毕业设计（论文）-电梯的PLC控制系统设计.doc

第 i 页 电梯的 plc 控制系统设计 摘要 进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、 可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。将 plc 应用于电梯控制，克服 了继电器控制的控制线路复杂、体积大、故障率高、难于维护等缺点，控制系统可靠性增 强。伴随着自动化技术的发展，组态软件在工业生产的运用也日趋增多，组态软件在电梯 控制中的应用，不仅能大大提高电梯的安全性，也提高了电梯的可操作性和可维护性。 本文介绍了基于可编程序控制器(plc)的电梯控制系统的基本结构、控制原理和实现 方法，介绍了电梯 plc 控制一些主要环节的实用程序，并叙述了使用组态王来做上位机控 制的实现方法，着力解决了上下位机在通讯时出现的问题，把组态王强大的监控和显示功 能与西门子 s7-2000 系列可编程控制器的现场控制完美的结合在一起，利用 ppi 通信和协 议实现上下位机的关联，形成了一套完整的控制系统。 关键字：plc 程序设计，工业组态，电梯控制 第 ii 页 the design of plc control system for elevators abstract with the development of the technology and the wide application of the computer science after 1980s, more and more people have the demand of the safety and reliability of elevators。 at the same time the control of the electric relay has more obvious weakness plc is applied to the control of the elevators, which the simplify control lines of the electric relay, small bulk ,the lower fault rate and simple maintance by the way, the reliability of the control system is to be enhanced. with the development of the technology of automation, more and more software of configuration has been applied to the manufacture of the industry. the application to the elevators control of the configuration software not only enhances the safety of the elevators rapidly, but also increases the function of the malignance and the manipulation. this paper introduces the structure, principle of control and ways of the elevators control system. at the same time, and presents the practice programmers of the main plc links and demonstrates the ways of applying kingview softwares to the control of the top equipment. the last but not least important, the design solves the communicative problems of the upper computer and combines the function of kingview supervisory control and the show with the field control of siemens s7-200 programmable logic controllers, which make use of the ppi communication and agreement to realize the relation of the top equipments in order to form a set of the whole control system. key words: pcl programme design, industry configuration, control of the elevator 第 i 页 目录目录 1、绪论 1 1.1 课题背景 .1 1.2 课题意义 .1 1.3 设计思想 2 1.3.1 采用优先级队列 2 1.3.2 采用信号判断控制 3 1.3.3 信号的互锁 3 2、电梯控制系统组成 4 2.1 电梯的电器控制系统 4 2.1.1 电梯 plc 控制系统的基本控制原理 4 2.1.2 plc 简述 5 2.2 实际电梯的组成（不含控制系统） .10 2.2.1.曳引系统 10 2.2.2 导向系统 .10 2.2.3.