1、 陕西理工学院毕业设计论文 基于 S7-200 PLC 的电梯控制系统设计 张静 （陕理工机械工程学院，测控技术与仪器专业， 071 班，陕西 汉中 723003） 指导教师：王明武 摘要 电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密联系，随着人们对电梯运行的安全性、高效性、舒适性、方便性等要求的不断提高，让电梯得到快速发展。本文介绍了一种基于力控组态软件和西门子可编程控制器的电梯控制系统。该控制系统使用西门子 S7-200 系列的可编程控制器 CPU226 作为控制器，实现对电梯的精确控制；并利用装有力控组态软件的工控机作为上位机，来 对电梯控制系统进行监控和数据采集。 CPU226
2、 和上位机采用 PPI 接口来进行数据通讯和交换。分析了电梯的控制原理，对控制系统的硬件结构、软件设计和力控组态画面进行了较详细的说明。该电梯控制系统具有层楼信号的产生与消除、停层信号的登记与消除、电梯的定向、停车信号、开关门环节及报警等功能。 关键词 电梯；可编程控制器；控制；组态软件 陕西理工学院毕业设计论文 Design of elevator control system based on S7-200 PLC Zhang Jing （ Grade07,Class1,Major Observation and control technology and instrument, Sch
3、ool of Mechanical engineering, Shaanxi University of Technology, Han zhong 723003 Shanxi ） tutor: Wang Mingwu Abstract: As elevator is the vertical traffic tools of a modern high-rise buildings, it closely contact with peoples life .as peoples requirements for safe running ,high efficiency, comfort
4、and convenience the unceasing enhancement of the elevator , the elevator has fast developed. This paper describes the elevator control system configuration software based on configuration software and Siemens PLC. The control system uses the Siemens S7-200 series PLC CPU226 as the controller to achi
5、eve precise control of the elevator; and the use of configuration software installed industrial computer as the host computer, achieve the elevator control system to monitor and data collection. CPU226 and PC interface with PPI data communication and exchange. Analysis of the elevator control theory
6、, the control system hardware architecture, software design and power control configuration screen for a more detailed explanation. The elevator control system has the floor and the elimination of signal generation, stop the registration and the elimination of the signal level, elevator directional,
7、 stop signal, switching the door sessions, alarm functions and so on. Keywords: Elevator; Programmable Logic Controller; control ; Configuration software陕西理工学院毕业设计论文 I 目 录 1 电梯的发展与分类 . II 1.1 概述 . II 1.1.1 电梯产品的录属关系和在人们物质生活中的作用 . II 1.1.2 电梯产品发展简史 . II 1.1.3 电梯的运行工作情况 . II 1.2 电梯的分类 . III 1.3 电梯的主要参
8、数及规格尺寸 . III 1.3.1 电梯的主要参数 .V 1.3.2 我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定 . VI 1.4 电梯的组成部件 . VI 1.5 电梯工作原理 . VII 2 方案论证 . VIII 2.1 电梯控制方式的论证 . VIII 2.2 可编程控制器用于控制电梯的特点 . IX 2.3 整体设计流程的确定 . X 3 硬件及软件的概述 . XI 3.1 PLC 简介 . XI 3.1.1 PLC 的基本结构 . XI 3.1.2 PLC 的性能特点 . XII 3.1.3 PLC 的工作原理 . XIV 3.1.4 PLC 控制系统设计思路 . XIV 3.2
9、 编程软件简介及安装 . XV 3.2.1 PLC 的编程语言 . XV 3.2.2 STEP 7 概述 . XVI 3.2.3 STEP 7 Micro WIN 软件安装步骤 . XVI 3.3 力控组态软件简介及安装 . XX 3.3.1 力控组态 软件概述 . XX 3.3.2 力控组态软件安装要求及安装步骤 .XXI 4 硬件设计 . XXIX 4.1 控制要求分析 . XXIX 4.2 PLC 选型 . XXX 4.2.1 PLC 控制系统的 I/O 点数计算与分配 . XXX 4.2.2 PLC 的型号选择 . XXXII 4.3 电梯控制硬件连接 . XXXII 5 软件设计 .
