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毕业设计三层电梯PLC控制系统设计

2020-05-22 20:25
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  毕业设计三层电梯PLC控制系统设计_工作总结/汇报_总结/汇报_实用文档。摘要 随着科学技术和社会经济的发展,高层建筑已成为现代城市的标志。电梯 作为垂直运输工具,承载着大量的人流和物流的输送,在建筑物中起着至关重 要的作用。采用可编程控制器对电梯进行控制,通过合理的选择和

  摘要 随着科学技术和社会经济的发展,高层建筑已成为现代城市的标志。电梯 作为垂直运输工具,承载着大量的人流和物流的输送,在建筑物中起着至关重 要的作用。采用可编程控制器对电梯进行控制,通过合理的选择和设计,能够 有效地提高电梯的控制水平,使电梯的控制达到比较理想的控制效果。 本文设计一个三层电梯控制系统,基于西门子 S7-200PLC 实现。在介绍电 梯结构的基础上,重点分析了三层电梯的控制要求以及电梯控制系统设计中如 何用 PLC 实现控制系统,编制梯形图,并完成程序的调试,利用 QSPLC-III 型 实验装置的电梯模块对三层电梯控制系统进行仿真实验。 关键词:电梯 西门子 可编程控制器 调试 仿真实验 Abstract With the development of science and technology and social economy development,high-rise buildings have become the hallmark of modern cities.As a vertical transportation equipment,a lot of people bear the transportantion and logistics,its role a very important part in building . Using Programmable Controller to cntrol the elevater .can improve the reliability and enable the elevator control to achieve an ideal effect, through the reasonable selection and design.So the effect of control is more ideal. This paper use Siemens S7-200 PLC to design a 3-storied elevator control system.Based on the introduction of the elevaters basic structure,expatiates the control request of elevator and analyzes how to use the PLC to program controlling process,edit ladder diagram and debug the program,And use the elvator module on QSPLC-III experimental equipment to do simulation experiment. Keywords:Elevator Siemens PLC Debug simulation experiment II 目 录 第 1 章 绪论......................................................... 1 1.1 设计背景 .................................................... 1 1.2 PLC 在电梯控制系统中的重要意义............................... 1 1.3 电梯技术发展前景 ............................................ 2 1.4 论文的主要内容 .............................................. 3 第 2 章 电梯控制系统概述............................................. 4 2.1 电梯的起源与发展 ............................................ 4 2.2 电梯的结构和组成 ............................................ 5 2.3 电梯的保护装置 .............................................. 6 2.4 电梯的工作原理 .............................................. 7 第 3 章 PLC 简介 ..................................................... 8 3.1 PLC 的产生与发展............................................. 8 3.2 PLC 的用途及特点............................................ 10 3.3 PLC 的硬件组成.............................................. 12 3.4 PLC 的工作原理.............................................. 14 第 4 章 控制系统总体设计............................................ 16 4.1 控制要求分析 ............................................... 16 4.2 硬件设计 ................................................... 16 4.3 软件设计 ................................................... 20 第 5 章 控制系统仿真................................................ 28 5.1 编程软件简介 ............................................... 28 5.2 实验装置简介 ............................................... 30 5.3 程序的编辑 ................................................. 32 5.4 程序的调试 ................................................. 32 5.5 控制系统仿真 ............................................... 33 结论............................................................... 34 致谢............................................................... 35 参考文献........................................................... 36 第 1 章 绪论 1.1 设计背景 随着科学技术的迅猛发展、城市现代化的突飞猛进,电梯作为一种高效、 迅捷、安全、可靠的垂直运输设备,成为人们不可缺少的运输工具。现代高层 建筑中各大办公楼、住宅、医院、工矿企业、仓库、码头、大型货轮等都离不 开电梯。