机电一体化技术自动生产线两层式升降电梯控制系统设计.docx

福建信息职业技术学院
毕业论文（设计）

论文题目：自动生产线两层式升降电梯控制系统设计

系 别：　 机电工程系　 　
　　　　 专 业：　机电一体化技术
　　　　 班 级：　 机电0811 　
学 号：　 0803031123 　　
　　　　 学生姓名：　 　 　　
指导教师：　 　 　

目 录
1.绪论 1
1.1研究自动生产线两层式升降电梯控制系统的意义 1
1.2自动生产线两层式升降电梯控制系统的研究思路和主要内容 1
2．自动升降电梯机械系统和自动控制系统概述 2
2.1自动升降电梯机械系统的组成 2
2.2自动升降电梯自动控制系统的组成 4
3．自动升降电梯系统的工作原理和控制要求 5
4． 自动升降电梯系统的PLC型号的确定 6
4.1基本模块的选择 6
4.2扩展模块的选择 7
5．自动升降电梯PLC控制系统程序设计 8
5.1自动升降电梯PLC控制系统的I/O地址分配 8
5.2自动升降电梯PLC控制系统的外围接线图 9
5.3自动升降电梯PLC控制系统的状态流程图 9
5.4自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序 10
5.5自动升降电梯PLC控制系统的程序模拟及调试 17
5.5.1仿真软件介绍 17
5.5.2 调试的过程说明和结果分析 19
6．总结和展望 20
6.1论文的主要研究成果和不足 20
6.2进一步研究的方向 20
7．致谢 21
参考文献： 22

自动生产线两层式升降电梯控制系统设计
摘 要: 文章主要介绍的是自动生产线两层式升降电梯的PLC控制系统设计。它详细地阐述了系统组成、系统工作原理、系统的PLC梯形图程序设计以及利用模拟软件进行程序的调试过程。该系统控制原理简单、操作方便、自动化程度较高且稳定性强，对于工厂的不间断生产作业有很强的实用性。
关键词: 升降电梯 PLC 自动生产线

1.绪论
1.1研究自动生产线两层式升降电梯控制系统的意义
自动生产线两层式升降电梯的控制系统用PLC控制有很高的稳定性和可操作性，高的稳定性正是工厂不间断生产所要求的，可操作性为当生产有新的任务要求时可以重新设计或手动操作以达到不同的任务要求，操作方便。现在的一些工厂中常见的升降机械很多由工频电机直接带动运行，电气控制部分一般都很简单，多数采用人工手动控制或采用继电器控制方式。这些升降机械存在一些明显的问题，如启动停止和运行不平稳，升降运动过程动作不可靠，自动化程度不高，故障率较高，设备能耗高，无法应急运行，存在安全隐患等等。基于这些问题使得这些升降机械很难在工厂生产中发挥高效率的作用，同时也使得这些生产的升降机械无法与自动化生产线配套使用，也无法根据实际的生产需要转换和调整升降机械的动作方式和工作顺序。而该升降电梯控制和驱动系统，可以完成对升降电梯自动运行的智能化控制和管理，可以根据生产线的实际生产需要和具体工艺要求自动调整升降方向和速度快慢。整个系统自动化程度高，应用范围广，可以在多个行业与国内外各型生产线配套使用。因此，本课题的研究有深远的现实意义。
1.2自动生产线两层式升降电梯控制系统的研究思路和主要内容
本课题拟在分析系统的控制要求、工作原理及工艺要求的基础上，确定本系统的总体控制方案，进行输入输出点的分配，绘制控制系统接线图，接着完成控制流程图的绘制，然后再设计梯形图程序，紧接着利用模拟仿真软件进行调试、完善控制要求、分析并运行程序，最后完成论文的撰写。
本课题的主要内容如下：
（1）根据系统控制要求选择PLC型号以便进行系统设计；
（2）进行自动升降电梯PLC控制系统的I/O地址分配；
（3）绘制自动升降电梯PLC控制系统的外围接线图；
（4）绘制自动升降电梯PLC控制系统的状态流程图；
（5）编写自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序；
（6）进行自动升降电梯PLC控制系统的程序模拟及调试；
（7）总结与展望。

