1、自动控制原理课程设计(论文)设 计 （ 论 文 ） 题 目基 于 plc， 组 态 王 四 层 电 梯 控 制 学 院 名 称 专 业 名 称 学 生 姓 名 学 生 学 号 任 课 教 师 _ 设 计 （ 论 文 ） 成 绩教务处 制年 月 日基于 PLC 四层电梯控制系统设计四层电梯设计采用西门子 S7-200 控制，利用软件实现对电梯运行自动控制，大大提高了电梯的可靠性、安全性、快捷性，另外节省了大量外部接线，简化了控制系统结构。另外可以方便的增加或改变控制功能，并便于检修。本设计系从第一章介绍 PLC、变频器、传感器开始，先概要的介绍了 PLC 概念和工作方式，变频器和传感器概念、工作
2、原理以及分类。第二章通过比较设计方案，确定设计方案。第三章合理设置变频器参数，提高运行过程中电梯带来的舒适感，设置电梯井道、轿厢内、电梯层门口的各个部件，设置保障电梯运行时安全保护环节，达到电梯运行安全第一。第四章确定输入输出端口，设计 PLC 外部接线图，编写梯形图，对梯形图网络解释说明。摘 要随着科学技术的发展，我国的电梯生产技术得到了迅速发展。目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC 控制和微型计算机控制三种。而 PlC 实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于 PLC中的内部辅助继
3、电器及保持继电器等实际上是 PLC 系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。PLC 控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。第一章 绪论一、 可编程控制器简介1.1 可编程控制器的定义PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器， 定义：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中而设计的。它采用一类可编程的控制器，用于
4、其内部存储程序执行逻辑运算，顺序控制，定时，技术与运算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。1.2 S7-200 Micro PLC 的概述S7-200 系列是一类可编程逻辑控制器(Micro PLC)。这一系列产品可以满足多种多样自动化控制需要，（如图 1.2）展示一台 S7-200Micro PLC。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得 S7-200 可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的 CPU 类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。图 1.2 西门子 PLC S7-200 外部结
5、构1.3 可编程控制器的工作原理（一）PLC 的工作方式PLC 虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方式，当有按键按下或I/O 动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无按键按下，则继续扫描等待。PLC 采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行对。当 PLC 运行时，CPU 根据用具按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第
6、一条指令，在开始下一次扫描；如此周而复始。实际上PLC 扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断。通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。（1） 自诊断每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容包括 I/O 部分、存储器、CPU 等，并通过CPU 设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，如果发现异常，则停机并显示出错，若自诊断正常，则继续向下扫描。(2) 通讯服务PLC 检查是否有与编程器、计算机等的通讯要求，若有则惊醒相应处理。（3） 输入处理PLC 在输入刷新阶段，首先以扫描方式按顺序从输入缩存器中写入所有输入端子的状态或数据，并将其存
7、入内存中为其专门开辟的暂存区输入状态映像区中，这一过程称为输入采样，或是如刷新，随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，即使输入端有变化，输入映像区的内容也不会改变，变化的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。（4） 输出处理同输入状态映像区一样，PLC 内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区，当程序的所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态就在 CPU 的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定的输出方式输出，推动外部的相应执行器件工作，这就是 PLC 输出刷新阶段。(5) 程序执行PLC 在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令。从输入状态映像区独