10、XXXIII 5.1 开关轿厢门程序 .XXXIII 5.2 轿厢内呼和楼层外呼指示程序 . XXXV 5.3 自动选向程序 .XXXVII 6 上位机组态及编程 . XL 6.1 力控组态建立新工程的步骤 . XL 6.2 创建组态界面 . XLI 致谢 . LII 参考文献 . LIII 附录 A：外文资料翻译 附录 B：程序清单 附录 C：硬件连接图 附录 D：上位机组态界面 陕西理工学院毕业设计论文 II 1 电梯的发展与分类 1.1 概述 1.1.1 电梯产品的录属关系和在人们物质生活中的作用 随着人口的增加、科学技术日新月异地发展、人 们物质生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，
11、大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。我们完全可以想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将会和汽车一样，成为重要的运输设备之一。 在我国，电梯、手扶梯、自动人行道等属于起重运输设备。电梯是在垂直方向上运行的运输设备，手扶梯是在斜面上运行的运输设备。但是电梯和手扶梯都是把人或货物从一个水平面提升到另一个水平面的起重运输设备。 1.1.2 电梯产品发展简史 根据国外有关资料介绍，公元前 2800 年在古代埃及，为 了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。公元 1765 年瓦特发明了蒸汽机后， 1858 年美国研制出以蒸汽机为动力，并
12、通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。 1878 年英国的阿姆斯特郎发明了水压梯。并随着水压梯的发展，淘汰了蒸汽梯。后来又采用液压泵和控制阀以及直接拄塞式和侧拄塞式结构的液压梯，这种液压梯至今仍为人们所采用。但是电梯得以兴盛发展的根本原因在于采用了电力作为动力来源。 我国电梯的使用历史悠久。 80 年代中期以来，随着我国对外开放，对内告活经济的政策深入贯彻执行，随着技术引进工作的进一步开展，在国内 建立一批合资和独资电缆生产厂，使我国的电梯工业又取得巨大的发展，我国又新颁布一批具有 80 年代国际水平的电梯制造标准，随着采用新标准生产的电梯批量推向市场，技术性能和质量明显提高的电梯又进一步促进建
13、筑业和电梯业的发展，电梯工业蓬勃发展的局面已经形成。 1.1.3 电梯的运行工作情况 电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。起点站设在一楼，终点站设在最高楼，设在一楼的起点站常作为基站。起点站和终点站之间的停靠站称为中间站。 各站的厅外设有召唤箱 ，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮或触钮。一般电梯在两端站的召唤箱上各设置一只按钮或触钮，中间层站的召唤箱上各设置两只按钮或触钮。对于无司机控制的电梯。在各层站的召唤箱上均设置一置有手柄开关或与层站对应的按钮或触钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。召唤箱上的按钮或触钮称陕西
14、理工学院毕业设计论文 III 为指令或触钮，操纵箱上的按钮或触钮称为内指令按钮或触钮。外指令按钮或触钮发出的电信号称为外指令信号。内指令按钮或触钮发出的电信号称为内指令信号。 80 年代中期后，触钮已被微动按钮所取代。 作为电梯基站的厅外召唤箱，除设置一只召唤按钮或 触钮外，还设置一只钥匙开关，以便下班关闭电梯时，司机或管理人员把电梯开到基站后，可以通过专用钥匙扭动钥匙开关，把电梯的厅轿门关闭妥当后，自动切断电梯控制电源或动力源。 电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，但是汽车的起动、加速、停靠等全靠司机控制操作，而且在运行过程中可能遇到的情况比较复杂，因此汽车司机必须经过严格的培训和考核。而电
15、梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需要通过操纵箱上按钮或触钮向电气控制系统下达一个指令，电梯就能自动关门、定向、起动、加速，在预定的层站平层停靠开门。对于自动化程度比 较高的电梯，司机或乘用人员一次还可以下达一个一上的指令信号，电梯便能够依次起动和停靠，依次完成任务。 尽管电梯和汽车在运行工作过程有许多不同的地方，但仍有许多共同之处，其中乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接客。而载货电梯的运行工作情况下则类似卡车，执行任务为一次性的，司机或乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下
16、达一个指令任务，当一个指令任务完成后才达另一个任务。在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一层 站时，假若中间层站出现指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。 1.2 电梯的分类 电梯的分类比较复杂，一般常从不同的角度进行分类。 按用途分类 1）载货电梯：为运送货物而设计的并通常有人伴随的电梯。主要用于两层楼以上的车间和各类仓库等场合。这类电梯的装潢不太讲究，自动化程度和运行速度一般比较低，而载重量和轿厢尺寸的变化范围比较大。 2）住宅电梯：供住宅楼使用的电梯。 3）客货电梯：主要用做运送乘客，但也运送货物的电梯，它与乘客电梯的区别在于轿厢内部的装饰结构不同。 4）
17、病床电 梯：为运送病床而设计的电梯。 5）乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯。主要用于宾馆、饭店、办公楼、大型商店等客流量大的场合。这类电梯为了提高运送效率，其运行速度比较快，自动化程度比陕西理工学院毕业设计论文 IV 较高，轿厢的尺寸和结构形式多为宽度大于深度，使乘客能畅通地进出。而且安全设施齐全，装潢美观。 6）杂货电梯（服务电梯）：供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等，并不允许人员进入的电梯。这种电梯的安全设施不齐全，不准运送乘客。为了不使人员进入轿厢，进入轿厢内部的门洞及轿厢的面积都设得非常小，而且轿厢的净高度一般不大于 1.2m。 7）特殊电梯：除上述常用的几种电梯外，还有为特
