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1、自动控制原理课程设计自动控制原理课程设计( (论文论文) )设设计计（论论文文）题题目目基基于于 p pl lc c，组组态态王王四四层层电电梯梯控控制制 学学院院名名称称 专专业业名名称称 学学生生姓姓名名 学学生生学学号号 任任课课教教师师 _ _ 设设计计（论论文文）成成绩绩教务处教务处 制制年 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，
2、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。摘摘要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
3、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
4、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
5、有很强的适应性。图 1.2 西门子 PLC S7-200 外部结构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
6、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
7、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
8、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
9、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。
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、 H6。一至四层有到位行程开关 SQ1SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮 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。利用估算 PLC 内存总容量的计算公式: 所需
