基于西門子S7-200SMART型號PLC的電梯運行監控系統設計摘要在經濟發展和科技進步的背景下，電梯作為運載工具在高層建筑中發揮著極其重要的作用，已經成為人們日常生活和工業生產中重要的工具之一。在為人們提供便捷服務的同時，對于電梯運轉過程中的安全性與舒適性也提出了更高的要求。隨著電梯種類的不斷增多，科研技術被應用于整體的控制系統之中，而電梯控制技術也常向智能化的方向發展。可編程控制器作為工業控制微型計算機的一種，其具有較強的抗干擾能力，運行穩定性較強，也具有較強的可靠性。在對電梯系統進行控制過程中，將可編程控制器與邏輯開關量控制進行結合，能夠有效實現對電梯的實際控制。本次課題的設計，主要是以5層電梯為例展開，采用西門子S7-200SMART型號的PLC作為主控制器，結合拖曳電機，門電機完成對電梯的控制。在此不僅繪制了關鍵電氣電路，編寫了梯形圖程序，還通過MCGS進行仿真，通過仿真驗證了設計的可行性，達到了設計目標。關鍵詞：電梯、PLC、西門子、MCGS目錄TOC\o"2-3"\h\z\t"標題1,1"135661緒論 緒論研究背景及意義當前，在社會經濟的快速發展和城市化進程加快的情況下，高層建筑不斷出現，呈現出不斷發展的城市景觀。目前全球使用電梯的數量不斷增加，各種不同類型的電梯不斷涌現，為人們的日常生活、工業生產帶來極大的便利。在人們生活追求更加方便簡單快捷的同時對電梯運載的安全性和舒適性也提出了一個更高的需求。從目前市場上使用的電梯類型來看，不同場合下對于電梯的運行要求也不同，在大型超市、寫字樓、醫院住宅、觀光旅游等場合中電梯種類不斷增多。在控制系統中應用了許多應用技術，例如微機檢測技術、監控技術、自動通信技術、圖像顯示技術等等。隨著科學研究和技術的發展,電梯控制技術朝著智能化、網絡化的方向快速發展。為人們日常生活的便捷性和安全性保駕護航。現如今電梯控制系統的應用水平，主要有繼電器控制、工業大學計算機系統控制、PLC控制、單片機應用技術可以控制這四種控制管理模式。從應用市場的實際情況來看，大多數控制系統都使用繼電器進行操作，系統中有關邏輯和控制系統是利用諸多繼電器相互配合進行系統的操控工作。控制繼電器的控制系統有許多缺點。第一，隨著城市化進程的加快，樓層的不斷增多加劇了繼電器使用的數量，造成整個系統設計成本和建構體積的增大。第二，由于繼電器是觸點式電控元器件的結構，所以其不適合在長時間內進行頻繁工作。同時由于時代的進步，電梯應用的形式和功能也在逐漸發生變化，電梯要求其結構更加輕盈，結構材料的改變，功能但集成化和人性化要求日漸突出。同時由于控制理論技術的不斷收入，電梯控制手段會朝著安全可靠、高速運行的方向發展。作為工業生產經營活動中專門的控制管理系統，PLC通過利用中央處理器作為字處理器，能夠實現相應的邏輯運算與數據存儲的操作。PLC控制系統工作穩定性強、實用可靠性高、系統編程簡單易操控、實際應用靈活性強。與傳統繼電器相比，PLC能夠減少系統內部復雜的硬件走線，在實際應用中減少機械接觸的數目和導線的數目，PLC內部程序可以實現順序和時序的邏輯控制要求，實際應用的可靠性高。PLC具有序列化、模塊化、標準化的優越性能，具有良好的功能可拓展性，在實際應用中可以減少系統設計與維護的時間，只需通過修改系統的軟件程序，調整外圍電路就可以實現對實際生產的工藝調整需求。因此，采用PLC設計電梯控制系統具有一定的實用價值。研究現狀國內外科研人員針對電梯控制系統展開深入研究。在國外，二戰結束之后，建筑業得到迅猛發展這也促使電梯設備的應用進入到爆發時期。電力電子技術廣泛應用于電梯領域,晶閘管變流裝置的引入，能夠簡化電梯拖動系統的運行工作，整體提升其工作性能。進入二十世紀九十年代，在調頻調壓技術的支持下，出現了交流進行變壓變頻控制調速電梯，徹底改變了直流電梯的應用歷史。