18、殊环境、特殊条件、特殊要求而设计的电梯。如船舶电梯、观光电梯、防腐电梯、车辆电梯等。 按速度分类 1）电梯低速度：速度 V 1. 0m/s 的电梯。 2）电梯快速度：速度 1.0m/s V 2.0m/s 的电梯。 3）电梯高速度：速度 V 2.0m/s 的电梯。 按有无蜗轮减速器分类 1）有蜗轮减速器的电梯：适用于梯速为 3.0m/s 以下的电梯。 2）无蜗轮减速器的电梯：适用于梯速为 3.0m/s 以上的电梯。 按曳引电动机的电源分类 （ 1）交流电源供电的电梯： 1）采用交流异步 双速电机变极调速拖动的电梯，简称交流双速电梯（速度一般小于 1.0m/s）。 2）采用交流异步双绕组双速电机调
19、压调速拖动的电梯（俗称 ACVV 拖动电梯） 3）采用交流异步单绕组单速电机调频调压调速拖动的电梯（俗称 VVVF 拖动的电梯） （ 2）直流电源供电的电梯： 80 年代中期前用在中高档乘客电梯上，以后不再产生。 按驱动方式分类 1）钢丝绳式：曳引电动机通过蜗杆、蜗轮、曳引绳轮、驱动曳引钢丝绳两端的轿厢和对重装置做上下运行的电梯。 2）液压式：电动机通过液压系统驱动轿厢上、下运行的电梯。 按控制方式分类 1）轿内手 柄开关控制的电梯； 2）轿内按钮开关控制的电梯； 3）轿外按钮开关控制的电梯； 4）轿内、外按钮开关控制的电梯； 陕西理工学院毕业设计论文 V 5）集选控制的电梯； 6）信号控制的
20、电梯； 7） 2 台或 3 台并联控制的电梯； 8）梯群控制的电梯。 按拖动方式分类 1）交流异步单速电机拖动的电梯； 2）交流异步双速电机变极调速拖动的电梯； 3）交流异步双绕组双速电机调压调速（俗称 ACVV）拖动的电梯； 4）交流异步单速电机调频调压调速（俗称 VVVF）拖动的电梯； 5）直流电机拖动的电梯。 1.3 电梯的主要参数及规格 尺寸 1.3.1 电梯的 主要参数 1）额定载重量（ kg）：制造和设计规定的电梯载重量。 2）轿厢尺寸（ mm）：高宽深。 3）轿厢形式：有单或双面开关门及其它特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择等。 4）轿门形式：有栅栏门、封闭式中
21、分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等。 5）开门宽度（ mm）：轿厢门和厅门完全开启的净宽度。 6）开门方向：人在厅外面对厅门，门向左方向的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称为中分门。 7）曳引方式：常用的有半绕 1： 1 吊索法，轿厢的运行速度等于 钢丝的运行速度。半绕 2： 1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半。全绕 1： 1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。 8）额定速度（ m/s）：制造和设计所规定的电梯运行速度。 9）电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。
22、10）停层站数（站）：凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站。 11）提升高度（ mm）：由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离。 12）顶层高度（ mm） :由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的垂直 距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。 13）底坑深度（ mm）：由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速陕西理工学院毕业设计论文 VI 度越快，底坑一般就越深。 14）井道深度（ mm）：由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间的垂直距离。 1.3.2 我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定 为了加强对电梯产品的管理，提高电梯产品的使用
23、效果，国家曾于 1974 年颁布了JBI435-74、 JBI816-74、 JB/Z110-74等一批电梯产品的局部标准。 电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据。用户选用 电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、载运对象等，按照标准的规定，正确选择电梯的类别和有关参数与尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物。否则会影响电梯的使用效果。 1.4 电梯的组成部件 电梯是一种复杂的机电产品，一般由机房、轿厢、厅门及井道和井底设备等 4个基本部分组成。 1.机房 -机房位于电梯井道的最上方或最下方，用于装设曳引机、控制柜、限速器、选层器、地震检测仪、配线板、总电源开关及通风
24、设备等。 当机房设在井道底部时，称为下置式曳引方式。由于此种方式结构较复杂，钢丝绳弯折的次数较 多，缩短了钢丝绳的使用期限，增加了井道承重，且保养困难，所以一般不采用，只有机房不可能设在井道顶部时才采用。相反，机房上置式曳引方式因设备简单，钢丝绳弯折次数少，成本低，维护简单等特点，最为普遍采用。如果机房即不可能设在井道底部，也不了能设在顶部时，可考虑选用液压式电梯，即机房侧置式。 机房结构必须坚固，防震和隔音，有足够的面积，、高度、承重能力和良好的通风条件，而且室内经常保持有适度的照明亮度，保持干燥清洁等。通常有如下的规定： 1)面积一般至少为井道侧面积的 2 倍以上，对交流电梯，一般为 2