2．自动升降电梯机械系统和自动控制系统概述
2.1自动升降电梯机械系统的组成
自动升降电梯的机械系统主要由驱动单元、升降架互锁装置、升降机构、辊床、皮带、导向轮子等组成，如下列图所示：图2-1是该机械系统的整体构造，图2-2 为系统的驱动单元，图2-3为升降架互锁装置，图2-4为该系统上的辊床，图2-5 为辊床上的输送辊子，图2-6为系统皮带的安装与导向轮。

图2-1自动升降电梯的机械系统的整体构造

图2-2 驱动单元

图2-3升降架互锁装置

图2-4 辊床

图2-5 辊床上的输送辊子

图2-6皮带的安装与导向轮

2.2自动升降电梯自动控制系统的组成
自动升降电梯的自动控制系统的组成如下图2-7所示。

图2-7 自动升降电梯的自动控制系统的组成
可编程控制器PLC采集外部输入点的输入信号，如启动停止信号，各个光电传感器的状态信号，各限位开关的输入信号，人机界面上的输入信号，经过逻辑判断和运算后输出相应输出信号，控制电气系统中的相应交流接触器和变频器动作。来完成将一层楼的白车身自动的转移到另外一层楼的库位上。

3．自动升降电梯系统的工作原理和控制要求
自动升降电梯的工作状态分为自动运行状态和手动/检修操作状态，两个工作状态相互独立彼此分开。当升降电梯处于自动运行状态下时，要求手动/检修操作盒的所有按钮无效，同样当设备处于检修状态下时要求来自系统外部的控制信号无效，此时系统只能通过检修手动盒点动检修。
在自动运行时要求升降机能够将一层楼的雪橇（带白车身）自动的传送到另外一层楼的库位上，并自动返回到出发点进行下一个工作周期。这个过程中要求PLC能根据外部生产线的速度自动调节升降机的运转速度。要求升降机的雪橇底座能够准确平层，能够判断进出口堵塞情况的发生，能够自动的连续点动正反转，以自动消除进出口的堵塞现象，减少不必要的停机发生。同时能根据生产需求调整传送方向。要求系统有可靠的安全保护，能避免设备安全事故的发生。要求设备具有应急运行功能，减少因设备故障造成的生产线停机。

4．自动升降电梯系统的PLC型号的确定
本系统控制升降电梯,采用集选控制方式。为了完成设定的控制任务,主要根据升降电梯输入/输出点数确定PLC的机型。
4.1基本模块的选择
目前比较多用的PLC主要有西门子系列，OMRON系列，三菱系列，松下系列等等，各类型有缺点分别如下：
OMRON系列的PLC程序代号太繁琐；PLC编程器结构太大(带24V变压),像个箱子一样,远没有松下,KEYENCE的小巧；数据线因针孔相插的原因,容易损坏；OMRON PLC实在是比较贵,除了一些重要的设备上使用外,真的不如用其它PLC。OMRON一般只能使用在重型机械的控制及要求稳点性能高的设备上。
三菱PLC有自带24V变压和外置24V变压两种。外置变压的结构与KEYENCE的较为相似,比较矮，内置变压的比较高。三菱PLC性能比较稳定,烧点的现象没有KEYENCE那么严重，但也有发生。三菱PLC程序代号较为简单(如:输入点1用X1,输出点1用Y1,内部断电器有M1等)成本方面较OMRON，KEYENCE便宜.
松下系列老型号的PLC体积很小,输入输出的点都是积中在一起与OMRON的扩展口有点相似，新型号的在模仿KEYENCE及三菱等PLC的输入输出用一个一个的接线点表示。松下PLC优缺点并存,优点在于体积小,价格低；缺点在于,容易烧点,这种PLC有时你接到设备上闲置一段时间都有可能烧点。
西门子PLC与之上各PLC相比，西门子PLC有如下优点：
(1)配置简单。各种机型均可采用相同配置，简化设备采购和仓库库存管理。
(2)编程方便。用户可根据不同机型的流程要求编制程序，程序调试和修改都非常简便，能根据客户需求进行变化；程序可采用密码保护，保护自己的劳动成果。而且PLC采用的梯形图语言简单易学，容易上手，不像单片机控制系统那样复杂而且一旦定型不易修改，不能根据客户需求变化。
(3)系统能非常方便地连接到PC机监控系统或其他系统如楼宇自控系统中，根据应用情况，有时可无须增加额外硬件就能实现；增加适当硬件可连接到互联网上。
(4)系统外观高档，控制灵活，精确度高；故障率极低，节省维护成本。
综上所述，在本次设计中选用西门子PLC进行过程控制。再结合已有的条件以及编程的可操作性和简易型，选用S7-226CN进行编程和仿真调试。S7-226CN针对低性能要求的小型PLC，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求，紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-226CN成为各种控制应用的理想解决方案。
根据电梯控制的要求，需要21个输入/14个输出点， CPU226CN集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点,可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。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。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统,是具有较强控制力的控制器，用于控制电梯的运行。所以自动生产线两层式升降电梯PLC系统设计可选用CPU226CN作为主控制器。下图4-1为CPU226CN的外观图。

