电气及自动化课程设计报告
题 目： 基于PLC的六层电梯系统设计
课 程： PLC原理与应用
学生姓名： 学生学号： 年 级： 14级 专 业： 自动化 班 级： 2班 指导教师：
机械与电气工程学院制
2017年6月
目 录
1课程设计的任务及要求 ............................................................................................ 1
1.1课程设计的任务 ............................................................................................. 1 1.2课程设计的要求 ............................................................................................. 1 2设计的内容及主要功能 ............................................................................................ 1
2.1设计内容 ......................................................................................................... 1 2.2主要功能 ......................................................................................................... 1 3 PLC概述 .................................................................................................................... 2
3.1 PLC的定义 ..................................................................................................... 2 3.2 PLC的基本结构 ............................................................................................. 2 3.3 PLC工作原理 ................................................................................................. 4 3.4 PLC编程语言 ................................................................................................. 4 4 电梯简介 ................................................................................................................... 5
4.1 电梯结构 ........................................................................................................ 5 4.2 电梯控制要求 ................................................................................................ 7 5 系统硬件选取 ........................................................................................................... 8
5.1 PLC的选取 ..................................................................................................... 8 5.2 系统I/O分配表 ............................................................................................. 9 6 系统软件设计及仿真 ............................................................................................. 11
6.1 初始化 .......................................................................................................... 11 6.2 内外呼信号的记忆与消除 .......................................................................... 11 6.3 平层信号 ...................................................................................................... 12 6.4 电梯上下行信号 .......................................................................................... 13 6.5 自动及手动开关门信号 .............................................................................. 14 6.6 加减速信号 .................................................................................................. 15 6.7 程序仿真 ...................................................................................................... 17 7设计总结 .................................................................................................................. 20 参考文献 ..................................................................................................................... 21