25、2.5 倍；对直流电梯，一般为 3 3.5 倍。 2)高度指机房地面至顶板的垂直距离。对客梯、病房梯，一般为 2.2 2.8m 以上；对货梯，一般为 2.2 2.4m 以上。 3)承重能力。机房的地板要求能承重 6kPa(杂物梯为 4kPa)的均部载荷。在曳引机安装的上方，应设吊钩用于维修。钩的承重能力如下：对额定载重量 500 3000kg 的电梯，应大于 2000kg；对额定载重量 5000kg 的电梯，应大于 3000kg。 4)对于机房的设置有以下 3 种方式：机房下置式、机房上置式和机房侧置式。 2.轿厢与对重 陕西理工学院毕业设计论文 VII (1)轿厢 轿厢是是用来安全 运送乘客
26、及物品到目的层的箱体装置，它的运行轨迹是在曳引钢丝绳的牵引下沿导轨上下运行。 (2)对重 对重又称平衡重，起到平衡轿厢的作用（但这种平衡是相对的和变化的）。对重与轿厢通过曳引绳的连接，利用曳引绳与曳引轮槽之间的摩擦力驱动轿厢的上升和下降。 3.厅门（层门） 厅门是为确保在候梯厅的乘客安全而设置的开闭装置，只有在轿厢停层和平层时才被打开。 4.井道与井底设备 (1)曳引钢丝绳 连接轿厢与对重，驱动轿厢上下运行。 (2)导轨 使轿厢和平衡对重在井道内垂直升降的导向装置。 (3)限速钢丝绳、张紧装置 用以防止限速钢丝绳的松弛或摇动，把轿厢速度正确地传送到限速器的辅助装置。 (4)补偿链 由于轿厢升降
27、，轿厢侧与对重侧的曳引钢丝绳重量比随之变化。为了修正这个变化，减轻电动机的负载，将轿厢与对重用补偿链连接起来，一般用于提升高度超过 30m 的电梯。 (5)终端保护装置 终端保护装置由终端电气保护装置和机械缓冲装置两部分相组成，终端电气保护装置由换速开关、限速开关和极限开关组成。机械缓冲装置是指位于底坑的各种缓冲器，它们是电梯安全保护的最后一道措施，设置在井道底坑中且正对轿厢和对重，起作用是防止轿厢和对重 冲顶撞底。 1.5 电梯工作原理 曳引绳两端分别连着轿厢与配重，并通过变频器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦所产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导
28、靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨做往复升降运动，防止轿厢在运动中产生偏斜或摆动的动作。常闭式制动器在电动机工作时间松闸，使电机运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持静止状态，以供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，配重用来平衡轿厢载荷、减少发动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳 运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、报警工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。 陕西理工学院毕业设计论文 VIII 2 方案论证 2.1 电梯控制方式的论证 随着科学目前，电梯行业在
29、我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统 (“早期安装的电梯多位继电器控制系统 )、微机控制系统、 PLC 控制系统。而在今天选择控制电梯运动的设备已经从传统的继电器 接触器转变成可编程控制器（ PLC）。 继电器控制系 统由于线路复杂，接线多，故障率高，维修保养难，许多已处于闲置状态，其曳引系统多采用交流双速电机系统换速，由于效率低，调速性能指标较差等缺点，严重影响电梯运行质量，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗干扰性差，系统设计复杂，一般的技术维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而 PLC 控制系统由于
30、运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强 ,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造中。 可编程控制器（ PLC）与其他计算机控制相比较： 个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。 单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部 I/O 信号相连。要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和 I/O 接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实
31、践经验。 工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是 PC 总线工控机，它与个人计算机兼容。工控 机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域均占有优势。工控机的外部 I/O 接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程控制器的接线端子方便可靠。 以上各种计算机用于控制的程序一般都是用汇编语言编写的，可编程控制器不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气维护人员的技能和习惯，摒弃了常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格的形成了一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使 用户程序的编写清晰直观、调试和查错都很容易进行。 可编程控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合
