机械毕业设计（论文）-基于西门子S7-300PLC的虚拟电梯.doc

编号无锡太湖学院毕业设计（论文） 题目：基于西门子S7-300PLC的虚拟电梯 设计 机电系 机械制造及其自动化专业学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：高工）2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人声明所呈交的学位毕业设计（论文）是本人在导师的认真指导下独立进行的研究工作及其所取得的研究成果。该论文中除在毕业设计（论文）中特别标注引用，表示真诚致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的研究成果，与我一同工作的伙伴（同志）对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确表达了谢意。 班 级： 机械93 学 号： 0923111 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信机系 机械制造及其自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目: 基于西门子S7-300PLC的虚拟电梯设计 2、专题: 二、课题来源及选题依据 据了解我国的电梯行业历史并不算悠久，据不完全统计1979年之前我国的电梯总产量是10000台左右，而随着我国科技水平和经济水平的不断提高，2008年国内电梯总产量却已达到28多万台，预计2015年电梯的总产量突破40万台没有问题。 总而言之，电梯作为新世纪高楼的垂直升降的运输工具，与人们的生活已经密不可分。 目前的电梯控制普遍采用了两种方式，一是控制方式用可编程控制器实现信号控制；二是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功 能，拖动控制则由变频器来完成。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是面向广大用户的专用工业控制计算机，具有诸多非常明显的优点。PLC程序设计方便灵活，可靠性高。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉基于S7-300的电梯控制系统的基本内容和基本原理。 熟悉STEP7编程环境，并掌握编写梯形图的方法。 熟悉该控制系统中所应用到的器件，如：可编程控制器PLC、变频器、拽引机等。 学习并掌握西门子S7-300PLC的使用及STEP7开发环境编制程序。 四、接受任务学生： 机械93 班 姓名 五、开始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月12日33摘 要随着城市现代化进程的飞速推进,电梯作为一种安全，高效，方便的垂直运输工具已在人们的日常生活中密不可分，因此,设计一种通用性强、可视性好的PLC虚拟电梯教学模型势在必行。针对电梯运行特点,虚拟电梯设计采用了顺序控制分析方法和面向对象的模块化分析设计方法。设计内容包括电梯的控制技术、PLC电梯控制程序设计、虚拟电梯的程序仿真、虚拟电梯的运行监控等。设计选用功能强大先进的西门子(Siemens)S7-300PLC,西门子S7-PLCSIM仿真软件和WINCC flexible监控软件来实现电梯的软PLC控制、仿真与监控,具有良好的教学可视性、实时性。虚拟电梯系统设计以PLC控制系统为主要研究对象,通过分析研究电梯运行原理,控制要求,做好PLC输入/输出(I/0)端口配置,利用软PLC技术,设计出梯形图LAD控制程序,并对电梯的开关门控制,厅内外召唤登记及消除控制、平层控制、选层及电梯运行过程等进行仿真、监控。虚拟电梯系统设计代替了传统的继电器控制系统,提出了一种新颖的便于教师讲授、易于学生编程和调试的控制方法。虚拟电梯系统与电梯物理模型相比,充分发挥了西门子中型PLC和组态软件的强大功能,具有较强的灵活性、可操作性、通用性。教师和学生可以根据教学需要自行开发电梯控制系统,体会程序对现场生产设备的控制效果,并根据仿真结果不断修改程序,增强PLC一体化教学的教学效果,提高教学效率和培训层次。