基于PLC的五层电梯控制系统的设计

.摘 要 随着大型和巨型楼宇的兴建,电梯得到了快速的发展。在电梯逻辑控制方面,由于可编程控制器(PLC)具有编程软件采用易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠、易操作、维修方便等特点,使可编程控制器(PLC)已全面代替原来的继电器控制。 将可编程序控制器(PLC)应用于电梯进行逻辑控制，大大提高了电梯可 靠性、可维护性以及灵活性，延长了使用寿命.，同时缩短了电梯的开发周期。这种电梯控制系统较原有电梯控制系统可以更容易的完成更为复杂的控制任务，其许多功能是传统的继电器无法实现的。编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它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， 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术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。 围绕这个目标，本文首先介绍了电梯的基本结构，接着论述了各主要环节的控制部分以及控制要求，然后着重介绍了基于西门子S7-200 CPU224 PLC的电梯控制系统程序开发过程，最后通过实验装置反复调试运行以及仿真。经测试仿真调试，该基于PLC的电梯控制系统实现了预期的功能，圆满完成了此次毕业设计的任务。通过这次锻炼，我积累了宝贵的经验，为以后的工作打下了良好的基础。关键词：可编程控制器； 电梯控制； s7-200.AbstractWith the construction of large and giant buildings, elevators have been rapid developed. In the elevator logic control, programmable logic controller (PLC) whose programming software ladder language is easy to learn and easy to understand, with its feature of control flexibility, anti-interference ability, stable and reliable, easy to operate, easy to maintain , programmable controller (PLC) has been fully replace the original relay control. Its applied to the elevator logic control, greatly improved the elevator reliability, maintainability, and flexibility to extend the service life, while reducing the development cycle of the elevator. Compared with the original elevator control system , the elevator control system can complete more complex control tasks more easily, many of its functions can not be achieved by conventional relays. PLC, which is dedicated to the industrial control computer, the hardware structure is the same as microcomputer, it uses a programmable memory for its internally stored program, which can perform the logical, sequential control, timing, counting and arithmetic operations which are user-oriented , and control various types of machinery or production processes through digital or analog input / output control. Around this goal, this design first introduces the basic structure of the elevator, and then discusses the major aspects of the control section, and control requirements, and then puts the emphasis on the elevator system based on