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基于PLC的六层电梯系统设计
机械与电气工程学院 自动化专业
1课程设计的任务及要求 1.1课程设计的任务
使用西门子S7-200PLC编写程序实现六层电梯系统的设计并使用仿真软件进行其功能的实现。 1.2课程设计的要求
（1）编程实现按下呼梯按钮时按钮指示灯亮； （2）编程实现电梯自动平层，加减速； （3）编程实现电梯到层后自动开门与自动关门； （4）运行过程中监控电梯所在楼层并显示在数码管上。 2设计的内容及主要功能 2.1设计内容
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，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。PLC可靠性高，程序设计方便灵活。本设计在用PLC控制电梯进行上下行，开关门等动作。 2.2主要功能
（1）行车途中如遇呼梯信号时，顺向截车，反向不截车； （2）内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除；
（3）内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均有信号灯指示； （4）停层时可延时3s自动开门、手动开门、(关门过程中)本层顺向呼梯开门； （5）有内选信号时延时自动关门，关门后延时自动行车；
（6）停层进人超重时进行报警不关门，行车过程超重不响应外呼信号；
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（7）集选控制，将所有呼梯信号集中进行分析比较选取最优路线行车。 3 PLC概述 3.1 PLC的定义
20世纪70年代末至80年代初期，微处理器日趋成熟，使PLC的处理速度大大提高，增加了许多功能。在软件方面，除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理、网络通信、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，而且还提供一定数量的数据寄存器。为此，美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器，正式命名为编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。但由于PC容易和个人计算机PC（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称[1]。
由该定义可知：PLC是一种由“事先存贮的程序”来确定控制功能的工控类计算机。 3.2 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图2.1所示：
图3-1 PLC硬件结构
1、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当PLC 投入运行时，首先它以扫描的
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方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC 的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统，或采用三CPU 的表决式系统。这样，即使某个CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行[2]。
2、存储器（Memory）
可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。小型PLC的CPU多采用单片机或专用的CPU。大型PLC的CPU多用位片式结构，具有高速数据处理能力。
3、基本I/O接口电路
（1）输入接口单元。PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入，一种是交流输入。
（2）输出接口单元。PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。
4、接口电路
PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两类 （1）I/O扩接口电路
I/O扩展接口电路用连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。
（2）外设通信接口电路
通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成
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PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能[3]。 3.3 PLC工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段[4]。
图3-2 PLC工作原理图
3.4 PLC编程语言
梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握[5]。
梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待[6]。
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图3-3 西门子S7-200梯形图语言
4 电梯简介 4.1 电梯结构
电梯是机、电一体化产品。用电气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、钢丝绳曳引式结构，其机械部分由曳引系统，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。电梯基本结构如图4-1所示。
（1）曳引系统
电梯曳引系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由曳引机，曳引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。曳引机为电梯的运行提供动力，由电动机，曳引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。曳引钢丝的两端分别连着轿厢和对重，依靠钢丝绳和曳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曳引力。
