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1、摘要随着高层建筑的迅速崛起，电梯的身影随处可见。电梯依靠其垂直运动的结构原理大受欢迎，成为人们日常生活中不可或缺的运输工具。在如此庞大的市场背景下，电梯的使用者自然而然的对电梯提出了一系列的性能要求，以提升电梯的使用体验。在上个世纪90年代以前，电梯系统控制多使用继电器控制，这种控制方式存在着接线复杂、维修成本高、故障多等缺点。为了针对这些问题，设计了基于PLC的电梯控制系统。文章以电梯仿真模型EET中六部十层电梯作为研究对象，以西门子PLC中S7-1200系列作为设计平台，以满足日常电梯代步、群控逻辑优化、电梯运行安全为主要任务。首先对系统的设计预期、设计可行性、设计原则、功能需求等分析；其
2、次对电梯模型和PLC系统进行深入了解；再此基础上完成软件逻辑部分的构思设计，用直观的编程语言设计程序；最后利用以太网进行实机通讯，并通过监控平台WinCC实现组态监控调试。最终运行结果表明，控制系统的稳定性较好、内存占用较小、控制逻辑合理。关键词：电梯控制系统；西门子PLC；WinCC；群控逻辑摘要1第一章 绪论51.1 课题的背景及意义51.2 国内外发展现状51.3 本课题的设计内容及章节安排61.4 本章小结6第二章 系统分析72.1 系统设计预期72.2 可行性分析72.2.1 操作可行性分析72.2.2 技术可行性分析72.2.3经济可行性分析82.3 PLC基本设计原则82.3.1
3、 节能性原则82.3.2 经济性原则82.3.3 安全性原则82.3.4 冗余性原则82.4 PLC设计基本内容82.5 PLC系统设计一般流程92.6 本章小结10第三章 硬件设计113.1 电梯模型概述113.2 电梯的组成系统结构133.2.1 牵引系统133.2.2 导向系统143.2.3 电梯门系统143.2.4 轿厢系统143.2.5 重量平衡系统143.2.6 曳引拖动系统143.2.7 电气控制系统163.2.8 安全保护系统163.3 PLC相关介绍163.3.1 PLC简介163.3.2 PLC控制系统与微机控制系统特点比较173.3.3 S7-1200PLC简介183.4
4、 本章小结18第四章 软件设计194.1 TIA Portal V14软件介绍194.2 电梯功能设计204.2.1 电梯初始化204.2.2 电梯内外呼叫应答204.2.3 电梯门运行控制204.2.4 电梯制动启动控制204.2.5 风扇照明204.2.6 运行过程控制204.2.7 错误指令取消204.2.8 休眠等待状态204.2.9 终端越位保护214.2.10 超载保护214.2.11 运行保护214.2.12 开关门保护214.2.13 群控分析214.3 输入输出变量统计214.3.1 输入变量224.3.2 输出变量234.4 系统软件设计思路及流程图244.4.1 电梯运行
5、总体控制过程244.4.2 电梯初始化控制过程254.4.3 电梯上下行控制过程264.4.4 电梯开关门控制过程274.4.5 电梯制动控制过程294.4.6 登记轿厢所在楼层过程304.4.7 照明风扇控制过程304.4.8 电梯群控过程314.5 程序设计334.5.1 Main程序块设计334.5.2 函数块设计334.6 本章小结33第五章 组态通讯、监控及调试345.1 WinCC监控画面设计345.1.1 界面显示345.1.2 登录界面345.1.3 权限设置345.1.4 主画面设置345.1.5 一部电梯运行画面监控345.1.6 轿厢外呼应状态监控345.1.7 数据记录
6、及报警画面设置345.1.8 初始化楼层设置355.2 组态通讯355.2.1 通讯连接355.2.2 PC机通讯设置355.2.3 电梯模型通讯设置355.3 监控画面及调试355.4 本章小结35第一章 绪论1.1 课题的背景及意义改革开放以来中国经济飞速发展，中国的总体进程向着城镇化的方向不断靠拢，现代建筑也随之迅速崛起。民用电梯依附楼层而建，设置电梯井中由导轨进行固定，通过电动机拖动原理，实现电梯轿厢的上下垂直运动。这种运输方式速度快、出行便利、结构简单，因此在现代高层建筑中，电梯成为人们出入楼层必备的交通工具。如今普遍存在的电梯控制系统分为三种：继电器控制系统、微机控制系统、PLC控