据统计,在美国乘坐其他交通工具的人数每年约为 80 亿人次,而乘电 梯的人数每年却有 540 亿人次之多。电梯服务于中国已有 100 多年的历史,特 别是在改革开放后,我国电梯的使用数量快速增长。尤其是现阶段,随着经济 日新月异的发展,人们生活水平的不断提高、城市的高层建筑不断增多,与此 相应电梯业也得到迅猛发展。现在电梯已完全融入我们的生产、生活中,满足 人们生活、工作及学习的需要。据统计,我国的在用电梯已达 40 多万台,每年 还以约 5~6 万台的速度增长。 电梯的作用越来越显著,电梯的需求越来越大。而目前我国使用的先进的 电梯的系统基本上都是国外设计制造的,其核心技术并不公开。国内具有自主 知识产权的控制方法和技术在实际中的应用还比较少,与国外先进技术相比还 有较大的差距。尽快研究和掌握先进的控制技术,对国内电梯工业的发展有很 大的作用。 1.2 PLC 在电梯控制系统中的重要意义 早期的电梯自动控制系统中, 信号的逻辑控制一般是由继电器一接触器电路 来实现。由于继电器、接触器都是有触点的电气元件,体积庞大,弧光放电较 严重,使用寿命有限;在电梯这种较复杂控制系统中可靠性不高,施工过程中 接线复杂,当控制要求改变时必须改变硬件接线,使得通用性和灵活性不够, 生产周期加长;另外,继电器、接触器触点数目有限,可扩展性较差;继电器 一接触器控制系统依靠触点的机械动作实现控制,工作频率低且机械触点还会 出现抖动问题;继电器控制逻辑一般不具备计数功能:同时随着楼宇层数的增 加,继电器一接触器控制系统过于庞大,给设计带来不便。基于以上多种原因, 1 导致电梯控制系统的工艺性、运行的可靠性与安全性降低,故目前己被逐步淘 汰。 目前电梯的控制普遍采用两种方式,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。微机控制是电梯控制技术的发展方向,目前已有一些由微机控制的电梯 新机型相继推出,使控制功能得到增强,性能得到改善。微机控制系统虽然在 智能控制方面有较强大的功能,但也存在一定的不足之处,一方面微机控制抗 干扰能力较差、系统设计较复杂、一般维修人员难以掌握其维修技术,另一方 面专门设计和制造微机控制装置,一次性成本较高。这些都限制了微机控制系 统应用的普及。 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。目前,在国内, 对于一个中、小型的电梯控制系统,大多采用PLC控制,主要原因在于当规模较 小时,用PLC控制可以降低因专门设计和制造微机控制装置的成本,且PLC具有 编程简单;控制运行可靠性高,抗干扰能力强;通用性好、功能强大;开发周 期短;体积小,使用方便,可扩展性强;成本低,维护方便以及强大的网络通 讯功能等优点,因此成为现代楼宇中、小型电梯控制系统的主流。同时,由于 历史原因,我国目前还存在着相当数量的由继电器一接触器系统控制的老式电 梯,这些电梯的PLC技术改造也是当前我国电梯控制的热点。因此,PLC控制在 我国电梯行业有着广泛运用。 1.3 电梯技术发展前景 纵观我国电梯行业的发展历程,从改革开放到今天,电梯行业在不知不觉 中走过了一个从无到有,从有到多,从多到精的发展历程。随着住宅市场的巨 大变化,中国已经成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。这就必然会使电 梯技术不断的发展更新。 (1)结构不断紧凑化,体积不断轻型化、小巧化。 随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展,电梯的机械系统结构简单 化、体积小巧化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。同时,无机房电梯 在今后会有较大的发展。 2 (2)技术含量更高,性能更好。 电梯行业技术发展非常迅速, 现如今具有先进性能, 高舒适性的 VVVF 电梯, 已是电梯行业的标准配置;然而,永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更清洁、 更安静、更安全、更经济等特点。所以永磁同步无齿轮曳引机将逐步成为新型 曳引机的主流,由于永磁技术的先进性,将来很可能取代 VVVF 技术。另外,网 络控制和智能群控制系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性也是电 梯发展的潮流。 (3)安装更方便、快捷。 高效、安全、可重复使用的无手架安装,将是高层电梯安装的主要方式, 随着技术的开发、应用,电梯的硬件系统给安装带来了更大的方便,使电梯安 装更快、效率更高。 1.4 论文的主要内容 本文利用可靠性高、功能强大的 PLC 设计出电梯的控制系统。主要完成以 下几项工作: (1)分析电梯主要结构、控制要求。 (2)利用 PLC 实现三层电梯的控制。其中包括电梯门厅召唤控制、电梯自动 相应召唤信号、召唤信号的指示、电梯上下行指示、电梯到站指示控制,本文 采用德国西门子(Siemens)公司生产的 S7-200 型 PLC, 利用其丰富和功能强大的 指令设计出梯形图。 (3)在 QSPLC-III 型试验台电梯模上块对电梯程序进行调试,进行电梯模拟 控制试验。 3 第 2 章 电梯控制系统概述 2.1 电梯的起源与发展 在科学技术和社会经济高速发展的当代社会,高层建筑已成为现代城市的 标志。电梯作为垂直运输工具,承担者大量的人流和物流的输送,其作用在建 筑物中至关重要。是现代城市生活中必不可少的,且应用最为广泛的垂直交通 工具。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流驱动的 卷筒式卷扬机,共造三台,安装在妮罗宫殿里。人们把这三台卷扬机看着是现 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使用了这种 卷扬机。 继瓦特发明了蒸汽机之后,1850 年在美国纽约市出现了世界第一台由亨 利·沃特曼制造的以蒸汽机为动力的卷扬机。1854 年,在纽约水晶宫举行的世 界博览会上,美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥蒂斯第一次向世人展示了他发明的 历 史上第一部安全升降梯。从那以后,升降梯在世界范围内得到广泛应用。 在此期间,英国的阿姆斯特丹郎发明了水压梯。随着水压梯的发展,蒸汽机也 就被逐渐淘汰。后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯。直到今天,液压梯 仍在使用。 1889 年,美国奥的斯公司制造的有直流电动机通过蜗杆减速器带动卷扬筒 卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机,构成了现代电梯的鼻祖。 为了解决乘客乘坐电梯的安全性和舒适感方面的问题,1892 年,美国亨 利·华特·列昂那德发明了用调节电动机磁场来调速的电动机——发电机电力 驱动系统,使直流升降机的电力拖动构造有了极大的发展。 1900 年,交流感应电动机被用于电梯驱动以后。进一步简化了电梯的传动 设备。以后由交流单速电动机发展到交流双速感应电动机。 1903 年,美国奥的斯在电梯传动机构中采用了曳引驱动代替卷筒方式,提 高了电梯传动机械的通用性,同时也制造了有齿轮曳引高速电梯。这种电梯减 少了传动设备,增强了安全性能,成为目前电梯曳引传动的基本构造形式。 在电梯控制技术方面,1949 年开始应用电子技术,以后出现了电子器件与 4 信息处理的分区控制系统,再以后发展到大规模集成电路。 2.2 电梯的结构和组成 2.2.1 电梯的结构 电梯的主要机械部件有:轿厢、电梯门、开关门机构、层门门锁和机械安 全装置。在电梯中限速器,安全钳装置时十分重要的机械安全保护装置。它的 作用在于:因机械或电气出现的某种原因,例如因断绳或失控电梯超速下降, 当下降速度达到一定限值时,将电梯擎停在导轨上。