轿厢 10 2.2.4 门系统 .10 2.2.5 重量平衡系统 .10 2.2.6 电力拖动系统 .10 2.2.7 电气控制系统 .11 2.2.8 安全保护系统 .11 2.3 电梯模型设备简介 11 2.3.1 设备外观 .11 2.3.2 拖动系统 .11 2.3.3 实验面板 12 2.4 电梯的理想运行曲线 13 2.5 电梯控制系统实现的功能 .14 3、系统的软件设计 .16 3.1 plc 的选型及 i/o 点的分配 .16 3.1.1 plc 的选型 .16 3.1.2 i/o 点的分配 .18 3.2 电梯 plc 程序分析 19 第 ii 页 3.2.1 开关门程序 19 3.2.2 内选控制 23 3.2.3 外选控制 23 3.2.4 平层指示 .25 3.2.5 上下行控制 27 3.2.6 截梯信号的产生 32 3.2.7 长时间无呼叫电梯自动运行 .33 3.3 组态王程序及画面设计 33 3.3.1 组态软件的发展与现状 .33 3.3.2 组态王简介 36 3.3.3 组态王画面的创建 42 3.3.4 数据词典与 plc i/o 对应说明 .43 3.3.5 动画在组态王中的应用 45 4 控制系统的调试 48 4.1 实验接线 48 4.2 上下位机之间的通讯 .51 4.3 通讯延时一个值得注意的问题 53 5 结论 55 参考文献 56 附录 57 致谢 74 第 1 页 1 1、绪论、绪论 1.11.1 课题背景课题背景 电梯作为一种现代的运输工具已广泛的进驻到人们的生活中。当今世界， 电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一，它本身所具有的安全,稳定, 快速与舒适等特性，使它的控制系统受到了广泛的关注。 早期的电梯控制系统中，电梯信号的逻辑控制一般是由继电器电路来实现 的。现在随着信息时代的进一步发展,传统的继电器控制方式已经被计算机控制 方式所代替。在高层建筑不断兴起的今天，电梯已成为人类不可缺少的运输工 具。目前，我国住宅楼电梯大部分是采用继电器控制的，由于控制线路复杂、 体积大、故障率高而且难于维护，使电梯难以达到安全、稳定、可靠的基本要 求，事故时有发生。鉴于继电器控制存在着上述的种种弊端，我们进行了将 plc 应用于电梯控制的尝试，并收到了良好效果。 可编程控制器应用于电梯控制，用软件编程替代原有继电器硬件布线控制， 使控制系统具有了极大的柔性和通用性。同时，由于 plc 功能齐全、应用灵 活，能够满足电梯控制的要求而且具有抗干扰性能强、操作方便、维护简单等 特点，使得系统可靠性大大提高。 可编程序控制器(plc)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是 专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其安全运行近乎 无故障（安全工作的周期非常长）的优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐 渐被 plc 控制所代替。 1.21.2 课题意义课题意义 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。 实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的， 电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能 满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控 第 2 页 制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，二是用可编程控制 器（plc）取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并 没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小， 自己设计和制造微机控制装置成本较高；而 plc 可靠性高，程序设计方便灵 活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用 可编程控制器来实现，鉴于这种情况，我们尝试使用 plc 来实现一个简单的 四层电梯的控制，对于我们掌握和使用 plc 这种应用相当广泛的自动控制设 备有很重要的现实意义。 另外，伴随着计算机的发展，单纯使用 plc 控制已不能满足现阶段人们 对自动控制系统提出的“简单” 、 “易用”的要求，因为单纯使用 plc 控制， 难于调试，出现故障不能及时发现，对于非专业人员难于使用，但组态软件的 出现使这个问题得到了很好的解决，用组态软件做成的组态界面，可以使各种 工业现场的设备运行情况一目了然，而且控制起来也十分方便，只要坐在机房 就可以方便的控制现场设备。对于电梯也是一样，在许多大型建筑中往往使用 到多台电梯，一旦出现故障难于做到及时发现，这对人身安全造成了很大威胁， 如果我们使用组态软件来监控，这个问题就会很好的解决。对于本次设计，我 们使用亚控公司的“组态王”来实现组态画面，让操作者不使用电梯模型上的 开关就能自如控制电梯的运行。而且在监控界面上，我们不仅能得到电梯的准 确运行情况，还能对电梯的故障做出及时报警。这些设计都十分贴近实际，另 外，我们没有组态王的说明书，很多东西都要自己摸索，这对我们独立解决问 题都有很大的帮助。 1.31.3 设计思想设计思想 1.3.11.3.1 采用优先级队列采用优先级队列 根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中，采用两个优先级队列，即上 行优先级队列和下行优先级队列。上行优先级队列为电梯向上运行时，轿厢内 指令信号和所有轿厢外上行呼叫信号，将信号相对应的数字存入上行队列中相 应的位置，在电梯上行时对其上行队列进行优先级比较，然后做出相应的输出 第 3 页 判断和输出更新。下行优先级队列为电梯向下运行时，轿厢内指令信号和所有 轿厢外下行呼叫信号，将信号相对应的数字存入下行队列相应的位置，在电梯 下行时对其下行队列进行优先比较，然后做出相应的输出判断和输出更新。 1.3.21.3.2 采用信号判断控制采用信号判断控制 当上行队列和下行队列做出比较判断后都无输出信号或电梯处于初始状态 时，判断指令寄存器中是否还有指令来对电梯进行控制。如果有指令，则直接 对其进行响应，然后再进行输出更新。 