图4-1 CPU226CN外观图
4.2扩展模块的选择
S7-200系列目前总共可以提供三大类，共10种数字量输入/输出扩展模块：输入扩展模块EM221CN 两种类型（8点DC24V输入和16点DC24V输入）、输出扩展模块EM222CN两种类型（8点DC24V输出和8点继电器输出）、输入/输出扩展模块EM223六种类型（DC24V 4输入/DC 4输出，DV24V 4输入/继电器4输出；DC24V 8输入/8输出，DV24V 8输入/继电器8输出；DC24V 16输入/16输出，DV24V 16输入/继电器16）。
根据估算的I/O口数量，因基本模块I/O口已满足该系统的控制要求，所以无需选用扩展模块。

5．自动升降电梯PLC控制系统程序设计
5.1自动升降电梯PLC控制系统的I/O地址分配
自动升降电梯PLC控制系统的I/O地址分配表如下表5-1、表5-2所示。
表5-1 自动升降电梯PLC控制系统的I地址分配表
序号
输入地址
设备符号
设备名称
设备功能
1
I0.0
SB0
按钮
电源开启
2
I0.1
SA1
切换开关
手动(0)/自动(1)切换
3
I0.2
SB1
按钮
自动启动
4
I0.3
SB2
按钮
急停
5
I0.4
SC1
光电接近开关
一楼位置升降机接车检测
6
I0.5
SC2
光电接近开关
滑撬在辊床前端位置检测
7
I0.6
SC3
光电接近开关
滑撬在辊床末端位置检测
8
I0.7
SC4
光电接近开关
锁紧电机打开到位检测
9
I1.0
SC5
光电接近开关
锁紧电机关闭到位检测
10
I1.1
SC6
光电接近开关
升降机上升到位检测

11
I1.2
SC7
光电接近开关
升降机下降到位检测
12
I1.3
SQ1
行程限位开关
升降机上升限位保护
13
I1.4
SQ2
行程限位开关
升降机下降限位保护
14
I1.5
SC8
光电接近开关
二楼位置出车检测
15
I2.1
SB3
按钮
手动辊床向前按钮
16
I2.2
SB4
按钮
手动辊床向后按钮
17
I2.3
SB5
按钮
手动锁紧电机关闭
18
I2.4
SB6
按钮
手动锁紧电机打开
19
I2.5
SB7
按钮
手动升降机上升
20
I2.6
SB8
按钮
手动升降机下降
21
I2.7
SB9
按钮
系统复位

