基于-S7-300-的四层电梯控制系统的控制与实现.doc

中国科技论文在线/week114基于 S7-300 的电梯控制系统的控制与实现练春霞，郭西进*（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）510152025303540摘要：随着城市建设的不断发展，楼群建筑不断增多，电梯在当今社会的生活中有着广泛的应用。以 PLC 控制方式实现电梯的自动调度和集选运行功能，该方法可靠性高、程序设计简单、维修方便、抗干扰能力强，已成为电梯系统中常用的控制方式。本文基于德国西门子S7-300 系列和 WINCC 监控技术，并结合电梯的工作原理以及相应的控制策略，提出了四层电梯 PLC 控制系统以及 WINCC 监控部分的解决方案关键词：电梯控制系统；S7-300；WINCC 监控中图分类号：TP3Control and implementation of elevator control systembased on S7-300Lian Chunxia, Guo Xijin(College of information and electrical engineering, China university of minning and technology,JiangSu XuZhou 221008)Abstract: With the continuous development of city construction, the buildings are increasing allthe time, elevator in todays society is used widely in the life. To realize automatic scheduling andintegrating selected operation function of elevator with the way of PLC control, this method hashigh reliability, simple program design, convenient maintenance and strong anti-interferenceability, it has become the elevator systems used commonly in control mode. Based on theGermany Siemens S7-300 series and WINCC monitoring technology, and combining with theworking principle of the elevator and corresponding control strategy, this paper puts forward fourelevators PLC control system and WINCC monitoring part of the solution.Keywords:elevator control system; PLC; WINCC monitoring0 引言随着城市经济的发展和大型和巨型楼宇越来越多建造，电梯应用得到了快速发展，在当今生活中扮演着重要的角色。电梯控制系统主要包括三种方式：继电器控制、微机控制、PLC控制。继电器控制由于技术老旧、故障率高基本已经淘汰；微机控制对于小规模企业而言设计和制造成本高而且抗干扰能力弱；PLC 控制方式以可编程控制器为控制单元，完成电梯的信号采集、运行状态和功能设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，该方法可靠性高、程序设计简单、维修方便、抗干扰能力强，已成为电梯系统中常用的控制方式。本文的电梯控制系统就是基于以上认识，进行电梯系统设计的1。1 电梯系统介绍1.1 电梯结构电梯是机、电一体化产品。目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成2。作者简介：练春霞，（1987-），女，学生，控制工程通信联系人：郭西进，（1962-），男，教授，主要研究方向：计算机集成制造技术，智能控制理论. E-mail:-1-中国科技论文在线/week1141.2 电梯控制的总体要求1. 开始时，电梯处于任意一层。2. 当有外呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时 3S 后自动关门。4550553. 当有内呼梯信号到来时，电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时 3S 后自动关门。4. 在电梯运行过程中，电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果反向外呼梯信号前方向无其它内、外呼梯信号时，则电梯响应该外号，但不响应二层向下外呼梯信号。同时，如果电梯到达三层，如果四层没有任何呼梯信号，则电梯可以响应三层向下外呼梯信号。5. 电梯应具有最远反向外梯响应功能。例如：电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。6. 电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门电梯门关闭3。1.3 程序流程图按照控制要求先画出程序流程图（图 1）。电梯完成一个呼叫任务响应的步骤如下：图 1 程序流程图Fig. 1 Program flowchart601. 电梯检测到轿厢或轿厢外的呼叫信号后将此楼层与轿厢所在楼层信号进行比较，选择运行方向；2. 电梯开始启动，通过直流电机拖动轿厢运动，直至目标层；3. 平层后，经过延时开门，直至开门到限位，再经过一定延时后关门；654. 