1.3.31.3.3 信号的互锁信号的互锁 在工业现场，许多时候我们都希望用比较少的成本来完成设计要求，我们 在设计时希望在设备有故障发生时，若不影响安全生产，设备就能在关闭某些 功能的同时继续从事生产，甚至一边排除故障一边继续工作。但由于电梯控制 的特殊性，它对安全提出了十分高的要求，我们在设计时要充分考虑到安全的 因素，即电梯要在一切正常且自检无误时才能启动，这包括门电机未得电，升 降电机未得电，超重保护未得电，防夹保护未得电等等，不仅电梯启动时是这 样，还有很多情况也要考虑很多诸如这样的保护。另外电梯一旦发生故障，就 要立刻停机，同时报警，通知维护人员，最大限度的保护梯内的人员安全。这 就要求我们在设计时要充分考虑互锁，要在实践中充分考虑，具体内容的将会 在后面的论文中详细讲解。 第 4 页 2 2、电梯控制系统组成、电梯控制系统组成 电梯控制系统可分为电力拖动系统和电气控制系统两个主要部分。电力拖 动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿厢门开关电路。二者均采用易于 控制的直流电动机作为拖动动力源。电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、 控制用继电器、指示灯和控制部分的核心器件（plc）等组成。plc 集信号采 集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的 所有功能。下面分别叙述电器控制系统与电力拖动系统 2.12.1 电梯的电器控制系统电梯的电器控制系统 本次设计采用的是西门子公司生产的 s7200 系列 plc，下面就有关 plc 的问题结合本次设计的要求加以叙述。 2.1.12.1.1 电梯电梯 plcplc 控制系统的基本控制原理控制系统的基本控制原理 一个是电梯的逻辑控制，是对电梯的空间距离、位置、时间起、停等关系 进行综合处理，决定着电梯的自动化程度。 电梯的 plc 控制系统主要由信号控制和拖动控制两大系统组成，见下图 2.1。系统的核心是 plc 主机，操纵盘、井道及安全保护等装置的信号与 plc 的输入模块相连，cpu 通过周期扫描将信号输入，运行固化在存储器的控制程 序，运算结果通过 plc 的输出接口模块向指示灯等发出显示信号以及向主拖 动和门机控制系统发出控制信号。 第 5 页 运行方式选择 楼层指示 呼梯信号指示 电机拖动系统平层信号开关门信号 光电脉冲信号 外指令信号 内指令信号 安全保护信号运行控制信号 开关门控制 呼梯铃 运行方向指示 输入接口 plc 输出接口 图 2.1 电梯 plc 控制系统的基本控制原理框图 2.1.22.1.2 plcplc 简述简述 plc 的定义有许多种。国际电工委员会（iec）对 plc 的定义是：可编程 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采 用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类 型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制 系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 plc 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编 程简单等特点。plc 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的 将来，是无法取代的。 a plc 的硬件结构 硬件框图 硬件框图如图 2.2 第 6 页 图 2.2 plc 的硬件框图 （a） plc 的构成 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。 （b） cpu 的构成 cpu 是 plc 的核心，起神经中枢的作用，每套 plc 至少有一个 cpu，它 按 plc 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采 集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电 源和 plc 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从 用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控 制信号，去指挥有关的控制电路。 cpu 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及 状态总线构成，cpu 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用 于存储程序及数据，是 plc 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 cpu 的内部电路，但对各部分的工作机 制还是应有足够的理解。cpu 的控制器控制 cpu 工作，由它读取指令、解释 第 7 页 指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运 算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是 在控制器指挥下工作。 cpu 速度和内存容量是 plc 的重要参数，它们决定着 plc 的工作速度， i/o 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 （c） i/o 模块 plc 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（i/o）完成的。