Siemens S7-200 CPU224 PLC program development process, the final run is to through repeated testing experimental setup as well as simulation.Through the tested simulation run, the elevator system in the PLC program has achieved the desired function, I finished the graduation project tasks successfully. Through this exercise, I have accumulated valuable experience for future work and laid a good foundation for the future.Keywords: programmable logic controller ； s7-200 ； elevator control.目 录1. 绪 论61.1课题研究的背景61.2电梯控制系统研究的现状71.3 论文的主要内容82. 电梯物理模型的设计92.1电梯的构造92.2 电梯的运行特点112.3拖动电机及其门电机的接线控制电路142.4 电梯控制方案的确定152.4.1 电梯继电器控制系统存在的问题152.4.2 PLC控制系统的特点及其优越性163. 硬件电路设计193.1 电梯控制系统设计思路193.2 五层电梯控制要求分析203.3 PLC选型213.3.1 PLC控制系统的I/O点数计算213.3.2 CPU及其扩展模块的选择233.3.3 CPU及其扩展模块的简介及安装253.4 I/O点数的扩展和编址363.5 PLC输入输出点的分配383.6 PLC和电梯模型接线图394. 电梯控制系统软件的设计404.1电梯控制系统软件开发流程图404.2 STEP 7编程软件的编程语言及基本指令414.2.1 STEP 7编程软件的编程语言414.2.2 STEP 7编程软件的基本指令424.3 轿厢开关门程序及仿真434.4 轿厢开门复位程序及仿真474.5 门电机关门、复位程序及仿真494.6 电梯自动选向程序设计及仿真524.6.1 电梯轿厢下行条件524.6.2 电梯轿厢上行条件604.7 轿厢内呼及轿厢外呼指示与复位675. 系统调试725.1 硬件调试725.2 软件调试725.3 综合调试73设计总结74参考文献76致谢771. 绪 论1.1 课题研究的背景 电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。电梯作为一种较为复杂的机电一全化设备，它由多许机械构件和电子、电气、大规模集成电路组成的微型计算系统及声、光控制部件所组成。那么电梯到底有哪些功能呢？我们从按下电梯的按钮到完成电梯的运行并走出电梯轿厢，实际上已包含了电梯的许多功能，如：电梯的定向选层、电梯的起动、加速、稳速运行、到站减速、平层停车、开关门。还有检修功能、安全保护功能、消防功能、楼层显示等。从电梯控制系统的实现方法分，电梯的控制系统经历了继电器控制、可编程序控制（PLC）、单片微机控制、多微机控制多种形式。继电器控制系统是80年代最广泛的一种电梯控制方式，有控制逻辑线路简单、直接、易于理解和掌握的优点，但由于该类系统是由众多继电器、接触器构成，使用一段时间后其接触点往往接触不良，所以电梯故障高，众多的继电器、接触器动作噪声较大，整个控制柜体积大。随着多微机系统在电梯控制系统中的应用，电梯控制发生了限大的变化，因为微机在电梯中的应用不仅取代了大部分继电器和选层器，而且使整个系统更加可靠，灵活性更加提高，功能大增强了。但微机的集成度高，功能项目固化，一般维修人员及工程人员不能修改或增加其功能,只能回生厂家或用专用的工具。可编程控制器取代继电器构成的电梯控制系统，可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且触点少、可靠高、故障率低、维修方便、噪声小。最主要的是它的"可编程"功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可。虽然PLC的编程语言需不尽相同，但都有通俗易懂，便于自学的优点一般维修及工程人员都能掌握,PLC电梯控制系统比较适用于小高层的楼房.1.2电梯控制系统的研究现状随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有越来越广泛的应用，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。随着经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，这使得交流变频调速电梯控制系统已经进入一个崭新的时代。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。