基于PLC的三层电梯控制系统设计

1、郑州工业应用技术学院课程设计说明书题目：基于PLC的三层电梯控制系统设计姓 名： 许颖福 院 （系）： 机电工程学院 专业班级： 13级电气工程及其自动化一班 学 号： 1302120118 指导教师： 陈高丽、王爽 成 绩： 时间： 2016 年 6 月 13 日至 2016 年 6 月 24 日郑州工业应用技术学院课程设计任务书题目 基于PLC的三层电梯控制系统设计 专业、班级13级电气工程及其自动化一班学号1302120118姓名 许颖福主要内容：利用西门子系列PLC系统，进行三层电梯系统的设计，编写PLC的梯形图程序。在西门子系列PLC综合实验面板上，进行实验电路的熟悉和连接，用PLC

2、构成三层电梯的系统。基本要求：本设计启动后系统能够实现按下三个楼层的召唤按钮和目的楼层按钮时，点亮对应的指示灯并保持，直到电梯到达对应的楼层相应的指示灯才能熄灭。能够反映出电梯的运行状况,电梯向上运行时上行指示灯UP点亮，电梯向下运行时DOWN点亮。电梯能够根据楼层接近开关模拟出达到相应楼层使对应楼层指示灯点亮。参考资料1台方.可编程控制器应用教程M北京：中国水利水电出版社,2001.9.2余国亮.PLC技术与应用M清华大学出版社,2005.6.3陈建明.电气控制与PLC应用M电子工业出版社,2006.8.完 成 期 限： 指导教师签名： 课程负责人签名： 2016年 6 月 10日目录1.绪

3、论11.1研究背景11.2研究意义11.3电梯发展的历史12. PLC可编程控制器22.1可编程控制器简介22.2 PLC的结构及各部分的作用22.3 PLC的结构组成32.4 PLC的工作原理42.5 PLC的编程语言43. 设计内容43.1 基本要求43.2 输入/输出信号及I/O编址63.3 PLC外部接线73.4 程序设计74. 程序调试114.1程序输入114.2外部连线114.3 PLC的通信及其下载115. 调试结果及其分析135.1调试结果135.2调试结果分析13总结17参考文献18附录19梯形图19语句表271. 绪论1.1 研究背景 随着城市进步而不断发展，城市快速的崛起

4、，高层建筑不断增多，电梯成为高层建筑中垂直运行的工具已与人们的日常生活息息相关的一部分。它是采用电力拖动，把载有物品与乘客的轿厢，在刚性导轨之间垂直的运行，运送乘客与货物的升降设备。所以，电梯是作为高层运输的服务的设施。电梯具有安全可靠性高、运送速度快，操作简易的优点。而传统的电梯控制方式主要采用继电器的接触器进行控制，其缺点有触点多，故障高、可靠差、维修工作大等，但是采用 PLC控制电梯可以很好地解决哪些问题，使电梯运转更加安全、方便、舒适。 眼下电梯的控制方式一般采用这两种方式，一是运用微机当作信号控制系统单元，完成电梯的信号的采集工作、运转状态和性能的设定，完成它的自动调度和选择运行功能

5、，电梯拖动控制是由变频器去完成；第二种方式则是用可编程控制器代替微机来实现控制。从控制方式与性能上比较，这两种方式并没有过大的区别。PLC可靠性强，设计程序也比较方便简单。 1.2 研究意义通过可编程控制器可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且最主要的是可编程控制器的可编程功能使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可，而不需要想继电器控制系统那样改变硬件和接线。因而利用PLC进行控制大大提高了电梯系统的安全性和可靠性同时也降低了成本。由可编控制器（PLC）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有

6、很大的灵活性，可以完成更加复杂的控制任务，已成为电梯控制的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。1.3 电梯发展的历史 根据外国相关资料表示，在公元前 2800年，古代的埃及，当时为了造那时的金字塔，使用过是由人力来驱动升降装置的机械。公元1765年，瓦特发明了出来蒸气机后，1858年美国的研究以蒸气作动力，并且通过履带传动和一些减速的配置来驱动电梯，1878年阿姆斯特，创造了水压梯，后来水压梯的进一步发展逐渐取代蒸气梯，接下来又出现了由液压泵以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯，这种至今仍被人们采用。因为18世纪后期发明了电机，尤其是交流双速电动机的发明，明显改善了电梯的一些

7、不足。在20世纪前期，美国OTIS电梯公司第一个用直流电动机当为动力，创造以槽轮式驱动的电梯。在此之后，电梯这种产品，随着时间发展一直在跟新换代。现在的电梯，不仅规格多，自动化水平高，并且安全性能高，乘坐舒适性也高。2. PLC可编程控制器2.1 可编程控制器简介可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程控制器PLC，为了用来代替继电器，来执行判断、计数、等顺序功能控制。PLC的基本设计思想是反映计算机功能灵活、完善、通用等优点和继电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格便宜等优点统一的结合起来，控制器的那些硬件是通用的、标准的。依据实际对象，将控制内容写成软件输入到控制器的程序存储器