i/o 模块集 成了 plc 的 i/o 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存 器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 plc 系统，输出模块相反。 i/o 分为开关量输入（di） ，开关量输出（do） ，模拟量输入（ai） ，模拟量输 出（ao）等模块。 开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变 化的量。常用的 i/o 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分， 有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma） 、电压型（0-10v,0- 5v,-10-10v）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 io 外，还有特殊 io 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 i/o 点数确定模块规格及数量，i/o 模块可多可少，但其最大数受 cpu 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （d）电源模块 plc 电源用于为 plc 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为 输入电路提供 24v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac 或 110vac） ，直流电源（常用的为 24vac） 。 （e）底板或机架 第 8 页 大多数模块式 plc 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间 的联系，使 cpu 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接， 使各模块构成一个整体。 （f） plc 系统的其它设备 1、编程设备：编程器是 plc 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的 器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 plc 及 plc 所控制的系统的工作 状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 plc 一般有手持型编程器， 目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸 屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当 人机界面非常普及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 eprom、eeprom 写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 （g）plc 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因 此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络 就是控制器“的观点说法。 plc 具有通信联网的功能，它使 plc 与 plc 之间、plc 与上位计算机以 及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。 多数 plc 具有 rs-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 plc 的通信，还未实现互操作性，iec 规定了多种现场总线标准，plc 各 厂家均有采用。 对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要 的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展； 其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入 地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设 备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。 第 9 页 b plc 的工作过程 plc 大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次 序逐条运行。一个完整的周期可分为三个阶段： (a)输入刷新阶段 程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信 号，并依次存入对应的输入映象寄存器。 (b)程序处理阶段 所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入 的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入 对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即 转入输出刷新处理。 (c)输出刷新阶段 将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束， 依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。 一般地，plc 的一个扫描周期约 10ms，另外，可编程序控制器的输入/ 输出还有响应滞后（输入滤波约 10ms） ，继电器机械滞后约 10ms，所以，一 个信号从输入到实际输出，大约有 20-30ms 的滞后。