7、制系统。传统的电梯多使用继电器控制系统，可继电器逻辑控制控制系统由于接线复杂、维修成本高、故障多等缺点，逐渐被市场淘汰。20世纪90年代开始，微机控制系统和PLC控制系统开始逐渐成为焦点。其中，可编程逻辑控制（PLC控制）系统由于其成本适中、编程简单、节省硬件、维护简单、抗干扰能力强，极大缩短了设计周期等优点，在中小型住宅型电梯中迅速占领市场，成为电梯控制的主流。当前的电梯行业发展已到达瓶颈，即满足了正常的工作需求。为了提升电梯市场的核心竞争力，电梯行业发展趋势走向了智能化，不仅需要给乘客提供舒适的心理和生理的乘坐体验，也要给维修管理人员提供一个便于管理、监控的工作条件。而WinCC的出现便给
8、智能化监控管理提供了可能。WinCC是第一个使用32位技术的过程监视系统，它集出产自动化和进程自动化于一体，完成了相互之间的整合，在各种工业范畴的使用上提供了重要作用。本系统设计集PLC、网络通讯、上位机于一体，以通讯为桥梁，采用WinCC制作界面进行组态监控，实现PLC对电梯模型的控制。实现了软件对硬件控制的一体化，对未来电梯设备的安全性、维护便利性提供了保障。1.2 国内外发展现状国外知名的电梯公司有奥的斯、通力、三菱、日立、富士达等，他们在电梯行业影响巨大，占有全球一半以上的市场。这些公司对于电梯调速方面研究做出了巨大贡献，如变压变频调速为主的电梯。国内电梯发展起步较晚，解放后才出现电梯
9、且发展速度较慢。但改革开放后，由于我国经济的飞速发展，家庭、企业对电梯的需求量急剧上升。引进国外知名电梯企业，学习其技术，成立合资电梯企业，成为我国电梯发展的主要渠道，具有代表性的有：天津奥的斯、上海三菱等企业。1.3 本课题的设计内容及章节安排文章以EET电梯仿真模型中的六部十层电梯作为研究对象，设计了基于西门子S7-1200 PLC的电梯控制系统，并完成了对电梯运行的群控优化。通过对系统的设计预期、设计可行性、设计原则、功能需求等分析，确定了电梯运行的编程思路流程，利用博途进行PLC程序设计；最后通过以太网通讯技术连接仿真模型与PLC，使用WinCC进行组态监控调试，对运行数据进行分析和采
10、集。全文分为5章，其结构安排如下：第一章 绪论：介绍了课题的背景和意义，简单阐述了国内外的研究现状，提出了本文的文章结构及内容。第二章 系统分析：对电梯控制系统进行设计预期分析、可行性分析，并通过查阅资料整合了PLC的基本设计原则和设计内容。第三章 硬件设计：通过对EET电梯模型的深入研究，介绍了电梯模型的组成结构，并从PLC的特点、与微机系统的对比引出西门子PLC S7-1200系列的介绍，完成硬件选型。第四章 软件设计：首先对由电梯运行的正常需求对功能进行设计，然后根据功能进行I/O点数统计，画出相关设计流程图并分析，进行程序设计。第五章 组态通讯、监控及调试：根据WinCC功能需求设计组
11、态，通过以太网进行实际通讯调试。1.4 本章小结本章介绍了电梯控制系统的发展及意义，对国内外发展现状作简要说明，最后系统的介绍了本设计的流程及安排。第二章 系统分析电梯控制系统可分为逻辑控制和电机传动两大主要控制系统。其中在逻辑控制系统中，需要结合电梯正常运行所需要的功能，使得电梯的速度快慢、整体调控、安全保障均在合理的控制范围内，因此合理的系统分析是控制系统设计的基础。下文主要对系统进行分析。2.1 系统设计预期本次电梯控制系统设计主要在于逻辑设计。由于实际的电梯成本高、实物庞大、维修复杂，难以实现。而电梯仿真模型属于许多高校中重要实验设备，因此本设计使用电梯仿真模型系统进行分析设计。本次设
12、计主要使用电脑编程后下载入PLC内，使用PLC的软继电器进行信号控制，输出到电梯模型各个结构当中，完成电梯控制的模拟，并在仿真软件跑分上取得中等以上成绩。预计完成以下基本需求：（1）电梯内外呼叫应答登记。 （2）电梯门系统的开关逻辑，主要由轿厢门驱动电机控制，结合轿厢开关门到位传感器识别。（3）电梯上下行、制动、抱闸停车等，主要由曳引电动机结合引导轮实现。（4）电梯所在楼层追踪。2.2 可行性分析2.2.1 操作可行性分析日常工作中，通常的电梯井及电梯维修机房可供使用面积小，设备堆叠拥挤，操作难度大。本设计丢弃使用传统的继电器控制系统，使用可编程逻辑控制器（PLC）进行设计。PLC体积小、按键
