7 300 有各种不同性能档次的 CPU 模块可供使用 标准 CPU 提供范围广泛的基本 功能 如指令执行 I O 读写 通过 MPI 和 CP 模块的通信 紧凑型 CPU 本机集成 I O 并带有高速计数 频率测量 定位和 PID 调节技术功能 S7 300 的 CPU 模块集成了过程控制功能 用于执行用户程序 每个 CPU 都有一个 编程用的 RS 485 接口 有的还带有集成的现场总线 PROFIBUS DP 接口或 PTP 串行通信 接口 S7 300 不需要附加任何硬件 软件和编程 就 建立一个 MPI 网络 如果有 PROFIBUS DP 接口 就可以建立一个 DP 网络 S7 300 有很高的电磁兼容性和抗振动 抗冲击能力 其标准型的环境温度为 0 60 通过系统功能和系统功能块的调用 用户可以使用集成在操作系统内的程序 从而 显著地减少所需要的用户存储器容量 他们可以用于中断处理 出错处理 复制和处理 数据等 S7 300 的编程软件 STEP7 功能强大 使用方便 S7 300 有 350 多条指令 包括了位 指令 比较指令 定时指令 计数指令 整数和浮点数运算指令等 CPU 的集成系统功能 提供了中断处理和信息诊断等系统功能 由于他们集成在 CPU 的操作系统中 因此也省 了很多 RAM 空间 STEP 7 的功能块图和梯形图编程语言符合 IEC 6223 1 标准 语句表编程语言与标准 IEC 稍有不同 已包证与 STEP5 的兼容 三种编程语言可以相互转换 用转换程序可以将 西门子的 STEP 5 或 TISOFT 编写的程序转换到 STEP7 计数器的计数范围为 1 999 定时器的定时范围为 10ms 9990s 可以使用 IEC 标 准的定时器和计数器 STEP7 通过带有标准用户接口的软件工具来为所有的模块设置参数 可以节省用户入门的时间和培训的费用 CPU 用智能化的诊断系统连续监控系统的功能是 否正常 记录错误和特殊系统事件 S7 300 有 看门狗 中断 过程报警 日期时间中 断和定时中断功能 操作员对系统的控制和监视显得日益重要 S7 300 已将 HMI 服务集成到操作系统内 因此大大减少了人机对话的编程要求 SIMATIC 人机界面从 S7 300 中获得数据 S7 300 按用户指定的刷新速度自动地传送数据 3 1 13 1 1 S7 300S7 300的组成部件的组成部件 S7 300 PLC 是模块式的 PLC 它由以下几部分组成 1 中央处理单元 CPU 其功能是 执行用户程序 为 S7 300 背板总线提供 5V 电源 在 MPI 网络中 通过 MPI 与其他 MPI 网络节点进行通信 专用 CPU 还有其他一些特性 作为 PROFIBUS 子网中的 DP 主站 作为 PROFIBUS 子网 中的 DP 从站 技术功能 点对点通信 CPU 还有不同的模式选择开关 312IFM 至 318 2DP 有钥匙选择开关 312C 至 314C 2PT P DP 有滑动开关 各种 CPU 有不同的性能 有的集成有数字量和模拟量输入输出点 有的集成有 PROFIBUS DP 等通信接口 CPU 前面板上有状态故障指示灯 模式开关 24V 电源端子 电池盒与存储器模块盒 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 8 页 2 负载电源模块 PS 负载电源模块用于将 AC220V 电源转换为 DC24V 电源 供 CPU 和 I O 模块使用 额 定输电流有 2A 5A 和 10A 三种 过载时模块上的 LED 闪烁 3 信号模块 SM 信号模块式数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块的总称 它们使不同的过程 信号电压或电流与 PLC 内部的信号电平匹配 信号模块主要有数字量输入模块 SM321 和 数字量输出模块 SM322 模拟量输入模块 SM331 和模拟量输出模块 SM332 模拟量输入模 块可以输入热电阻 热电偶等多种不同类型和不同量程的模拟信号 每个模块上有一个 背板总线连接器 现场的过程信号连接到前连接器的端子上 4 功能模块 FM 功能模块主要用于对实时性和存储量要求高的控制任务 例如计数器模块 电子凸 轮控制器模块 步进电动机定位模块 定位和连续路径控制模块 工业标识系统的接口 模块 闭环控制模块等 5 接口模块 IM 接口模块用于多机架配置是连接主机架和扩展机架 S7 300 通过分布式的主机架和 3 个扩展机架 最多可以配置 32 个信号模块 功能模块和通信处理器 6 通信处理器 CP 通信处理器用于 