输入信号的有效宽度应 大于 1 个周期+10ms。 c plc 控制电梯的优点 (a)在电梯控制中采用了 plc，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性 大大提高。 (b)去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 (c)plc 可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 (d)plc 可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 (e)用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。 (f)更改控制方案时不需改动硬件接线。 第 10 页 2.22.2 实际电梯的组成（不含控制系统）实际电梯的组成（不含控制系统） 电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于 人的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综合产品。对于电梯 的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更 能反映电梯的特点。下面简单介绍电梯机械部分的结构。 2.2.1.2.2.1.曳引系统曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力,使电梯运行。曳引系统主要由曳引钢 丝绳,导向轮,反绳轮组成。 2.2.22.2.2 导向系统导向系统 导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度,使轿厢和对重只能沿着 导轨作升降运动。导向系统主要由导轨,导靴和导轨架组成。 2.2.3.2.2.3.轿厢轿厢 轿厢是运送乘客和货物的电梯组件,是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢 体组成。 2.2.42.2.4 门系统门系统 门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门,层门,开门 机,门锁装置组成。 2.2.52.2.5 重量平衡系统重量平衡系统 系统的主要功能是相对平衡轿厢重量,在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量 差保持在限额之内,保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置 组成。 2.2.62.2.6 电力拖动系统电力拖动系统 电力拖动系统的功能是提供动力,实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电 第 11 页 动机,供电系统,速度反馈装置,电动机调速装置等组成。 2.2.72.2.7 电气控制系统电气控制系统 电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主 要由操纵装置,位置显示装置,控制屏(柜),平层装置,选层器等组成。 2.2.82.2.8 安全保护系统安全保护系统 保证电梯安全使用,防止一切危及人身安全的事故发生。由限速器,安全钳,缓 冲器,端站保护装置组成。 2.32.3 电梯模型设备简介电梯模型设备简介 2.3.12.3.1 设备外观设备外观 a、电梯模型，楼层四层，方柱形结构，外形尺寸 230 长 150 宽630 高。 b、正面为实验面板，其余几面为 10 毫米厚有机玻璃板，构成框架，起支 撑作用。透明，可见电梯内部升降拖动机构及门拖动机构。 c、实验面板表面为彩色模拟实际电梯正面外观图形，对应四层楼层有四 个厅门，分四个信号区，布有 66 个电梯的输入输出电气信号端子。 d、实验面板采用全工艺双面加厚线路板，表面采用 pvc 材料，图形、汉 字美观、清晰。按钮全部采用触摸开关；指示灯为局部透明，后置发光管，表 面平整，灯光柔和艳丽。 2.3.22.3.2 拖动系统拖动系统 a、升降拖动系统 电梯楼顶位置端装有微型直流电机和减速机构组成的升降拖动系统，拖动 轿箱和配重作升降运动。两侧有机玻璃板除起支撑作用外，亦构成巷道。巷道 两侧装有运行导轨。升降电机采用电压调速，分高速和低速两档，高速行驶、 低速平层认址。 第 12 页 巷道内各楼层平层位置装有光电传感器，作为平层信号和换速信号使用， 上下终端各有一个限位保护信号。楼顶电机传动轮上装有孔盘，由光电传感器 取出信号，可替代巷道内平层与换速信号使用，或同时使用。本次实验受 plc 点数所限，未使用楼顶电机传动轮的孔盘。 b、门拖动系统 在轿箱顶上装有微型直流电机和减速机组成的门拖动系统，门电机直接拖 动轿门开关门，运行至不同楼层，再由轿门上的机械装置拖动该层厅门做开关 门动作。 门电机采用电压调速，分高速和低速两个控制端子，低速可微调。 厅门具门联锁电气保护信号。 轿门机构有开门到位、关门到位信号，有防夹人保护信号，有轿内超重保 护信号。 2.3.32.3.3 实验面板实验面板 实验面板参照实际电梯的电气元件位置划分为四个实验区，电梯的全部电 气信号端子都分布在四个实验区内。另有一个电源区。 a、电气柜信号实验区 实验面板最上面是电梯顶楼电气柜内的电气信号实验接线区，输出信号有 升降电机正反转、高低速、门电机正反转、高低速、楼层指示、方向指示、轿 箱内灯光、风扇，输入信号有防夹保护、超重保护、门联锁保护、开门到位、 关门到位、孔盘认址信号所对应的实验接线端子。 b、厅门外呼信号实验区 实验面板中间布有四层厅门, 各厅门上方有楼层位置及运行方向指示。 各 厅门右侧是厅门外呼梯信号实验接线区，有厅外呼梯按钮和操作记忆显示灯， 一层有厅门钥匙开关，有消防按钮，以及所对应的实验接线端子。 