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（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。1.3 论文的主要内容本篇课程设计所选择的是西门子 SIMATIC S7-200系列的PLC。所采用的CPU模板是CPU 22X系列CPU 224。CPU224本机集成了14点输入/10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KHZ高速计数器，2路独立的20KHZ高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。 在设计过程中，利用了西门子S7-200的编程软件和仿真软件，并将这两种软件结合起来，达到了很好的效果。此篇毕业设计总共分为五个章节：第一章为绪论,把握整体着重介绍PLC电梯控制系统的研究背景及其发展现状以及论文的结构和主要内容；第二章主要介绍了整体结构、电梯物理模型的设计以及电梯控制方案的确定；第三章又详细的介绍了电梯控制系统硬件电路的设计；第四章进行软件的设计；第五章为软、硬件以及综合调试的过程。2. 电梯物理模型的设计2.1 电梯的构造电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，由轿厢及配重、拖动电机及减速传动机械、井道及其井道设备、召唤装置及其安全防护装置等构成。轿厢是搭载乘客或者装货的部位，配重是为了改变电梯的电动机的负载特性以提高电梯安全性而设置的。电梯主要用于多层建筑乘人或载运货物。它服务于规定楼层的固定式升降设备，它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。如图2.1所示为电梯拖动系统示意图,电梯的轿厢及其配重分居钢丝绳两端,钢丝绳挂在曳引轮上,曳引轮经减速机构由电动机拖动,从而实现了轿厢的上下运动。图 2.1 电梯拖动系统示意图井道是指建筑物中用于安装电梯并提供电梯运行的通道，轿厢及配重都是在井道中运行的。井道在各楼层都设有门厅及其呼梯设备。门厅有门厅门，厅门顶部有楼层指示器，用于指示电梯的运行方向及其电梯所在位置。门厅内部还设有呼梯盒，用于在每层站召唤电梯，呼梯盒常常安装在厅门外距地面1m高左右的墙壁上,基站与顶站只有一个按钮,中间层站有上呼和下呼两个按钮,按钮下面带有呼梯指示灯记忆灯,基站的呼梯盒上还设有钥匙开关,供司机开关电梯。为了实现轿厢的正常运行及其准确停车,井道中往往要安装许多定位装置及其安全设备,井道的顶部和底部还设有冲顶及蹲底的缓冲装置。轿厢内的自动门用来实现电梯的开门及其关门。电梯门分门厅门及轿厢门，当电梯停靠在某层时，此层厅门在轿厢门带动下开启及关闭。电梯的操纵箱也安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布操作指令，上面设有与电梯层站数目相同的内选层按钮（带有内选记忆指示灯），上下行启动按钮（带有上下行记忆指示灯），开关门按钮，急停按钮，风扇、照明、楼层指示灯的控制开关，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯运行状态为自动运行、司机状态或者检修状态）等。电梯的安全设备有：安全窗及其开关，安全钳及其开关，限速器及其开关，安全窗位于轿厢的顶部，供应紧急情况下快速疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不准运行。安全钳是为了防止住拽引钢绳断裂及其超速运行的安全装置，用以在上述情况下将轿厢夹持在轨道上。限速器是检测电梯运行速度的装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。极限开关，强迫换速开关是电梯位置安全装置，当电梯运行至上下极限位置时仍不停车，上下限开关动作，发出停车信号，若仍不能停车，降压下强迫停车开关，强制电梯停止运行，若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关切断拽引电动机电源，以达到停车的目的。2.2 电梯的运行特点1. 电梯的位置确定与显示轿厢中的乘客及其门厅中等待乘坐电梯的人都需要知道电梯目前所处的位置，因此在轿厢及其门厅都设有显示显示楼层标志的电梯位置显示装置，此外，电梯的运行还需要更加准确的电梯位置信号，以满足制动停车等控制的需要。传统电梯的位置信号一般设在井道的位置开关，如磁感应器提供，当轿厢上设置的隔磁板插入感应器时，发出位置信号，并启动楼层指示，如图2.2图 2.2 电梯停层 、平层装置2. 轿厢内的运行命令及门厅召唤信号司机及乘客可按下轿厢内的操控盘上的选层按钮选定电梯运行的目的楼层，此为内选信号。按键按下后，该信号应该被记忆并使相应的指示灯点亮。在门厅等候电梯的乘客可以按门厅的上行或下行召唤信号，此为外唤信号。该信号也需记忆并点亮门厅的上行或下行召唤指示灯，这些保持信号在要求得到满足时应自动取消信号。3. 电梯自动运行时的信号响应电梯自动运行应根据内选及外唤信号，决定电梯的决定电梯的运动方向及其在那些站点停站,一般情况下,电梯按照先上后下的原则安排运送乘客的次序,而且规定在运送次序确定以后不响应中途反向呼唤要求,直到到达本方向最远站点才开始返程。