13、少、工作指示直观、操作简单。操作人员仅需具备基本的电工操作知识，经过简单培训，即可迅速上手。在编程方面，PLC有多种编程语言可供使用，其中梯形图以其简单直观最受欢迎。因此，使用PLC进行操作可行性高。2.2.2 技术可行性分析本设计运用到的技术总体上可分为软件和硬件两部分。软件上，本设计使用了西门子软件TIA Portal V14，该软件结合组态、编程、监控界面于一体，大大降低设计难度；同时，使用如今较为成熟的电梯模型EET进行仿真，软件控制技术得以解决。硬件上，本设计要求掌握电梯的主要结构、交流双速电动机的原理及各类传感器变送器的使用。此类技术经过自动化行业的多年发展，均已非常成熟。综上，该
14、控制系统技术上可行。2.2.3经济可行性分析本次设计使用到的仅仅有电脑主机端、交换机、PLC及仿真系统（学校提供），因此系统开发成本不高。其中PLC使用西门子S7-1200型号，功能强大价格适中。因此整体经济上可以承受。2.3 PLC基本设计原则2.3.1 节能性原则随着国家的现代化的绿色发展，国家对绿色节能的要求越来越高。作为自动化行业设计，电梯同样要求节能减排。节能的意义在于尽量减少能源无谓的损耗。在设计电梯系统过程中，需要找准那个环节的电能使用是无效的，并做出必要的应对措施。如：电梯待载状态下的风扇照明系统。2.3.2 经济性原则作为系统设计人员，在从事电梯设计过程中，还要需要顾及到客户
15、的需求。一般说来，客户最希望的是物美价廉。同时，把自己设计的每一个部分都发挥出最大的作用也是设计人员的心之所向。所以，在满足电梯正常的运行前提下，力求提高系统的效率、减低设计的成本。这对设计人员在PLC选型、设计思路、程序优化上提出了巨大的挑战。2.3.3 安全性原则作为人们日常生活最重要的运输工具之一，电梯系统安全性的保证至关重要。PLC系统基于周期性循环工作的原理，拥有强大的抗干扰能力、自带各种保护模块。当出现故障时，能快速触发保护机制停止运行，极大提高了控制系统的稳定性。同时，在编程上也需要考虑安全性，一般设置有超重保护、开关门保护、运行保护等。2.3.4 冗余性原则系统设计较为关键的一
16、点是需要对系统留有余量，以便未来的升级维修。在PLC控制的电梯系统中，需要考虑PLC的输入输出点的容量、内存容量等。因此要求设计人员在PLC选型时要考虑PLC的可扩展性。2.4 PLC设计基本内容PLC设计基本内容分为以下几个方面：（1）选择设备在系统设计之前，必须明确要使用的设备，这是设计的前提。要明确各类按钮开关、上下限位开关等输入设备信号和各类指示灯等输入设备信号。（2）明确系统控制方案PLC在系统中作为控制的中枢部分，参与各子控制系统的逻辑操控，因此需要明确其运行的方式。（3）PLC的选择PLC作为核心部分。选择合适的PLC能够确保整个系统合理安全稳定的运行。因此，要结合实际现场状况选
17、择PLC，同时通过结合计算，确定PLC的点数、内存、I/O模块等。（4）输入输出地址依照统计好的输入输出信号，结合PLC的型号，对输入输出地址进行分配。（5）编写控制系统设备的说明文档在自己进行系统设计时，为了使自己的设计具有兼容性可读性，需要编写好设备相关说明文档，包括程序说明、电气设备说明、运行状况说明等。2.5 PLC系统设计一般流程（1）分析控制要求：通过查阅文献资料，同时进入工业生产环境进行亲身体验，了解熟悉常规控制系统的生产流程、生产环境、生产特性。熟悉掌握各设备之间如何紧密配合，最后分析其控制的需求。（2）分配I/O点：分析控制要求后确定输入输出数量及内容，根据冗余原则选择合适的
18、容量，使其达到满足控制生产需求又满足经济成本的目的。（3）PLC选型：通过初步的分析，控制规模已然成型，合理选择PLC机型，避免“大马拉小车，小马拉大车”的情况。（4）编写PLC程序：结合基本需求首先设计好编程思路并画出流程图，确定PLC程序语言开始编写程序。程序完成后仿真观察，进行程序创新优化，使其最终满足控制要求。（5）调试程序：程序基本优化完成后，结合实际情况选择现场调试或者仿真调试，不断修改，最终达到满足甚至好于设计要求，保持程序。详细设计流程图见图2-1。图2-1 PLC系统设计一般流程图2.6 本章小结本章对电梯系统设计的设计操作、技术、经济层面上分析了可行性、控制原则、控制流程等