限速器或安全钳都不能单 独的完成上述任务, 只有靠二者的配合动作来完成对电梯出现紧急情况的保护。 2.2.2 电梯的组成 电梯是机电一体化装置,其机械部分由曳引系统、轿厢和门系统、平衡系 统、导向系统和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系统等组成。 (1)曳引系统:电梯曳引曳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。 (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。开门电机机设在 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 (5)重量平衡系: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,它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)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同一地平面的操作。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: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 护在电梯的各个运行环节中都有体现。 2.3 电梯的保护装置 (1)电磁制动器:装于曳引机柱上,一般采用直流电磁制动器,启动时通电 松闸,停层时断电制动。 (2)强迫减速开关:分别装于井道的顶部和底部,当轿厢驶过端站还未减速 时,轿厢上撞块就启动此开关,通过电气传动装置,使电动机强迫减速。 (3)限位开关:当电梯轿厢开到顶或底,就会碰到此开关不能继续向前运行, 只能反方向运行。 (4)行程极限保护开关:当限位开关不起作用时,轿厢经过端站时,此开关 6 动作。 (5)急停按钮:装于轿厢司机控制操纵盘上,当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。 (6)厅门开关:每个厅门都装有门锁开关;仅当厅门关闭时电梯才动作,在 运行中如厅门开关断开,电梯立即停车。 (7)关门安全开关:常见的是装在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。 (8)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。 (9)其他开关:安全窗开关、钢带轮的断带开关等。 (10)报警和救援装置:电梯发生人员被困在轿厢内时,通过报警或通信装 置应能将情况及时通知管理人员并通过救援装置将人员安全救出轿厢。 2.4 电梯的工作原理 当曳引机组的曳引轮旋转时,依靠嵌在曳引轮槽中的钢丝绳与曳引槽之间 的摩擦力,驱动钢丝绳来升降轿厢,曳引钢丝绳一端挂着轿厢,另一端悬挂对 重,具体图形见下图: 曳引轮 导向轮 曳引钢丝 对重 轿厢 图 2-1 电梯工作原理图 如图,电梯的轿厢和对重通过曳引钢丝相连。而电梯的曳引电机转动时带 动曳引轮转动,从而牵引曳引钢丝来拖动电梯的轿厢。曳引电机正转是电梯上 行,反转时电梯下行。 7 第 3 章 PLC 简介 3.1 PLC 的产生与发展 可编程控制器(Programmable Controller,PC),早期主要用于计数、 定时以及开 关量的逻辑控制,为了和个人计算机(Person Computer)相区别。把可编程控制 器缩写为 PLC(Programmable Logic Controller)。 在可编程控制器诞生之前,继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个 领域,继电器控制系统通常可以看承由输入电路,控制电路,输出电路和生产 现场这 4 个部分组成的。其中输入电路也是由按钮,行程开关,限位开关,传 感器等构成。用已向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器,电磁阀等 执行元件构成,用以控制各种被控制对象,如电动机,电炉,阀门等。继电器 控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器,电子 元器件连接起来对工业现场实施控制;生产现场是指被控制的对象(如电动机等) 或生产过程。 继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用,随着生 产规模的逐步扩大,市场经济竞争日趋激烈,继电器控制系统已越来越难以适 应,因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计 的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制,定时,计数等这样一些简单的控 制,一旦动作顺序或生产工艺发生变化,就必须进行重新设计,布线,装配, 和调试。显然,这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济 发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统,研制 可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。 出于上述考虑,美国通用汽车公司(GM)于 1968 年提出了公开招标研制新 型的工业控制器的设想,第二年,即 1969 年美国数字设备公司(DEC)就研制出 了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期,可编程序控制器虽然采用了计 算机的设计思想,但实际上只能完成顺序控制,仅有逻辑运算,定时,计数等 顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为 PLC(Programmable Logical Controller),即可编程序逻辑控制器: 20 世纪 70 年代末 80 年代初,微处理器技术日趋成熟,使可编程序控制器 8 的处理速度大大提高,增加了许多特殊,如浮点运算,函数运算,查表等。这 样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制,还可以对模拟量进行控制。因此, 美国电气制造协会 NEMA(National Electrical Manufacturers Association)将之正 式命名为 PC(Programmable Controller)。值得注意的是,因为个人计算机的简称 也是 PC(Personal Computer),有时为了避免混淆,人们习惯上仍将可编程序控 制器简称 PLC(尽管这是早期的名称)。本书采用 PLC 的称呼。20 世纪 80 年代 后,随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展,以 16 位和 32 位微处理器够 成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展,使之在概念上,设计上,性能 价格比等方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数,中断技术,PID 控制 等功能,同时联网通信功能也得到了加强,这些都使得可编程序控制器的应用 范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。 国际电工委员会(IEC)制定了 PLC 的标准,并给出了它的定义。 “可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用 而设计,它采用可编程序的存储器,用来在其内部储存执行逻辑运算,顺序控 制,定时,计数和算术运算等才操作,并通过数字式,模拟式的输入与输出, 控制各类的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工 业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则设计。 ” 综上所述,PLC 是以微处理器为基础,综合了计算机技术,自动控制技术 和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小,功 能强,程序设计简单,灵活通用,维护方便等优点,特别是它的高可靠性和较 强的适应恶劣工业环境的能力,得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十 年发展后,现在已成为现代工业控制的三大支柱之一,被广泛地应用于机械, 冶金,化工交通,电力等领域中。 以 PLC 作为控制器的 PLC 控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制 系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方 式来实现的,而 PLC 控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的,不仅可以 实现开关量控制,还可以进行模拟量控制,顺序控制。另外,它的定时和计数 功能也远比继电器控制系统强很多,一般可以为用户提供几十个甚至上百个定 时器,计数器。随着计算机和通信几刷的发展,现代 PLC 控制系统已远不是几 9 十年前的哪个样子,PLC 的控制从早期的单机控制发展到多机控制,实现了工 厂自动化。尽管现在的 PLC 控制系统已发生了很大的变化,但是从自动控制的 角度来看,PLC 控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以 集中型的 PLC 控制系统为例说明集中型 PLC 控制系统与继电器控制系统在结 构上有那些相同和不同之处, 这对初学者理解 PLC 控制系统的工作原理是有帮 助的。集中型 PLC 控制系统的结构。 将两种系统相比,就会发现 PLC 控制系统与继电器控制系统输入,输出部 分基本相同,输入电路也是由按钮,开关,传感器所构成:输出电路也好似由 接触器, 执行器, 电磁阀多构成的。 不同的是继电器控制系统在控制线路被 PLC 中的程序代替,这样一旦生产工艺发生变化,就只需要修改程序就可以了。正 是上述原因,PLC 控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功 能外,还可以实现模拟量控制,开环或闭环过程控制,甚至多级分布式控制。 随着微电子技术的进一步发展,PLC 的成本在降低,传统的继电器控制系统被 PLC 控制系统代替已是发展的必然趋势。 3.2 PLC 的用途及特点 3.2.1 PLC 的用途 (1)数字量控制 这是 PLC 应用最广的领域,用以取代传统的继电器控制。 含触点的串、并联及组合逻辑或控制、定时、计数控制等。PLC 可应用于单片 机控制、多机群控、生产自动线控制。其应用领域已遍布各行各业,甚至升入 到家庭。 (2)运动控制 PLC 使用专用运动控制模块,对直线运动或圆周运动的位置、 速度和加速度运行控制,可实现单轴、双轴、三轴和多轴控制。使运动控制与 逻辑控制结合起来,可编程运动控制可以用于各种机械,如机床、装配机械、 机器人、电梯等。 (3)过程控制 通过模拟量 I/O 模块,PLC 能控制大量的物理参数,如温度、 压力、速度和流量等。 PID(Proportional-Integral-Derivative)功能的提供使 PLC 具有闭环控制能力, 可用于过程控制。 使 PLC 广泛地应用于塑料成型、 加热炉、 10 热处理设备、锅炉及轻化工、冶金、电力等行业。 (4)数据处理 现代可编程控制器具有数学运算(含四则运算、函数运算、字 逻辑运算、浮点运算及求反、循环、以为等)、数据传送、转换、查表、排序、 位操作等工能,可以完成数据的采集及处理。运算数据可以与参考值比较用于 控制,也可以通过通信传送给其他智能装置,或将数据打印制表。数据处理一 般用于大型控制系统,如过程控制系统, 、无人柔性控制系统等。 (5)通信联网 可编程控制器通信包括主机与远程 I/O 之间的通信、 多台可编 程控制器之间的通信、 可编程控制器与其他智能控制设备, 如计算机; 、 变频器、 数控装置之间的通信,这些设备由于网络组成集中管理分散控制的分布式控制 系统,极大地提高了控制的可靠性。 3.2.2 PLC 的特点 (1)可靠性高,抗干扰能力强 高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条 件。继电器接触器系统中,由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧 等现象大大降低了系统的可靠性。而在 PLC 系统中,大量的开关动作是由无触 点的半导体电路来完成的,加上 PLC 充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温 度等各种干扰,在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施,因而具有极高的可 靠性。据有关资料统计,目前各生产厂家生产的 PLC,其平均无故障时间都大 大超过了 IEC 规定的 10 万小时,有的甚至达到了几十万小时。 (2)配套齐全,适用性强,应用灵活 由于 PLC 产品均成系列化生产,品种 齐全,多数采用模块式的硬件结构,组合和扩展方便,用户可根据自己的需要 灵活选用,以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。重要的是,PLC 系统相对继电器接触器控制系统,接线很少,其主要功能是通过程序实现的, 在需要修改设备的控制工能时,只要修改程序,修改接线)编程方便,易于使用 PLC 的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语 言,直观易懂,深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺 控流程图语言(Sequential Function Chart),也称功能图,使编程更加简单方便。 (4)功能强,扩展能力强,性价比高 PLC 中含有数量巨大的供用户使用的 编程软元件,可轻松的实现大规模的控制。 PLC 配合功能单元能方便地实现 11 A/D、D/A 转换及 PID 运算,实现过程控制、数字控制等功能。PLC 具有通信 联网功能,它不仅可以控制一台单机,一条生产线,还可以控制一个机群,许 多生产线。它不但可以进行现场控制,还可以用于远程监控。与一般继电器系 统比较,具有很高的性价比 (5)PLC 的设计、安装、调试方便 PLC 用户程序(软接线)代替硬接线,安装 接线工作量少。 设计人员只要有 PLC 就可以进行控制系统设计并可在实验室进 行模拟调试;而继电器系统的调试是靠在现场改变接线进行的,十分繁琐。 (6)维修方便,维修工作量小 PLC 有完善的自诊断、履历情报存储及监视 功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 点状态均有显示。工 作人员通过这些信息可以查找故障原因,便于迅速处理。 (7)PLC 体积小,能耗低。易于实现机电一体化 采用 PLC 实现的控制系统 与同规模的继电器系统相比,开关柜的体积缩小到原来的 1/10~1/2;安装方便, 易于实现机电一体化;由于省去了大量的继电器,能耗也大大减小。 3.3 PLC 的硬件组成 3.3.1 PLC 的组成 根据结构形式的不同,PLC 可分为整体式(也称单元式)和组合式(也称模块 式)两类。 