关键词:虚拟电梯仿真；S7-300PLC；STEP7；WINCC flexible；监控AbstractWith the rapid development of city modernization, the elevator as a safe, efficient, convenient for the vertical transportation tool in peoples daily life are inseparable. Therefore, be imperative to design a kind of strong versatility, good visibility of the PLC virtual elevator teaching model.In view of the operational characteristics of the elevator, the virtual elevator design using modular analysis method and object oriented analysis and design method of sequence control. The design includes the elevator control technology, PLC elevator control program design, virtual elevator program simulation, virtual elevator operation monitoring. Design uses powerful advanced Siemens (Siemens) S7-300PLC, Siemens S7-PLCSIM simulation software and WINCC flexible software to realize the soft PLC elevator control, simulation and monitoring, with visibility, good real-time teaching. Virtual elevator system design based on PLC control system as the main object of study, through the analysis of the elevator operation principle, control requirements, do a good job in PLC input / output (I/0) port configuration, using soft PLC technology, designs the trapezoidal chart LAD control program, and control of the door switch of elevator, hall of call register and remove control, level control, layer selection and elevator operation process simulation, monitoring.Design of virtual elevator system to replace the traditional relay control system, proposes a novel convenient for teachers to teach students, easy programming and debugging control method. Virtual elevator system and elevator model, gives full play to the functions of Siemens medium PLC and configuration software, has strong flexibility, operability, general. Teachers and students can develop the elevator control system according to the needs of teaching, experience of field control effect of production equipment, and modify the program continuously according to the simulation results, enhanced PLC integration teaching effect, improve the efficiency of teaching and training level.Key words:virtual elevator simulation; S7-300PLC; STEP7; WINCC flexible; monitoring目录摘要IIIAbstractIV目录V1 