8、处输入信号的状态，经过相应的运算处理等，将结果写入输出状态映像区。通常将自诊断和通讯服务合称为监视服务。输入刷新和输出刷新称为 I/O 刷新。可以看出，PLC 在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入、输出会被封锁。这种方式称做集中采样、集中输出。（二）扫描周期扫描周期即完成一次扫描（I/O 刷新、程序执行和监视服务）所需要的时间，有 PLC 的工作过程可知，一个完整的扫描周期 T 应为：T=（输入一点时间*输入点数）+（运算速度*程序步数）+（输出一点时间*输出点数）+监视服务时间扫描周期的长短主要取决于三个要
9、素：一时 CPU 执行指令的速度；二是每条指令占用的时间；三是执行指令条数的多少，即用户程序的长度。扫描周期越长，系统的响应速度越慢。现在厂家生产的基型 PLC 的一个扫描周期大约为 10ms，这对于一般的控制系统来说完全是允许的，不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力，这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行。PLC 在一个工作周期的大部分时间里实际上是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲式的，短期的，由于系统响应慢，往往要几个扫描周期才相应一次，多次扫描因瞬时干扰而引起的误动作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对控制时间要求较严格、相应速度要求较快的系统，就需要精心编制
10、程序，必要时还需要采取一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的影响带来的不良影响。1.4 编程控制器与其它工业比较基于 PLC 控制的电梯自动控制管理系统，PLC 就物理结构来说有丰富的输入输出端，而从 PLC 的逻辑结构来看，内部有许多软元件，如输入输出继电器、辅助继电器、状态器、计数器、计时器和数据寄存器及器件所对应的常开常闭接点，方便对电梯上下、召唤信号自动定位、召唤信号自动排序、楼层显示、欠压保护、短路保护、过载保护等；大所数 PLC 的编程方式都用梯形图编程、指令表编程和顺序功能图（SFC）编程，特别是梯形图编程方式，方便编写，直观易懂，容易修改。除了运用基本指令可以完成大量工作，功能指
11、令的扩展更为系统开发、调试和维护带来许多便利，本文以梯形图编程方式设计四层电梯自动控制系统，无论从设计到功能分析都是极为方便的。可编程控制器的原理是在确立了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的。一次循环可分五个阶段，分别为内部处理阶段、通信服务阶段、输入处理阶段、程序执行阶段、输出处理阶段。第二章 PLC 的系统硬件设计2.1 PLC 控制系统设计的基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1)最大限度地满足被控对象的控制要
12、求充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。2)保证 PLC 控制系统安全可靠保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3)力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高
13、产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4)适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择 PLC、输入/输出模块、/O 点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2.2 可编程控制器机型的选择为了完成设定
14、的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定 PLC 的机型。本系统为六层楼的电梯,采用集选控制方式。所需输入/输出点数与内存容量估算如下:1输入/输出点的估算：采用 PLC 构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮 K1 和指示灯 H1，二层有上升呼叫按钮 K2 和指示灯 H2 以及下降呼叫按钮K4 和指示灯 H4，三层有上升呼叫按钮 K3 和指示灯 H3 以及下降呼叫按钮 K5 和指示灯 H5，四层有下降呼叫按钮 K6 和指示灯 H6。一至四层有到位行程开关 SQ1SQ4。电梯内有一至四层呼
15、叫按钮 K10K7 和指示灯H10H7；电梯开门和关门按钮 SB5 和 SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁 KM3 和 KM4 控制，关门到位由行程开关 ST1 检测，开门到位由行程开关 ST2 检测。轿厢上行和下行由接触器 KM1 和 KM2 控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。输入点共有 14 个，输出点共有 16 个,总共 30 个。2. 内存容量的估算用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量 I/O 总点数有 30 个，模拟量 I/O 数为 0 个。
16、利用估算 PLC 内存总容量的计算公式: 所需总内存字数=开关量 I/O 总点数(1015)+模拟量 I/O 总点数(150250)再按 30%左右预留余量。估算本系统需要约 1K 字节的内存容量。综合 I/O 点数以及内存容量，S7200 的 CPU226 输入，输出点数为 2416，足以满足要求。2.3 输入/输出点分配：该系统占用 PLC 的 30 个 I/O 口，14 个输入点，16 个输出点，具体的 I/O 分配如表 5-1 所示。表 5-1 I/O 分配表序号 名 称输入点序号 名 称 输出点0 一层平层 I0.0 0 电梯上行记忆 Q0.01 二层平层 I0.1 1 电梯下行记忆
