三层电梯模拟装置控制系统设计

摘 要 本程序设计利用SIEMENSS7─200系列CPU226的PLC进行编程实验，通过任务下达、任务分析、控制系统框图的设计、流程图的设计、PLC的I/O分配、程序编制、梯形图的绘制、程序的调试、程序的分析、功能实现等环节，已初步达到了设计任务的要求，此设计以SIEMENS S7─200系列CPU226 的PLC为控制主体，要求达到三层楼电梯控制，主要处理轿厢内呼梯信号和轿厢外呼梯信号，通过用梯形图编程已实现了题目所要求的基本功能。

关键词 可编程序逻辑控制 传感器 电梯 梯形图

中图分类号：G718.2 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2014）02-0014-04

在工业生产的各个领域中，无论是过程控制系统还是电气控制系统，都包含着大量的开关量和模拟量。随着生产力的发展和科学技术的进步，人们对所用控制设备不断提出新的要求，要求设备更加通用、灵活、易变、经济、可靠，很显然固定接线的传统方式已经不能满足新的要求了，这时可编程序逻辑控制器（简称PLC）就应时代的要求孕育而生了。

一、概述

可编程序控制器（PLC），1969年在美国DEC公司出现以来，经过20多年的发展，现在已经成为一种以微机为基础发展起来的新一代工业控制装置。它采用大规模集成电路、微型计算机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点的微型、小型、中型、大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。它最适用于以开关量为主的控制功能；通过模/数（A/D）转换器和数/模（D/A）转换器，也可以控制模拟量，例如控制温度、压力、流量、成分等参数；还可与计算机组成控制功能更强的分布式控制系统（Distributed Control System，简称DCS），是实现工业自动化的理想工具之一，在世界上已得到极其广泛的应用。

PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。结构图如1所示。

PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程包括内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2所示。

我们采用的是SIMATIC S7―200系列的小型可编程序控制器，CPU采用226型，其主机输入和输出点数为40点，具有扩展功能，最大可扩展为248点数字量或35点模拟量，增加了通信口的数量，通信功能大大增强。表1给出了主机及I/O特性。

SIMATIC S7―200系统的扫描周期包含以下任务：

输入处理、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试和写输入。如图3所示。

二、总设计方案

（一）系统组成框图

系统组成框图如图4所示。

（二）系统工作原理

1.任务描述

在现代电梯控制系统中，旋转编码器的利用率很高。既可以利用它作为反馈量形成闭环系统，具体地说是用它与电梯拖动电机同轴连续，共同旋转时产生的码反馈给变频器系统，变频器根据传给它的码数控制速度。同时我们还可以利用这个旋转编码器产生的码计算位移，本课题就是利用它的第二个作用计算电梯的行走距离，计算层间距，以达到准确停靠。

一台实际的电梯控制是很复杂的，涉及的内容很多，需要的输入/输出点数也很多，一般教学上都是通过模拟装置来完成课程设计。因为时间紧，在此次设计之前我们没有开理论基础课等因素。所以，这次设计中，我们去掉用旋转编码器控制行走距离这一环节，改成用传感器决定层间距，即利用水平放在桌面上装有原动机、传感器的传送带来模拟垂直交通工具――电梯，再配上相应的呼梯按钮，层标显示装置，继电器，PLC程序，把有关的对外器件线路接好调试运行正常，再完成整体设计报告。

2.控制任务和要求

电梯共有三层，设三个站点，电梯每走到一层就设一个传感器（因为是直流24V电机，转速不是很快，所以停靠时，不需要减速过程就可以准确靠位）。

在某站停靠后，如果没有别的层站呼叫，电梯轿厢就始终停靠在这里；如果已有登记的呼叫信号，那在本站停靠后，要等3秒后才能启动继续运行。这样做的目的，就是模拟到站后上、下乘客及开、关过程。如果已过3秒钟才有呼梯信号，那什么时候来信号，立即响应运行电梯。如果此时有本层呼梯信号，那其它层站要等3秒钟后才能响应。

呼梯信号的响应原则是：优先响应最远信号，顺向截车，反向保号（记忆）。如在停靠等待过程中（3秒内）有呼梯信号，响应原则是轿内优先。这就是说此刻之前没有定向，这时如果外呼与内选同时出现那就要内选优先。

层梯显示用7段数码管。电梯运行用钥匙开关控制。所有的输出点都要用上，用了11个输入点。以上的控制任务和要求都已实现。

三、系统硬件设计

（一）统的I/O配置说明

其中线圈的一端与内选灯和外选灯的一端接直流24V的负极，而1L、2L、3L都接24V的正极。N与L1接交流220V。按钮SB1―SB7与QS1―QS3的电源正极和SQ1的一端接在PLC上的L+上，而QS1―QS3的负极接在M上。