8、中。被控对象与控制器连接方便。随着技术的发展，特别是微型计算机和微处理器的发展，到70年代以后，PLC已普遍地使用微处理器当作中央处理器。的输入输出模块和外接电路全部都运用了大、中规模乃至于超大规模的集成电路，现在的PLC已经不再是只具有判断功能，它还同时有PID调节、数据处理、和数据通信等功能。可编程控制它是一种用数字运算来操作的电子系统，专门为在工业条件下应用而去设计，它克服了继电器接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实

9、施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。2.2 PLC的结构及各部分的作用可以编程控制器的结构各式各样，但是它们所组成的原理一般基本相同，全部是用微处理器作为核心结构。一般是由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM、 RAM）、输入输出单元（I/O）、编程器和电源等几个部分所组成。PLC的结构如图2.2-1所示。图2.2-1 PLC的结构图2.3 PLC的结构组

10、成（1）中央处理单元（CPU）CPU作为整个PLC的核心，充当总指挥作用。CPU由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。（2）存储器（ROM、RAM）存储器一般用于存放系统的程序、用户的程序及工作的数据。存放系统软件的存储器叫做系统程序存储器；存放应用软件的存储器叫做用户程序存储器；存放工作数据的存储器叫做数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户

11、程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。（3） 输入输出单元（I/O单元）I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器（4）电源电源是指为CPU、I/O存储器接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也是

12、输入设备提供直流电源。（5）编程器 编程器是PLC的最主要外围设备。用编辑器把用户程序写入PLC的存储器，还可以有用编辑器检查程序，修改程序，监视PLC运行状态。除此，在个人计算机上添加相应的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。2.4 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，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，直到遇到结束符后又返回到第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于暂停状态

13、时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。2.5 PLC的编程语言PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。PLC的编程语言包括五种：梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能模块图（FBD）、顺序动能图（SFC）及结构化文本（ST）。3. 设计内容3.1 基本要求本设计所用控制面板如图3.1-1所示。 电梯在一层时（上行）电梯外呼叫：按U2按钮此时UP2灯亮表示二层呼叫上行;按U3按钮此时UP3灯亮表示三层呼叫上行。电梯内呼叫：按K2按钮此时SL2灯亮表示电梯

14、到二层时会停车开门；按下K3按钮此时SL3灯亮表示电梯到三层时会停车开门。 电梯在二层时（上行）电梯外呼叫：按U3按钮此时UP3灯亮表示三层呼叫上行；电梯内呼叫：按下K3按钮此时SL3灯亮表示电梯到三层时会停车开门。 电梯在二层时（下行）电梯外呼叫：按U1按钮此时UP1灯亮表示一层呼叫上行；电梯内呼叫：按K1按钮此时SL1灯亮表示电梯到一层时会停车； 电梯在三层时（下行）电梯外呼叫：按D2按钮此时DN2灯亮表示二层呼叫下行；按U1按钮此时UP1灯亮表示一层呼叫上行；电梯内呼叫：按下K2按钮此时SL2灯亮表示电梯到二层时会停车开门；按下K1按钮此时SL1灯亮表示电梯到一层时会停车开门；图3.1-

15、1 控制面板图 电梯在一层时，此时需拨动开关SQ1表示电梯停在一层，此时L1灯亮；电梯在二层时，此时需拨动开关SQ2表示电梯停在二层，此时L2灯亮；电梯在三层时，此时需拨动开关SQ3表示电梯停在三层，此时L3灯亮。3.2 输入/输出信号及I/O编址根据设计要求可知，该系统输入信号有10个：三个楼层的接近开关SQ1、SQ2、SQ3，三个电梯内部楼层选择按钮K1、K2、K3，四个外部上下召唤按钮D3、U2、D2、U1。系统共有12个输信号：上行指示灯下UP，下行指示灯DOWN，楼层显示指示灯L1、L2、L3，目标楼层显示灯SL1、SL2、SL3，四个外部召唤指示灯DN3、UP2、DN2、UP1。其

16、I/O地址分配表如表3.2-1所示。表3.2-1 I/O地址分配表输入输出名称符号地址编号名称符号地址编号一楼接近开关SQ1I0.0上行方向指示灯UPQ0.0二楼接近开关SQ2I0.1下行方向指示灯DOWNQ0.1三楼接近开关SQ3I0.2一楼指示灯L1Q0.2一楼内指令按钮K1I0.3二楼指示灯L2Q0.3二楼内指令按钮K2I0.4三楼指示灯L3Q0.4三楼内指令按钮K3I0.5目标楼层1灯SL1Q0.5三楼向下召唤按钮D3I0.6目标楼层2灯SL2Q0.6二楼向上召唤按钮U2I0.7目标楼层3灯SL3Q0.7二楼向下召唤按钮D2I1.0三楼向下召唤灯DN3Q1.0一楼向上召唤按钮U1I1.

