基于s7200plc的电梯控制系统设计.doc

陕西理工学院毕业设计论文基于S7-200 PLC的电梯控制系统设计（陕理工机械工程学院，测控技术与仪器专业，071班，陕西 汉中 723003）指导教师：摘要电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密联系，随着人们对电梯运行的安全性、高效性、舒适性、方便性等要求的不断提高，让电梯得到快速发展。本文介绍了一种基于力控组态软件和西门子可编程控制器的电梯控制系统。该控制系统使用西门子S7-200系列的可编程控制器CPU226作为控制器，实现对电梯的精确控制；并利用装有力控组态软件的工控机作为上位机，来对电梯控制系统进行监控和数据采集。CPU226和上位机采用PPI接口来进行数据通讯和交换。分析了电梯的控制原理，对控制系统的硬件结构、软件设计和力控组态画面进行了较详细的说明。该电梯控制系统具有层楼信号的产生与消除、停层信号的登记与消除、电梯的定向、停车信号、开关门环节及报警等功能。关键词电梯；可编程控制器；控制；组态软件Design of elevator control system based on S7-200 PLCZhang Jing（Grade07,Class1,Major Observation and control technology and instrument, School of Mechanical engineering, Shaanxi University of Technology, Han zhong 723003 Shanxi ）tutor: Wang MingwuAbstract: As elevator is the vertical traffic tools of a modern high-rise buildings, it closely contact with peoples life .as peoples requirements for safe running ,high efficiency, comfort and convenience the unceasing enhancement of the elevator , the elevator has fast developed. This paper describes the elevator control system configuration software based on configuration software and Siemens PLC. The control system uses the Siemens S7-200 series PLC CPU226 as the controller to achieve precise control of the elevator; and the use of configuration software installed industrial computer as the host computer, achieve the elevator control system to monitor and data collection. CPU226 and PC interface with PPI data communication and exchange. Analysis of the elevator control theory, the control system hardware architecture, software design and power control configuration screen for a more detailed explanation. The elevator control system has the floor and the elimination of signal generation, stop the registration and the elimination of the signal level, elevator directional, stop signal, switching the door sessions, alarm functions and so on.Keywords: Elevator; Programmable Logic Controller; control ; Configuration software目 录1 电梯的发展与分类41.1 概述41.1.1 电梯产品的录属关系和在人们物质生活中的作用41.1.2 电梯产品发展简史41.1.3 电梯的运行工作情况41.2 电梯的分类51.3 电梯的主要参数及规格尺寸71.3.1 电梯的主要参数71.3.2 我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定81.4 电梯的组成部件81.5 电梯工作原理92 方案论证102.1 电梯控制方式的论证102.2 可编程控制器用于控制电梯的特点112.3 整体设计流程的确定123 硬件及软件的概述133.1 PLC简介133.1.1 PLC的基本结构133.1.2 PLC的性能特点143.1.3 PLC的工作原理163.1.4 PLC控制系统设计思路163.2 编程软件简介及安装173.2.1 PLC的编程语言173.2.2 STEP 7概述183.2.3 STEP 7 Micro WIN软件安装步骤183.3 力控组态软件简介及安装223.3.1 力控组态软件概述223.3.2 力控组态软件安装要求及安装步骤234 硬件设计314.1 控制要求分析314.2 PLC选型324.2.1 PLC控制系统的I/O点数计算与分配324.2.2 PLC的型号选择344.3 电梯控制硬件连接345 软件设计355.1 开关轿厢门程序355.2 轿厢内呼和楼层外呼指示程序375.3 自动选向程序396 上位机组态及编程426.1 力控组态建立新工程的步骤426.2 创建组态界面43致谢54参考文献55附录A：外文资料翻译附录B：程序清单附录C：硬件连接图附录D：上位机组态界面1 电梯的发展与分类1.1 概述1.1.1 电梯产品的录属关系和在人们物质生活中的作用随着人口的增加、科学技术日新月异地发展、人们物质生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。我们完全可以想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将会和汽车一样，成为重要的运输设备之一。在我国，电梯、手扶梯、自动人行道等属于起重运输设备。