國外早期電梯大多是由繼電器進行控制，雖然設計成本低，設計線路直觀，但是由于接線復雜容易觸點燃燒，系統控制精度較差，功耗大噪音大的問題飽受詬病。隨著科技的成熟，PLC控制系統逐漸取代繼電器應用于電梯控制系統中去。歐美國家對于PLC的研究較為成熟，主要對其控制方式以及控制的實時狀態進行調整，主要目的是實現系統技術節能。到了九十年代末，利用變頻技術電梯的能源利用率大大提高。永磁同步無齒輪技術的應用是電梯發展過程中的一次重要提升，將項技術與計算機技術相結合，為電梯節能系統的發展提供重要的技術保障。在我國第一部電梯出現在上海，被應用于酒店公寓之內。同時在改革開放的進程中，電梯應用極大便利了人們日常出行，這也加快了我國現代化建設的速度。為了追求綠色、環保、高效、安全的電梯控制系統理念，人們通過對于我們乘坐電梯的穩定性及舒適性也提出了一個更高的需求。在我國針對可編程控制器的相關系統化研究開始較晚，通過引入國外先進設備進行研究的方式來進行技術的學習，可編程控制器憑借其優越的使用性能得到了廣泛的應用，選擇PLC可編程控制器，系統設計電梯控制系統，能夠實現對系統運行過程中信號進行控制操作，滿足對于電梯運行過程中的實際需求。在城市公共這是建設不斷完善的過程中，公共基礎建筑對于電梯需求量也在逐漸上升，電梯行業具有良好的發展空間而如何減少電梯中的能源損耗提高電梯運行的穩定性是其技術發展的重要課題。今后電梯發展主要有以下特點，電梯控制系統逐漸被可編程控制器和微機控制所取代，整體優化電梯控制方式，能夠整體提升乘坐電梯過程中的可靠性和穩定性。第二，隨著電梯設計的拖動技術的提升，交流電梯將取代直流電梯，整體增強電梯在運行過程中的平穩性和乘坐舒適度。第三，隨著中國建筑工程設計發展要求的提高，電梯的實際經濟運行速度也在不斷加快，超高速電梯的應用研究數量逐漸增多。第四，在在電梯管理的過程中，大多數使用的是微機控制技術，能夠滿足在緊急情況下的實際控制電梯的需求，電梯形式多樣化能夠使得對應的管理技術得到深入應用。本設計的主要內容基于MCGS的電梯運行監控系統的設計，主要是以5層電梯為例展開設計，西門子S7-200智能型PLC為主控制器，牽引電機、門機控制，實現對電梯的操作，本篇文章一共分為了五章，第一章中主要介紹的是課題的相關數據背景及研究發展現狀，在第二章中介紹了課題的整體方案，第三章則對關鍵器件的選型，PLC輸入輸出點位的分布，關鍵電路圖進行設計，第四章則圍繞梯形圖的設計展開，第五章則圍繞MCGS組態設計進行，實現仿真測試，應證設計的可行性。系統整體設計系統方案設計控制系統方框圖如圖2.1所示。外部的轎廂內呼叫控制按鈕，轎廂外上呼，轎廂外下呼按鈕，樓層管理到位進行檢測，變頻器系統故障，門電機出現故障，夾人事件檢測，上行限位，下行限位，開門限位，關門限位，手動操作開門，手動選擇關門等接PLC的輸入，為數字量信息輸入數據信號。PLC輸出樓層指示燈，每個各呼叫指示燈，如內部呼叫指示燈，每層（除一層）上呼叫指示燈，每層（除七層）下呼叫指示燈，控制混頻器的上下，用于控制逆變器拖動電機上下。PLC的開閉信號與外部開閉接觸器連接，用于控制開閉電動機執行開閉操作。圖2.1控制系統方框圖PLC概述作為工業生產經營活動中專門的控制管理系統，與普通計算機的功能相一致，PLC通過利用中央處理器作為字處理器，能夠實現相應的邏輯運算與數據存儲的操作。PLC控制系統工作穩定性強、實用可靠性高、系統編程簡單易操控、實際應用靈活性強。與傳統繼電器相比，PLC能夠減少系統內部復雜的硬件走線，在實際應用中減少機械接觸的數目和導線的數目，PLC內部程序可以實現順序和時序的邏輯控制要求，實際應用的可靠性高。PLC具有序列化、模塊化、標準化的優越性能，具有良好的功能可拓展性，在實際應用中可以減少系統設計與維護的時間，只需通過修改系統的軟件程序，調整外圍電路就可以實現對實際生產的工藝調整需求。