用 户 输 出 设 备 编程器 盒式磁带机 打印机 EPROM写入器 上位计算机 PLC 可编程终端PT … 图 3-1 整体式 PLC 的组成示意图 电源 输 出 单 元 输 出 单 元 中央处理单元 (CPU) 用 户 输 出 设 备 外 设 接 口 存储器 系统程序 存储器 用户程序 存储器 I/O 扩 展 口 I/O扩展单元 特殊功能单元 12 整体式的 PLC 将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电 源、通信端口、I/O 扩展端口等组装在一个箱体内构成主机,另外还有独立的 I/O 扩展单元与扩展模块等与主机配合使用。整体式 PLC 结构紧凑、体积小, 小型机常采用这种结构,整体式 PLC 的一般构成如图 3-1 所示。 3.3.2 PLC 各组成部分的作用 (1)中央处理单元(CPU) CPU 是 PLC 的核心,起神经中枢的作用,每套 PLC 至少有一个 CPU,它 按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集 由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源 和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户 程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信 号,去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及 状态总线构成,CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用 于存储程序及数据,是 PLC 不可缺少的组成单元。 在使用者看来,不必要详细分析 CPU 的内部电路,但对各部分的工作机制 还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作,由它读取指令、解释指 令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算, 在控制器指挥下工作。寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控 制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数,它们决定着 PLC 的工作速度, IO 数量及软件容量等,因此限制着控制规模。 (2)I/O 模块 PLC 与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O 模块集成 了 PLC 的 I/O 电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器 状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统,输出模块相反。I/O 分为开关量输入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等 模块。 13 常用的 I/O 分类如下: 开关量:按电压水平分,有 220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分, 有继电器隔离和晶体管隔离。 模 拟 量 : 按 信 号 类 型 分 , 有 电 流 型 (4~20mA,0~20mA) 、 电 压 型 (0~10V,0~5V,-10~10V)等,按精度分,有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外,还有特殊 IO 模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量,I/O 模块可多可少,但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。 (3)电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输 入电路提供 24V 的工作电源。 电源输入类型有: 交流电源(220VAC 或 110VAC), 直流电源(常用的为 24VDC)。 3.4 PLC 的工作原理 可编程控制器的应用程序是表达存储单元之间的相互联系的。存储单元的 状态代表控制系统中的各种事件,而可编程控制器执行程序以完成既定的控制 任务。 执行程序是 PLC 实现控制的核心工作,但在框图中却只是众多项目中的一 项。这些工作项目大致可以分为以下三部分。 扫描周期 输入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 出错处理 上 电 处 理 输 入 端 输 入 映 像 寄 存 器 CPU运 行方式 第 RUN 一 条 指 令 第 二 条 指 令 最 后 …… 一 条 指 令 输 出 映 像 寄 存 器 输 出 端 PLC执行 自诊断 STOP CPU正常或有非致命错命便存放自诊断结果 有致命错命时CPU强制为STOP方式 图 3-2 PLC 的运行框图 第一部分是上电处理。PLC 上电后对系统进行一次初始化工作,包括硬件 初始化,I/O 模块配置检查,停电保持范围设定等。 14 第二部分是扫描过程。以程序扫描执行而得名。一是扫描系统程序,二是 扫描执行应用程序。每次执行应用程序前先完成输出处理,其次完成与其他外 设的通信处理,再次进行时钟、特殊寄存器更新。而执行不执行应用程序还和 PLC 的运行状态有关。 第三部分是出错处理。PLC 每扫描一次,执行一次自诊断检查,确定 PLC 自身的动作是否正常,如 CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否正常, 检查出异常时,CPU 面板上的 LED 及异常继电器会接通,在特殊寄存器中会 存入出错代码。当出现致命错误时,CPU 被强制为 STOP 方式,所有的扫描停 止。 15 第 4 章 控制系统总体设计 4.1 控制要求分析 本文用 S7-200PLC 对电梯进行模拟控制,只能完成电梯的部分基本功能, 未考虑开关门控制(即电梯停站时不作开关门动作,直接响应外呼及内选信号), 电梯轿厢的运行方式用指示灯代替。 (1)各层设上/下呼叫按钮(最顶层和起始层只设一只)。 (2)电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯。 (3)轿内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时,电梯应能按顺序 自动停靠,自动确定运行方向。 (4)门厅召唤指令记忆及显示。当门厅有上行或下行请求时,电梯应能对信 号进行登记,并且由相应的指示灯进行显示。 (5)自动确定运行方向。当轿厢内操纵盘上,选层指令相对与电梯位置具有 不同方向时,电梯应能按先入为主的原则,自动确定运行方向 。 (6)电梯停站待客。当完成全部轿厢内指令,又无层外呼梯信号时电梯应停 止不动,等待乘客召唤。 4.2 硬件设计 为了实现以上控制功能,在此对 PLC 进行选型和电路连接,在硬件上实现 控制功能要求。 硬件设计包括元器件选型和电气原理图(主电气原理图和控制电 气原理图)设计。 4.2.1 元件选型 a.输入元件 根据控制要求,选用 7 个按钮作为轿内选层按钮和门厅上下行召唤按钮, 选用 3 个位置开关作为电梯每层的楼层位置输入。 16 (1)按钮(SB) 按钮是结构简单的手动主令电器, 当按钮被按下时, 先断开常 闭触点,然后才接通常开触点。按钮释放后,在复位弹簧作用下使触点复位。 在没有按动按钮时,接在常开触头接线柱上的线路是断开的,常闭触点接线柱 的线路是接通的;当按钮按下时,两种触点状态改变,同时也使与之相连接的 电路状态改变。基于按钮的这种不按那么常开触点不通,按下导通后一旦放手 又还原为不导通,这种优点正适合用来做内选层、门厅召唤的信号的输入主令 电器。 (2)位置开关(SQ) 电梯的楼层位置的确定一般使用传感器, 本文选用 3 个位 置开关分别作为每一层的楼层位置输入。 b.输出元件 指示灯(HL) 用来指示电梯所在楼层及电梯的工作状态。 选用 3 个指示灯分 别用作楼层号的指示(表示电梯当前所在的楼层)、选用 4 个指示灯指示各层门 厅召唤信号,选用 2 个指示灯指示电梯的运行状态(上行或下行)。 c.PLC 在选择 PLC 的型号时,先应该做的是输入输出点数估算和内存估算,然后 综合考虑确定 PLC 的型号。 (1)输入输出点数估算 1)输入点数: 门厅按钮 4 个,轿厢内按钮 3 个,楼层到位开关 3 个共 10 个。 2)输出点数: 楼层指示 3 个,呼叫指示 4 个,轿厢运行状态指示 2 个共 9 个。 I/O 点数的确定应该以控制设备的所有输入/输出点数的总和为依据。在一 般情况下,PLC 的 I/O 点应该有适当的余量,通常根据统计的输入输出点数再 增加 10%~20%的可扩展余量后,作为输入输出点数的估算依据。因此,估算本 电梯控制系统的 PLC 输入/输出点的个数都分别为 20 个左右。 (2)内存估算 存储器容量是指可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小,各种 PLC 的存储器容量大小可以从该 PLC 得基本的参数表中找到。按数字量 I/O 点数的 17 10~15 倍,加上模拟 I/O 点数的 200 倍,以此数为内存的总字数(16 位为一个 字) ,另外再按此数的 30%左右考虑余量。根据上文中本系统输入/输出点的估 算量知道,本系统大约需要字量 I/O 点总数为 20 个,无模拟 I/O 点。因此,可 以估算出本系统所需 PLC 的内存大约为 2K 字节。 (3)PLC 机型型号的选择 西门子(Siemens)公司生产的 S7-200 系列 PLC 属于小型可编程控制器,是 西门子公司 20 世纪 90 年代推出的整体式小型可编程控制器,器结构紧凑、系 列完整、功能完善,具有很高的性价比,可用于替代继电器的简单控制场合, 也可用于复杂的自动控制系统。由于有很强的通信功能,在大型网络控制系统 中也能充分发挥作用。 S7-200 系列 PLC 提供 5 种不同的基本单元(CPU), 型号为 CPU221、 CPU222、 CPU224、CPU226 及 CPU226XM,不同型号的 CPU 内部芯片基本相同,实际 安装的输入输出及通讯接口数量不同。 每种单元又有交流 220V 供电及直流 24V 供电两种供电方式安排,每种 CPU 都有继电器输出、双向晶闸管输出及晶体管 输出三种输出形式。S7-200 系列提供多种功能的扩展单元及智能模块,如数字 量输入或输出扩展单元,模拟量扩展单元,高数计数模块,定位控制及各种通 信模块。S7-200 系列还提供齐全的外围设备及编程环境,使系统构成容易,使 用方便。S7-200 各型 CPU 的比较如表 4-1 所示: 表 4-1 S7-200 各型 CPU 模块的比较 特性 本机数字量 I/O 最大数字量输入/输出 最大模拟量输入/输出 程序空间(永久保存) 用户数据存储器 扩展模块 数字量 I/O 映像区 模拟量 I/O 映像区 CPU221 6 入/4 出 6 入/4 出 — 2048 字 1024 字 — 10 无 CPU222 8 入/4 出 40 入/38 出 16 入/16 出 2048 字 1024 字 2个 256 16AI/16AO CPU224 14 入/10 出 94 入/74 出 28 入/7 出 4096 字 2506 字 7个 256 32AI/32AO CPU226 24 入/16 出 256 入/256 出 32 入/32 出 2096 字 2560 字 7个 256 32AI/32AO CPU226XM 24 入/16 出 256 入/256 出 32 入/32 出 8192 字 5120 字 7个 256 32AI/32AO S7-200 各型号 PLC 的应用范围如下: ① CPU 221: 小型 PLC CPU 221,价格低廉,能满足多种集成功能的需要。 ② CPU 222 CN: 18 S7-200 CN 家族中低成本的单元。通过可连接的扩展模块,即可处理模拟 量。 ③ CPU 224 CN,CPU 224XP CN: 具有更多的输入、输出点及更大的存储器。 ④ CPU 226 CN: 功能最强的单元,可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。 经过上面的比较,并结合本系统的实际,所以本电梯控制系统选择西门子 S7-200CPU224 型号的 PLC 作为控制器比较合适。 4.2.2 硬件电路连接图 a.主电气原理图 根据设计要求,本次设计的电气控制系统主回路原理图如图 4-1 所示。 QS L1 L2 L3 FU1 KM1 KM2 KM3 KM4 FR1 FR2 M1 3~ M2 3~ 曳引电机 门电机 图 4-1 主电气原理图 图中 M1, M2 为曳引电机和门电机, 交流接触器 KM1~KM4 通过控制两台 19 电机的运行来控制轿厢和厅门,从而进行对电梯的控制。FR1,FR2 为起过载 保护作用的热继电器,用于电梯运行过载时断开主电路,FU1 为熔断器,起过 流保护作用。 b.控制电路电气原理图 前面已介绍 S7-200 系列 CPU 中的 CPU224 的本机数字量为 14 入/10 出, 接线时输入接对应的开关,输出接指示灯。考虑到后面要对程序进行调试,故 在画硬件接线图时标出 QSPLC-3 型实验台电梯模块上对应大开关量和指示灯。 硬件接线 内呼三层SB3 一层上呼SB5 二层下呼SB6 二层上呼SB7 三层下呼SB10 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 2M 一层到位开关SQ1 二层到位开关SQ2 三层到位开关SQ4 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 M +24VDC L+ CPU224 DC24V 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 2L Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 二层向下呼叫指示灯E6 二层向上呼叫灯E7 三层呼叫灯E10 轿厢下降KM1 轿厢上升KM2 一层指示灯E1 二层指示灯E2 三层指示灯E4 一层呼叫灯E5 图 4-2 控制电路电气原理图 4.3 软件设计 在硬件电路上如何实现相应的功能,这就是软件的任务。软件设计就是对 20 控制器 PLC 编写相应的程序。通过程序控制 PLC 输出,使相应的执行元件进 行相应的动作。软件设计的主要内容是根据系统的电气控制原理图列出输入 / 输出元件并给他们分配 I/O 端口,再进行梯形图的编写。 4.3.1 I/O 分配 表 4-2 三层电梯控制系统 I/O 分配表 内呼一层 SB1 内呼二层 SB2 内呼三层 SB4 一层上呼 SB5 二层下呼 SB6 二层上呼 SB7 三层下呼 SB10 一层到位开关 SQ1 二层到位开关 SQ2 三层到位开关 SQ4 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 一层指示灯 E1 二层指示灯 E2 三层指示灯 E4 一层呼叫灯 E5 二层向下呼叫灯 E6 二层向上呼叫灯 E7 三层呼叫灯 E10 轿厢下降 KM1 轿厢上升 KM2 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 4.3.2 梯形图及说明 a.内呼信号登记 内呼信号有三个,内呼一层、内呼二层和内呼三层。利用启-保-停电路对 内呼信号进行登记。