电梯是在垂直方向上运行的运输设备，手扶梯是在斜面上运行的运输设备。但是电梯和手扶梯都是把人或货物从一个水平面提升到另一个水平面的起重运输设备。1.1.2 电梯产品发展简史根据国外有关资料介绍，公元前2800年在古代埃及，为了建筑当时的金字塔，曾使用过由人力驱动的升降机械。公元1765年瓦特发明了蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽机为动力，并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。1878年英国的阿姆斯特郎发明了水压梯。并随着水压梯的发展，淘汰了蒸汽梯。后来又采用液压泵和控制阀以及直接拄塞式和侧拄塞式结构的液压梯，这种液压梯至今仍为人们所采用。但是电梯得以兴盛发展的根本原因在于采用了电力作为动力来源。我国电梯的使用历史悠久。80年代中期以来，随着我国对外开放，对内告活经济的政策深入贯彻执行，随着技术引进工作的进一步开展，在国内建立一批合资和独资电缆生产厂，使我国的电梯工业又取得巨大的发展，我国又新颁布一批具有80年代国际水平的电梯制造标准，随着采用新标准生产的电梯批量推向市场，技术性能和质量明显提高的电梯又进一步促进建筑业和电梯业的发展，电梯工业蓬勃发展的局面已经形成。1.1.3 电梯的运行工作情况电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。起点站设在一楼，终点站设在最高楼，设在一楼的起点站常作为基站。起点站和终点站之间的停靠站称为中间站。各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮或触钮。一般电梯在两端站的召唤箱上各设置一只按钮或触钮，中间层站的召唤箱上各设置两只按钮或触钮。对于无司机控制的电梯。在各层站的召唤箱上均设置一置有手柄开关或与层站对应的按钮或触钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。召唤箱上的按钮或触钮称为指令或触钮，操纵箱上的按钮或触钮称为内指令按钮或触钮。外指令按钮或触钮发出的电信号称为外指令信号。内指令按钮或触钮发出的电信号称为内指令信号。80年代中期后，触钮已被微动按钮所取代。作为电梯基站的厅外召唤箱，除设置一只召唤按钮或触钮外，还设置一只钥匙开关，以便下班关闭电梯时，司机或管理人员把电梯开到基站后，可以通过专用钥匙扭动钥匙开关，把电梯的厅轿门关闭妥当后，自动切断电梯控制电源或动力源。电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，但是汽车的起动、加速、停靠等全靠司机控制操作，而且在运行过程中可能遇到的情况比较复杂，因此汽车司机必须经过严格的培训和考核。而电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需要通过操纵箱上按钮或触钮向电气控制系统下达一个指令，电梯就能自动关门、定向、起动、加速，在预定的层站平层停靠开门。对于自动化程度比较高的电梯，司机或乘用人员一次还可以下达一个一上的指令信号，电梯便能够依次起动和停靠，依次完成任务。尽管电梯和汽车在运行工作过程有许多不同的地方，但仍有许多共同之处，其中乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接客。而载货电梯的运行工作情况下则类似卡车，执行任务为一次性的，司机或乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才达另一个任务。在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一层站时，假若中间层站出现指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。1.2 电梯的分类电梯的分类比较复杂，一般常从不同的角度进行分类。按用途分类1）载货电梯：为运送货物而设计的并通常有人伴随的电梯。主要用于两层楼以上的车间和各类仓库等场合。这类电梯的装潢不太讲究，自动化程度和运行速度一般比较低，而载重量和轿厢尺寸的变化范围比较大。2）住宅电梯：供住宅楼使用的电梯。3）客货电梯：主要用做运送乘客，但也运送货物的电梯，它与乘客电梯的区别在于轿厢内部的装饰结构不同。4）病床电梯：为运送病床而设计的电梯。5）乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯。主要用于宾馆、饭店、办公楼、大型商店等客流量大的场合。这类电梯为了提高运送效率，其运行速度比较快，自动化程度比较高，轿厢的尺寸和结构形式多为宽度大于深度，使乘客能畅通地进出。而且安全设施齐全，装潢美观。6）杂货电梯（服务电梯）：供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等，并不允许人员进入的电梯。这种电梯的安全设施不齐全，不准运送乘客。为了不使人员进入轿厢，进入轿厢内部的门洞及轿厢的面积都设得非常小，而且轿厢的净高度一般不大于1.2m。7）特殊电梯：除上述常用的几种电梯外，还有为特殊环境、特殊条件、特殊要求而设计的电梯。如船舶电梯、观光电梯、防腐电梯、车辆电梯等。按速度分类1）电梯低速度：速度V1. 0m/s的电梯。2）电梯快速度：速度1.0m/sV2.0m/s的电梯。3）电梯高速度：速度V2.0m/s的电梯。按有无蜗轮减速器分类1）有蜗轮减速器的电梯：适用于梯速为3.0m/s以下的电梯。2）无蜗轮减速器的电梯：适用于梯速为3.0m/s以上的电梯。按曳引电动机的电源分类（1）交流电源供电的电梯：1）采用交流异步双速电机变极调速拖动的电梯，简称交流双速电梯（速度一般小于1.0m/s）。2）采用交流异步双绕组双速电机调压调速拖动的电梯（俗称ACVV拖动电梯）3）采用交流异步单绕组单速电机调频调压调速拖动的电梯（俗称VVVF拖动的电梯）（2）直流电源供电的电梯：80年代中期前用在中高档乘客电梯上，以后不再产生。按驱动方式分类1）钢丝绳式：曳引电动机通过蜗杆、蜗轮、曳引绳轮、驱动曳引钢丝绳两端的轿厢和对重装置做上下运行的电梯。2）液压式：电动机通过液压系统驱动轿厢上、下运行的电梯。按控制方式分类1）轿内手柄开关控制的电梯；2）轿内按钮开关控制的电梯；3）轿外按钮开关控制的电梯；4）轿内、外按钮开关控制的电梯；5）集选控制的电梯；6）信号控制的电梯；7）2台或3台并联控制的电梯；8）梯群控制的电梯。按拖动方式分类1）交流异步单速电机拖动的电梯；2）交流异步双速电机变极调速拖动的电梯；3）交流异步双绕组双速电机调压调速（俗称ACVV）拖动的电梯；4）交流异步单速电机调频调压调速（俗称VVVF）拖动的电梯；5）直流电机拖动的电梯。