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曳引电动机引导轮上端站第二限位上端站第一限位65432基站轿厢上平层传感器下平层传感器轿厢轿厢关门到位轿厢门驱动电机轿厢开门到位1下端站第一限位下端站第二限位
图4-1 电梯结构
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，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
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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曳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
电力拖动系统由曳引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，的作用是对电梯进行速度控制。曳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。调速装置对曳引电机进行速度控制。
（7）安全保护系统
安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。电气方面的安全保护在电梯各个运行环节中都有体现[7]。 4.2 电梯控制要求
根据不同楼层客户需求及时响应，实现自动平层、开关门、超重提示、实现上下限位，层门联锁保护等，并根据不同的需求实现合理的响应。具体地，应具备如下功能：
（1）电梯初始化
比赛开始时，电梯模型会给出自动运行信号，示意比赛开始，控制程序需要在收到该信号后，进行必要的初始化工作，完成后使电梯位于基站（即一层）待命，并返回准备就绪信号以确认。
（2）集选控制
集选控制是指在信号控制的基础上把召唤信号集合起来进行有选择的应答。电梯在运行过程中可以应答同一方向所有层站呼梯信号和轿厢内的选层指令信号，并自动在这些信号指定的层站平层停靠。
（3）开关门控制
电梯门会根据当前电梯的状态、轿厢门的状态、呼梯信号、选层信号及光幕信号状态等，合理的进行相应的响应。当门未全关时，如有光幕信号，须优先响应，保持
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电梯门打开；当电梯平层开门后，延时关闭，此时间可修改。
（4）启停控制
根据电梯主电路，完成按时间原则的启动、停止过程。当电梯平层时，需要依时间原则依次触发三级制动减速，待平层后，切断上行、下行接触器，抱闸停车。
（5）运行控制
在运行过程中，需要始终对当前运行方向、当前楼层（采用七段数码管显示）进行实时监控与显示。 5 系统硬件选取 5.1 PLC的选取
根据电梯设计的输入输出接点要求，选取图5-1中的西门子S7-200 CPU226 PLC，同时为了扩充输入输出接口，还需要EM223扩展模块。
表5-2-1 S7-200系列选型表
规格/描述 DC/DC/DC；6点输入/4点输出 AC/DC/继电器；6点输入/4点输出 DC/DC/DC；8点输入/6点输出 AC/DC/继电器；8点输入/6点输出 DC/DC/DC；14点输入/10点输出 AC/DC/继电器；6点输入/4点输出 DC/DC/DC；24点输入/16点晶体管输出 AC/DC/继电器；24点输入/16点输出 数字量扩展模块 4点输入，24V DC 4点输出，24V DC 4点输入，24V DC 4点输出，24V 继电器 16点输入，24V DC 16点输出，24V DC 16点输入，24V DC 16点输出，24V 继电器 32点输入，24V DC 32点输出，24V DC
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CPU CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 系列号 EM223 淮南师范学院机械与电气工程学院2014级自动化专业电气及自动化课程设计报告
5.2 系统I/O分配表
六层电梯输入变量如表5-3-1所示：
表5-3-1输入接口
序号 变量名称 六层下行按钮 五层下行按钮 五层上行按钮 四层下行按钮 四层上行按钮 三层下行按钮 三层上行按钮 二层下行按钮 二层上行按钮 一层上行按钮 轿厢内按钮6 轿厢内按钮5 轿厢内按钮4 轿厢内按钮3 轿厢内按钮2 轿厢内按钮1 轿厢门开按钮 轿厢门关按钮 红外光幕信号 超重信号 检修开关 轿厢门锁信号 1层楼层门锁信号 2层楼层门锁信号 3层楼层门锁信号 4层楼层门锁信号 5层楼层门锁信号 6层楼层门锁信号 电梯门开到位信号 电梯门关到位信号 上平层信号 下平层信号 上端站第1限位 上端站第2限位 下端站第1限位 9
偏移地址 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 I… +1.0 I… +1.1 I… +1.2 I… +1.3 I… +1.4 I… +1.5 I… +1.6 I… +1.7 I… +2.0 I… +2.1 I… +2.2 I… +2.3 I… +2.4 I… +2.5 I… +2.6 I… +2.7 I… +3.0 I… +3.1 I… +3.2 I… +3.3 I… +3.4 I… +3.5 I… +3.6 I… +3.7 I… +4.0 I… +4.1 I… +4.2 I… +4.3 I… +4.4 I… +4.5 I… +4.6 I… +4.7 I… +5.0 I… +5.1 I… +5.2 淮南师范学院机械与电气工程学院2014级自动化专业电气及自动化课程设计报告
六层电梯输出变量如表5-3所示：
表5-3-2 输出接口
序号 变量名称 六层外呼指示灯（下） 五层外呼指示灯（下） 五层外呼指示灯（上） 四层外呼指示灯（下） 四层外呼指示灯（上） 三层外呼指示灯（下） 三层外呼指示灯（上） 二层外呼指示灯（下） 二层外呼指示灯（上） 一层外呼指示灯（上） 六层内呼指示灯 五层内呼指示灯 四层内呼指示灯 三层内呼指示灯 二层内呼指示灯 一层内呼指示灯 七段数码显示a 七段数码显示b 七段数码显示c 七段数码显示d 七段数码显示e 七段数码显示f 七段数码显示g 上行指示 下行指示 电机启动信号 故障指示 照明 风扇 上行接触器 下行接触器 开门继电器 关门继电器 高速运行 低速运行 一级制动接触器 二级制动接触器 10