4. 轿厢的启动与运行 轿厢在运行方向确定，轿厢门已将关好时自动启动并运行。5. 轿厢的平层与停车轿厢运行后需要确定在那一层站停车，平层是指停车时,轿厢的底与门厅 “地平面”应相互平齐，一般规定有具体的平层误差，如平层时两平面之间相差不超过5mm。传统电梯的平层信号由平层感应器发出。（6）安全保护电梯的安全保护有很多,如冲顶与蹲底,断钢丝绳,轿厢内人员的跌落,逃生等保护,还有消防运行等多项措施。2.3拖动电机及其门电机的接线控制电路电机及其门电机的接线控制电路如图2.3图2.3 拖动电机及其门电机的接线控制电路图2.3.1为轿厢拖动电机及其门电机的接线控制图,KM1为轿厢拖动电机上行接触器的常开触点,KM2为轿厢拖动电机下行接触器常开触点，当SB1闭合时，KM1的线圈得电,轿厢拖动电机开始正转,同时拖动轿厢上行,实现电梯上行,同时与KM2的辅助常闭触点实现互锁;当SB2闭合时,KM2线圈得电,同时KM2的辅助常闭触点断开，电机正转停止，电机开始反转,同时与KM1的辅助常闭触点实现互锁。当闭合SB3时,KM3线圈得电,门电机开始正转,同时轿厢门开始打开,当达到开门限位时,开门限位开关SQ1的常闭触点断开,开门动作停止，同时实现了与KM4的互锁；当闭合SB4时，KM4线圈得电，门电机开始反转，同时轿厢门开始关闭，当达到关门限位时，关门限位开关SB2的常闭触点断开，关门动作停止同时实现了与KM3的互锁。2.4 电梯控制方案的确定2.4.1 电梯继电器控制系统存在的问题（1）系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。2.4.2 PLC控制系统的特点及其优越性(一) PLC控制系统的特点PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样。以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修。编程简单、灵活性强等特点。1. 可靠性对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。（1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTF（平均无故障时间），使可靠性提高。（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。（6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。2. 易操作性PLC的易操作性表现在下列几个方面：（1）操作方便PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。（2）编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。（3）维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。3.灵活性PLC的灵活性表现在以下几个方面：（1）编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。（2）扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。（3）操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易(二)PLC控制系统的优越性（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。（4）PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。此外，微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷而没被广泛采用。PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，通过分析控制需求，本设计选择了西门子S7-200 PLC作为控制器。.3. 硬件电路设计3.1 电梯控制系统设计思路本设计以PLC为工具对五层电梯的各种操作进行控制。PLC控制系统的设计一般可以分为以下几个步骤： （1）熟悉被控对象，制定控制方案 （2）确定所设计系统的I/O点数 （3）选择PLC机型 （4）选择输入、输出设备，分配PLC的I/O地址 （5）系统调试 （6）编写相关技术文件 电梯控制系统总体设计流程图如图3.1图3.1 电梯控制系统总体设计流程图3.2 五层电梯控制要求分析所涉及的电梯模型共有五层，电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向、顺向截梯、反向保号，外呼记忆，自动开/关门状态，停梯消号，自动达层等功能。分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：开始时，电梯处于任意一层。