17、1二楼向上召唤灯UP2Q1.1二楼向下召唤灯DN2Q1.2一楼向上召唤灯UP1Q1.33.3 PLC外部接线本设计使用控制器的是SIMATIC S7-200 SMART CPUST40的小型PLC，电梯模块是三层电梯模块。由于本设计使用的输入输出较多因此在连接外部接线时一定要有顺序的进行以免连错线。三层电梯系统外部接线图如图3.3-1所示。图3.3-1 三层电梯系统外部接线图3.4 程序设计本设计核心思想是使用中间继电器作为状态存储器，把个输入输出以及运行状态记录下来。由于本程序所用到的中间继电器较多，为方便理解现写出本程序使用的中间继电器定义对照表如表3.4-1所示。表3.4-1 中间继电器

18、对照表中间继电器含义备注M0.0电梯运行标志位为1时电梯内部有人M0.1电梯上行标志位为1时电梯正在上行M0.2电梯下行标志位为1时电梯正在下行M0.3目标楼层（1）标志位电梯内部呼叫1楼M0.4目标楼层（2）标志位电梯内部呼叫2楼M0.5目标楼层（3）标志位电梯内部呼叫3楼M0.63楼外部呼叫下行为1时有人呼叫M0.72楼外部呼叫上行为1时有人呼叫M1.02楼外部呼叫下行为1时有人呼叫M1.11楼外部呼叫上行为1时有人呼叫M1.2电梯在1楼时的标志位为1时电梯正在1楼M1.3电梯在2楼时的标志位为1时电梯正在2楼M1.4电梯在3楼时的标志位为1时电梯正在3楼输入状态记录及状态输出图如图3.3

19、-2所示。图3.3-2 输入状态记录及状态输出图本程序用到了M0.0建立电梯运行的标志位如图3.3-3所示。图3.3-3 电梯运行标志位的建立本程序的一大难点就是上行和下行标志位的判断，鉴于情况不是太复杂使用了分情况判断减少的复杂度。根据内部判断上下行如图3.3-4所示，根据外部召唤判断上行下行如图3.3-5所示。图3.3-4 根据内部判断上下行图3.3-5 根据外部判断上下行然而程序的最大难点就是电梯在哪个楼层的问题，以及如何上下楼层的问题，所以在这个地方使用相邻楼层的跟换，就是电梯在二楼时如何判断去一楼还是去三楼的，其中用到了上行下行标志位, 二楼时的楼层切换如图3.3-6所示。图3.3-

20、6 二楼时的楼层切换本设计还实现了电梯长时间不运行回到1楼待命。这一功能是根据判断上行和下性标志位是否在30s内都为0来实现的，如果电梯长时间不动作就把目标楼层（一楼）标志位M0.3置位，电梯长时间不运行回到1楼如图3.3-7所示。图3.3-7 电梯长时间不运行回到1楼4. 程序调试4.1 程序输入由于本程序的网络较多，故输入程序时要较细心耐心的完成，在程序输入完成时一定要在次细致的检查。最终程序梯形图及语句表如附录所示。4.2 外部连线由于使用的I/O较多所以连线较复杂，所以应有序的连线，先接PLC电源线、模块电源线、I/O的电源线，再其次是输入接口的连线，然后就是输出口的接线，最后还是要细

21、致的检查一遍。PLC接线图如图4.2-1所示，模块接线图如图4.2-2所示。4.3 PLC的通信及其下载用网线把PLC和电脑主机连接在一起，在软件上打开通信功能，找到添加CPU再把程序下载到PLC中。图4.2-1 PLC接线图图4.2-2 模块接线图5. 调试结果及其分析5.1 调试结果本设计通过三层电梯模块系统模拟调试，调试结果良好可以实现电梯的正确功能，例如电梯在一楼人在二楼时，按下二楼的向下召唤按钮可以使二楼向下指示灯点亮，同时电梯上行指示灯点亮，表示电梯正在向上运行，然后拨动开关SQ2这时二楼指示灯L2亮，最后上行指示灯和二楼向下召唤指示灯熄灭，人成功的登上电梯。5.2调试结果分析如图5.2-1所示，三楼电梯指示灯L3亮，说明电梯在三楼，按下二楼向上向下召唤按钮和一楼向上召唤按钮同时还有电梯内部K1、K2、K3按钮，对应指示灯UP2、DN2、UP1、SL1、SL2点亮。这时电梯下行指示灯DOWN亮，电梯长在向下运行。拨动SQ2后L3熄灭L2点亮，电梯到达二楼，此时指示灯SL2和DN2熄灭，然后电梯继续向下运行，此状态如图5.2-2所示。拨动开关SQ1后L2熄灭L1点亮，电梯到达一楼，此时指示灯SL1和UP1熄灭。由于还有二楼向上召唤，故电梯还应向上运行，所以电梯下行指示灯DOWN熄灭上行指示灯UP点亮。拨动开