偏移地址 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Q… +2.0 Q… +2.1 Q… +2.2 Q… +2.3 Q… +2.4 Q… +2.5 Q… +2.6 Q… +2.7 Q… +3.0 Q… +3.1 Q… +3.2 Q… +3.3 Q… +3.4 Q… +3.5 Q… +3.6 Q… +3.7 Q… +4.0 Q… +4.1 Q… +4.2 Q… +4.3 Q… +4.4 Q… +4.5 Q… +4.6 Q… +4.7 Q… +5.0 Q… +5.1 Q… +5.2 Q… +5.3 Q… +5.4 Q… +5.5 Q… +5.6 Q… +5.7 Q… +6.0 Q… +6.1 Q… +6.2 Q… +6.3 Q… +6.4 淮南师范学院机械与电气工程学院2014级自动化专业电气及自动化课程设计报告
6 系统软件设计及仿真 6.1 初始化
电梯在每次断电重新上电后都需进行初始化运行，以便于电梯在下一步平层信号的判断，具体程序如图6-1所示：
图6-1 电梯初始化
6.2 内外呼信号的记忆与消除
按下电梯的外呼按钮后，电梯指示灯亮，直至电梯停在呼叫的当层，并开门时呼叫指示灯熄灭，具备了保持记忆的功能，部分程序如图6-2所示；内呼指示灯因为电梯是内呼优先的逻辑进行上下行，所以当电梯平层后，指示灯即消失，外呼指示灯则要根据电梯的上下行与外呼的上下指示灯及电梯的运行方向来判断是否消除，内呼指示灯程序如图6-3所示：
图6-2 外呼信号的记忆与消除
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图6-3 内呼指示灯
6.3 平层信号
本电梯设计时，为了节约成本只在轿厢用了两个平层传感器，井道上设置钢板来返回平层信号，所以电梯每次断电后会进行初始化来进行层数重置，利用加减计数器来判断电梯所处位置，输出平层信号，如图6-4所示：
图6-4 平层信号
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6.4 电梯上下行信号
设计中将电梯处于各层位置时的呼梯信号进行集中，然后根据内呼优先，顺向截梯，方向信号记忆，来判断上下行，部分程序如图6-5、6-6、6-7、6-8所示：
图6-5 电梯上行信号
图6-6 电梯上行接触器
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图6-7 电梯下行信号
图6-8 电梯下行接触器
6.5 自动及手动开关门信号
电梯停车后，将延时2S自动开门，根据停车信号、平层信号及上下行接触器断电后开始计时，2S后定时器接通，开门继电器得电，同时具有手动开门功能，当电
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梯处于平层状态时，按动当前楼层的外呼按钮，电梯的上下行接触器没有接通的情况下，电梯会开门，为了保证安全，开门过程中还具备了开门时间过长未接收到开门到位信号自动关门的功能，程序如图6-9所示；在关门信号中，当开门到位后，延时4S进行自动关门，为了保证安全，接收到红外光幕信号时，电梯由关门转为开门，程序如下图所示：
图6-9 开门信号
图6-10 关门信号
6.6 加减速信号
电梯是为了人们的方便与快捷而研制出来的，同时更应该具备着舒适的功能，所以电梯需要有加减速功能，本文中，当电梯上行时上平层接触器接通代表着平层信号
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接通，所以我利用上下平层传感器接通的间隔时间进行减速控制，当电梯上行时遇到要停车楼层的下平层信号开始停车制动，直至电梯运行至上平层接触器接通，开始延时三级制动，同时启动时先低速运行，延时1S后转为高速运行，进行加速，程序如下：
图6-11 电梯减速信号
图6-12 电梯三级制动抱闸信号
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图6-13 电梯启动时以低速运行信号
6.7 程序仿真 （1） 初始化
当PLC上电时，初始化下行信号M7.0接通，下行接触器Q5.6接通，电梯开始下行直至下端第二限位I5.3接通，电梯停止下行完成初始化。
图6-14 初始化下行信号
图6-15 下行至下端第二限位
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（2）内外呼指示灯
当电梯初始化完成后，按下非当前楼层的内外呼按钮，对应的指示灯点亮并记忆，直至电梯运行至目的层并开门消除。
按下二层外呼上行按钮I2.0和二层内呼按钮I2.6时，二层外呼上行指示灯I3.0和二层内呼指示灯I3.6亮，当电梯运行至二层开门时(手动给两次上下平层信号代表上行至二层)，两灯消除。
图6-16 内外呼指示灯接通
图6-17 二层开门后指示灯消除
图6-18二楼平层
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（3）上下行指示
呼叫楼层高于轿厢所在楼层时，电梯开始上行，直至平层开始制动减速，当呼叫楼层低于轿厢所在楼层，电梯开始下行，直至平层开始制动减速，按下四层外呼上行按钮时，电梯轿厢位于下端第二限位，上行接触器接通。
图6-18 上行接触器
图6-19 下行接触器
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因为仿真软件功能有限，只仿真了部分功能。 7设计总结
经过此次课程设计，使我更加深刻了解到PLC在现在生活、工业中的使用重要广泛性。初步学会了PLC程序编辑软件的使用。首先参考老师给的实验程序就是好几个小时才看懂，然后自己根据所设计的课题情况再一步步的完善设计程序，其中也遇到罢了不少问题，深刻体会到理论与实践的差距。其实设计并不难，难的是一些细节的问题，在设计过程中，大部分都是在思考及解决一些细节问题。因为初次设计，还有好些不足的地方，所以日后还有好多需要学习训练的地方。学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中，都应该不断学习，努力提高自己的知识面以及综合素质。另外还要感谢此次课程设计中老师的耐心教导以及同学们的帮助，最后才能顺利完成此次课程设计。
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参考文献
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社.1993
[6] 齐从谦、王士兰.plc技术及应用[M].北京.机械工业出版社.2000 [7] 全国电梯标准化技术委员会.电梯标准汇编[G].中国标准出版社.2012.
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指导教师评语 成绩 指导教师签字： 年 月 日 答辩过程及评价 （60%） 成绩 （40%） 答辩小组签字： 年 月 日 院综合意见 分管院长签字（盖章）： 综合成绩 年 月 日
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