PLC 之间 PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信 可以将 PLC 接 入 PROFIBUS DP AS I 和工业以太网或用于实现点对点通信等 通信处理器可以减轻 CPU 处理通信的负担 并减少用户对通信的编程工作 7 导轨 铝质导轨用来固定和安装 S7 300 上述的各种模块 3 1 23 1 2 S7 300S7 300的结构的结构 S7 300 采用紧凑的 无槽位限制的模块结构 电源模块 CPU 信号模块 功能模块 接口模块和通信处理器都安装在导轨上 导轨式一种专用的金属机架 只需将模块钩在 DIN 标准的安装导轨上 然后用螺栓锁紧就可以了 有多种不同长度规格的导轨供用户选 择 电源模块总是按装在机架的最左边 CPU 模块紧靠电源模块 如果有接口模块 它放 在 CPU 模块的右侧 S7 300 用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来 背板总线集成在模块上 模块通过 U 形线连接器相连 每个模块都有一个总线连接器 后者插在各模块的背后 见图 3 2 安装时先将总线连接器插在 CPU 模块上 并固定在导轨上 然后依次装入各 个模块 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 9 页 图 3 2 S7 300 的安装 S7 300 的电源模块通过电源连接器或导线与 CPU 模块相连 为 CPU 模块提供 DC24V 电 源 更换模块时只需松开安装螺钉 拔下已经接线的前连接器 前连接器上的编码块用 于防止将已接线的连接器插到其他模块上 信号模块和通信处理器模块可以不受限制地插到任何一个槽上 系统可以自动分配 模块的地址 每个机架最多只能安装 8 个信号模块 功能模块或通信处理器模块 如果 系统任务需要的这些模块超过 8 块 则可以增加扩展机架 有的低端 CPU 没有扩展功能 除了带 CPU 的中央机架 最多可以增加 3 个扩展机架 每个机架可以插 8 个模块 4 个最多可以安装 32 个模块 机架的最左边是 1 号槽 最右边是 11 号槽 电源模块总是在 1 号槽的位置 中央机 架 0 号机架 的 2 号槽上是 CPU 模块 3 号槽 Shiite 接口模块 这 3 个槽号被固定占 用 信号模块 功能模块和通信处理器使用 4 到 11 号槽 如果有扩展机架 接口模块占用 3 号槽位 负责与其他扩展机架自动的进行数据通 信 如果只需要扩展一个机架 可以使用价格便宜的 IM365 接口模块对 两个接口模块 用 1M 长的固定电缆连接 使用 IM360 361 接口模块可以扩展 3 个机架 中央机架使用 M360 扩展机架使用 IM361 各相邻机架之间的电缆最长为 10M 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 10 页 图 3 3 多机架的 S7 300PLC 每个机架上安装的信号模块 功能模块和通信处理器除了不能超过 8 个外 还受到 背板总线 DC5V 供电电流的限制 0 号机架的 DC5V 电源由 CPU 模块产生 其额定电流值与 CPU 的型号有关 扩展机架的背板总线的 DC5V 电源由接口模块 IM361 产生 各类模块消 耗的电流可查 S7 300 模块手册 3 1 33 1 3 I I O O模块地址的确定模块地址的确定 S7 300的开关量地址由地址标识符 地址的字节部分和位部分组成 一个字节由 0 7这8位组成 地址标识符I表示输入 Q表示输出 M表示存储器位 S7 300的信号模块的字节地址与模块所在的机架号和槽号有关 位地址与信号线接 在模块上的哪一个端子有关 数字量模块从0 号机架的4 号槽开始 每个槽位分配4B 个字节的地址 32 个I O 点 模拟量模块一个通道占一个字地址 从IB256 开始 给每一个模拟量模块分配8 个 字 3 1 43 1 4 模块诊断与过程中断模块诊断与过程中断 1 模块诊断功能 S7 300有的信号模块具有对信号进行监视 诊断 和过程中断的只能功能 通过诊 断可以确定数字量模块获取的信号是否正确 或模拟量模块的处理是否正确 数字量输入 输出模块可以诊断出以下故障 失压 熔断器熔断 看门狗故障 EPROM RAM 故障 模拟量模块可以诊断出无外部电压 共模故障 组态 参数错误 断线 上下溢出 2 过程中断 通过过程中断 可以对过程信号进行监视和响应 根据设置的参数 可以选择数字量输入模块每个通道组是否在信号的上升沿 下降 沿 或两个边沿都产生中断 信号模块可以对每个通道的一个中断进行暂存 