19、方面。人性化地从客户、设计人员的角度思考分析设计中存在的问题，并给出了初略的解决方案，为后来的软硬件设计奠定了前提基础。第三章 硬件设计上文已完成了对PLC控制的系统分析，本章中将结合仿真软件EET，介绍电梯的基本模型及结构、PLC的选型来完成电梯硬件部分的设计。3.1 电梯模型概述电梯模型主要包括电梯外部设备和电梯内部设备。外部设备包括：轿厢、曳引电动机、引导轮、第一第二限位开关（上下端站均有）、上下平层传感器（每层楼均有）、外呼按钮以及指示灯（每个楼层均有）等。内部设备包括：楼层按钮、楼层显示（图3-3 七段数码管）、上下行指示灯、照明风扇等。其中，轿厢内部还装配有重量变送器，输出模拟信号
20、用于超载保护。电梯外观及电梯模型原理见图3-1、图3-2。图3-1 电梯外观示意图图3-2 电梯模型原理图图3-3 七段数码管原理图整个仿真系统网络拓扑由Profinet工业以太网连接。使用以太网连接优点为结构简单，易于操控，调试方便，极大提升设计效率。PC机装载WinCC监控环境对PLC进行监控，必要时还可以进行简单的控制。EET作为电梯仿真模型由PLC进行控制。其中，鉴于实验的可操作性和实际情况，本次设计使用学校自动化实验室提供的西门子PLC，其CPU为S7-1214C DC/DC/DC。如图3-4所示。图3-4 网络拓扑示意图3.2 电梯的组成系统结构电梯组成系统结构主要分为机械动作部分
21、及电气控制部分。机械动作部分作为主要运行部分，负责电梯的基本活动；电气控制部分则主要起控制作用，由各种传感器接收信号完成。这两个部分紧密配合，是机电控制的基本模型。电梯的种类本就多样，下面就主要功能进行讨论：3.2.1 牵引系统牵引系统是一种装配在电梯井内的驱动装置，包括传动电机、动滑轮、钢丝绳、制动器。其中，传动电机和曳引电动机并不在一个平面上，彼此错开角度，保证曳引电动机的空间没有占用到传动电机的位置。由此，驱动装置所使用的面积非常小，提高了电梯井内的利用率。传动装置内含有制动器，装配在传动装置的上部，便于工作人员的检查维修，也利于安装拆卸。钢丝绳是电梯承重的主要结构，如此的重要性导致钢丝
22、绳不仅作为曳引电机的载体，还成为了电梯内保障安全的重要部分。时间长后，钢丝绳难免老化、生锈。如今，出现了复合带代替钢丝绳的新型牵引结构，大大提升了传动系统的使用寿命，成为新型牵引系统发展的主流。3.2.2 导向系统电梯在运行过程中，如果不加以控制，电梯会出现左右摇摆、震动等不稳定现象，从而危害轿厢内乘客人生安全。导向系统主要结构为导轨、导轨架、导向轮，其中导向轮改变了曳引电动机的传动方向，限制了轿厢不稳定摆动的自由度，使电梯只能沿着电梯井上下运动，保证了电梯平稳运行。3.2.3 电梯门系统电梯门由楼层门和轿厢门组成。楼层门安装于每层楼的电梯入口，为外门；轿厢门是轿厢内的门，为内门。才用内门外门
23、两层门的设计主要是起到保护乘客安全的作用，起到阻断和放行的功能。电梯门的种类一般有中分门、旁开门、合页门等。其中，日常住宅用的电梯门通常为中分门，客梯则一般为旁开门。3.2.4 轿厢系统轿厢是一种用于装载物品和人员的箱式结构的工具。主要结构有：轿厢架、轿厢体、有关部件和装置。轿厢架是轿厢的主要承重结构，轿厢的所有重量均是由它传送至钢丝绳。轿厢架要求有足够的强度去承受电机抱闸或墩底撞击时所带来的反作用力。轿厢体为封闭式箱子形状，由娇顶、娇壁、娇底组成。出于兼顾安全、实用、美观三者考虑，娇顶多用不锈钢，轿壁使用薄钢板且涂上吸音材料以减低噪声，娇底使用大理石或者钢板压制。为了空气流通，娇顶设置通风口
24、。为了防止超载和乘客舒适安全，电梯按照国家规定控制最小面积和最小高度。同时，轿厢也可按照客户的要求添加内饰，对轿厢进行装修。3.2.5 重量平衡系统轿厢在不同的负载下重量自然不同，重量平衡系统就是能够平衡轿厢重量，使得电梯轿厢能在额定的重量差下工作，从而确保电力拖动系统运行正常、平顺。重量平衡系统由重量补偿和对重构成。重量补偿能够补偿电梯运行中曳引钢丝绳长度改变对轿厢平衡的影响；对重包含了对重架和对重块，对重架起着放置对重块的作用，对重块则能够平衡不同负载下轿厢的自重和载重。3.2.6 曳引拖动系统曳引拖动系统主要包括曳引电机、电力供应装置、电磁抱闸装置、速度切换装置。曳引电机是电梯的主要驱动