17、 Q0.12 三层平层 I0.2 2 电机正转 Q0.23 四层平层 I0.3 3 电机反转 Q0.34 内呼一楼 I0.4 4 内呼一楼指示 Q0.45 内呼二楼 I0.5 5 内呼二楼指示 Q0.56 内呼三楼 I0.6 6 内呼三楼指示 Q0.67 内呼四楼 I0.7 7 内呼四楼指示 Q0.78 一层外呼上行 I1.0 8 一层外呼上行指示 Q1.09 二层外呼上行 I1.1 9 二层外呼上行指示 Q1.110 三楼外呼上行 I1.2 10 三楼外呼上行指示 Q1.211 二楼外呼下行 I1.3 11 二楼外呼下行指示 Q1.312 三楼外呼下行 I1.4 12 三楼外呼下行指示 Q1
18、.413 四楼外呼下行 I1.5 13 四楼外呼下行指示 Q1.514 手动开门 I2.0 14 门电机正转 Q1.615 手动关门 I2.1 15 门电机反转 Q1.716 开门限位 I2.2 17 关门限位 I2.3 18 电梯上升极限位 I2.4 19 电梯下降极限位 I2.5 2.4 PLC 外部接线图本设计的 PLC 外部接线图如图 5-2 所示.CPU226CN 的传感器电源 24V(DC)可以输出 600mA 电流，通过核算在本设计中 PLC 容量完全满足要求，CPU226CN 的输出继电器触点容量为 2A，电压范围为 530V（DC）或5250V（AC）。图 5-2 PLC 外
19、部接线图第三章 变频器参数设置及计算3.1 变频器参数设置由于采用 PLC 作为逻辑控制部件，故变频器和 PLC 通讯时采用开关量而不用模拟量。参数设置的原则:(1)为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；(2)为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击; (3)零速一般设置为 0HZ；(4)变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入表 5-2 安川 616G5 变频器主要参数设置表3.2 变频器自学习功能的应用方法为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而616
20、G5 就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。3.3 VS 一 616G5 变频器的连接图3.4 变频器容量计算变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行选取。设电梯曳引机电机功率为P1 电梯运行速度为 v，电梯自重为 w1，电梯载重为 W2 配重为 W3 重力加速度为 g，变频器功率为 P。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为 P
21、2: P2=(W1+W2-W3)g+F1v其中 F1=K (W1+W2-W3) g+为摩擦力，可忽略不计。电机功率 P1，变频器功率 P 应接近于电机功率 P1，相对于 P2 留有较大裕量，可取 Pl.5P23.5 变频器制动电阻参数的计算由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能.带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高.采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果.能耗制动电阻 R1 的大小应使制动电流 I1的值不超过变频器额定电流的一半，即I1=Uo /R1I/2其中 Uo 为
22、额定情况下变频器的直流母线电压.由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率.第四章 四层电梯系统结构框图4.1 电梯开关门流程图电梯开关门流程图4.2 电梯上升下降流程图电梯上升下降流程图4.3 外召唤信号登记及消除4.4 内指令信号登记及消除点动内呼按钮，信号登记显示。到层信号取消。本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。4.5 电梯的平层信号处理4.6 选层定向及反向截梯1.轿厢上行2.轿厢下行4.7 内指令外召唤信号的保持轿厢的内呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动执行开关门操作。开关门执行一次之后，信号取
23、消。使电梯能够继续响应其他乘坐信号。4.8 各楼层停车信号第五章 组态仿真5.1 上位机软件设计概述组态软件是数据采集监控系统 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态王软件是国内第一家较有影响的组态软件开发公司北京亚控科技
24、发展有限公司开发的在国内使用较广泛的软件品牌(更早的品牌多数已经湮灭)。相对于其它组态软件，组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，也提供多种硬件驱动程序。本文使用的组态王软件的较新版本组态王 kingview6.5320。1)组态王 kingview6.53 的主要性能特点。组念王是亚控科技公司自主开发的组态技术软件，其技术在不断的创新中，组态王 kingview6.53 主要的性能特点简要列举如下：a画面制作系统：支持无限色和过渡色， 使用户轻松构造面无限逼真、美观的画面。并且提供图库、按钮、位图、可视化动画连接向导等功能，使画面设计过程变得简单易行