其中内呼一层在电梯处于上升状态或一层指示灯亮时(Q1.1 或 Q0.1 接通)都不能被登记;内呼二层的停止条件是二层指示灯亮(Q0.2 接通), 即电梯处于二层时不对内呼二层的信号进行登记;内呼三层时,电梯处于下降 状态或电梯三层指示灯亮时(Q1.0 或 Q0.3 接通)都不对内呼三层信号进行登记。 其梯形图如下: 21 图 4-3 内呼信号登记梯形图 b.外呼信号登记及显示 外呼信号有 4 个,一层上呼、二层上呼、二层下呼和三层下呼。外呼信号 的登记都是利用启-保-停电路来完成的,原理都一样。现以一层上呼信号的登 记与显示为例说明外呼信号的登记和显示控制。一层呼叫信号的登记跟内呼一 层信号的登记一样都是利用启 -保-停电路来完成的,启动条件是一层呼叫开关 SB5 被按下从而接通 I0.4,关断条件为轿厢下降或三层指示灯亮(Q1.0 或 Q0.3 接通),M10.0 接通并且 M2.4 关断时接通 Q0.4 使一层显示灯亮。梯形图如下: 22 23 图 4-4 外呼信号的登记及显示梯形图 c.楼层信号显示 楼层指示灯显示电梯到达的楼层位置,比如,电梯到一层时,一层指示灯 亮。楼层指示灯由楼层到位开关、该楼层的内呼信号、该楼层的外呼信号和其 他楼层指示共同判断,并且要将相近楼层的指示复位。例如,电梯运行到一层 时需要将在接通一层指示灯的同时要将二层指示复位。 一层指示梯形图如图 4-4a,一层到位开关 SQ1 接通,说明电梯此时已到达 一层。电梯到达一层时要响应内呼一层信号、一层上呼信号。SQ1 接通(I1.0 得 电)且二层指示灯灭(Q0.2 关断)再判断三层指示灯和中间继电器 M2.2 的状态。 如三层指示灯灭(Q0.3 关断),中间继电器 M2.2 接通时将 Q0.1 置位一位,一层 指示灯 E5 亮,指示电梯运行到一层,Q0.1 接通时将 M10.0 置位 1 位。 24 图 4-5 一层显示控制梯形图 二层指示显示如图 4-5,同理,电梯到二层时要响应内呼二层信号。当二层 到位开关 SQ2 接通时(I1.1 得电),二层指示时要判断一层和三层的楼层指示信 号,并将它们复位一位。 如一层和三层的楼层指示灯都不亮 (Q0.1 和 Q0.3 关断 ) ,且中间继电器 M12.4 和 M12.2 都关断时,将二层指示 Q0.2 置位一位。使 Q0.2 的值为 1,二 层指示灯 E2 亮,说明电梯运行到二层。 25 图 4-6 二层显示控制梯形图 三层显示控制梯形图如图 4-4c,三层显示由三层到位开关 SQ4 和内呼三层 信号及三层呼叫信号共同判断,如三层到位开关接通,同时接收到内呼三层信 号(内呼三层中间继电器 M2.4 得电)或三层呼叫指示灯亮(Q0.7 接通),将二层指 示复位一位。将三层指示置位一位使 Q0.3 的值为 1,从而接通三层指示灯 E4。 图 4-7 三层显示控制梯形图 d.电梯轿厢上下行显示控制 电梯轿厢在一层时只有上升或停止状态,轿厢在三层时只有下降或停止状 态,ag旗舰厅app下载!而轿厢在二层时有上升、下降和停止三种状态。根据轿厢上升或下降的逻 辑,由轿厢的召唤信号和轿厢的运行状态来判断轿厢处于上升或下降状态。其 26 梯形图如图 4-5。 图 4-8 电梯轿厢上下行显示控制梯形图 27 第 5 章 控制系统仿真 控制系统仿真能比较直观的将系统的控制功能展现出来,而仿真结果是否 正确是判断系统软硬件设计是否合理正确的一种依据。本文利用 QSPLC-III 型 可编程控制实验箱对所设计的三层电梯控制系统进行仿真,验证设计是否满足 电梯的控制要求。 5.1 编程软件简介 STEP7-Micro/WIN32 是基于 Windows 的应用软件,运行 Windows2000 、 Windows95/98/NT/ME 和以及 WindowsXP 操作系统的计算机, 内存 8MB 以上, 硬盘空间 50MB 以上,VGA 显卡,支持鼠标,具有 RS-232 口或 USB 口,都可 以安装。 5.1.1 编程软件的基本功能 STEP7-Micro/WIN32 的基本功能是协助用户开发应用软,在该软件的环境 下可创建用户程序,修改和编辑原有的用户程序,实现用户所编程序的管理。 该软件还具有语法检查功能,可在编程中检查用户程序的语法错误。利用该软 件的监控功能还能实现用户程序的调试及监控。 软件的大部分功能,如程序的编制、编译、调试相关的组态等工作,在离 线工作方式——计算机并未和 PLC 连接时即可实现,部分功能需要在在线 编程软件的主界面及各区域用途 启动 STEP7-Micro/WIN32 编程软件,其主界面外观如图 5-1 所示。 主界面主要含以下几个分区:菜单条(包含 8 个主菜单项)、工具条(快捷操 作窗口)、引导条、指令树(Instruction Tree,快捷操作窗口)、用户窗口、输出窗 口 28 图 5-1 编程软件主界面 和状态条(可同时或分别打开途中 5 个用户窗口)。以下分别说明。 (1) 菜单条 菜单条是以菜单形式操作的入口,菜单包括文件 (File) 、编辑 (Edit) 、检视 (View) 、可编程控制器 (PLC) 、调试 (Debug) 、工具 (Tools) 、窗口 (Windows)、帮助(Help)八项。用鼠标点击某项菜单,可弹出该菜单的细目,如 文件项的细目含新建、保存、打开、上传、下载等项,可知文件菜单的主要功 能为程序文件的管理,可以或打开待编辑的应用程序。菜单条中的其他项目涉 及编程界面的变换、编辑语言的变更、程序编辑、调试等操作。 (2)工具条 工具条提供简单的鼠标操作,将最常用的 STEP7-Micro/WIN32 的操作以按钮的形式设定到工具条。可以用“检视 (View) ”菜单中的“工具 (Toolbars)”选项来显示或隐藏 3 中工具条:标准(Standard)、调试(Debug)和指 令(Instructions)工具条。菜单条中涉及的各种功能在工具条中大多都能找到。 (3)引导条 引导条为编程提供按钮控制的快速窗口切换功能。该条可用“检 视(View)”菜单中的“引导条(Navigation Bar)”选项来选择是否打开。引导条含 程序模块(Program Block)、符号表(Symbol Table)、状态图表(Status Chart)、数据 块(Data Block)、 系统块(System Block)和通信(Communication)等图标按钮。 单击 任何一个按钮,则主窗口切换成此按钮对应的窗口。引导条中的所有操作都可 29 用“指令树(Instruction 窗口或“检视(View)”菜单来完成,可以根据个人爱好 来选择使用引导操作以按钮的形式设定到工具条。 (4)指令树 指令树是编程指令的树状态列表。 可用 “检视(View)” 菜单中 “指 令树(Instruction Tree)”的选项来选择是否打开,并提供编程时所用到的所有快 捷操作指令和 PLC 指令。 (5)用户窗口 用户窗口用来显示编程操作的工作对象,可以以程序编辑器、 符号表、状态图、数据块及交叉引用五种方式进行程序的编辑工作。 5.2 实验装置简介 QSPLC-III 型可编程控制模拟实验箱是浙江求是公司生产的集可编程控制 器(西门子 S7-200)、STEP 7-Micro/WIN 编程软件、组态软件、仿真教学软件、 模拟控制实验板等于一体的仿真实验设备,具有实验项目齐全、配置灵活、内 容丰富等特点。不仅可满足各高等院校、职业学校对西门子 PLC 实验教学和相 关课程设计、考核的要求,还可作为工程技术人员的培训设备。 5.2.1 实验装置特点 ·基本实验采用固定式结构,实际物理对象采用模块化结构,可根据实验 项目、 网络要求进行组合,以后如果需要增加实验,只需添加部件即可。 ·实验装置由实验屏和实验桌组成,采用铁质双面亚光密纹喷塑结构。实 验桌设有抽屉、键盘抽屉和计算机存放柜。 ·实验屏由三块面板构成,2mm 厚的平面敷铜板制成,正面有元件图形符 号、字符、连线。中间一块为 PLC 主机及扩展模块,左右两块面板设计为由发 光二极管组成的模拟实验区。 ·实验对象来自于工业现场的典型应用,直观形象,集模拟量、数字量、 网络通信及电气控制于一体,通过实验,学生能够迅速掌握 PLC 的各种硬件结 构、编程方法及自动化通信网络方式,较快的适应工业现场的要求。 ·所有实验均有采用组态软件开发的动态监视画面,对 PLC 的动作进行跟 踪,可大大提高实验效果,激发学生的学习兴趣。 ·装置设有各种人身安全保护措施,并提供单独的 24V 电源以保护主机。 30 5.2.2 QSPLC-Ⅲ型实验装置电梯模块 QSPLC-III 型实验装置主机 CPU 模块为 CPU224。 QSPLC-III 型实验装置配 有多个实验模块, 能对许多基本的控制系统进行仿真。 下面简要介绍 QSPLC-III 型实验装置的电梯模块,电梯控制示意图如图 5-2。 KM2 轿厢上升 KM1 SB10 E4 SQ4 E10 四层呼叫灯 E9 SB9 E8 E3 SB8 SQ3 E7 二层上呼灯 E6 SB7 SQ2 E2 SB6 SB4 内呼四层 SB3 内呼三层 SB5 E1 SQ1 SB2 内呼二层 轿厢 SB1 内呼一层 E5 一层呼叫灯 二层下呼灯 三层下呼灯 三层上呼灯 轿厢下降 图5-2 电梯控制示意图 31 图中 SQ1、SQ2、SQ3 和 SQ4 分别位一至四层的楼层到位开关;E1、E2、 E3 和 E4 分别为一至四层的楼层指示灯;SB1~SB4 分别为内呼一至四层的按钮 SB5~SB10 为一至四层的外呼按钮。 5.3 程序的编辑 启动 STEP7-Micro/WIN32 编程软件,在用户窗口中编写梯形图。在编程前 要先确定主机型号,根据实际应用情况选择 PLC 型号:右击“项目 1(CPU221)” 图标,在弹出的按钮中单击“类型(Type)”,或用“PLC”菜单中的“类型(Type)” 命令,然后再弹出的对话框中选择所用的 PLC 型号。本文选用 PLC224,然后 根编写梯形图。 5.4 程序的调试 程序的调试及运行监控是程序开发的重要环节,很少有程序一经编制就是 完善的,只有经过运行甚至现场运行才能发现程序中不合理的地方,再进行修 改。STEP7-Micro/WIN32 编程软件提供了一系列工具,可使用户直接在软件环 境下调试并监视用户程序的执行。 在对程序进行调试时,应先将程序下载到 PLC 的存储器中,下载程序时先 检查电脑与 PLC 之间的通信是否正常,通信正常时才能进行下载程序。编辑完 成的程序可以点击工具条中的下载按钮进行下载。下载前软件将对下载的程序 进行编译,编译中若发现错误,则在输出窗口给出提示,并暂停下载。编译无 误的程序下载后会给出下载成功提示。 (1) 设置扫描次数 三层电梯程序调试时需要观察一定次数的扫描执行结 果, 因此需要设置扫描次数, 设置时将 PLC 置于 STOP 模式, 使用 “调试(Debug)” 菜单中的“初次扫描(First scans)”命令及“多次扫描(Multiple Scans)”命令,即 可指定执行扫描次数,然后单击确认(OK)按钮进行监视。 (2)程序监视 在程序的调试过程中,利用梯形图在 PLC 运行时,监视程序 的执行对各元件的执行结果,并可监视操作数的数值。在 QSPLC-III 型可编程 控制模拟实验箱的电梯模块上对照 4.1.2 中的 I/O 分配表连接线路。由于电梯运 行过程中需要手动按下实验装置中的一些开关按钮,然后点击编程软件工具条 32 中的程序状态监控按钮,监视在线程序状态。梯形图中将显示所有操作数的值, 所有这些操作数的状态都是 PLC 在扫描周期完成时的结果,结合控制要求通过 对操作数的值观察来判断程序是否合理正确。 5.5 控制系统仿真 在完成程序调试后,确保程序无误的情况下。在 QSPLC-III 型实验装置上 进行三层电梯控制系统仿线).实验装置接线:在 QSPLC-III 型实验装置电梯模块上(第四层被弃用), 对照 3.3.1 中的 I/O 分配表,完成 PLC 输入/输出端口的接线).下载程序:按下实验装置电源,将编辑好的程序下载到 PLC 中,下载程 序时将 PLC 设置成 STOP 模式。 3).运行程序:程序下载完毕后,将 PLC 设置成 RUN 模式。然后点击编程 软件中的 PLC 运行按钮,程序开始运行。 4).仿线 或 SB4,则轿厢上升至 3 层停。 (2)当轿厢停于 3 层或 2 层时,按下 SB5 或 SB1,则轿厢下降至 1 层停。 (3)当轿厢停于 1 层时,若按下 SB7 或 SB6 或 SB2 时,则轿厢上升至 2 层 停。 层停。 (5)当轿厢停于 1 层时,若按下 SB7 或 SB2,同时按 SB10 或 SB4,则轿厢 上升至 2 层暂停,继续上升至 3 层停。 (6)当轿厢停于 1 层时,若按下 SB6,同时按下 SB10 或 SB4,则轿厢上升 至 3 层暂停,转而下降至 2 层停。 (7)当轿厢停于 3 层时,若按下 SB6 或 SB2,同时按下 SB10 或 SB4,则轿 厢下降至 2 层停。 (8)当轿厢停于 2 层时,若先按 SB10 或 SB4,接着按 SB5 或 SB1,则轿厢 上升至 3 层停。 (9)当轿厢停于 2 层时,若先按 SB5 或 SB1,接着按 SB10 或 SB4,则轿厢 下降至 1 层停。 33 (4)当轿厢停于 3 层时,若按下 SB7 或 SB6 或 SB2,则轿厢下降至 2 结论 本文研究的课题背景是“基于西门子 S7-200PLC 的三层电梯控制系统设 计” ,完成了三层电梯具有的基本功能。根据电梯自身的特点,要求实现了每个 操作按钮功能都能模拟电梯的实物上的按钮功能一样,各楼层电梯外的按钮, 按下数字键,该键指示灯亮,在电梯到达该层且响应呼梯要求时指示灯灭。各 楼层电梯内的选层按钮,被按下时程序将对其进行登记,电梯将开往该楼层并 且停止时,对内呼信号进行消除,指示电梯运行到。模拟电梯的楼层位置是由 到位开关确定的,电梯运行到某层需手动按下到位开关,系统才能判断所到的 楼层。隔层运行时仍需手动按下到位开关。 本文设计的三层电梯控制系统, 采用西门子 S7-200 可编程控制器完成对三 层电梯内呼信号的登记及消除、外呼信号的记忆、消除及显示、电梯停层信号 的显示和电梯轿厢上下行状态的显示,完成了对程序的调试并在 QSPLC-III 型 可编程控制模拟实验箱上对系统进行模拟控制,实验结果证明设计的三层电梯 控制系统是合理并且正确的。 34 致谢 在本论文的研究过程中,得到了老师的悉心指导。柏老师渊博的学识、扎 实的理论功底、严谨的治学态度、执着的敬业精神以及宽阔的胸襟都是我学习 的榜样,让我受益匪浅。柏老师在论文的选题、资料查询、程序调试及定稿的 过程中给予了我无私的帮助和悉心的指导,在此对柏老师深表感谢。 另外,我还要感谢我的同学们。每当我在设计过程中遇到困难时,他们总 会伸出无私的双手,帮助我克服困难。对你们表示衷心的感谢。 35 参考文献 【1】 张万忠, 刘明芹.电器与 PLC 控制技术[M].第二板 北京: 化学工业出版社, 2009: 85-92 【2】 黄净. 电器及 PLC 控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002:231-237 【3】 汪晓平.PLC 可编程控制器系统开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2004: 279-324 【4】 严盈富.监控组态软件与 PLC 入门[M].北京:人民邮电出版社,2004:280-330. 【5】 李发海 王岩. 电机与拖动基础[M].第三板 北京: 清华大学出版社, 2008:68-90 【6】 西门子公司 SIMATIC S7-200 系统手册[Z].2002. 【7】 连志勇.电梯模型 PLC 控制[D].西安:西安建筑科技大学,2005. 【8】 王泽欣.基于 PLC 的电梯控制系统设计[D].大连:大连理工大学,2007. 【9】 杨祯山 张筠莉 ..电梯群控系统的结构及其技术发展趋势 [J]. 中国电梯,2010 , 14(01):4-6 【10】 李燕杰.S7-200PLC 原理与实用开发指南[M].北京:机械工业出版社,2008. 36

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