25、模块，由它搭配电梯相关组成结构进行响应。在传统的电梯调速系统中，有交流双速电机拖动系统和变频调速系统，出于系统设计经济性和实用性考虑，本设计使用交流双速电机拖动系统进行协调搭配。交流双速电动机的工作原理为三相交流异步电动机中有两个可变绕组，两绕组极对数不同，又称为慢车绕组和快车绕组。按照国内标准，慢车绕组极对数为24（转速达250r/min），快车绕组极对数为6（转速达1000r/min）。通常情况下，慢车绕组作为电梯制动、平层减速使用；快车绕组作为电梯起步和均速使用。双速交流电梯有以下几个优点：（1）双速交流电梯拥有两种速度，既保证电梯在启动和正常运行时能立即拥有高速，大大增加了单位时间内电
26、梯的载客量，提高了电梯输送能力，又保证了电梯在制动时能拥有较低的速度，增加了停层的精确度。（2）双速交流电梯相较于变频调速来说结构简单，利于操作。（3）双速交流电动机在减速制动过程中能产生电能返送电网，电能损耗较小。双速交流电机分为快速和慢速，为有级调速。电梯处于制动状态时，电梯由快速运行立即切换为慢速运行，中间产生的转速差对于低速绕组的电机来说为发电机状态。这种制动方式符合电梯设计节能原则。图3-5 双速交流电梯曳引拖动系统主回路图3-6 双速交流电梯制动抱闸回路表3-1 主回路及抱闸回路符号含义符号含义符号含义ZK电机启动接触器SK上移接触器2A1级制动减速XK下移接触器3A2级制动减速K
27、K高速运行开关4A3级制动减速MK制动运行开关YA制动抱闸1A加速开关如图3-5所示为双速交流电梯曳引拖动系统主回路。图中三相电源由电机启动接触器ZK引入，通过接通SK和XK接触器实现控制电动机的正反转。电梯需要启动时，接通高速运行开关KK让电梯启动。其中由图可知，电机启动时设置加速开关1A延时接通，让启动回路首先接上电抗器，电抗器可吸收电机启动瞬间的冲击电流，既减低了启动速度、提升了乘客的舒适性，又减少了过大启动电流对电力拖动回路的损害。待启动完全后，接通1A，电梯进入全速运行状态。当电梯需要制动时，断开KK，同时接通制动运行开关MK。4A、3A、2A默认闭合，在接受到制动指令后，依次延时断
28、开串入电阻。若减速到平层信号，接触器SK、XK全部断开，制动回路YA失电，机械抱闸，电梯停止。3.2.7 电气控制系统电气控制系统主要有操作单元、调平单元和位置指示装置构成。操作单元指控制电梯正常运行的按钮。调平单元也叫平层装置，是电梯将要接近目标楼层时可发送平层信号以精确对准电梯与楼层的一种装置。位置指示器是指显示电梯楼层或上下行指示等一系列运行状态的指示灯。目前，大部分的电气装置都是安装于电气柜中，这样放置便于集中控制。而电气柜则通常安装在电梯车间中电气柜的数量取决于设备的多少。3.2.8 安全保护系统为了确保电梯的正常使用，设置安全保护系统。安全保护系统包括电气保护和机械保护。但二者并非
29、独立工作，机械安全系统的正常运作往往需要依靠电气保护系统进行电气联锁。随着电梯的发展，安全保护自然要紧紧跟上。目前电梯常见的安全保护有终端越位保护、超载保护、运行保护、开关门保护等。3.3 PLC相关介绍3.3.1 PLC简介在早期的工业领域，实现逻辑控制的控制系统为继电器逻辑控制系统。该系统由各种繁杂的硬件逻辑控制器，系统庞大臃肿、可靠性不足且工作周期短，逐渐不满足工业生产发展的需求。为了提升工业生产质量的前提下减低生产成本，1969年，通用汽车公司设计出一款能够使用虚拟电子继电器取代实际中繁杂的继电器系统，被美国电气制造商协会定义为可编程逻辑控制器（Programmable Logic C
30、ontroller）。可编程逻辑控制器的快速发展得益于计算机技术和自动化电子技术。类似于计算机，PLC内部设有中央处理器（CPU）、内存、电源等结构，能够处理逻辑定时、计数、判断、算数运算等复杂的指令。但与计算机不同的是，PLC能够更加适应工业现场的环境，以下为PLC的几个特点：（1）可靠性强为了更好适应工业现场的复杂环境，提升抗干扰能力，PLC在设计时进行硬件光电隔离和滤波处理。其次，通过软件对PLC进行控制，也极大提升了系统操作的安全性。（2）灵活性强、可拓展性强工业生产往往需要根据产品生产线去改变控制逻辑和回路。传统继电器控制系统修改需要花费大量的人力物力。而PLC控制主要靠程序完成，在