作為PLC的編程語言，梯形圖對于技術人員的專業技能要求較低，只需要了解傳統電路的基本原理就可以快速掌握梯形圖的設計要領。梯形圖在設計工作中操作維護難度低，能夠從整體上降低系統的失誤概率。PLC主要分為三大派別，分別是以美國通用電氣公司與德州儀器公司為代表的大中型PLC制造企業的美國派；以德國西門子、AEG為代表的產品質量性能優良的歐州制造派別；以三菱、松下、日立為代表的小型PLC生產企業的日本派。三種派別的PLC相關產品在系統運行速度、存儲容量、網絡通信等功能上都有自身的技術應用優勢。在我國國內市場中，由于國產PLC系統建設不夠完善，因此主要依靠國外進口，應用較多的有西門子和三菱。在我國改革開放以后，開始引入PLC可編程控制及技術的相關產品，并通過自主研發的形式，自主生產相應產品，并投入到企業生產領域，逐步縮小與國外企業差距。從目前的實際發展情況來看，中國已經能夠生產中小型可編程控制器。硬件設計硬件選擇設計中采用PLC作為主控制器，PLC的工作方式是基于順序掃描和連續循環的。在實際管理工作發展過程中，根據用戶的實際需求，將系統程序進行編程操作和存儲。當系統上電后，處理器會按照指令程序號依次執行周期性的掃描循環操作。在系統程序中沒有出現任何跳轉指令的情況下，一般情況下，是從第一個指令集開始掃描，依次執行用戶設置的程序，直至程序全部結束后在返回至系統初始程序，再次執行順序掃描。在它的每個掃描的周期過程中，會對應做好系統輸入信號以及對應輸出狀況的收集工作。PLC的掃描過程有三個部分，分別是：輸入信號采集階段、程序執行階段、輸出刷新階段。PLC的類型有很多種，主流的品牌有日立，西門子，富士等等，其各自的產品在性能，價格上各有優劣，而在此次設計中，由于對西門子比較熟悉，最終的PLC型號是S7-200智能ST60，型號PLC有36個輸入點，24個晶體管輸出點位，可以滿足本次5層模擬電梯的控制需求。圖3.1S7-200SMART實物圖主電路設計在電梯工作的過程中，電梯主要有兩種運動形式，一種是垂直方向的運動，需要電機控制電梯在1層到5層之間運動，另一種是電梯門的開關，需要實現開關和關門的動作，這都需要相應的電機來進行控制，所以本次模擬電梯的主電路如圖3.2所示。在供電上，選擇的是三相輸入交流電，其電壓為380V，共有三根火線L1-L3和一根零線N，并且配置了斷路器QF1，用于實現電梯主電源的開關控制。在控制上，配置了兩臺電機，一臺電機M1拖曳電機負責電梯的升降控制，該電機功率大，性能要求高，并且對其運行速度等都有明確的要求，其可靠運行關系著乘坐電梯人員的生命安全，因此其控制較為復雜，采用的是變頻器來進行控制，同時為了保護電機，同時還增加了FR1過載保護熱繼電器，當出現過載或者果然時跳開電源，從而保護電機。而另一臺電機則是M2門電機，負責電梯門的開啟和關閉，其通過接觸器KM1和KM2進行控制，通過M2電機的正轉反轉來實現門的開啟和關斷動作。在此我們同樣可以配置了FR2門電機過載保護熱繼電器，用于進行保護門電機。圖3.2主電路圖電源電路和控制路設計電源電路如圖3.3所示。外部220V50Hz交流電經1,2供控制系統電路設計使用。QF4是直流控制開關工作電源DC1，DC2斷路器。DC1是DC開關電源，其將交流220VAC轉成24VDC以供控制電路使用。QF5是直流系統控制工作回路斷路器，可以通斷直流電壓回路電源。HL01是一個DC1電源輸出指示燈。DC2為直流開關電源，將交流220V50Hz變成24VDC，用于PLC輸入和輸出，HL02為DC2功率輸出指示器。圖3.3電源電路控制系統電路設計如圖3.4所示，QF6是控制電路斷路器。