当有外呼梯信号到来时电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。当有内呼梯信号到来时，电梯应该响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。在电梯运行过程中电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应，但如果反向呼梯信号前方无其它内、外呼梯信号时，则电梯相应该外呼信号，但不响应三层向下外呼梯信号。同时，如果电梯达到四层，五层没有任何呼梯信号，测电梯可以响应四层向下外呼梯信号。电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。例如电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。电梯具有同向截车功能。电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮可使门打开，按关门按钮可使门关闭。3.3 PLC选型3.3.1 PLC控制系统的I/O点数计算根据电梯控制的特点，计算输入输出信号如下:（一）输入信号应该包括以下几个部分：(1)轿厢内及各层门厅外呼按钮轿厢内的楼层选择按钮共有数字键1至5，各层门厅的外呼按钮除第一层只有上升按钮，第五层只有下降按钮外，其余三层均设有上升、下降两个按钮，故一共需要13个输入。(2)位置信号位置信号由安装于各楼层的电梯停靠位置的四个传感器产生。平时为常开，当电梯运行到平层时关闭，另外还有一组开关门限位，故位置信号一共需要7个输入(3)电梯门控制信号大部分电梯都具有开门按钮以及关门按钮，以方便手动开门，故电梯门控制信号一共需要2个输入。综上所述，共需要输入点22个。（二）输出信号应该包括：(1)内呼指示信号 内呼指示信号有5个，分别表示1至5层的内呼被接受，并在内呼指令完成后，信号消失。(2)外呼指示信号 外呼信号共有8个，分别表示1至5层的外呼被接受，并在外呼指令完成后，信号消失。(3)电梯轿厢上下行2个，电梯上下行指示信号2个，门电机开关指示2个，共计6个。综上所述，共需输出点19个。输入输出点数计算统计如表3.13.3.2 CPU及其扩展模块的选择1.S7-200系列CPU简介 西门子S7-200系列PLC的CPU模块包括一个中央处理单元，电源以及I/O点，这些都被集成在一个紧凑独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载.最新一代的CPU模块按I/O点数的多少和效能的不同可分为CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP以及CPU226五种不同结构配置的品种,S7-200系列的技术指标对比如表3.2表3.1 输入输出点数计算统计信号类型点数输入信号（22）电梯内呼及其外呼信号13位置信号7电梯门控制信号2输出信号（共19个）内呼指示信号5外呼指示信号8轿厢上下行及其开关门指示6 表3.2 S7-200系列CPU技术指标对比特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸(mm)908062908062120.5806214080621908062数据存储器2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节本机I/O数字量模拟量6入/4出-8入/6出-14入/10出-14入/10出2入/1出24入/16出-扩展模块数量0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块脉冲输出(DC)2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路100KHZ2路20KHZ模拟电位器11222实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置通讯口1 RS-4851 RS-4851 RS-4852 RS-4852 RS-485CPU估价(元)晶体管型继电器型1103117815681688231824383713386341704347 2.西门子S7-200系列扩展模块简介当CPU的I/O点数不够时,就需要对CPU的I/O端口进行扩展,典型的输入/输出扩展模块有:输入扩展模块EM221有两种:8点DC输入、8点AC输入输出扩展模块EM222有三种：8点DC晶体管输出，8点AC输出，8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出，4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。3. CPU及其扩展模块的选择综合经济因素、输入输出点的计算以及所要实现的电梯控制功能，选用西门子s7-200PLC（CPU224）加一个扩展模块EM223(16I/16Q)，由于时间仓促及CPU224本身资源不够,本设计没有综合考虑资源优化,遂舍弃了CPU本身自带的I1.0至I1.7及其Q1.0至Q1.1这一组I/O点,改用扩展模块EM223(16I/16Q),这样就能完全能够满足设计要求。