1.3 电梯的主要参数及规格尺寸1.3.1 电梯的主要参数1）额定载重量（kg）：制造和设计规定的电梯载重量。2）轿厢尺寸（mm）：高宽深。3）轿厢形式：有单或双面开关门及其它特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择等。4）轿门形式：有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等。5）开门宽度（mm）：轿厢门和厅门完全开启的净宽度。6）开门方向：人在厅外面对厅门，门向左方向的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称为中分门。7）曳引方式：常用的有半绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。半绕2：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半。全绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。8）额定速度（m/s）：制造和设计所规定的电梯运行速度。9）电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。10）停层站数（站）：凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站。11）提升高度（mm）：由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离。12）顶层高度（mm）:由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的垂直距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。13）底坑深度（mm）：由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般就越深。14）井道深度（mm）：由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间的垂直距离。1.3.2 我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定为了加强对电梯产品的管理，提高电梯产品的使用效果，国家曾于1974年颁布了JBI435-74、JBI816-74、JB/Z110-74等一批电梯产品的局部标准。电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据。用户选用电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、载运对象等，按照标准的规定，正确选择电梯的类别和有关参数与尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物。否则会影响电梯的使用效果。1.4 电梯的组成部件电梯是一种复杂的机电产品，一般由机房、轿厢、厅门及井道和井底设备等4个基本部分组成。1.机房-机房位于电梯井道的最上方或最下方，用于装设曳引机、控制柜、限速器、选层器、地震检测仪、配线板、总电源开关及通风设备等。当机房设在井道底部时，称为下置式曳引方式。由于此种方式结构较复杂，钢丝绳弯折的次数较多，缩短了钢丝绳的使用期限，增加了井道承重，且保养困难，所以一般不采用，只有机房不可能设在井道顶部时才采用。相反，机房上置式曳引方式因设备简单，钢丝绳弯折次数少，成本低，维护简单等特点，最为普遍采用。如果机房即不可能设在井道底部，也不了能设在顶部时，可考虑选用液压式电梯，即机房侧置式。机房结构必须坚固，防震和隔音，有足够的面积，、高度、承重能力和良好的通风条件，而且室内经常保持有适度的照明亮度，保持干燥清洁等。通常有如下的规定：1)面积一般至少为井道侧面积的2倍以上，对交流电梯，一般为22.5倍；对直流电梯，一般为33.5倍。2)高度指机房地面至顶板的垂直距离。对客梯、病房梯，一般为2.22.8m以上；对货梯，一般为2.22.4m以上。3)承重能力。机房的地板要求能承重6kPa(杂物梯为4kPa)的均部载荷。在曳引机安装的上方，应设吊钩用于维修。钩的承重能力如下：对额定载重量5003000kg的电梯，应大于2000kg；对额定载重量5000kg的电梯，应大于3000kg。4)对于机房的设置有以下3种方式：机房下置式、机房上置式和机房侧置式。2.轿厢与对重(1)轿厢 轿厢是是用来安全运送乘客及物品到目的层的箱体装置，它的运行轨迹是在曳引钢丝绳的牵引下沿导轨上下运行。(2)对重 对重又称平衡重，起到平衡轿厢的作用（但这种平衡是相对的和变化的）。对重与轿厢通过曳引绳的连接，利用曳引绳与曳引轮槽之间的摩擦力驱动轿厢的上升和下降。3.厅门（层门）厅门是为确保在候梯厅的乘客安全而设置的开闭装置，只有在轿厢停层和平层时才被打开。4.井道与井底设备(1)曳引钢丝绳 连接轿厢与对重，驱动轿厢上下运行。(2)导轨 使轿厢和平衡对重在井道内垂直升降的导向装置。(3)限速钢丝绳、张紧装置 用以防止限速钢丝绳的松弛或摇动，把轿厢速度正确地传送到限速器的辅助装置。(4)补偿链 由于轿厢升降，轿厢侧与对重侧的曳引钢丝绳重量比随之变化。为了修正这个变化，减轻电动机的负载，将轿厢与对重用补偿链连接起来，一般用于提升高度超过30m的电梯。(5)终端保护装置 终端保护装置由终端电气保护装置和机械缓冲装置两部分相组成，终端电气保护装置由换速开关、限速开关和极限开关组成。机械缓冲装置是指位于底坑的各种缓冲器，它们是电梯安全保护的最后一道措施，设置在井道底坑中且正对轿厢和对重，起作用是防止轿厢和对重冲顶撞底。1.5 电梯工作原理 曳引绳两端分别连着轿厢与配重，并通过变频器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦所产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨做往复升降运动，防止轿厢在运动中产生偏斜或摆动的动作。常闭式制动器在电动机工作时间松闸，使电机运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持静止状态，以供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，配重用来平衡轿厢载荷、减少发动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、报警工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。