（二）硬件配置

系统所用硬件如下：

SIMENS S7―200 CPU226可编程控制器PLC1个、MY2NJ继电器2个、Ni10-Q25-AP6X传感器2个、Ni8-M18-AP6X传感器1个、NES―100BAS数码管1个 、55ZYN001直流电动机1个、ZB2-BE101C钥匙开关1个、A00371带指示灯按钮1个、传送带实验模型1个、24V直流电源1个、220V交流电源1个、导线若干。

四、系统软件分析及调试

（一）程序分析及运行

本系统的程序是用梯形图实现。

1.当钥匙开关打开时，I0.0得电，电梯处于任意一层，程序在等待内呼或外呼信号。

2.当有外呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，延时3秒后开始运行，到达该楼层时，轿厢停止运行，等待呼梯信号。

3.当有内呼梯或外呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，到达该楼层时，轿厢停止运行。

4.在电梯轿厢运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应且保住该信号，但如果某反向外呼梯信号前方再无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外呼梯信号。例如，电梯轿厢在一楼，将要运行到三楼，在此过程中可以响应二层向上外呼梯信号，但不响应二层向下外呼梯信号。如果电梯到达二层，如果三层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应二层向下外呼信号。否则，电梯轿厢将继续运行至三楼，然后向下运行响应楼下外呼信号。

5.电梯应当具有最远反向外呼梯响应功能。例如，电梯轿厢在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，则电梯轿先去响应三层向下外呼梯。

6.在电梯得到其它有效呼机信号后，还没运行前，按下本层外呼按钮，会再延时3秒，再运行，若长按本层外呼按钮则电梯停在本层不运行。

7.电梯有轿内优先功能。如轿厢停在二楼时同时按下1层内呼按钮（SB1）和3层外呼按钮（SB7）时则先响应1层内呼信号，再响应3层外呼信号，同理，如轿厢停在二楼时同时按下3层内呼按钮（SB3）和1层外呼按钮（SB4）时则先响应1层内呼信号，再响应3层外呼信号。

（二）出现的问题及解决方法

在梯形图的设计时，遇到了很多问题，在老师的指导下都一一的解决了。

1.电梯有正向截车没有反向保号，我们的解决方法是在梯形图中，（如附录中网络8和网络9）一一列举出需要正向截车反向保号的情况，然后用M2.0和M2.1在需要保号时分别保2层向下外呼信号和2层向上外呼信号。

2.电梯没有轿内优先的功能，但我们也解决了，方法是在梯形图中（如附录中网络3和网络4），用1层的内呼灯信号（Q0.7）的常闭触头串接在3层外呼运行信号M0.1的支路上，用3层的内呼灯信号（Q1.1）的常闭触头串接在1层外呼运行信号M0.3的支路上。

五、设计体会

经过本次三层电梯模拟装置控制系统设计，从最初的了解到现在的熟悉乃至能够独立的编程实现所要求的控制功能，使我得到了很好的锻炼。

在基础程序设计与应用中，从最初对简单指令的了解到高级指令的掌握，都凝聚了自己所付出的艰辛的汗水，把一个个的疑问在实际的应用中都到了解决，从真正意义上实现了理论与实践的结合。

本次系统设计检验了我的所学所得，能够验证出自己的程序是否能在实际应用中得到很好的应用，经过自己亲自动手的设计，在实际应用中会存在很多的问题，通过修改程序、调试程序、对电路的调整解决问题，很好地做到了理论与实践的相结合。

在三层电梯模拟装置程序设计中，接触到了PLC在实际生活、生产应用中的例子。对于我来说，它的程序是比较复杂、也是比较难的，这个程序的实现对我而言真是一个很大的考验。而且还要完成设计任务、系统组成或硬件配置、进行编程元件地址的分配、I/O接线图的绘制及系统原理图的绘制、梯形图的绘制、程序的分析与操作说明等等，可以说初步接触到了一些应用性的东西，为自己的教学积累了经验。

通过本次的专业综合课程设计，使我的专业知识得到了巩固加深，尤其是编程方法及一些工程设计经验等方面知识的灵活运用，使我在设计该系统时少走了很多弯路。

参考文献：

[1]陈春雨，李景学.可编程控制器应用软件设计方法与技巧[M].北京：电子工业出版社，1992.

[2]何衍庆，戴自祥，俞金寿.可编程序控制器原理及应用技巧[M].北京：化学工业出版社，1985，（8）.

[3]张进秋，陈永利，张中民.可编程控制器原理及应用实例[M].北京：机械工业出版社，2003，（11）.