31、更改控制回路时，仅需改变程序即可。PLC在设计时保留有多种插口以应对未来的产品更新、功能扩展。（3）编程多样简单、易于上手PLC编程语言有多种：梯形图语言、顺序流程图、语句表等。不同语言适用于不同逻辑功能，针对性强。最常用的编程语言为梯形图，该语言为图形化程序，易于理解、容易上手。（4）体积小、耗能低、性价比高由于PLC中的继电器为软继电器，这就决定了PLC的体积非常小，对于电梯控制来说，PLC仅需放在电梯井中即可。而且软继电器的触点能够多次重复使用，大大节省了购买继电器的成本，性价比高。3.3.2 PLC控制系统与微机控制系统特点比较随着生产科技的发展，继电器控制一系列的缺点致使其已经淡出了
32、历史的舞台。对于电梯控制系统而言，目前主流的控制系统为微机控制系统和PLC控制系统。下面对微机系统和PLC系统做简单的比较。（1）二者都是基于计算机技术的发展所诞生的产物，均拥有类似的结构。严格意义上来说，PLC内部硬件设备就使用了单片机。（2）PLC可靠性强、灵活性好、可拓展性强、易于编程等特点（详见3.3.1）；而单片机价格低廉便宜、自带完善的设备接入口，体积相较于PLC更小、功耗更低，使用的编程语言较高级，程序通用性强。（3）PLC价格较单片机贵许多，不适用于大量重复制造的产品；而单片机使用语言虽然通用性强，但上手复杂，如：C语言，且设备抗干扰能力差。（4）PLC大多适用于工业生产过程控
33、制；单片机适用范围广泛，家用工业用途均有涉及，专精于小型仪表仪器设备的控制系统。3.3.3 S7-1200PLC简介S7-1200是西门子推出的一款模块化、紧凑型的新型中小规模的工业控制器，在如今的工业生产中广泛使用。S7-1200在极致的机身空间内集电源、中央处理器、输入输出、通讯接口、拓展接口于一体，形成了功能强大的指令控制器。该型号的CPU种类丰富，可通过定制不同的CPU应对不同情况，包括：CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU1215C和CPU1217C。西门子S7-1200PLC有以下特点：（1）模块化、紧凑化结构S7-1200系列在信号与通讯模块上进行升
34、级，使得体积变得很小，安装也变得简单方便。另外S7-1200在箱子上增加了I/O和模拟输入的信号板，克服了中小型工程有时输入输出容量不足的劣势。（2）通讯灵活S7-1200系列集成了PROFINET接口，组态过程中直接通过网线进行以太网通信。在PLC控制电梯系统中，一般使用的通讯方式有两种，一种为接入附加模块PM125实现PROFIBUS DP，操作过程复杂且不能应对信息量过大的情况，还需要编写相应程序控制；另一种便是直接使用以太网通讯。本设计将使用以太网通讯。（3）数据结构多样S7-1200有多种类型的数据结构，如：Bool、Word、DoubleWord、Int等。这些数据类型保证了编程的
35、准确性。另外，S7-1200还有数组、结构等多元素组成的数据单位，使得S7-1200的使用更为灵活。3.4 本章小结本章首先介绍了电梯控制模型和组成系统，深入分析了电梯曳引拖动系统运行的主要原理。然后进行PLC的简单介绍，最终选定西门子S7-1200系列PLC作为控制核心。第四章 软件设计在确定好了电梯运行的各种功能后，使用西门子软件TIA Portal V14进行硬件、网络组态设计及编程。SCL、LAD、FBD这三种编程语言，使用梯形图LAD语言能更加直观简单地完成对电梯系统的控制。其中，编程设计的同时要兼顾设计思路的统一跟进。最后把程序下载至西门子PLC S7-1200中，完成系统软件设计
36、。4.1 TIA Portal V14软件介绍TIA Portal V14（博途）软件是西门子通用性较强的自动化集成软件。博途是工业自动化领域最先将软件编程和组态监控设计结合一起的平台，兼容Win10系统，而且增强了对西门子PLC的支持，如S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500。而且V14版本还优化了启动速度，提升了工业设计的效率。TIA Portal主要包括两部分：Step 7和WinCC。Step 7：Step 7负责PLC的软件编程部分，提供多种编程语言，如SCL、LAD、FBD等。自出现博途后，Step 7都被集成在博途里面。集成化的Step 7和以前独立化的Ste