c、巷道换速、平层、限位信号实验区 实验面板中间左侧是巷道内平层位置检测信号实验区，巷道内具有换速、 第 13 页 平层、信号，顶层和底层有限位信号，元件采用光电开关，并具有实验接线端 子。运行时可见换速、平层过程。 d、轿箱内控制盘实验区 实验面板下面是模拟实际电梯轿箱内控制盘实验接线区。控制盘上有运行 方式选择按钮和运行状态指示、楼层内选按钮、楼层位置及运行方向指示，有 报站钟及报警蜂鸣器，有手动开门和关门按钮、直驶按钮、风扇、照明灯按钮， 有轿内钥匙开关，以及所对应的实验接线端子。 e、电源区 实验面板最下面为电源区，工作电源为交流 220v 电源，内置开关电源， 输出直流 5v 和 24v 电源，供内部工作和可编程序控制器输出信号和输入信号 回路使用。 2.42.4 电梯的理想运行曲线电梯的理想运行曲线 电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度和加速度变化率的大小，过 大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。同时，为保证电梯的运行效 率，加速度和加速度变化率的值不宜过小。能保证加速度和加速度变化率最佳 取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲线。电梯运行的理想曲线应是抛物 线-直线综合速度曲线，即电梯的加、减过程由抛物线和直线构成。电梯给定 曲线是否理想，直接影响实际的运行曲线。 根据大量的研究和实验表明,人可接受的最大加速度为 am1.5m/s2, 加速 度变化率 m3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正 弦波形，由于正弦波形加速度曲线实现较为困难，而三角形曲线最大加速度和 在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线，即+m 跳变到- m 或由-m 跳变到+m 的加速度变化率，故很少采用，因梯形曲线容易实现 并且有良好加速度变化率频繁指标，故被广泛采用，采用梯形加速度曲线电梯 的理想运行曲线如图 2.3 所示： 第 14 页 a t 图 2.3 电梯的理想运行曲线 2.52.5 电梯控制系统实现的功能电梯控制系统实现的功能 (1)一台电机控制上升和下降。 (2)各层设上/下呼叫开关(最顶层与起始层只设一只) 。 (3)电梯到位后具有手动或自动开门关门功能。 (4)电梯内设有层楼指令键，开关门按键，警铃风扇及照明按键。 (5)电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯。 (6)待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动 开门迎客。 (7)自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站 2 秒应能自动关门。在延 时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。 (8)按钮开门，在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按 钮，门将打开。 (9)内指令记忆，当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动 停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。 (10)自动定向，当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向 时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。 (11)呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合 第 15 页 运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。 (12)自动换向，当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向 的信号。 (13)自动关门待客，当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时电梯应自 动关门。 (14)自动返基站，当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基 站，停机待客。 第 16 页 3 3、系统的软件设计、系统的软件设计 3.13.1 plcplc 的选型及的选型及 i/oi/o 点的分配点的分配 3.1.13.1.1 plcplc 的选型的选型 本设计按四层的电梯为例，根据需要控制的开关、设备大约有 26 个输入点， 23 个输出点需进行控制，现选择 s7-200 型, cpu 选择 224 (ac/dc/rly),主机模块 214-1bd21-0xb0,扩展单元 em223(dc/relay)， 型号 223-1pl21-0xa0 主机模块外观，如图 2.4: 图 2.4 主机模块外观 选用主板 cpu-224 的接线图如图 2.5 选用的扩展模块接线图如图 2.6 第 17 页 图 2.5 选用主板 cpu-224 的接线图 图 2.6 选用的扩展模块接线图 第 18 页 3.1.23.1.2 i/oi/o 点的分配点的分配 i/o 分配表如表 1: 表 1 四层电梯的 i/o 分配表 i0.0开门按钮q0.0门电机正转 i0.1关门按钮q0.1门电机反转 i0.2开门到位信号q0.2门电机高速 i0.3关门到位信号q0.3升降电机正转 i0.4超重保护信号q0.4升降电机反转 i0.5防夹保护信号q0.5升降电机高速 i0.6一层上呼按钮q0.6一层内选指示 i0.7二层上呼按钮q0.7二层内选指示 i1.0三层上呼按钮q1.0三层内选指示 i1.1二层下呼按钮q1.1四层内选指示 