PLC课程设计任务书及成绩评定

专业 自动化 设计题目 两层货运电梯控制系统

学生姓名 袁硕 学 号 2015174084 指导教师 杨慧刚 指导教师职称 助教

两层货运电梯控制系统

专业学生 袁硕

指导教师 杨慧刚

摘 要：本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的机构和工作原理的基础上，针对两层电梯，采用西门子S7-200（CPU224）可编程控制器，提出了电梯的PLC控制系统的总体方案、设计过程、组成，包括电梯的选层和定向模块、电梯运行方向和停靠的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。通过对PLC编写相应的梯形图程序，达到电梯的不同情况的运行的控制。其结构简单，使用方便，便于理解和掌握。

关键词：PLC；电梯；逻辑控制

Two layers of the elevator PLC control design

Student majoring in automation Yuan Shuo

Tutor Yang hui Gang

Abstract：This article on the structure of the elevator and the institutions and working principle of programmable controller, on the basis of in view of the two layers of elevator, the Siemens S7-200 CPU224) programmable controller, the overall scheme of the elevator PLC control system was put forward, the design process, composition, including the selected layer and orientation of the lift module, the control of elevator running direction and parked stop, automatic operation and automatic doors, and other functions. Write the corresponding based on PLC ladder diagram program, to the different situation of elevator running control. Its structure is simple, easy to use, easy to understand and grasp.

Key words: PLC; The elevator; Logic control

1绪论

随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已于人们的日常生活密不可分。在许多交通设备中，电梯时自动化程度最高的先进设备的一种。

以前的电梯主要是采用单片机控制，其性能等各方面都不太完善，现在电梯控制系统多采用PLC，从电梯的性能、器件的灵活性及安全保障等方面都有了很大的提高。实际上电梯是根据外部呼叫通信以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集，运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则有变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。有PLC控制代替传统继电器控制已成为发展定局。PLC是集计算机控制、自动控制技术、通信技术为一体的新型自动控制装置。它的编程软件采用易学易懂的梯形图语言，控制灵活方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠，通过对电梯控制系统的研究和设计，可以更加深刻的了解和认识PLC技术的核心和未来发展的方向。

PLC（Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器是以微处理器为核心，结合计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业控制装置。目前可编程控制器成为工业领域中最重要应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。

1.1 概述

本文提出了一种基于西门子S7-200系列PLC的两层电梯控制系统方案。本方案以西门子PLC S7-200（CPU226）作为主控核心，与辅助电路相结合，组成两层电梯系统。设计包括两个方面，一是系统的硬件设计，包括PLC，曳引电机和门电路；二是系统的软件设计，实现程序对系统的实现。电梯由安装在每个楼层的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操纵，其操纵内容为电梯运行方向，SQ4，SQ5为到位行程开关。使电梯完成上行、下行功能，并有故障提示。

1.2 设计题目应用背景和意义

课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。

1.3 课程设计目的

课程设计的主要目的是通过某一生产设备的PLC控制装置的设计实践，了解一般PLC控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。PLC设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意独立工作能力与创造力等方面能力的培养与提高。

1.4 电梯的工作原理

两头分别连着轿厢和对重，环绕在曳引轮和导向轮上靠曳引绳与通过减速器变速后带动曳引轮转动曳引轮摩擦产生的牵引力是实现轿厢起落运动和达到运输目的主要动力，导靴固定在轿厢上，可以沿着安装在墙体上的固定导轨做重复起落运动，预防轿厢在运动中偏斜或摆动，常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止运动，并在指定层站上保持其静止状态，让人员和货物出入，运载乘客或其他载荷的箱体的部件是轿厢，用来补充曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机安全运行，轿厢得以安全停靠的装置也很重要，电气系统控制电梯选层、平层、测速和照明工作，并随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置，安全装置保证电梯运行安全。