37、p 7有一些区别，主要在于兼容性和编程方式。博途的Step 7可以支持S7-1500以下PLC的编程，而且寻址方式也有所不同。目前，博途Step 7有分为Basic和Professional两个版本，而Basic只支持S7-1200的编程。在Step 7界面上，有一系列选项，主要包括程序块、PLC变量、PLC数据类型、监控与强制表、程序信息等。程序块为Step 7的主要编程界面，西门子PLC中使用“块”的方式进行编程，主要分为OB块、FB块、FC块、DB块。PLC变量用于存放编程中的变量或中间变量；程序信息显示了程序在各存储器中所占的比重，可详细到各种块的占比。WinCC：WinCC负责组态监
38、控部分，它有分为WinCC Advanced和WinCC Professional两个版本。区别在于WinCC Professional不仅能使用WinCC Advanced的功能而且能使用SCADA系统的组态面板或PC。总之，二者大体是相同的。在WinCC界面上，有一系列选项，主要包括运行系统设置、画面、画面管理、HMI变量、连接、HMI报警、配方、历史数据、脚本、报表、文本和图形列表、用户管理等。运行系统设置用具进行基础的画面运行设置，如窗口模式、分辨率、字体等；画面选项用于绘制美观实用的监控画面；画面管理用于设置画面弹出状态；HMI变量用于存放与PLC连接的过程变量；HMI报警用于存放报
39、警变量；历史数据用于记录各变量的运行情况，必要时可设置曲线图直观显示；脚本用于上位机编写程序，主要编程语言为VB；用户管理用于设置权限，不同权限能使用不同功能。博途的配套软件西门子PLC仿真软件PLCSIM让博途的扩展功能发挥到了极致，使得工程师能在一个PC机上同时完成组态、编程、通讯仿真，极大提升工作效果。4.2 电梯功能设计4.2.1 电梯初始化电梯在上电运行之后，出于安全性、可控性、便利性的要求，需要对电梯进行一系列初始化运行；出于智能化电梯的考虑，结合WinCC组态控制，还需要设计折返运动，通过WinCC控制初始化后待命楼层，并发出初始化完成信号。4.2.2 电梯内外呼叫应答电梯在停止
40、待命状态时，收到轿厢外的上下行呼叫时，先亮起相应指示灯（在WinCC中体现），同时信号进行收集筛选后，电梯进行应答；电梯在运行过程中，可以应答同一方向上的外呼、内呼信号并亮起指示灯；不同方向的呼叫信号，先亮起指示灯，进入等待状态，待电梯运行完所有呼梯、选层信号后，再受理该信号；所有信号应答完毕后，停在最后一次应答的楼层等待下一次呼叫信号。4.2.3 电梯门运行控制电梯门分为轿厢门和楼层门。电梯门依靠平层传感器，识别电梯是否精准到达楼层，合理开关门。在轿厢门没有关上时，光幕传感器识别是否有人经过电梯门，超过开门延时时间限制就将轿厢门关闭，如果期间有人或障碍物经过电梯门，优先响应光幕信号，电梯门变
41、成开状态，并进行延时。4.2.4 电梯制动启动控制在电梯需要在某层上下乘客时，一旦电梯触碰到平层传感器后，就开始执行制动指令。为了乘客的心理和生理着想，设计三级制动，制动等级依次切换；电梯停层到位后，曳引电机抱闸，电梯停车，同时结合显示模块，指示灯模块进行合理响应，提醒乘客。待电梯门关闭后，曳引电机运行，执行指令。4.2.5 风扇照明风扇照明系统与电梯运行同时响应；若电梯停止运行至休眠等待状态后，为节约用电，风扇照明系统将关闭，直至收到呼梯指令后再次运行。4.2.6 运行过程控制运行过程中，上下行指示灯、楼层指示灯（本设计采用七段数码管）、选层指示灯响应，便于乘客进行监控。同时，这些变量也反映
42、于WinCC中，便于操作检修人员调控。4.2.7 错误指令取消为了防止轿厢内乘客按错楼层，提供错误指令消除功能，乘客按下两次选层按钮即可取消选层；待电梯到达顶层和底层后，自动取消选层登记信号。4.2.8 休眠等待状态电梯内外无呼梯指令持续一段时间后，进入休眠等待状态，电梯断电；在接到呼梯指令后立即上电运行使用。4.2.9 终端越位保护在发生电梯故障（如：不能正常停车）时，电梯会一直运行，当轿厢运行至楼层顶端或楼层底端时，极有可能损害电梯整体结构，致使墩底和冲顶；如果人在轿厢内，也会极大危害人身安全。因此可设计终端越位保护，终端越位保护分为上下端越位，即楼顶和楼底各设置一二级限位开关。当电梯触碰
