基于西门子PLC s7-300的三层电梯课程设计报告

目录

一、引言 (2)

1、设计目的 (2)

2、设计任务 (2)

3、设计内容 (2)

4、设计意义 (2)

二、基础知识 (3)

1、PLC的工作原理 (3)

2、STEP7的简介 (4)

三、系统的设计准备 (6)

1、电梯控制示意图 (6)

2、系统流程图 (6)

四、系统的硬件设计 (9)

1、PLC硬件配置说明 (9)

2、PLC的I/O地址分配表 (9)

3、交通灯控制系统的I/O接线图 (10)

五、三层电梯控制系统的软件设计 (11)

1.楼层呼叫 (11)

2.轿厢停止控制 (12)

3.电梯上下行 (12)

4.轿厢开门关门 (13)

5.楼层显示 (15)

六、软件的调试与仿真 (16)

1.调试步骤 (16)

2.调试结果 (16)

七、总结 (20)

八、心得体会 (21)

九、参考文献 (22)

一、引言

1、设计目的

（1）熟练使用西门子公司的S7-300系列产品各基本指令和部分应用指令，根据控制要求进行PLC梯形图编程。

（2）进一步熟悉PLC的I/O连接。

（3）熟悉三层楼电梯采用轿厢内外按钮的编程方法

2、设计任务

电梯由安装在各楼层厅门口的上升和下降呼叫按钮进行呼叫操作，其操纵内容为电梯运行方向。电梯轿厢内设有楼层内选按钮S1~S3，用以选择需停靠的楼层。L1为一层指示，L2为二层指示，L3为三层指示，SQ1~SQ3为到位行程开关。电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向的呼叫均无效。

3、设计内容

电梯处于基站，关门等运行状态时，此时按基站外呼按钮，信号经按钮传输到PLC，经PLC 判断为本层开门，再将信号传输到开关门电动机。输出开门信号，电梯开门。

人进入轿厢后，经延时，电梯自动关门。也可按关门按钮，使电梯提前关门。如果轿内指令选第几层按钮，则指令经串行传输到PLC上，显示屏上的对应层发光二极管闪亮，当手离开按钮后，信号被登记，电梯开始运行。PLC核实信号后，可将运行信号传输到各个工作部位并发出运行指令。电梯开始按给定曲线运行，其给定速度信号不断与速度反馈信号比较，不断校正，使电梯运行的速度曲线尽量符合理想的运行曲线，使电梯运行平稳。

运行过程中，井道中的轿厢位置传感继电器每过一个隔磁板即核对一次运行位置，并将信号输入PLC与其中记忆的位置和旋转编码器发回的脉冲数量核对，三个信号核对无误后电梯继续运行。电梯每到一个隔磁板，门区继电器即吸合一次，层楼指示便变化一次。

运行过程中PLC里的“先行楼层”不断寻索楼层呼梯指令信号。当“先行楼层”导索到呼梯指令后，上到站钟GU或下到站钟GD发出到站钟声，经延时，电脑发出换速信号，电梯开始减速运行。当隔磁板插入平层感应器时，电梯进一步减速进入爬行。当轿厢到达平层位置后，接触器断电，电梯停止运行。制动系统工作，电梯停稳。

电梯停稳后，发出开门信号，电梯开门。经延时，关门时间到，发出关门信号，电梯又开始关门。电梯门关好后，其运行方向按轿内指令和厅外召唤与轿厢的相对位置而定。如没有任何指令，电梯就地待命。

4、设计意义

随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，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。

电梯就是用于高层建筑物中的固定式升降运输设备，它有一个装载乘客的轿厢，沿着垂直或倾斜角度小于15°的导轨在各楼层间运行，是垂直运行的电梯、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或水平方向运行的自动人行道的总称。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着广泛的应用。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。有了电梯，摩天大楼才得以崛起，现代城市才得以长高。据估计，截至2002年，全球在用电梯约635万台，其中垂直电梯约610万台，自动扶梯和自动人行道约25万台。电梯已成为人类现代生活中广泛使用的人员运输工具。人们对电梯安全性、高效性、舒适性的不断追求推动了电梯技术的进步。如今，世界各国的电梯公司还在不断地进行电梯新品的研发、维修保养服务系统的完善，力求满足人们的对现代建筑交通日益增长的需求。