表5-2 自动升降电梯PLC控制系统的O地址分配表
序号
输出地址
设备符号
设备名称
设备功能
1
Q0.0
KM1
接触器线圈
控制辊床向前运行
2
Q0.1
KM2
接触器线圈
控制辊床向后运行
3
Q0.2
KM3
接触器线圈
控制锁紧电机打开
4
Q0.3
KM4
接触器线圈
控制锁紧电机关闭
5
Q0.4
KM5
接触器线圈
控制升降机上升
6
Q0.5
KM6
接触器线圈
控制升降机下降
7
Q0.6
HL1
绿色指示灯
电源开启指示
8
Q0.7
HL2
白色指示灯
自动启动指示
9
Q1.0
HL3
白色指示灯
辊床向前运行指示
10
Q1.1
HL4
白色指示灯
辊床向后运行指示
11
Q1.2
HL5
白色指示灯
锁紧电机打开指示
12
Q1.3
HL6
白色指示灯
锁紧电机关闭指示
13
Q1.4
HL7
白色指示灯
升降机上升指示
14
Q1.5
HL8
白色指示灯
升降机下降指示
5.2自动升降电梯PLC控制系统的外围接线图
自动升降电梯PLC控制系统的外围接线图如下图5-1所示。

图5-1 自动升降电梯PLC控制系统的外围接线图
5.3自动升降电梯PLC控制系统的状态流程图
自动升降电梯PLC控制系统的状态流程图如下图5-2所示。

图5-2 自动升降电梯PLC控制系统的状态流程图
5.4自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序
自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序如下图5-3所示。

图5-3自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序图1

图5-3自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序图2（续1）

图5-3自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序图3（续2）

图5-3自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序图4（续3）

图5-3自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序图5（续4）

图5-3自动升降电梯PLC控制系统的梯形图程序图6（续5）

5.5自动升降电梯PLC控制系统的程序模拟及调试
5.5.1自动升降电梯PLC控制系统的仿真软件介绍
(1)仿真软件界面介绍
中文名:(SIEMENS)西门子S7-200 PLC仿真软件V1.1_V1.2_V2.0_V3.0
英文名: S7_200 Version 3.0
仿真软件的界面，如图5-4所示，和所有基于Windows的软件一样，仿真软件最上方是菜单，仿真软件的所有功能都有对应的菜单命令；在工件栏中列出了部分常用的命令（如PLC程序加载，启动程序，停止程序、AWL、KOP、DB1和状态观察窗口等）。

图5-4 自动升降电梯PLC控制系统的仿真软件界面
(2)准备工作
仿真软件不提供源程序的编辑功能，因此必须和STEP7 Micro/Win程序编辑软件配合使用，即在STEP7 Micro/Win中编辑好源程序后，然后加载到仿真程序中执行。
A．在STEP7 Micro/Win中编辑好梯形图
B．利用File Export命令将梯形图程序导出为扩展名为awl的文件
C．如果程序中需要数据块，需要将数据块导出为txt文件。
(3)程序仿真
A.启动仿真程序。
B.利用Configuration CPU Type选择合适的CPU类型，如图5-5所示。

图5-5 CPU类型的选择
C.模块扩展（不需要模块扩展的程序该步骤可以省略）
选择需要扩展的模块类型后，点击Accept按钮即可。

扩展模块后的仿真软件界面如图5-6所示。
图5-6 扩展模块后的仿真界面
D.程序加载
选择仿真程序的Program Load Program命令，打开加载梯形图程序窗口如图5-7所示，仅选择Logic Block（梯形图程序）和Data Block（数据块）。
点击Accept按钮，从文件列表框分别选择awl文件和文本文件（数据块默认的文件格式为dbl文件，可在文件类型选择框中选择txt文件）。

图5-7 程序加载窗口
加载成功后，在仿真软件中的AWL、KOP和DB1观察窗口中（如图5-8所示）就可以分别观察到加载的语句表程序、梯形图程序和数据块。
图5-8 仿真软件的AWL、DB1和KOP观察窗口
E.点击工具栏按钮，启动仿真。