KM1是開門啟動接觸器，KA3是開門啟動繼電器，PLC控制KA3線圈得電，KA3常開觸點閉合，經接觸器KM2輔助常閉觸點，KM1線圈得電，KM1常開主觸點關閉，啟動門電機正轉，執行開門。同樣的，KM2是關門啟動接觸器，KA4是關門啟動繼電器，PLC通過控制KA4線圈得電，KA4常開觸點關閉，經過接觸器KM1輔助常閉觸點，KM2線圈得電，KM2常觸點關閉，啟動門電機反向，執行關門。為了可以防止門電機工作同時正轉和反轉問題造成系統短路發生故障，開門程序啟動控制接觸器線圈KM1回路串聯一個關門接觸器KM2輔助常閉觸點，關門啟動接觸器線圈KM2回路串聯開門接觸器KM1輔助常閉觸點，進行設計互鎖，避免企業同時有電。圖3.4控制電路PLC輸入和輸出分配PLC的輸入和輸出分配如表3.1所示。表3.1PLC輸入輸出分配表輸入信號PLC地址輸出信號PLC地址開門檢測I0.0上行接觸器Q0.0一層檢測I0.1一層指示燈Q0.1二層檢測I0.2二層指示燈Q0.2三層檢測I0.3三層指示燈Q0.3四層檢測I0.4四層指示燈Q0.4五層檢測I0.5五層指示燈Q0.5關門檢測I0.6下行接觸器Q0.7五層下呼按鈕I1.1五層下呼燈Q1.1四層下呼按鈕I1.3五層上呼燈Q1.2四層上呼按鈕I1.4四層下呼燈Q1.3三層下呼按鈕I1.5四層上呼燈Q1.4三層上呼按鈕I1.6三層下呼燈Q1.5二層下呼按鈕I1.7三層上呼燈Q1.6二層上呼按鈕I2.0二層下呼燈Q1.7一層上呼按鈕I2.1二層上呼燈Q2.0轎廂內呼5I2.3一層上呼燈Q2.1轎廂內呼4I2.4轎廂內呼燈5Q2.3轎廂內呼3I2.5轎廂內呼燈4Q2.4轎廂內呼2I2.6轎廂內呼燈3Q2.5轎廂內呼1I2.7轎廂內呼燈2Q2.6轎廂開門按鈕I3.0轎廂內呼燈1Q2.7轎廂關門按鈕I3.1開門繼電器Q3.0超重檢測信號I3.3超重指示燈Q3.3PLC輸入和輸出接線圖PLC輸出和輸入接線圖見圖3.5。圖3.5PLC輸入接線圖軟件設計PLC內部地址為了編程和閱讀方便，定義了PLC的一些內部使用地址，如表4.1所示。表4.1PLC內部使用地址名稱PLC地址名稱PLC地址開門檢測M0.0上行接觸器M5.3一層檢測M0.1一層指示燈M5.4二層檢測M0.2二層指示燈M5.5三層檢測M0.3三層指示燈M5.6四層檢測M0.4四層指示燈M5.1五層檢測M0.5五層指示燈M5.2關門檢測M0.6下行接觸器M5.3五層下呼按鈕M0.7五層下呼燈M5.4四層下呼按鈕M1.0五層上呼燈M5.5四層上呼按鈕M1.1四層下呼燈M5.6三層下呼按鈕M1.2四層上呼燈M5.7三層上呼按鈕M1.3三層下呼燈M6.0二層下呼按鈕M1.4三層上呼燈M6.1二層上呼按鈕M1.5二層下呼燈M6.2一層上呼按鈕M1.6二層上呼燈M6.3轎廂內呼5M2.0一層上呼燈M6.4轎廂內呼4M2.1轎廂內呼燈5M6.5轎廂內呼3M2.2轎廂內呼燈4M6.6轎廂內呼2M2.3轎廂內呼燈3M6.7轎廂內呼1M2.4轎廂內呼燈2M7.0轎廂開門按鈕M2.5轎廂內呼燈1M7.1轎廂關門按鈕M2.6開門繼電器M7.2超重檢測信號M3.0超重指示燈M7.3程序流程圖控制系統程序設計流程圖見圖4.1所示。圖4.1控制程序流程圖PLC梯形圖ORGANIZATION_BLOCK主程序:OB1TITLE=BEGINNetwork1在主程序中，調用者被單獨調用，指示程序，上升程序，下降程序，當出現某個條件觸發時，其不同的子程序就會進行相應的觸發。當系統啟動后，會首先進入復位狀態和初始化設置，然后檢測是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則進行響應，如當一層上呼叫I2.1按下的時候，系統就會開始響應，進入上升狀態。一旦有按鍵按下，系統會檢測當前所在樓層是否為目標樓層，是否出現超重等異常現象，如果有異常現象，則會輸出停止標志。