S7-200 PLC是一种小型可编程逻辑控制器（Micro PLC），可应用于各种小型自动化控制系统。高集成度的设计、低廉的成本使得s7-200成为各种小型控制任务理想的解决方案，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。并且，西门子s7-200PLC具有：极高的可靠性、丰富的指令集、极快的浮点运算速度、丰富的扩展模块、强大的内部集成功能等几个方面的出色表现。3.3.3 CPU及其扩展模块的简介及安装1. 西门子S7-200 CPU224简介CPU224本机集成了14点输入/10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KHZ高速计数器，2路独立的20KHZ高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。其具体参数如表3.3，其外观图如图3.2图3.2 西门子S7-200 CPU224 外观图表3.3 西门子S7-200 CPU224技术参数续表3.32. 扩展模块EM223 16I/16Q介绍经查阅资料，目前EM223 16I/16Q按照输出类型可以分为两种，一种是固态-MOSFET型，另一种是继电器型，外观如图3.3，,扩展模块尺寸如图3.4 ,具体参数如表3.4：端子连接如图3.5图3.3EM223外观图图3.4 S7-200 CN系列PLC扩展模块尺寸图表3.4 EM223技术参数续表3.4图3.5 EM223 CN端子连接图3.扩展模块的安装（1）扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，S7-200 CN PLC的扩展模块种类很多，固定方式与CPU相同。如果需要扩展模块较多时，模块连接起来如果需要扩展模块较多时,模块连接起来会很长,这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。在标准导轨上安装模块卡装在紧挨CPU右侧的导轨上,通过总线连接电缆与CPU互相连接。SIEMENS+EM 223 CN 数字量混合输入输出模块(16路)安装方式如图3.6图 3.6 SIEMENS+EM 223 CN安装方式3.4 I/O点数的扩展和编址CPU 22* 系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的,进行扩展时,可以在CPU右边连接多个扩展模块,编址方法是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增,其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。S7-200系统扩展对输入/输出地址空间分配规则为：（1）同类型输入或输出点的模块进行顺序编址。（2）对于数字量，输入/输出映像寄存器的单位长度为8位（1B），本模块高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块，后续同类地址编排须重新从一个新的连续的字节开始。（3）对于模拟量，输入/输出以2点或两个通道（2个字）递增方式来分配空间，本模块中未使用的通道地址不能被后续的同类模块继续使用，后续地址的编排须重新从新的两个字以后的地址开始。本系统CPU与扩展模块连接方式如图3.7图3.7 CPU与扩展模块连接方式CPU与扩展模块编址如表3.5主机I/O模块一EM223I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7I2.0I2.1I2.2I2.3I2.4I2.5I2.6I2.7I3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5Q2.6Q2.7Q3.0Q3.1Q3.2Q3.3Q3.4Q3.5Q3.6Q3.7表3.5 CPU与扩展模块编址3.5 PLC输入输出点的分配分析系统需求，确定PLC五层电梯控制系统的输入、输出点分配如表3.6表3.6 电梯控制系统的输入、输出点分配表输入点名称输出点名称I0.0一层内呼Q0.0一层内呼指示I0.1二层内呼Q0.1二层内呼指示I0.2三层内呼Q0.2三层内呼指示I0.3四层内呼Q0.3四层内呼指示I0.4五层内呼Q0.4五层内呼指示I0.5一层外呼上Q0.5一层外呼上指示I0.6二层外呼下Q0.6二层外呼下指示I0.7二层外呼上Q0.7二层外呼上指示I3.0三层外呼下Q3.0三层外呼下指示I3.1三层外呼上Q3.1三层外呼上指示I3.2四层外呼下Q3.2四层外呼下指示I3.3四层外呼上Q3.3四层外呼上指示I3.4五层外呼下Q3.4五层外呼下指示I3.5开门按钮Q3.5电梯上行指示I3.6关门按钮Q3.6电梯下行指示I3.7一层平层Q3.7门电机开门I2.0二层平层Q2.0门电机关门I2.1三层平层Q2.1电梯轿厢上行I2.2四层平层Q2.2电梯轿厢下行I2.3五层平层I2.4开门限位I2.5关门限位3.6 PLC和电梯模型接线图PLC的I/O端口与电梯模型的接线如图3.8图3.8 PLC的I/O端口与电梯模型的接线. 