继续响应其他呼叫。2 PLC 部分设计本文选用四层电梯模型为被控对象，电梯模型如图 24。此模型根据升降式电梯结构，采用透明有机材料制成，具有实际电梯的仿真结构。控制器 CPU 选用西门子 CPU312，另-2-中国科技论文在线/week114加电源模块 PS307 5A，DI 模块 SM321 3224，DO 模块 SM322 3224/0.5A。其总体框图见70图 3。图 2 电梯模型框图Fig. 2 Elevator model diagram220V输 电 线PS模块CPU312内呼信号外呼信号DI模 块SM321开关门按钮楼层显示上下行显示DO模 块SM322呼叫按钮显示75上平 升层 下信 降号 极限图 3 总体框图开关门极限上下行控制上升下降极限Fig. 3 General diagram电梯模型面板上提供电梯控制的各种功能的检测信号、执行机构和显示器件。检测信号8085分为外呼信号、内选信号、平层信号、位置检测信号、轿厢门开闭位置信号等。电梯轿厢门具有开关和限位等保护功能。每个楼层显示当前轿厢所处的楼层位置、运行方向。当有检测信号输入时 PLC CPU 根据程序进行处理，并将处理结果经过 SM322 最终送到电梯中驱动执行机构进行相应动作。2.1 IO 点数的分配电梯逻辑控制的核心是 PLC， I/O 点数的分配使设计整个 PLC 电梯控制系统首要解决的问题。输入输出分配如表 14，根据表 1 生成变量表。-3-开关门控制90中国科技论文在线表 1 I/O 点数的分配/week114Tab. 1 Distribution of I/O2.2 指示灯的控制指示灯不仅可以标示电梯的运行方向而且可以标示对按键按下动作的确认和标示系统95是否完成规定的动作。按照控制要求，电梯各层内呼指示灯，在相应内呼按钮按下后点亮，到达该层并且门电机开后熄灭。电梯各层的外呼指示灯点亮条件也是相应外呼按钮按下，而熄灭条件是满足响应到达该层和门电机开三者的并。响应允许标志是根据前面所提及的控制要求指定的，比如二层外呼下指示灯的响应（图 5）的允许标志（图 4）只有在以下两种情况之一下置 1：1001)2)电梯下行电梯上行但是三、四层没有任何请求并且二层没有外呼向上请求图 4 电梯二层外呼向下允许标志Fig. 4 Sign of elevator is allowed to go down the second floor105图 5 电梯二层外呼下指示灯Fig. 5 Display of elevator is allowed to go down the second floor-4-序号名 称输 入点序号名 称输出点0一层内呼I0.00一层内呼指示Q0.01二层内呼I0.11二层内呼指示Q0.12三层内呼I0.22三层内呼指示Q0.23四层内呼I0.33四层内呼指示Q0.34一层外呼上I0.44一层外呼上指示Q0.45二层外呼下I0.55二层外呼下指示Q0.56二层外呼上I0.66二层外呼上指示Q0.67三层外呼下I0.77三层外呼下指示Q0.78三层外呼上I1.08三层外呼上指示Q1.09四层外呼下I1.19四层外听下指示Q1.110开门开关I1.210电梯上行Q1.211关门开关I1.311电梯下行Q1.312一层平层I1.412门电机开Q1.413二层平层I1.513门电机关Q1.514三层平层I2.014电梯上行指示Q1.615四层平层I2.115电梯下行指示Q1.716开门限位I2.217关门限位I2.318电梯上升极限位I2.419电梯下降极限位I2.5中国科技论文在线/week114110115120125130电梯上、下行指示灯显示的是电梯当前运行状态，它点亮与否分别由上升和下降允许标志（图 6）决定，允许标志置 1 且有用户请求时点亮，允许标志置 0 时熄灭。上升允许标志的置位是由实际电梯的运行要求决定的，例如当前电梯处在第二层，只有在三四层和二层外呼上有请求时，上升允许才置为 1，其它层的情况类似。上升允许标志的复位，要满足前面提到的控制要求，例如电梯处在二层且二层向下允许为 1，电梯要满足执意要求，即将上升允许标志复位，电梯向下运行。按照同样的道理可以得到下降允许位的置复位控制。图 6 电梯上升允许标志Fig. 6 Display of elevator is allowed to rise2.3 厢的升降控制轿厢的升（图 7）降和厢门的开关是有两台不同的电机完成的，在程序设计中应分别实现控制。电梯上行首先满足一定的公共条件，然后满足每一层的具体情况才能实现。公共条件是厢门电机关闭、厢门关闭到限位、电梯上升指示灯亮。每一层的具体情况是是根据实际情形得来的，电梯若当前处在一层则必须有二三四层任意请求，电梯若当前处在三层则必须有四层的请求。电梯上行停止的条件很多，有电梯下行置 1，电梯上升到极限位置，电梯下行标志值置 1，厢门电机开。电梯的下降控制与上升控制思想基本相同，只是把公共条件和每一层具体情况改一下即可。2.4 箱门开关控制为保证运行的安全和完成要求的控制条件，厢门开门（图 8）限制条件较多。电梯处于一层和四层时的开门条件较少，电梯到达该层并且该层有用户请求即可开门。电梯处于二层和三层时要具体考虑各个信号，对于想到达该层的内呼信号可立即响应开门，对于外呼信号要考虑是否被允许。例如用户在二层按动电梯外的向下请求，只有二层向下响应允许有效并且电梯到达该层，厢门才会打开，这是为了保证控制要求中的 4、5。开门停止的条件是开门到限位位置和有关门请求。-5-中国科技论文在线/week114135140厢门关门限制条件较少，只要有关门请求、开门后 3 秒到两者之一发生便可关门。图 7 电梯上行Fig. 7 Elevator uplink-6-145中国科技论文在线2.5 电梯控制系统程序的调试图 8 电梯门开Fig. 8 Elevator door opens/week1142.5.1连线对应输入输出表，连接电梯模型与 DI 模块、DO 模块。