i1.2三层下呼按钮q2.0一层上呼指示 i1.3四层下呼按钮q2.1二层上呼指示 i2.0一层内选按钮q2.2三层上呼指示 i2.1二层内选按钮q2.3二层下呼指示 i2.2三层内选按钮q2.4三层下呼指示 i2.3四层内选按钮q2.5四层下呼指示 i2.4自动司机按钮q2.6上行方向指示 i2.5下限位信号q2.7下行方向指示 i2.6一层下平层信号q3.0一层指示 第 19 页 i2.7一层上平层信号q3.1二层指示 i3.0二层下平层信号q3.2三层指示 i3.1二层上平层信号q3.3四层指示 i3.2三层下平层信号q3.6报站钟 i3.3三层上平层信号 i3.4四层下平层信号 i3.5四层上平层信号 i3.6上限位信号 i3.7门连锁保护 3.23.2 电梯电梯 plcplc 程序分析程序分析 3.2.13.2.1 开关门程序开关门程序 （1）开门控制 当按下开门开关 i0.0，或防夹保护（i0.5）和超重保护（i0.4）得电时，且 开门到位信号未得电（i0.2） 、升降电机未得电（q0.3、q0.4）时，就有开门信 号输出，在程序中加入 q0.0 得电自保，且加入 q0.1 与电梯关门互锁。v4.0 的 意思是，当电梯停在某一层，按下这层的上呼或下呼按钮时，就给 v4.0 一个脉 冲，然后执行开门程序。v1.1 的意思是，按下某一层的上下呼按钮，或某一层 的内选按钮，但电梯并不在这一层，当电梯到达这一层以后，电梯就执行开门 程序，它实际上是截车信号的最后的开门部分，见图 3.1。 第 20 页 图 3.1 开门控制 （2） 关门控制 第 21 页 当按下关门按钮（i0.1） ，且在开门按钮没有按下（i0.0） 、防夹保护没有 打开（i0.5） 、关门到位信号没有得电（i0.3） 、超重保护信号没有得电 （i0.4）时就有关门信号输出，且加入 q0.1 得电自保，还有和开门信号的互 锁。另外，还要在两种情况下，电梯还要能自动关门，首先，如果电梯还有其 他的呼叫信号，电梯应该在打开门以后两秒（t37）自动关门，继而继续响应 其他的呼梯信号（v0.1） ，若电梯再无其他的呼梯信号，电梯应在十秒后 （t42）自动关门，继续等待其他的呼梯信号（见图 3.2） ，另外等待 5 分钟还 没呼梯信号，电梯将会自动运行，这将会在后面作详细叙述。 第 22 页 图 3.2 关门控制 （3）门电机高速 门电机在开关信号到达后 0.5 秒，电梯门电机自动转入高速运行状态（见 图 3.3） 。 图 3.3 门电机高速程序 第 23 页 3.2.23.2.2 内选控制内选控制 四层电梯的内选控制基本一致，下面仅以一层的内选控制来解释说明（见 图 3.4） 。当按下一层内选按钮（i2.0）若电梯此时不再一层（如果人在一层干 嘛还要乘电梯呢） ，则一层内选指示灯亮（q0.6） ，当到达一层以后，v0.3（平 层继电器，后面会讲）得电断开，q0.6 断电，并一个下降沿脉冲，2.0 得到 一个扫描周期的脉冲。一至四层的内选执行起来是一样的，这里不再累述。 图 3.4 内选控制程序 3.2.33.2.3 外选控制外选控制 外选控制一共有 6 个，分别是一层上呼按钮，二层上呼按钮，三层上呼按 钮，二层下呼按钮，三层下呼按钮，四层下呼按钮，它们的控制规律基本一样， 下面仅以两个例子来说明外选控制，当在梯外按下一层上呼按钮时（i0.6） ， 若电梯不在一层（同上理） ，一层上呼指示（q2.0）得电自保，若到达一层， 第 24 页 平层继电器 v0.3 得电使 q2.0 断电，并向 v2.4 发出一个下降沿脉冲。这里要 说明的是 v1.0 和 v0.7 的作用，v1.0 是电梯下行中间继电器，v0.7 是电梯下 行中间继电器，它们的作用是前面提到的优先级队列的思想，即当电梯上行时， 不理会下行的呼叫信号，而是把它保存起来，等到下行时再响应，同理，当电 梯下行时也是如此，在这里，我写了一个上行呼叫的例子，一个下行呼叫的例 子（见图 3.5） 。 第 25 页 图 3.5 外选控制程序 3.2.43.2.4 平层指示平层指示 平层指示包含两个部分（见图 3.6） ，第一个部分是平层指示中间继电器， 当电梯同时触到一层上下平层两个信号（i2.6、i2.7）就让 v0.3 得电，同理， 一至四层的中间继电器分别是 v0.3v0.6 这四个中间继电器在前面内选控制 和外选控制中都有用到。第二个部分是电梯所在楼层的指示部分，点电梯轿厢 在一层的上下平层感应器的范围内，一层指示（q3.0）就得电自保，一旦到达 二层的范围内，这个信号就自己切断，对四层来说都是一样的，这里就不再累 述。 第 26 页 图 3.6 平层指示程序 第 27 页 3.2.53.2.5 上下行控制上下行控制 上下行控制是本次设计中最精华的部分，下面予以详细叙述。 （1）上行控制 图 3.7 是一个上行控制的梯形图，第一眼看上去觉得它十分复杂，其实它 所体现的逻辑很简单，从最上面开始说起吧，若二层内选指示灯亮（q0.7）或 二层上呼指示灯亮（q2.1）或二层下呼指示灯亮（q2.3） ，总的意思就是电梯 轿厢希望到达的楼层是二楼，且现在电梯轿厢不在二层（v0.4） ，也不在三层 （v0.5） ，也不再四层（v0.6） ，其实它只能在一层时，而且电梯现在不处于下 降的状态(v1.0)时，先让0.7 得电，再让上行指示（q2.6）得电；再向下， 当电梯三层内选指示灯亮（q1.0）或三层上呼指示灯亮（q2.2）或三层下呼指 示灯亮(q2.4)时，也就是电梯轿厢希望到达的楼层是三楼，且现在电梯不在三 层（v0.5） ，也不在四层（v0.6）是电梯现在若是在一层或二层，而且电梯现 在不处于下降的状态(v1.0)时，先让0.7 得电，再让上行指示（q2.6）得电。 同理，下面的程序也是一样。 对于网络 28，是电梯升降电机的一个控制，当电梯上升继电器（0.7） 得电且在门电机既不反转也不正转（q0.0、q0.1） 、门连锁未得电（i3.7） 、门 关好（i0.3） 、没有超过上限位（i3.6） 、电梯未到达某呼梯信号且电梯不在下 行时，升降电机才正转，带动轿厢向上运行。之所以按排这么多连锁，就是为 了安全的考虑。 