4. 电梯控制系统软件的设计 4.1电梯控制系统软件开发流程图根据系统控制要求，设计电梯系统程序流程图如图4.1所示图4.1 电梯系统程序设计流程图4.2 STEP 7编程软件的编程语言及基本指令4.2.1 STEP 7编程软件的编程语言标准的STEP 7软件包配3种基本编程语言，即梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、语言表（STL）和顺序功能图编程语言，它们在STEP 7中可以相互转换。本实验采用梯形图这种编程语言。梯形图结构形式类似地传统的继电器控制电路，它是由图形符号连接而成，这些符号分别代表常开触点、常闭触点、并联接线、串联接线及继电器线圈等，每个触点和线圈都有一个编码。梯形图具有如下特点： 梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，也是程序的执行顺序。通常每个继电器线圈为一逻辑行，即一层阶梯。每一逻辑起始于母线，然后是触点的各种连接，最后经过继电器线圈终止于母线，整个梯形图呈现梯形。 梯形图中的继电器不同于传统继电器控制线路中的物理继电器，它实质上是内部存储中的位触发器，因此称为“软继电器”或“软元件”。这些软元件输出继电器，辅助继电器，定时器，计数器及状态器等，它们均有无限常开触点和常闭触点。在PLC内部可以自由选取使用。如果某个位触发为“1”，表示对应的继电器线圈接通，相应的常开触点都闭合，而常闭触点都断开。 梯形图是一种形象化的编程语言，其两端的母线是没有电源连接。因此核弹头形图中不存真实的物理电流，而具有“概念”电流，是用户程序运算过程中满足输出执行条件的形象化表示方式。“概念”电流只能从左到右流动，层次的改变是从上到下。 输入继电器只能从外部输入信号驱动，而不能由内部其他触点驱动。因此在梯形图中只能出现输入继电器的触点而不出现线圈，输入继电器的触点状态即表示相对应的输入信号的变化。 输出继电器用于PLC的输出控制，它是通过外输出触点驱动外部执行器。因此，在梯形图中的某个输出继电器的线圈接能时，表示在对应的输出端子上有输出信号。PLC内部其他软元件的触点不能驱动外部执行器，它们只供PLC内部使用。当PLC处于运行状态时，CPU接梯形图中元件排列顺序从上而下，从左到右逐行处理。4.2.2 STEP 7编程软件的基本指令STEP 7编程软件的基本指令有位逻辑指令、计数器与计时器指令、传送与比较指令、数据转换指令、算术运算指令、移位与循环指令、程序控制指令等。4.3 轿厢开关门程序及仿真1. 轿厢开门条件为（1） 电梯在一层平层，有一层外呼上指示或一层内呼指示。（2） 电梯在二层平层，有二层外呼下指示(电梯选项向下)，二层外呼上指示(电梯选项向上)或二层内呼指示。（3） 电梯在三层平层，有三层外呼下指示(电梯选项向下)，三层外呼上指示(电梯选项向上)或三层内呼指示。（4） 电梯在四层平层，有四层外呼下指示(电梯选项向下)，四层外呼上指示(电梯选项向上)或四层内呼指示。（5） 电梯在五层平层，有五层外呼下指示或五层内呼指示。(6) 电梯在平层时按下开门按钮。开门程序如图4.2（a） 门电机驱动置位(b)门电机开门置位图4.2 门电机开门置位(一)本段程序说明: 1. 开门驱动M3.7M3.7为开门驱动，当满足轿厢开门条件时，M3.7置位，考虑到电机运行的平稳与安全，M3.7置位后将进入1.5秒开门延时，经1.5秒后，门电机开门。(二)本段程序典型环节仿真1.一楼外呼上置位当电梯位于一楼时,按下一楼外呼上按钮I0.5，一楼外呼上指示Q0.5置位，如图4.3图4.3一楼外呼上置位2.门电机开门当按下一楼外呼上指示Q0.5置位时，如果此时电梯位于一楼平层（一楼平层I3.7置位）,则电梯就会开门，即将门电机开门指示Q3.7置位，并会取消一楼外呼上Q0.5的指示，如图4.54.5 门电机开门4.4 轿厢开门复位程序及仿真1.轿厢开门复位条件为:（1） 按下关门按钮，并且同时开门按钮没有按下。（2） 输出信号门电机关置位，且开门按钮没有按下。（3） 达到开门限位，自动停止开门动作。开门按钮辅助常闭触点与门电机开门指示以及开门驱动实现互锁，当达到上述条件时，门电机开门指示以及开门驱动实现复位。所绘制的梯形图如图4.6图4.6 轿厢开门复位4.5 门电机关门、复位程序及仿真开门动作达到开门限位后将是3秒钟的延时，然后电梯会自动关门，达到关门限位后，关门动作自动结束。同样，按下关门按钮，电梯也将关门，开门按钮被按下，或有门电机开信号输出，则关门动作取消。所绘制的梯形图如图4.74.7 门电机关门及复位本段程序仿真：1. 门电机关门当门电机达到开门限位时，开门限位I2.4置位，此时门电机开门动作停止，进入三秒钟延时，延时过后，门电机关门动作Q2.0启动，门电机开始关门。本过程仿真如图4.8图4.8 门电机关门2. 门电机关门复位 当门电机达到关门限位，即当I2.5置位时，关门动作停止，Q2.0复位。