将电梯模型设为高入高出模式，公共端 I 与 PLC 主机输入、输出端的 1L、2L、3L 相连，但不能与主机的供电端即 L 相连；150公共端 II 与 PLC 主机输入、输出端的 1M、2M、3M 相连，但不能与主机的供电端相连即M 相连；检查无误后，重新开启电源，模型、PLC 处于待机状态5。2.5.2系统的硬件组态硬件组态的任务就是在 STEP 中生成一个与实际的硬件硬件系统完全相同的系统。本系统的硬件组态如下图：-7-155中国科技论文在线图 9 硬件组态图Fig. 9 Hardware configuration diagram/week1142.5.3程序的调试1601) 接通电梯模型及 PLC 主机的电源，观察电梯模型、PLC 主机供电是否正常，然后关闭电源开关。2）按照分配的 I/O 地址，将电梯模型中的信号端与 PLC 主机的 I/O 端口相连。3）打开 STEP7，按下载按钮把硬件配置和程序下载到 PLC 中，程序下载完，运行程序。并按下，观察程序运行状况，若按下内、外呼叫按165钮，程序没有按控制要求正常运行，通过在线浏览程序运行状况，可以发现错误之处，及时修改程序。4）按模型上的内呼、外呼、开关门按钮，看电梯的运行情况。模型上没有的按钮，可以按 PLC 主机上的输入按钮，看对应的输出指示灯是否符合控制要求。2.5.4运行170175打开电梯开关，将 PLC 调到 RUN 模式，对照控制要求按动按钮。结果符合电梯控制系统的控制要求。3 基于 WINCC 的电梯监控系统3.1 WINCC 中画面的编辑和脚本的编辑按照实验电梯模型搭建出与实际电梯相符合的虚拟电梯模型图， WINCC 中的画面编辑的图，再进行各个相关图形的文本编辑和脚本文件的编辑等6。1、在 WINCC 中的画面编辑的图(图 10)：-8-中国科技论文在线/week114图 10 电梯控制系统的编辑画面Fig. 10 Editing screen of the elevator control system1802、电梯门的动作的编辑电梯门开要满足门电机开、平层按钮都置一得条件；电梯门关要满足门电机关、平层按钮都置一的条件。如图 11 所示：其他的电梯门的编辑于其类似，只是相关的静态位置和移动的方向不同。185190195图11 电梯门的基于C脚本的编辑Fig. 11 Editing of elevator door based on C script3、上行指示灯的动作的设置上行指示灯亮要满足的电梯上行指示灯置一的条件；下行指示灯亮要满足电梯下行指示灯置一的条件。如图 12 所示为电梯上行指示灯亮的设置：其他相关的下行只是灯的动作设置与其类似。图12 上行指示灯的动作的设置Fig. 12 Settings of action of uplink indicator-9-中国科技论文在线/week114层按钮的设置轿厢内的层按钮亮要满足响应的内呼按钮置一的条件；轿厢外的层按钮亮要满足响应的外呼按钮置一的条件。如图 13 所示为一层内呼按钮亮的设置：2002052102152、3、4 层的按钮的设置与 1 层的按钮设置类似。图13 层按钮的动作设置Fig. 13 Settings of action of layer button5、开门按钮的动作设置轿厢内开门按钮响应的条件是门电机开的输出置一；关门按钮响应的条件是门电机关的输出置一。如图 14 是开门按钮响应的设置：图14 开门按钮的设置Fig. 14 Settings of door open button6、平层显示灯的设置平层显示灯亮要满足一层平层或二层平层或三层平层或四层平层的输入置一的条件；至上限灯亮要满足电梯上升极限位置一的条件：至下限灯亮要满足电梯下降极限位置一的条件。如图 15 为平层显示灯的设置：7、层显示的设置- 10 -中国科技论文在线图15 平层显示灯的设置/week114220225230235240Fig. 15 Settings of smooth layer indicator light层显示是利用七段数码显示来实现的，当 A 段亮时必须满足二层平层或三层平层的输入置一的条件，同样剩下的六段即可设置相应的平层条件满足时亮。图 16 为 A 段亮时要满足的条件：图16 层显示的设置Fig. 16 Settings of layer display8、轿厢的动作的设置轿厢上行要满足电梯上行指示灯置一并且此时没有任何平层输入信号置一的条件；轿厢下行要满足电梯下行指示灯并且此时没有任何平层输入信号置一的条件。图 17 为轿厢动作的 C 脚本的编辑：图17 轿厢动作的C脚本的编辑Fig. 17 Editing of script C of elevator car acting9、拖动轮的动作的设置拖动轮顺时针动作要满足电梯上行输出置一并且此时没有任何平层的输入信号的置一；拖动轮逆时针动作要满足电梯下行输出置一并且此时没有任何平层的输入信号的置一。图18 为拖动轮的动作的 C 脚本的编辑：- 11 -中国科技论文在线图18 拖动轮动作的脚本C的编辑Fig. 18 Editing of script C of drag round moving/week11424510、拖动绳动作的设置拖动绳的动作与轿厢的动作是同时进行的，其设置与轿厢的设置大体相同：图19 拖动绳动作的C脚本的编辑Fig. 19 Editing of script C of drag rope acting25011、时间显示的设置时间显示是用来显示此刻时间的(图 20)：至此 WINCC 中的画面编辑和相关动作的编辑的工作已完成。255图20 时间设置的C脚本的编辑Fig. 20 Editing of script C of time setting3.2 WINCC 与 PLC300 的连接- 12 -260中国科技论文在线图 21 WINCC 与 PLC 的通信/week114Fig. 21 The co