二、基础知识

1、PLC的结构

PLC 实质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从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

图2.1

2、PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1．输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2．用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

3．输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

PLC的扫描工作过程如图2-2、图2-3所示：

图2.2 PLC的扫描工作过程图

图2.3 PLC的扫描周期

3、STEP7的简介

STEP7 编程软件是一个用于SIMATIC 可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7 标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC 管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。STEP7 编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC 在线上载或下载。利用STEP7 可以方便地创

建一个自动化解决方案。图2.4为创建一个自动化项目的基本步骤

图2.4 创建一个自动化项目

项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据包括：硬件结构的组态数据及模板参数；网络通讯的组态数据以及为可编程模板编制的程序。它们都被收集在一个项目下。在生成一个项目后，先插入站，然后可以组态硬件。在组态硬件时，可以借助于模板样本对可编程控制器中的CPU 及各模板进行定义，通过双击站来启动硬件组态的应用程序。一旦存储并退出硬件组态，对于在组态中生成的每一个可编程模板，都会自动生成S7/M7 程序及空的连接表。连接表可用来定义网络中可编程模板之间的通讯连接。硬件组态完成后就可为编程模板生成软件。为可编程模板编制的软件存储在对象文件夹中。对该对象文件夹称作

“S7-Program”。在子菜单中，可以选择想要生成的块的类型(如：数据块，用户定义的数据类型，功能，功能块，组织块或变量表)。打开一个空的块，然后用语句表，梯形图或功能图输入程序。在完成组态，参数赋值，程序创建和建立在线连接后，可以下载整个用户程序或个别块到一个可编程序控制器。在下载完整的或部分用户程序到CPU 之前，把工作方式从RUN 模式置到STOP 模式。可以通过在线连接下载各个块或整个用户程序到RAM。当电源关断后和CPU 复位时，保存在他们上面的数据将被保留。另外，可以从可编程控制器中上载一个工作站，或从一个S7 CPU 中上载块到PG/PC。这样，当出现故障而不能访问到程序文档的符号或注释时，就可以在PG/PC 中编辑它。用于S7-300 的编程语言有：梯形图(LAD)，语句表(STL)和功能块图(FBD)。LAD 是STEP7 编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。STL 是STEP7 编程语言的文本表达方式，与机器码相似，CPU 执行程序时按每一条指令一步一步地执行。FBD 是STEP7 编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。STEP7 编程软件允许结构化用户程序，可以将程序分解为单个的自成体系的程序部分。从而使大规模的程序更容易理解，可以对单个的程序部分进行标准化。程序组织简化，修改更容易。系统的调试也容易了许多。在S7 用户程序中可以使用如下几种不同类型的块：组织块(OB)是操作系统和用户程序的接口。它们由操作系统调用，并控制循环和中断驱动程序的执行，以及可编程控制器如何启动。它们还处理对错误的响应。组织块决定各个程序部分执行的顺序。用于循环程序处理的组织块OB1 的优先级最高。操作系统循环调用OB1 并用这个调用启动用户程序的循环执行。功能(FC)属于用户自己编程的块。功能是“无存储区”的逻辑块。FC 的临时变量存储在局域数据堆栈中，当FC 执行结束后，这些数据就丢失了。功能块(FB)属于用户自己编程的块。功能块是具有“存储功能”的块。用数据块作为功能块的存储器(背景数据块)。传递给FB 的参数和静态变量存在背景数据块中。背景数据块(背景DB)在每次功能块调用时都要分配一块给这次调用，用于传递参数。