模拟量输入模块通过上限值和下限值定义一个工作范围 模块将测量值与上 下限 值进行比较 如果超限 则执行过程中断 执行过程中断时 CPU暂停执行用户程序 或暂停执行低优先级的中断程序 来处理 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 11 页 相应的诊断中断功能块 OB40 3 2 S7 300的CPU模块 3 2 13 2 1 CPUCPU模块的元件模块的元件 S7 300有20种不同型号的CPU 分别适用于不同等级的控制要求 有的CPU模块集成 了数字量I O 有的同事集成了数字量I O和模拟量I O 1 CPU内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内 面板上有状态和故障指示LED 模式选择开关和通信接口 大多数CPU还有后备电池盒 存储器插槽可以插入多达数兆字 节的微存储器卡 用于掉电后程序和数据的保存 CPU318 2的面板如图3 4所示 图 3 4 CPU 318 2 的面板 1 状态与故障显示 LED SF 系统出错 故障显示 红色 CPU 硬件故障或软件错误时亮 BATF 电池故障 红色 电池电压低或没有电池时亮 DC SV ASV 电源指示 绿色 SV 电源正常时亮 FRCE 强制 黄色 至少有一个 I O 被强制时亮 RUN 运行方式 绿色 CPU 处于 RUN 状态时亮 重新启动时以 2 Hz 的频率闪亮 HOLD 单步 断点 状态时以 O SHz 的频率闪亮 STOP 停止方式 黄色 CPU 处于 STOP HOLD 状态或重新启动时常亮 BUSF 总线错误 红色 2 CPU 的运行模式 CPU 有四种操作模式 STOP 停机 STARTUP 启动 RUN 运行 和 HOLD 保持 在所有的模式中 都可以通过 MPI 接口和其他设备通信 1 STOP 模式 CPU 模块通电后自动进入 STOP 模式 在该模式不执行用户程序 可以接收全局数据和检查系统 2 RUN 模式 执行用户程序 刷新输入和输出 处理中断和故障信息服务 3 HOLD 模式 在启动和 RUN 模式执行程序时遇到调式用的断点 用户程序的执行 被挂起 定时器被冻结 4 STARTUP 模式 启动模式 可以用钥匙开关或编程软件启动 CPU 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 12 页 3 模式选择开关 1 RUN P 运行一编程 位置 运行时还可以读出和修改用户程序 改变运行方式 2 RUN 运行 位置 CPU 执行 读出用户程序 但是不能修改用户程序 3 STOP 停止 位置 不执行用户程序 可以读出和修改用户程序 4 MRES 清除存储器 不能保持 将钥匙开关从 STOP 状态搬到 MRE S 位置 可复 位存储器 使 CPU 回到初始状态 复位存储器操作 通电后从 STOP 位置扳到 MRE S 位置 STOP LED 熄灭 is 亮 is 再熄灭 is 后保持亮 放开开关 使它回到 STOP 位置 然后又回到 MRES STOP LED 以 2Hz 的频率至少闪动 3s 表示正在执行复位 最后 STOP LED 一直亮 某些 CPU 模块上有集成 I O PLC 使用的物理存储器 RAM ROM 快闪存储器 Flash EPROM 和 EEPROM 3 2 23 2 2 S7 300CPUS7 300CPU的分类的分类 1 紧凑型 CPU CPU 312C 313C 313C PtP 313C 2DP 314C PtP 和 314C 2DP 各 CPU 均有计数 频率测量和脉冲宽度调制功能 有的有定位功能 有的带有 I O 2 标准型 CPU CPU 312 CPU 313 314 315 315 2DP 和 316 2DP 3 户外型 CPU CPU 312 IFM 314 IFM 314 户外型和 315 2DP 在恶劣的环境下使 用 4 高端 CPU 317 2DP 和 CPU 318 2DP 5 故障安全型 CPU CPU 315F 3 3 S7 300的输入 输出模块 输入 输出模块统称为信号模块 SM 包括数字量输入模块 数字量输出模块 数字 量输入 输出模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块和模拟量输入 输出模块 1 S7 300的输入 输出模块的外部接线接在插入式的前连接器的端子上 前连接器插 在前盖后面的凹槽内 一个编码元件与之啮合 该连接器只能插入同类模块 信号模块面板上的LED用来显示各数字量输入 