F.仿真启动后，利用工具栏中的按钮，启动状态观察窗口。
在Address对应的对话框中，可以添加需要观察的编程元件的地址，在Format对应的对话框中选择数据显示模式。点击窗口中的Start按钮后，在Value对应的对话框中可以观察按照指定格式显示的指定编程元件当前数值。
在程序执行过程中，如果编程元件的数据发生变化，Value中的数值将随之改变。利用状态观察窗口可以非常方便的监控程序的执行情况。
5.5.2 调试的过程说明和结果分析
编好的程序用S7-200仿真软件进行了仿真，步骤如下：
第一步：把程序导出保存为“自动生产线两层式升降电梯.awl”文件；
第二步：打开仿真软件，选择CPU226；
第三步：装载“自动生产线两层式升降电梯.awl”文件；
第四步：监控梯形图，运行PLC，如图5-9所示；

图 5-9 程序的仿真调试
第五步：点击输入点，使相应输入点闭合，查看梯形图输出情况；
第六步：根据仿真情况对程序进行相应的修改和调试；
通过仿真与调试，最终得到的程序符合所要求的控制系统的各项要求。

6．总结和展望
6.1论文的主要研究成果和不足
本次设计利用S7-200可编程控制器实现对升降电梯的控制。通过I/O口的估算，合理的选择PLC的型号。根据升降电梯的控制要求，合理的分配I/0口，绘制流程图，编写升降电梯控制程序，并通过软件对程序进行仿真调试，使升降电梯实现了将一楼的雪橇和白车身送至二楼库位的自动控制，即当一楼位置有车来时，辊床接车，接车完成，锁紧电机打开，升降机上升，上升到位，锁紧电机关闭，等待二楼出车，二楼出车，出车完成后锁紧电机打开，升降机下降，下降到位后锁紧电机锁紧，进入循环。每一步的动作都有相应的指示灯指示，操作方便，工作流程清晰，达到了预定的设计目的。
这次设计也存在一定的不足。由于时间的仓促、设备条件和专业知识的限制，只能模拟升降电梯控制，用软件进行仿真，未能对相关的元器件进行选型和制作升降电梯模型。另外，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误，肯请阅读此篇论文的老师多予指正。面对问题，才有可能解决问题。不足和遗憾不会给我打击，只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术、新设备、新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国建设做出贡献。
6.2进一步研究的方向
自动生产线升降电梯的利用将越来越广泛，未来的自动化生产线升降电梯将与其它的自动化生产设备组合起来，利用PLC之间的通信行成一个自动化程度极高的自动化网络，并和触摸屏、生产看板系统、生产控制系统组合起来形成数字化的工业控制。

7．致谢
三年大学时光伴随着毕业设计即将画上一个完整的句号。回首这三年的美好岁月，感觉自己收获颇多。在完成了大学最后一项任务后，突然发现不仅是对自己这三年的一个总结，同时也是对三年学习成果的一次考核，更是自己下一步工作和学习的一次演习。
在本次毕业设计以及论文编写过程中，从项目的选定、和理性分析到最后的论文编排，感谢指导教师给了我许多指导和帮助。毕业设计是一个系统化的工程，在这个过程中我遇到了很多无法靠自己能力以及知识储备来解决的问题，尽管付出了很多努力，但是仍然无法没有明显的进展，这使我明白了协同工作的重要性。一个人的知识面永远都是有限的，在接触到一个全新的领域时，都会遇到很多棘手的问题，这是就要不断地想别人请教和咨询。这次的毕业设计不仅使我了解了很多新的知识，更重要的是我探索和获取知识的能力的到了很大的提高，这跟老师们给我的指导也是分不开的。
再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友、同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。
还要感谢福建信息职业技术学院所有老师在这大学期间给我的培养。不仅使我学到了很多新知识，更重要的是，使我建立起了一套完整的科学思考观，正是有了这样科学的分析和思考问题的方式，才能使我解决毕业设计中遇到的一系列问题，同时这在我以后的生活、学习和工作中也将起到举足轻重的作用。
最后，特别感谢各位老师在百忙中抽出时间评阅我的论文。

参考文献：
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[4]何仿山.可编程序设计范例大全[M].上海：同济大学出版社，1997[5]齐从谦等.plc技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2000
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