2 方案论证2.1 电梯控制方式的论证随着科学目前，电梯行业在我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。目前电梯控制系统主要有三种控制方式：继电路控制系统(“早期安装的电梯多位继电器控制系统)、微机控制系统、PLC控制系统。而在今天选择控制电梯运动的设备已经从传统的继电器接触器转变成可编程控制器（PLC）。继电器控制系统由于线路复杂，接线多，故障率高，维修保养难，许多已处于闲置状态，其曳引系统多采用交流双速电机系统换速，由于效率低，调速性能指标较差等缺点，严重影响电梯运行质量，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗干扰性差，系统设计复杂，一般的技术维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造中。可编程控制器（PLC）与其他计算机控制相比较：个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实践经验。工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是PC总线工控机，它与个人计算机兼容。工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域均占有优势。工控机的外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程控制器的接线端子方便可靠。以上各种计算机用于控制的程序一般都是用汇编语言编写的，可编程控制器不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气维护人员的技能和习惯，摒弃了常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格的形成了一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编写清晰直观、调试和查错都很容易进行。可编程控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。由于可编程控制器具有上述的各种优点，在工业控制领域具有不可比拟的竞争力。当然可编程控制器在电梯的控制领域也具有重要的地位，把可编程控制器用于电梯运动的核心部分是很合理的选择，而且可编程控制器现在在市场上也是一种成熟的产品。总之，经上述比较可得，确定选用PLC控制电梯的运行。在PLC中相比较，主要为西门子与三菱的竞争。由于西门子编程的灵活性是三菱没法比拟的，有很多功能西门子很容易实现，三菱就不行。 再加上题目的要求，我们选用西门子S7-200PLC设计电梯控制系统。2.2 可编程控制器用于控制电梯的特点1、可靠性高所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。（1）为了消除信号噪声,在输入接口内设置了多种滤波电路。（2）为了PLC的信号处理,输入接口内有电平转换及信号锁存电路。（3）为了便于与现场信号的连接,在输入接口外部设有接线端子排。（4）良好的自诊断功能，一但电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。2、实时性强信号处理时间短，速度快。信号处理和程序运行的速度快。能满足各种型号电梯的控制目标。3、编程方便PLC的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的,它采用易于理解和掌握的梯形图语言,以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言继承了传统继电器控制线路的表达式,又考虑到工业企业电气技术人员的看图习惯和微机应用水平，因此得到了广大电气技术人员的欢迎。4、安装简单，维修方便可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。5、设计、施工、调试周期短PLC完成一项控制工程中,由于其硬 软件齐全,设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能,使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少,缩短了施工周期。同时,由于用户程序大都可以在实验室模拟调试好后，再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调,因此大大缩短了设计和投入运行的周期。综上所述，可编程控制器非常适用于交流电梯控制系统。2.3 整体设计流程的确定综上所述，本设计就以PLC作为工具对升降电梯的各种操作进行控制。对五层电梯的硬件部分作分析，看需要什么样的开关，电机，信号灯等。然后，估计一下I/O点数，这样可以确定所选机型，再进行软件设计，写出梯形图，利用力控组态软件画出电梯系统控制面板，最后是进行调试，看看此程序是否可行。3 硬件及软件的概述3.1 PLC简介3.1.1 PLC的基本结构PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如下图所示：编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源图3-1 PLC硬件的基本结构可编程控制器实际是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似。可编程控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。1、CPU模块CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用循环扫描方式工作，并且每一次扫描要完成以下工作：输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号控制相关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。2、I/O模块可编程控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程控制器控制的另一类外部负载有指示灯、数字显示装置和报警装置等。CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程控制器的输入/输出信号电压一般较高，比如直流24V和交流220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外，还具有电平转换与噪声隔离的作用。开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V，12V，24V，48V和交流110V，220V等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V输入模块的允许低电压为070V，高电压为70256V，频率为4763HZ。各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元器件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上。某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。开关量I/O模块可能有4，8，16，32，64点。3、编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程控制器上，将其取下来后可编程控制器也一样可以运行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程控制器公用。3.1.2 PLC的性能特点1、硬件的可靠性PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。2、编程简单，使用方便用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。3、接线简单，通用性好PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使PLC具有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。4、可连接为控制网络系统PLC可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为5002500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M10Mbps，传输距离为5001000m，网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。5、易于安装，便于维护PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。3.1.3 PLC的工作原理PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。PLC则是采用循环扫描工作方式。在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而不断的进行循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将输入、输出的寄存器中的内容进行一次更新，故称为“I（输入）/O(输出) 刷新”。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出对输入产生了响应。反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因数：CPU执行指令的速度、每条指令占用的时间、指令条数的多少，即程序的长短。对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统的抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。3.1.4 PLC控制系统设计思路根据电梯的工作过程要求设计由PLC构成的电梯控制装置，本装置以西门子S7-200 PLC 为控制核心，对电梯的工作过程和各个细节进行显示和控制。PLC控制系统设计一般分为以下几个步骤：（1）熟悉被控对象（本次设计的对象为五层电梯），制定控制方案 （2）确定I/O点数 （3）选择PLC机型（本次设计采用西门子S7-200PLC） （4）选择输入、输出设备，分配PLC的I/O地址 （5）程序设计（包括梯形图的绘制） （6）系统调试 (7)编制相关技术文件 （8）系统总体设计流程如右图3-2所示： 图3-2 PLC系统总体设计流程图3.2 编程软件简介及安装3.2.1 PLC的编程语言PLC程序是PLC指令的有序集合，PLC运行程序就是按一定的顺序，执行这集合中的一条条指令。其中指令是指PLC动作的文字代码或图形符号，使用的编程语言不同，这些文字代码和图形符号就不相同。但从本质上来讲，指令的实质都是二进制机器码。同普通的计算机一样，PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码。PLC提供了功能较为完整的编程语言，以适应PLC在各种工业环境中的应用。利用PLC的编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线，也就是所谓的“可编程”。PLC的编程语言一般有五种：顺序功能图(Sequential Function Chart)、梯形图(Ladder Diagram)、功能块图(Function Block Diagram)、指令表(Instruction List)和结构文本(Structured Text)。其中，顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)是图形编程语言，指令表(IL)和结构文本(ST)是文字语言。梯形图(LD)是目前使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图相似，比较易于掌握且程序表达很清楚。本系统PLC程序的编制采用梯形图语言，编程软件为STEP 7 Micro WIN。该软件能够完成制作程序、对可编程控制器CPU的写入/读出、监控程序运行、调试程序、PLC错误诊断等一系列功能。3.2.2 STEP 7概述STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。有下列版本的STEP 7标准软件包： 用于使用带有各种功能的SIMATIC S7-300/ST-400、SIMATIC M7-300/M7-400和SIMATIC C 7的STEP 7。 用于SIMATIC S7-200上简单单站应用的STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micr