系统功能块(SFB)和系统功能(SFC)是STEP7为用户提供的己编程好的程序的块，经过测试集成在CPU 中的功能程序库。SFB 作为操作系统的一部分并不占用程序空间，是具有存储能力的块，它需要一个背景数据块，并须将此块作为程序的一部分安装到CPU 中。STEP7 的调用结构如下图2.5所示：

图2.5 STEP7的调用结构

三、系统的设计准备

1、电梯控制示意图

图3.1 电梯控制示意图

2、系统程序流程图

图3.2 楼层显示

图3.3 楼层呼叫

图3.4 轿厢停止控制

图3.5轿厢上下行

图3.6轿厢开关门

四、三层电梯控制系统硬件设计

1.PLC的机型选择

为了完成设定的控制要求，主要根据电梯的控制方式与输入输出点数和占用内存多少来确定PLC的机型。本系统为三层电梯，采用了级选控制方式。

根据电梯控制特点，输入信号应该包括以下几个部分：轿厢内的楼层选择按钮SB1,SB2，SB3，开门按钮SB4和关门按钮SB5，以及安装于各楼层的电梯停靠位置的三个传感器SQ1，SQ2，SQ3，平时它们为常开，当电梯运行到平层时关闭。所以输入信号共有八个。

输出信号应该包括：轿厢内呼叫指示信号三个，分别表示一层到三层的呼叫被接收，并在呼叫指令完成后，信号消失；电梯上、下行指示信号有两个，门电动机开、关指示信号两个。共需要输出信号7个。

综合输入/输出点的计算及要实现的电梯功能，使用西门子s7-300系列的CPU-315-2DP，有16个开关量输入，16点开关量输出，这样就足以满足设计要求。

2.输入输出点分配

该系统占用PLC的15个I/O口，8个输入点，7个输出点，具体的I/O分配表如下表所示

表4.1 I/O分配表

3.系统组态

图1 系统组态图

3、三层电梯控制系统的I/O接线图

五、三层电梯控制系统的软件设计

控制系统梯形图用“新建项目”向导生成一个名为“三层电梯控制软件”的项目，采用线性化编程，控制软件用梯形图编写，OB1中的程序如下：

一、楼层呼叫

二、轿厢停止控制

三、电梯上下行

四、轿厢开门关门

五、楼层显示

六、软件的调试与仿真

1、调试步骤

软件的调试是在仿真软件中实现的，我们采用S7-PLCSM仿真软件，仿真步骤如下：

1、打开S7-PLCSM仿真软件，窗口自动出现CPU试图对象。在CPU视图对象中点击STOP小框，灵仿真PLC处于STOP模式，在选择菜单命令“PLC”/“Download”，将要下载的程序下载到仿真PLC中。

2、执行菜单命令“Insert”/“Input Variable”，创建IB字节的视图对象，用类似的方法生成输出字节QB、定时器的视图对象。点击CPU视图对象中RUN小框，将仿真PLC至于运行状态。

3、测试软件是否运行正常。

2、调试结果：

（1）调试界面如下图

（2）运行时，电梯先开门6S后关门

（3）电梯原来在一楼，三楼呼叫

（4）电梯到大三楼后，先延时3s然后开门6s然后关门

（5）当电梯在三楼时，一楼有呼叫，电梯先向下运行到一楼，停3s后开门6s，然后关门

七、总结

在这次软件设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，只有理论与实际相结合，才能更加深入的了解问题。只有了解了实际与理论知识并把它们相结合，才能解决问题。一切问题必须靠自己一点一滴的解决，而且要不断的更正以前的错误。设计是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此大部分时间是用在程序设计上面的。

在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，找很多资料，花大量的时间才能解决。但当解决了一个问题时的那种成就感是用言语无法形容的。

通过这次对停车场车位控制的PLC控制，让我了解了PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。同时对所学的知识得到很大的提高与巩固。经过多次的反复实验与分析,可以对电路的原理及功能更加熟悉,同时提高了设计能力与及对电路的分析能力. 而且在软件的编程方面得到更到的提高,对编程能力得到加强。我想通过参加这次的课程设计，也会对自己以后的学习和工作都有很大的帮助。