输出点的信号状态 模块安装在DIN 标准导轨上 通过总线连接器与相邻的模块连接 模块的默认地址由模块所在的位置决 定 也可以用STEP 7指定模块的地址 3 3 13 3 1 数字量输入模块数字量输入模块 字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器 数字量输入模块将从 现场传来的外部数字信号的电平转换为 PLC 内部的信号电平 直流输入模块的内部电路 和外部接线图见图 3 5 交流输入模块的内部电路和外部接线图见图 3 6 图 3 5 数字量输入模块 图 3 6 数字量输入模块 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 13 页 3 3 23 3 2 数字量输出模块数字量输出模块 数字量输出模块将 S7 300 的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平 同 时有隔离和功率放大的作用 继电器输出电路见图 3 7 固态继电器输出电路见图 3 8 晶体管或场效应晶体管输出电路见图 3 9 其只能驱动直流负载 图 3 7 数字量输出模块 图 3 8 数字量输出模块 图 3 9 数字量输出模块 3 3 33 3 3 数字量输入数字量输入 输出模块输出模块 SM323 是 S7 300 的数字量输入 输出模块 它有两种型号可以供选择 一种是 8 点输 入和 8 点输出的模块 输入点和输出点均只有一个公共端 另外一种有 16 点输入和 16 点输出 输入 输出的额定电压均为 DC24V 输入电流为 7MA 最大输出电流为 0 5A 每 组总输出电流为 4A 输入电路和输出电路通过光耦合器与背板总线相连 输出电路为晶 体管型 有电子保护功能 3 3 4 模拟量输入模块 S7 300 的模拟量 I O 模块包括模拟量输入模块 SM331 模拟量输出模块 SM332 和模 拟量输入 输出模块 SM334 SM335 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 14 页 3 10 模拟量输入模块 由图 3 10 可知 模拟量输入模块由多路开关 A D 转换器 光隔离元件 内部电源 和逻辑电路组成 3 3 53 3 5 模拟量输出模块模拟量输出模块 S7 300 的模拟量输出模块 SM332 用于将 CPU 送给它的数字信号转换为成比例的电流 信号或电压信号 对执行机构进行调节或控制 见图 3 11 图 3 11 模拟量输出模块 3 3 63 3 6 模拟量输入模拟量输入 输出模块输出模块 1 EX 系列数字量模拟量输入 输出模块 EX 模块在化工等行业使用 将外部的本质 安全设备 用于有爆炸危险区域的传感器 和执行器 与 PLC 非本质 安全内部回路隔离 2 F 系列数字量模拟量输入 输出模块 这些模块具有故障安全运行的集成安全功能 在 ET 200M 分布式 I O 或 S7 300F 中 使用 用于连接有爆炸危险区域的设备 3 4 S7 300的其他模块 1 计数器模块 模块的计数器均为 0 32 位或 31 位加减计数器 可以判断脉冲的方向 模块给编 码器供电 达到比较值时发出中断 可以 2 倍频和 4 倍频计数 有集成的 DI DO FM 350 1 是单通道计数器模块 可以检测最高达 500kHz 的脉冲 有连续计数 单向计数 循环计数 3 种工作模式 FM 350 2 和 CM 35 都是 8 通道智能型计数器模块 2 位置控制与位置检测模块 FM 351 双通道定位模块用于控制变级调速电动机或变频器 FM353 是步进电机定位 模块 FM 354 伺服电机定位模块 FM 357 可以用于最多 4 个插补轴的协同定位 FM 352 高速电子凸轮控制器 它有 32 个凸轮轨迹 13 个集成的 DO 采用增量式编码器或绝对 式编码器 SM 338 超声波传感器检测位置 无磨损 保护等级高 精度稳定不变 3 闭环控制模块 FM 355 闭环控制模块有 4 个闭环控制通道 有自优化温度控制算法和 PID 算法 4 称重模块 SIWAREX U 称重模块是紧凑型电子称 测定料仓和贮斗的料位 对吊车载荷进行监控 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 15 页 对传送带载荷进行测量或对工业提升机 轧机超载进行安全防护等 SIWAREX M 称重模块 是有校验能力的电子称重和配料单元 可以组成多料称系统 安装在易爆区域 5 电源模块 PS 307 电源模块将 120 230 伏交流电压转换为 24V 