當沒有異常，或者當前樓層不是目標樓層時，就會輸出信號控制曳引電機進行工作，從而拖到電梯向目標樓層進行運動，從而達到目標樓層。當檢測到當前樓層達到目標樓層時，系統會開始控制門電機進行開門，方便用戶進出電梯，同時在延時幾秒后會關閉電梯門。當電梯啟動關門時，會發出關門的標志信號從而控制繼電器以實現對門電機的控制，在此會通過計時器進行計時，以實現關門時的延時效果。組態設計仿真平臺軟件仿真是系統設計中非常重要的一環，硬件圖紙設計的是否正確，軟件設計的是否正確，原理圖和軟件是否匹配等等系列問題，都可以通過軟件的仿真在很大程度上提前知曉，這樣節省了開發者大量的工作時間，因為如果直接通過實物去進行調試，不僅僅增加系統成本，還增加了很多時間，所以在現實開發中，都會采用仿真軟件來搭建系統模型，對整個系統的核心電路進行仿真，并且驗證相應的軟件仿真邏輯。目前，可供選擇的仿真軟件種類繁多，比如常用的有MATLAB,組態王,MCGS等等，而在PLC的開發過程中，主要還是選擇MCGS仿真軟件，其可以方便的繪制相關元件并與PLC程序實現聯調，其頁面如圖所示。圖5.1MCGS組態環境組態文件建立使用MCGS組態軟件后，首先就要安裝好相應版本的軟件，然后打開并新建工程，在里面用戶串口里面新建窗口，在此命名為模擬電梯，在此還可以對背景顏色，窗口位置，窗口的邊界形態進行設置，點擊確認后就完成了初始設置，界面如圖5.2所示。圖5.2新建用戶窗口當雙擊新建的用戶窗口進入后，可以鼠標右鍵，選擇插入元件，此時可以跳出元件庫，在元件庫中有各種各樣常見的器件模型，如開關，電感，電機，閥門等等，在此需要通過元件庫來尋找合適的器件去搭建仿真模型。圖5.3元件庫界面通過依次拖入相應的元件庫，就可以對目標模型進行建立，本次基于MCGS的電梯運行監控管理系統結構設計中，是以5層電梯為例進行設計，因此整個電梯結構分為1-5層，在第一層只有上行，在第五層只有下行，中間的三層均有上行和下行，并且設置了5個LED燈來分別表示每一層樓的門的開關狀態，其繪制后的MCGS組態頁面如圖5.4所示。圖5.4模擬電梯組態頁面仿真運行在完成MCGS組態動畫的繪制后，就需要將編寫的控制程序引入來印證整個設計，此時啟動MCGS仿真，然后首先通過鼠標按下5層按鍵，此時電梯就會就會從1層向5層開始上行，效果如圖5.5所示，在實時樓層的顯示后面還會有上行標志來進行表示，表示此時電梯正在處于上行的過程中。圖5.5按下去往5層按鍵運行圖一當電梯經在運行一段時間后，當電梯到達目標樓層的第五層時，門就會打開，上行品牌標志也會顯示，效果分析如圖5.6所示。圖5.6按下去往5層按鍵運行圖二接著再按下去往1層的按鍵，此時電梯再一次向下開始運行，電梯所在樓層后面出現了下行標志，并且LED燈1也會變亮，表示電梯正在下降的過程中。圖5.7按下去往1層按鍵運行圖一同樣的，當電梯到達目標樓層的第一層時，電梯門將自動打開，并且下行標志會消失，效果如圖5.8所示。圖5.8按下去往1層按鍵運行圖二

結語本課題是對基于MCGS的電梯運行監控系統進行設計，以5層電梯為例，主控制器采用西門子S7-200SMART型PLC，與牽引電機相結合，門電機完成對電梯的控制。在此不僅繪制了關鍵電氣電路，編寫了梯形圖程序，還通過MCGS進行仿真進行功能驗證，達到了設計目標。本文全篇針對課題的應用背景，系統架構，關鍵硬件型號及電路原理，詳細設計了核心軟件程序和開發平臺，雖然說整個設計實現了預期目標，但是還存有很多不足，如本次設計中由于部分功能實現難度較大，并沒有進行實物的制作，因此下一步還可以通過實物的制作來進一步優化和驗證整個設計。

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