43、到一级限位开关，触发制动；当触碰到二级限位开关，触发抱闸，以防止越程，保护电梯系统。4.2.10 超载保护当电梯超载时，电梯抱闸停车，电梯门打开，故障指示灯亮起；WinCC界面出现报警记录。4.2.11 运行保护处于安全考虑，电梯上下运行期间，要求均不设置开门。因此，可设计电梯轿厢门或者楼层门与电机运行状态的电气联锁。4.2.12 开关门保护若电梯出现关门状态过长，则电梯门转换为开门状态，故障灯亮起；如果电梯在持续开门一段时间后，尚未收到开门限位信号，电梯就会变成关门状态，并在门关闭后，响应下一个召唤和指令。4.2.13 群控分析对于单部电梯的控制，通常先收集一栋楼内所有的内外呼信号，再按电梯
44、运行顺序一一响应，这种控制方法称为集中选择控制。但如果需要控制多部电梯，采用集中选择控制会造成执行信号过多，操作复杂，即不利于电梯正常运行和分配，也造成了电能的浪费；同时，大大减小了电梯的效率，给乘客带来不好的乘坐体验。因此，本设计结合EET仿真模型的运行特性，对电梯进行分散控制，集中管理，完成电梯的群控设计。本设计针对六部十层电梯进行联合群控，为满足正常的生活需求，设定运输乘客数量为400人、运行时间为30分钟，针对以下指标对群控性能标定：（1）乘客平均候梯时间；（2）乘客平均乘梯时间；（3）系统运行总距离；（4）系统启停次数。4.3 输入输出变量统计在编写PLC程序前，需要进行PLC输入输
45、出点数的统计，且留有一定的冗余量。本设计研究的是六部十层电梯，通过查找文献资料可得，输入输出变量均存放在DB块中，数据类型涉及Bool、Word两种类型， 输入输出点数均不超过300个。使用S7-1200系列PLC符合要求。以下为详细统计：4.3.1 输入变量在程序块选项添加DB块，命名为input。由统计可知，输入变量涉及的信号为每部电梯各类型按钮、门锁信号、平层信号、限位信号、光幕信号、检修信号、开关门到位信号及当前载重量信号。以下分析中（2）（7）以一部电梯进行统计，（1）和（8）为六部电梯总数：（1）呼梯按钮分为上下行，上行为19楼，下行为210楼，所以上行下行各9个，六部电梯共计18
46、个；（2）轿内选层按钮一层一个，为10个；轿内开关门按钮2个，共计12个；（3）光幕信号、检修信号和当前载重信号各1个，共计3个；（4）轿厢门锁信号一层一个，共计10个；（5）开关门到位信号各一个，共计2个；（6）平层信号分为上下平层，共计2个；（7）限位信号分为上下端站，每个端站分为1、2级，共计4个；（8）自动运行信号六部电梯共计1个。其中，当前载重量信号的数据类型为Word，其余为Bool。最终结合六部梯统计可得输入点数为223个。图4-1 一部电梯涉及的输入点数（以1号梯为例）4.3.2 输出变量在程序块选项中添加DB块，命名为output。由统计可知，输出变量涉及的信号为每部电梯各类
47、指示灯、LED灯、上下行指示、故障指示、照明指示、风扇指示、满载指示、电机启动信号、上下行接触器、高低速接触器、开关门继电器、三级减速制动、准备就绪信号。以下分析中（1）（6）以一部电梯进行统计，（7）为六部电梯总数：（1）呼梯按钮指示灯分为上下行，上行为19楼，下行为210楼，所以上行下行各9个，共计18个；（2）轿内选层按钮指示灯一层一个，共计10个；（3）一个两位数LED灯，代号为an，共计12个；（4）上下行指示为2个；故障指示、照明指示、风扇指示、满载指示、电机启动信号各1个，为5个；共计7个；（5）上下行接触器为2个；高低速接触器为2个；开关门继电器为2个；共计6个；（6）三级制动一级一个，共计3个；（7）准备就绪信号六部电梯共计1个。其中，所有输出变量的数据结构均为Bool。最终结合六部电梯统计可得输出点数为259个。图4-2 一部电梯涉及的输出点数（以2号梯为例）4.4 系统软件设计思路及流程图根据4.2分析所提出的功能指标，对程序进行详细设计并画出流程图，具体如下：4.4.1 电梯运行总体控制过程电梯上电运行，首先执行初始化