1.5 系统组成总体结构

通过利用PLC控制两层电梯的设计方案总体框图如图1所示

图1 设计方案总体框图

各部分功能：

（1）以PLC为主控制器，接收电梯的楼层呼叫信号与霍尔元件产生的楼层感应信号（即行程开关），经程序判断使曳引电机和门电机启动，并通过楼层指示灯和上下行指示灯显示电梯的行程，如有故障则故障灯亮。

（2）楼层位置感应，用霍尔元件实现，用霍尔元件输出的开关量表示感应到的电梯当前位置，用三个开关量SQ4，SQ5表示。当SQ4接通时，表示电梯当前位置为一楼；当SQ5接通时，表示电梯当前位置为二楼。SQ4，SQ5即行程开关。

（3）电梯指令按钮按下，表示要到达的楼层。

（4）门电机通过正转反转控制电梯的开门关门。

（5）曳引电机控制电梯的上升与下降。

（6）楼层指示灯显示楼层的位置，上下行指示灯显示轿厢的运行方向，故障报警灯是当断电时产生故障显示的装置。

2 硬件设计

2.1 PLC的选定与基本结构

完成所设定的控制任务所需要的PLC规模主要取决于控制系统对输入输出点的需求量和控制过程的难易程度。

2.1.1 CPU的构成及功能

与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊的工作。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理信息量越大，运算速度越快。随着芯片技术的不断发展，PLC所用的CPU芯片也越来越高档。CPU在PLC中主要的任务有五个：控制用户程序和数据的接收与存储；通过I/O接口接收现场信号状态或数据，存在输入映像寄存器或数据存储器里面；诊断内部故障和语法错误；传送数据、逻辑或算术运算等；更新结果，经输出部件输出控制[1]。

2.1.2 储存器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在RAM内，用户不能直接更改。用户存储器包括用户程序存储器和功能存储器两部分[3]。

2.1.3 I/O点的统计与CPU选型

输入、输出 接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来采集和接受两种类型的输入信号：一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关数字拨码开关等的开关量输入信号[2]；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器传来得各种模拟信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀、调速装置等。

系统的输入点有：楼层感应2个，开关门感应3个，指令按钮4个，共计输入9个。输出点有：电梯上行下行指示灯2个，开关门运行指示灯2个，共计输出4个。总计I/O点数为9/4。

综上所述，根据具体情况，选择西门子S7-200系列PLC，因为CPU224的输入/输出点数为14/10，所以所选CPU型号为224。

2.1.4 PLC的选取

内存估计：用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平[5]。

程序编写质量：用户编写的程序优劣对程序长短和运行时间都有较大影响。对于同样系统不同用户编写程序可能会使程序长度和执行时间差距很大。一般来说对初编者应为内存多留一些余量，而有经验的编程者可少留一些余量。

响应时间：对过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号[4]。

2.1.5 PLC基本结构

可编程控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般控制系统相似，可编程控制器主要有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[6]。

PLC的基本结构如图2所示

2.2 PLC输入/输出接口分配

设计的要求，输入信号有：楼层感应2个，开关门感应3个，指令按钮4个，共计输入9个。输出点有：电梯上行下行指示灯2个，开关门运行指示灯2个，共计输出4个。总计I/O点数为9/4。

表1 控制信号

表2 输入输出分配表

2.3 电机控制部分电路

2.3.1 曳引电机

电梯的种类多种多样，按拖动系统来分有交流单速/交流双速拖动电梯、交流调压调速电梯等等。在此次设计中，将采用交流单速电机作为曳引电机，它的优点是简单，经济，舒适感好。

曳引电机主电路的控制过程：曳引电机正转时，KM1闭合，电梯向上运动；曳引电机反转时，KM2闭合，电梯向下运动。

2.3.2 门电机

门电机主电路的控制过程：当KM3触点闭合，电机正转，轿厢门打开；当KM4闭合，电机反转，轿厢门关闭。

图3 主电路

3软件设计

软件系统的整体思路为：对电梯的运行状态控制进行分类：上行，下行，停车以及各个指示灯的控制。文中采用模块化控制，将启动/停止，上行，下 行，停车，指示灯，定时器以及临时变量的存储，分别做成对应的梯形图网络，这样做的优点是：结构清晰，可维护性强，调试简单易行。