25、。b报警和事件系统：分布式报警管理提供多种报警管理功能，还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。c报表系统：提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表，提供报表工具条，操作简单明了。d控件：支持 Windows 标准的 Active X 控件(主要为可视控件)，包括 Microsoft 提供的标准 Active X 控件和用户自制的 Active X 控件；新增三个功能强大的控件，即数据表格控件、历史曲线控件、PID 调节控件eOPT：开发人员可以从任何一个 OPC 服务器直接获取动态数据，并集成到组态王中；同时组态王作为OPC 服务器，可向其他符合 O
26、PC 规范的厂商的控制系统提供数据。f通讯系统：支持远程拨号、支持开发中进行硬件测试、支持网络 DDE，实现组态王与 excel 和 vb 程序间通过网络进行数据交换。g安全系统：采用分级和分区保护的双重保护策略，使工程的安全性大大提高。2)组态王系统的结构“组态王”是运行于 Microsoft Windows 98，NT、2000 和 XP 版本中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM 组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。工程浏览器(PROJMAK)：是一个具有集成开发的环境。在工程浏览器中可以创建工程，并对工程进行管理。可以查看工程的各个组成部分，完成构造数据库、
27、定义外部设备等工作。开发系统(TOUCHMAK)：开发系统是应用程序的开发环境。在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。TOUCHMAK 具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。运行系统(TOUCHMAK)：组态王软件的实时运行环境。在 TOUCHMAK 中建立的图形画面只有在 TOUCHIVEW 中才能运行。TOUCHVIEW 从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数
28、据文件。画面的“开发系统”和“运行系统”由“工程浏览器”调用，且两个系统可以独立于“工程浏览器”工作。3)组态王制作一个工程的一般过程建立新组态王工程的一般过程是：l、设计图形界面(定义画面)2、定义设备3、构造数据库(定义变量)4、建立动画连接5、运行和调试需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：图形用户希望怎样的图形画面?也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设各。数据怎样用数据来描述工控对象的各种属性?也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，
29、比如温度，压力等。连接数据和图形画面中的图素的连接关系是什么?也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令 21。5.2 设计监控画面在组态平台上，创建“四层电梯实验监控”用户窗口。图 6-1 四层电梯实验监控5.3 定义数据变量实时数据库是工程的数据交换和数据处理中心。数据变量是构成实时数据库的基本单元，定义实时数据库也是定义数据变量的过程。定义数据变量之前要定义仿真 PLC。图 5-2 仿真 PLC 定义图 5-3 数据变量的定义将离散型变量属性初始值设置为 0。内存实型除 FM1 之外都设置为 0，FM1 设置为 60（门颜色最大填充值） ，即电
30、梯初始态处于一层，并且开一层的电梯门等待客人呼梯。5.4 变量动画连接由图形搭建的的图形界面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真是的描述外界的状态变化，达到过程实施监控的目的。第四层门的开放关闭演示。门的关闭开放使用的两个矩形，开放时颜色填充动画从中间向两边填充。即左边的矩形向左填充，右边的矩形向右边填充。图 5-4 第四层门的开关动画连接图 5-5 按钮命令连接本设计是仿真设计，故电梯的控制使用的是内存变量。当按下相应按钮时，按照 55 毫秒的周期被扫描读取。轿厢的移动是一个垂直移动的动画连接，而且需要利用 J 轿厢内存变量完成在不同的层站中停留。图 5-6 轿厢移动动画命令5.
31、5 应用程序命令本程序初始化似的电梯处于第一层，并开门等待乘客；有内选或呼梯时，启动轿厢前往目标层，能够实现顺向截梯，当条件满足时，反向截梯成功。开门后，延时 3 秒，使得乘客从容进出；在第 2、3 层时，关门后延时 3 秒，等待内选信号；若无任何内选、呼梯信号将前往第一层，并开门，防止有醉酒等情况的乘客困于电梯中。if(本站点一楼按钮=1if(本站点二楼上=1if(本站点二楼下=1if(本站点三楼上=1if(本站点三楼下=1if(本站点四楼下=1if(本站点轿厢位置0)本站点轿厢位置=本站点轿厢位置-10;else本站点轿厢位置=0;if(本站点轿厢位置130)本站点轿厢位置=本站点轿厢位置
32、-10;if(本站点轿厢位置250)本站点轿厢位置=本站点轿厢位置-10;if(本站点轿厢位置250)本站点轿厢位置=本站点轿厢位置+10;学生学习心得通过这次对对电梯控制的设计制作，让我了解了 PLC 设计的基本步骤，也让我深入思考了关于电梯控制的原理与设计理念，以及必须考虑到的每一个细节。即使这样，如果做成成品，更有更多的细节需要推敲与考量。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，我学会从多角度考虑问题，细心分析。所以说，坐而言不如立而行，对于这些设计还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。学生（签名）：年 月 日诚信承诺本人郑重声明所呈交的课程报告是本小组在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同学对本文研究所做的贡献均已在报告中作了明确的说明并表示谢意。学生（签名）：任课教师评语成绩评定：任课教师（签名）：年 月 日