直流电压 为 S7 300 400 传感 器和执行器供电 输出电流有 2A 5A 或 10A 3 种 电源模块安装在 DIN 导轨上的插槽 1 4 基于S7 300的电梯控制 4 1 S7 300控制的电梯的总体介绍 4 1 14 1 1 电梯控制的总体要求电梯控制的总体要求 1 开始时 电梯处于任意一层 2 当有外呼梯信号到来时 电梯响应该呼梯信号 到达该楼层时 电梯停止运行 电梯门打开 延时 3S 后自动关门 3 当有内呼梯信号到来时 电梯响应该呼梯信号 到达该楼层时 电梯停止运行 电梯门打开 延时 3S 后自动关门 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 16 页 4 在电梯运行过程中 电梯上升 或下降 途中 任何反方向下降 或上升 的 外呼梯信号均不响应 但如果反向外呼梯信号前方向无其它内 外呼梯信号时 则电梯 响应该外号 但不响应二层向下外呼梯信号 同时 如果电梯到达三层 如果四层没有 任何呼梯信号 则电梯可以响应三层向下外呼梯信号 5 电梯应具有最远反向外梯响应功能 例如 电梯在一楼 而同时有二层向下外 呼梯 三层向下外呼梯 四层向下外呼梯 则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号 6 电梯未平层或运行时 开门按钮和关门按钮均不起作用 平层且电梯停止运行 后 按开门按钮电梯门打开 按关门电梯门关闭 4 1 24 1 2 I I O O点数的分配点数的分配 电梯逻辑控制的核心是 PLC 哪些信号需要输入到 PLC PLC 需要驱动哪些负载 以及采取何种编程方式 都需要认真考虑 都会影响内部 I O 点数的分配 因此 I O 点数 的分配使设计整个 PLC 电梯控制系统首要解决的问题 输入输出分配如表 4 1 4 1 34 1 3 程序流程图程序流程图 按照控制要求先画出程序流程图 见图 4 2 电梯完成一个呼叫任务响应的步骤如下 1 电梯检测到轿厢或轿厢外的呼叫信号后将此楼层与轿厢所在楼层信号进 行比较 选择运行方向 2 电梯开始启动 通过直流电机拖动轿厢运动 直至目标层 3 平层后 经过延时开门 直至开门到限位 再经过一定延时后关门 4 继续响应其他呼叫 4 2 总体设计 本文选用四层电梯模型为被控对象 此模型根据升降式电梯结构 采用透明有机材 料制成 具有实际电梯的仿真结构 选用此模型能够很好的模拟实际电梯运行 较适宜 实验操作 控制器 CPU 选用西门子 CPU312 另加电源模块 PS307 5A DI 模块 SM321 32 24 DO 模块 SM322 32 24 0 5A 其总体框图见图 4 2 电梯模型层数为 4 层 面板上提供电梯控制的各种功能的检测信号 执行机构和显 示器件 检测信号分为外呼信号 内选信号 平层信号 位置检测信号 轿厢门开闭位 置信号等 电梯轿厢可上下运行 轿厢门具有开关和限位等保护功能 每个楼层显示当 前轿厢所处的楼层位置 运行方向 当有检测信号输入时 PLC CPU 根据程序进行处理 并将处理结果经过 SM322 最终送到电梯中驱动执行机构进行相应动作 表 4 1 1 I O 点数的分配 序 号 名 称输入点序号名 称输出点 0I0 00Q0 0 1I0 11Q0 1 2I0 22Q0 2 3I0 33Q0 3 4I0 44Q0 4 中国矿业大学 2010 届本科毕业设计第 17 页 5I0 55Q0 5 6I0 66Q0 6 7I0 77Q0 7 8I1 08Q1 0 9I1 19Q1 1 10I1 210Q1 2 11I1 311Q1 3 12I1 412Q1 4 13I1 513Q1 5 14I2 014Q1 6 15I2 115 Q1 7 16I2 2 17I2 3 18I2 4 19I2 5 4 2 14 2 1 电梯模型的简介电梯模型的简介 电梯模型见图 4 3 电梯模型共有四层 采用透明有机材料制成 其结构与实际电梯几乎相同 它是降 式电梯结构 模型由底座 上下行轿厢 行程限位机构 呼叫指示灯 轿厢门 控制面 板 控制电机 传感器 传动机构等部件 采用 PLC 进行控制 是进行实训的理想模型 电梯的上 下行由一台直流电动机拖动 电动机正转为电梯上升 反转为下降 电梯门 由另一台直流电机驱动 模型提供电梯控制的各种功能的检测信号 执行机构和显示器 件 检测信号分为外呼信号 内选信号 平层信号 位置检测信号 轿厢门开闭位置信 号等 轿厢的升降和厢门的开和关可以独立控制 电梯轿厢可上下运行 轿厢门具有开 关和限位等保护功能 每个楼层显示当前轿厢所处的楼层位置 运行方向和外呼内呼按 钮信号 4 3 电梯控制