第 28 页 图 3.7 上行控制程序 （2）下行控制 下行控制和上行控制所用的逻辑规律一致，但也有不同。我们先看着个梯 级的上面几行，它的意思是，当电梯按下三层内选按钮（q1.0）或按下三层上 呼（q2.2）或三层下呼按钮（q2.4）时，且电梯不在三层（v0.5） 、不在二层 （0.4） 、不在一层时（v0.3）时（也就是电梯此时在四层）电梯就准备下行， 先让下行指示(q2.7)得电，再给下行中间继电器（v1.0）得电。再下面也是一 样，当按下二层内呼按钮（0.7）或按下二层下呼按钮（q2.1）或按下二层 上呼按钮（q2.3）时，且电梯不在二层也不在一层，电梯可能在三层或四层时， 电梯就准备向下行驶。 对于网络 29 是电梯升降电机反转，也就是电梯轿厢下行的程序，当电梯 第 29 页 下降继电器（1.0）得电且在门电机既不反转也不正转（q0.0、q0.1） 、门连 锁未得电（i3.7） 、门关好（i0.3） 、没有超过下限位（i2.5） 、电梯未到达某 呼梯信号且电梯不在上行时，升降电机才反转，带动轿厢向下运行。之所以按 排这么多连锁，同样也是为了安全的考虑。 图 3.8 下行控制程序 （3）升降电机高速的产生 一般的情况下，当电梯上行继电器或电梯下行继电器一旦得电，电机高速 （q0.5）就会得电，但我们希望，一旦电梯快要到达有呼叫信号的某一楼层时， 第 30 页 电机就要从高速转换到低速，这也是图 3.9 中两个梯级所表达思想。 对于上面着个梯级，头两行意思是，当电梯经过一层上平层（i2.7）或一 层下平层（i2.6）时，且电梯有一层内呼，电梯此时就会给 v1.2 这个中间继 电器一个信号。再下边，当电梯有二层上呼（q2.1）且电梯现在正处于上行状 态（v0.7）时，即电梯此时准备响应这个信号，当电梯一旦路过二层下平层 （i3.0）就给 v1.2 一个信号，同理，当电梯有二层下呼（q2.3）且电梯现在 正处于下行状态（v1.0）时，一旦电梯路过二层上平层（i3.1）就给 v1.2 一 个信号，还有就是和最上面那个梯级一样，当电梯有二层内呼（q0.7）时，电 梯不管路过二层上平层还是二层下平层时都会给 v1.2 一个信号。下面控制逻 辑完全一致，这里就不再累述。 值得一提是中间继电器 v1.2，v1.2 汇总了各种需要电机减速的信号，一 旦这些信号出现，电梯就会慢下来，它的作用体现在网络 31。 第 31 页 图 3.9 电机高速程序 第 32 页 3.2.63.2.6 截梯信号的产生截梯信号的产生 下面我要说到的是一个非常重要的中间继电器 v1.1，v1.1 在程序中出现 的次数很多，一共出现了 5 次，它也是截梯信号产生重要依靠。我们先看看 v1.1 到底是什么意思。它产生在网络 16，意思是一旦电梯到达了某呼叫信号所呼叫 的那一层（比如按下二层内选后电梯到达了二层） ，就给 v1.1 一个信号 （v2.0v3.1 的产生见 3.2.2 和 3.2.3 章节） ，v1.1 得电后，先切断电梯升降 电机的电源（见图 3.8、图 3.7） ，待电梯停稳后再执行电梯开门程序（见图 3.1） ，同时给报站钟（q3.6）一个信号（见图 3.10） ，至此完成了一次截梯响 应。 第 33 页 图 3.10 截梯程序 3.2.73.2.7 长时间无呼叫电梯自动运行长时间无呼叫电梯自动运行 在实际中，如果电梯长时间无人呼叫，我们希望电梯能够自动回到一层。 程序如下（见图 3.11） 。这里为了节省一些演示时的时间，我把这个时间定在 了 5 分钟。 图 3.11 电梯自动程序 3.33.3 组态王程序及画面设计组态王程序及画面设计 3.3.13.3.1 组态软件的发展与现状组态软件的发展与现状 a 组态软件的历史 第 34 页 组态的概念最早来自于英文 configuration,它指一些数据采集与过程控制的 专用软件，它是在自动化控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵 活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，其预置的各种 软件模块可以非常容易的实现和完成监控层的各种功能，并能同时支持各种厂 家的计算机和 i/o 设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和 管理层提供软硬件的接口，进行系统集成。组态软件的出现是伴随着当今控制 界主流产品 dcs 而出现。由于每一套 dcs 都是比较通用的控制系统，可以应 用到很多领域中，为了使用户在不需要编代码程序的情况下便可以生成自己需 要的应用系统，每个 dcs 厂商在 dcs 中都预装了系统软件及应用软件，而其 中的应用软件实际上就是组态软件。 b 组态软件的发展方向 a 数据采集的方式 大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。然而，在这 种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软 件的接口规范编写，这为用户提出了过高的要求。由 opc 基金组织提出的 opc 规范基于微软的 ole/dcom 技术，提供了在分布式系统下，软件组件交 互和共享数据的完整的解决方案。在支持 opc 的系统中，数据的提供者作为 服务器，数据的请求者作为客户，服务器和客户之间通过 dcom 接口进行通 信，而无须知道对方内部实现的细节。由于 com 技术是在二进制代码级实现 的，所以服务器和客户可以由不同的厂商提供。在实际应用中，作为服务器的 数据采集程序往往由硬件的设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效用， 而作为客户的组态软件可以通过 opc 与各厂家的驱动程序无缝连接，故从根 本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。同时，组 态软件同样可以作为服务器为其它的应用系统（如 mis 等）提供数据。随着 支持 opc