3.1 程序过程分析

打开电锁，运行过程分析分为以下5种情况：

（1）1楼电梯外呼叫（SB1）

按下SB1，中间继电器KA1自锁，此时，电梯如果在1楼，SQ4被触碰，开门-延时-关门；电梯如果在2楼，KM2得电自锁，直到SQ4被触碰KM2断电，开门-延时-关门。当进入电梯内时，电梯自动上行，如果此时按SB3，电梯不会上行，而是等到电梯开关门好后才会运行。

（2）2楼电梯外呼叫（SB2）

按下SB2，中间继电器KA2自锁，此时，电梯如果在2楼，SQ5被触碰，开门-延时-关门；电梯如果在1楼，KM1得电自锁，直到SQ5被触碰KM1断电，开门-延时-关门。当进入电梯内时，电梯自动下行，如果此时按SB3，电梯不会下行，而是等到电梯开关门好后才会运行。

（3）电梯内呼叫开门（SB3）

按下SB3后，开门-延时-关门。

（4）电梯内呼叫关门（SB4）

按下SB4后，电梯关门运行。

（5）开门-延时-关门

KM3得电自锁直到SQ2或极限SQ3被触碰时断开，SQ2或极限SQ3被触碰时时间继电器得电，延时闭合使KM4得电自锁直到SQ1被触碰时断开。

3.2 调试方法

首先是电梯的升降调试和开关门调试。这主要是对程序中的升降问题设计和开关门设计的检验。假设电梯在初始时是在一楼。现在我们按下二楼的内呼按钮看电梯能否正常上升并且到达二楼后自动停止。然后是开门驱动线圈的得电开门。当门触及限位开关时停止开门并延时四秒后关门线圈得电开始关门。当门完全管好时触及限位开关延时三秒等待命令。在这一过程中我们还可以检验在这时有请求是电梯会不会相应而不顾及门是否关好。

3.3 程序流程图

两层电梯的顺序功能流程图如下：

SM0.1

I0.0 I0.1

I0.7 I1.0 I0.7

I1.0

I0.7 I1.0

I0.5/I0.6 I0.5/I0.6

T37 T39

I0.4 I0.4

I0.2 I0.2

4课程设计总结

经过几天的努力，完成了PLC的两层电梯设计。过程虽是辛苦的，但从中我却学到了很多东西。这次课程设计使我意识到理论与实际相结合的重要，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握的不够牢固。通过本次课程设计巩固了课上学习的理论知识，对于PLC编程的系统化整体化有了更深的认识。整个设计过程最大的收获就是意识到理论知识扎实的重要性，实践是建立在理论之上的，只有平时掌握知识扎实，才能在实践时熟练运用，课程设计把平时所学的知识灵活运用结合起来，锻炼我们的思维和动手能力。

参考文献

[1] 陈建明.电气控制与PLC[M].3版.北京：机械工业出版社，2008: 70-85.

[2] 许谬、王淑英.电气控制与PLC[M].北京：机械工业出版社，2006：65-70.

[3] 廖常初.PLC编程及应用[M].3版.北京: 机械工业出版社，2008: 56-62.

[4] 叶俊杰.电梯PLC控制系统的设计与实现[J]. 电子技术与软件工程，2017,（03）：143-144.

[5] 黄丽晶.基于PLC的电梯控制系统设计分析[J]. 电气技术，2016,（11）：125-132.

[6] 魏国军.基于PLC的电梯控制系统设计与仿真[J]. 科技资讯，2016,（08）：58-60.

附录

主程序梯形图：

致谢

非常感谢杨慧刚老师在课程设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到课程设计论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我的课程设计，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。

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