本过程仿真如图4.9图4.9 门电机关门复位4.6 电梯自动选向程序设计及仿真4.6.1 电梯轿厢下行条件通过分析所设计的电梯系统，确定了电梯满足以下条件时下行：（1） 电梯在四层，且有三层外呼上指示，三层外呼下指示，二层外呼上指示，二层外呼下指示，一层外呼上指示，三层内呼指示，二层内呼指示，一层内呼指示。（2） 电梯在三层，且有二层外呼上指示，二层外呼下指示，一层外呼上指示，二层内呼指示，一层内呼指示。（3） 电梯在二层，且有一层外呼上指示，一层内呼指示。（4） 电梯在五层时，只要一至四层有呼梯信号就下行，同理，电梯在一层时，无论如何均不会下行。满足以上条件同时不满足电梯上行条件时，电梯下行，绘制梯形图如图4.104.10 电梯轿厢下行条件（一）本段程序典型环节仿真假设现在电梯位于五层平层（I2.3），在同一时间有一层外呼上（I0.5），一层内呼(I0.0)，二层外呼上(I0.7)，三层外呼下(I3.0)这些呼梯信号。1. 当接收到这些信号时，电梯下行Q2.2置位，如图4.11图4.11 电梯下行置位2. 当达到三层平层I2.1时，Q3.7置位，电梯开门，三层外呼下I3.0指示复位，此过程仿真如图4.12图4.12 三层外呼下指示复位3. 当达到开门限位（I2.4）后，进入三秒延时，延时过后轿厢门关闭，达到关门限位（I2.5）后，关门动作停止，电梯继续下行(Q2.2)。此过程仿真如图4.13三楼同向截车：（a）门电机关门（b）轿厢从三楼继续下行4.13 三楼同向截车4. 当轿厢到达二层平层（I2.0）时，由于在二楼只有二楼外呼上这一个呼梯信号（I0.7），所以，根据电梯控制原则，在二楼不具备同向截车的条件，所以电梯在经过二楼平层时不停，继续下行。此过程仿真如图4.144.14 二楼不截车5. 当轿厢到达一层平层（I3.7）时，一楼外呼上（I0.5）以及一楼内呼（I0.0）复位，电梯开门(Q3.7)。此过程如图4.154.15 一楼呼梯复位6. 当电梯电梯轿厢开门到达开门限位（I2.4）之后轿厢关门，到达关门限位（I2.5）后，轿厢继续上行。此过程仿真如图4.16图4.16 轿厢继续上行7.当轿厢上行（Q2.1）到达二楼平层（I2.0）时，轿厢开门，二楼外呼上指示（I0.7）复位，门电机关门，到达关门限位（I2.5）后，关门停止，电梯停止在二楼。此过程放真如图4.17 （a）二楼开门及信号复位（b）二楼关门（c）停在二楼4.17 电梯回返二楼截车4.6.2 电梯轿厢上行条件通过分析所设计的电梯系统，确定了电梯满足以下条件时上行：（1） 电梯在四层，且有五层外呼下指示，五层内呼指示。（2） 电梯在三层，且有四层外呼下指示，四层外呼上指示，五层外呼下指示，四层内呼指示，五层内呼指示。（3） 电梯在二层，且有三层外呼下指示，三层外呼上指示，四层外呼下指示，四层外呼上指示，五层外呼下指示，三层内呼指示，四层内呼指示，五层内呼指示。（4） 电梯在一层时，只要二至五层有呼梯信号就上行；同理，电梯在第五层时无论什么情况均不上行。满足以上条件同时不满足电梯下行条件时，电梯上行，绘制梯形图如图4.18图4.18 电梯轿厢上行条件（一）本段程序典型环节仿真假设目前电梯轿厢在一楼（I3.7），电梯同时接受5楼外呼下（I3.4），四楼外呼下（I3.2），三楼内呼（I0.2），三楼外呼上（I3.1）。1. 电梯在一楼时同时接受这些呼梯信号，电梯上行（Q2.1），此过程仿真如图4.19图4.19 电梯上行2. 当电梯到达三楼平层（I2.1）时，电梯开门（Q1.7），三层内呼指示（Q0.2）、三层外呼上指示（Q3.1）复位，此过程仿真如图4.20图4.20三楼截车3. 电梯轿厢门开门到开门限位（I2.4）后，延时三秒，关门（Q2.0），到达关门限位（I2.5）后，电梯继续上行（Q2.1），到达四楼平层（I2.2），由电梯电梯控制要求，电梯不能截车，所以轿厢继续上行。此过程仿真如图4.21图4.21 四楼不截车4. 当轿厢到达五楼平层（I2.3）时，电梯停止上行，轿厢门打开（Q3.7），呼梯信号五层外呼下指示（Q3.4）复位，此过程仿真如图4.22图4.22 五层截车5. 当达到开门限位时，延时三秒后轿厢自动关门，电梯开始下行，此过程仿真如图4.23图4.23 电梯轿厢从五楼下行6. 当轿厢到达四楼平层（I2.2）时，电梯停止下行，轿厢门打开（Q3.7），四层外呼下指示（Q3.2）复位，经三秒延时后，轿厢门关闭，电梯轿厢停在四楼，此过程仿真如图4.24（a）轿厢开门（b） 轿厢关门（c）停在四楼图4.24 轿厢回返下行四楼截车4.7 轿厢内呼及轿厢外呼指示与复位轿厢内呼较为简单，当按下内呼按钮，内呼指示即置位，达到指定楼层后，电梯门打开，内呼指示取消置位。楼层外呼指示程序则比较复杂，按下外呼按钮，则对应的外呼指示置位，在取消置位时，一层和五层因为只有一种运动方向，因此直接平层后门电机打开就能取消置位。而二、三、四层则不同，因为这三层均有两种运动方向，只有电梯运动方向与外呼运动方向相同时，才能取消置位。这就是所谓的同向截梯。绘制梯形图如下图4. 系统调试5.1 硬件调试硬件调试包括控制电路的调试和主拖动电路的调试。这两部分先分开调试，分别调试成功后，再进行综合调试。硬件在模拟电路板上按电路图仿制电梯的模式接好元件，将所有公共端相连，输出端口1L、2L、3L连在一起，并将PLC的L+端连起