绪论11.1 虚拟电梯系统的设计背景11.2国内外研究现状及分析11.2.1电梯行业的发展现状和趋势11.2.2 虚拟电梯的优势21.2.3 设计目的与科研意义21.3课题设计思路及方法31.4课题研究内容42 基于PLC控制的虚拟电梯模型的总体设计方案52.1 电梯的主要结构及控制技术52.2 虚拟电梯的控制功能及流程图设计62.3 可编程序控制器(PLC)的硬件实现72.3.1 PLC的定义82.3.2 PLC的基本结构82.3.3 PLC的工作原理92.3.4 PLC控制电梯的优点92.3.5 西门子S7-30OPLC的系统结构92.3.6 西门子S7-300PLC的CPU设计5102.3.7 西门子S7-3OOPLC的通信功能103 虚拟电梯PLC控制系统设计123.1 虚拟电梯PLC控制系统结构123.2 电梯控制系统的I/O分配123.3.1 PLC编程软件的选择133.3.2 STEP7编程软件概述133.3.3 STEP7的硬件接口143.3.4 STEP7与S7-300PLC间系统通信143.3.5 STEP7与S7-300PLC间硬件组态153.4 虚拟电梯梯形图程序设计及分析153.4.1 虚拟电梯PLC控制系统设计要点153.4.2 平层判断及电梯运行程序153.4.3 楼层指示程序173.4.4 开、关门控制183.4.5 内、外呼信号登记及消除193.4.6 选层定向及反向截梯223.4.7 电梯故障报警224 虚拟电梯系统的仿真设计244.1 S7- PLCSIM仿真软件的主要功能244.2 利用S7- pLCSIM仿真、调试电梯控制程序244.3 虚拟电梯的监控系统设计254.3.1 WinCC flexible人机界面监控软件254.3.2 WinCC flexible监控系统设计26总结30致谢31参考文献321 绪论1.1 虚拟电梯系统的设计背景随着城市现代化的不断推进,电梯，一种高效、安全、迅捷的代步升降运输工具，已经完全融入人们的平时生活。我国的电梯使用史已有100年左右,同时其使用数量也快速增长,据不完全统计,我国在用电梯差不多50万台,并且每年有67万台的增长速度。目前,由于智能控制技术的发展，电梯已经从继电器控制过渡到了PLC控制和微机控制。其中PLC技术可扩展性强、抗干扰能力强、成本低，既而应用范围广泛。而电梯控制也成为各高楼智能控制和工艺控制的典型实例。现在社会上PLC技术方面的人才缺口很大，因此,能够设计出一个易于教师传授、便于学生学习掌握的,另外可视性好、通用性强的PLC虚拟电梯教学模板迫在眉睫。同时这样也可以改善各相关职业院校的教学模式，促进其一体化教学的发展,提升培训层次及教学效率。1.2国内外研究现状及分析1.2.1 电梯行业的发展现状和趋势(l)电梯控制技术方面网络化、智能化、人性化; CPU采用高位数,电梯信号的处理和速度增强; 专家控制和模糊逻辑应用到了电梯群控系统中,精度和效率被相应提高;电梯的各种选择功能在不断增加和扩展,目前可以选用的电梯功能预计达到5080种之多,这样电梯轿厢色调、造型的艺术化、多样化就展现出来了,并与建筑物完美巧妙的融成一体。(2)曳引机技术方面伴随机械加工水平的提高,有齿轮曳引机从传统的蜗轮蜗杆传动慢慢被行星式齿轮传动与高精度硬齿面圆柱齿轮传动替代,这样就有利于曳引机体积缩小、传动效率和承载能力提高。(3)电梯拖动技术方面电梯拖动技术有明显的发展,直流电梯的缺点是维修量大、能耗大,所以慢慢被交流电梯替代,液压电梯运行平稳、机房位置灵活,在低楼层场所应用广泛。交流拖动电梯更是迅速的发展,已从变级调速(AC-VP)发展成调压调速(AC-VV)以及调频调压调速(AC-VVVF),如此一来电梯的速度、加速度控制就更符合人的各种生理要求,其给人的舒适感也相应改善了许多。 (4)电梯安全设计及安装监督方面作为高楼里唯一的代步运输工具,电梯肯定是必不可少的,很显然人们就会非常关注它的寿命、稳定性和安全性。因此,著名的奥的斯电梯公司想出了“电梯全过程绿色化”方案来解决，电梯从设计、制造、安装、维护及更新改造各个环节都充分考虑到了节能和环保因素。自研发开始,就尽量选择绿色环保材料,设计最低能耗的动力系统及更节省空间的布局,确保部件测试与系统集成在严格的考量和认证下合格;安装环节中,采用无脚手架安装方法，这样节省空间也节省原材料，同时还保证了电梯在安装方面的质量乃至安全。(5)电梯装潢方面电梯轿厢装潢采用新颖的装潢材料,如涂塑钢板、铝钢复合材料、钢化玻璃和各种类型石材、木材等,还有特殊的表面处理工艺、喷塑工艺、油漆工艺及镶拼贴装工艺等。轿厢的造型和照明设计、操纵箱设计和轿厢层楼显示设计等逐渐向艺术化、人性化发展。 (6)电梯教学模型方面现在很多厂家经营教具与教学专用设备的生产加工,物理电梯的教学模型主要是3至4层的PLC控制柜模型。有的电梯模型上设置了低压电器、变频器、机械等常见的多项故障实验给学生动手实训。但是这些物理电梯的教学模型成本都相当昂贵,正常在40000-90000元之间,性价比不高。而且这些模型普遍缺少计算机控制、软件监控、系统通讯、实训项目拓展等一系列功能。所以物理电梯模型的发展差不多已跟不上职业教学培训要求,研发新型的电梯模型有着光明的前景19。1.2.2 虚拟电梯的优势伴随计算机技术的发展,人们开始利用计算机软件模拟实际的物理模型。“虚拟模型”其实是以计算机技术为基础,辅以数字接口技术,对某个模型进行研究和利用。软PLC技术是一项基于IPC(工业控制计算机)或EPC(嵌入式计算机) 的 控制技术，其在当下工业自动化领域正逐渐兴起。所谓软PLC其实就是以PC机为硬件支持,通过软件来完成PLC基本功能,提供发散的体系结构。遵循国际工业标准,支持多种语言(包括高级语言)编程,能够开发各种用户所要的功能（块）,有较高兼容/灵活性,而且具备离线仿真及在线远程监控功能。1虚拟电梯系统指将计算机和PLC虚拟为一台实际运行的软PLC控制的电梯,计算机结合组态软件设计出动画界面,显示电梯的轿厢和井道并模拟电梯的运行,同时把信号传送到PLC控制器。PLC控制器运行控制程序,通过通讯程序把控制结果传到计算机,虚拟电梯根据传来的控制信号进行电梯的运行和相关信息指示, 实际电梯的各种运行状态和故障状态也在模拟的范畴。虚拟电梯系统与传统的电梯物理模型及继电器控制的电梯系统相比有明显的优势，如技术先进性、演示可视性、实用操作性等。通过以上的分析比较,虚拟电梯系统的优势显而易见,既有先进教学设备所需要的低成本、高性能、易操作、易扩展的特点,又有可靠的控制技术、灵活的编程方法、实时的监控功能等,是一体化教学的典型实例,是教学模型设计的典范,在职业技术教育中具有巨大的推广空间。1.2.3 设计目的与科研意义1.设计目的选用功能强大、先进的西门子(Siemens)S7-300PLC及STEP7编程软件、西门子S7-PLCSIM(Simulating Modules)仿真软件和WINCC flexible组态软件来实现电梯的软PLC控制、仿真与监控可以弥补物理电梯模型和继电器控制的电梯系统的不足。使PLC控制技术、计算机仿真技术、通信技术紧密结合,设计一个完整的PLC虚拟电梯教学模型，包括了软硬件组态、控制程序、仿真监控。2.科研意义虚拟电梯的设计与仿真不受PLC硬件的限制，只要PLC设计仿真软件，在电脑上选择PLC型号，以及合理的硬件配置，可以决定一个实际的PLC同等功能的虚拟PLC，提升程序运行调试。 PLC软件提供了非常有效的调试工具和手段及完美的虚拟环境，如单步操作，模块化操作，设计断点，动画界面配置，可以缩短设计和开发时间，加快项目进度，降低成本。电梯远程监控系统是电梯控制领域的先进技术，是一种全新的服务理念，新的发展思路。为电梯制造单位，维护单位和使用单位提供了集中管理的有力手段。用 WINCC flexible监控软件来模拟人机界面控制、进行动画监督，显示出人性化、可视化的一面，另外人工智能技术应用到电梯上更为电梯控制技术的发展方向提供了新的途径。电梯出现故障，电梯用户可以利用可视化的人机界面选择电梯的呼叫操作，监控电梯的运行状态，监控设备会自动拨号进入电梯远程监控服务中心，服务人员通过计算机屏幕知道电梯的问题，假以时日，以避免伤害事故。远程监控服务中心一直监视所维护的电梯，可以随时知道运行状态的电梯发生故障，维修人员维修前就可以知道所需的维修工具和备件，降低维修服务费用和时间。这种监控技术，赢得了信任，这也将成为中国电梯行业的技术研究和发展的一个重要方向。1.3 课题设计思路及方法虚拟电梯系统采用横向科学研究中的系统科学方法进行分析、设计,其以实验/文献研究法为主, 实地观察法及社会调查法为辅。把面向对象的程序设计方法视为主导,配合功能强大的西门子S7-30OPLC的编程方法、组态方法进行程序设计及人机界面监控。 面向对象编程思想是对问题进行自然分割,从更贴近人的思维的角度去建立模型,使设计出的软件尽可能直观的描述现实世界,其本质是一种围绕真实世界的概念来建立模型的程序设计方法。采用面向对象编程的方法对PLC控制系统进行计算机软PLC仿真,既可以减少成本,也可以降低故障发生的几率,还可以进行故障模拟试验,这样在电梯实际使用PLC控制时可以安全地运行16。虚拟电梯系统的研究和实施可利用单位现有的西门子设备和计算机网络,选择通用成熟的技术体系为实现手段,以确保模型的正常运行。灵活运用理论知识、编程经验,建立完整的程序设计、软件仿真、数据监控、人机界面的实施流程,填补了教学缺口,可行性较强。图1.1设计流程图1.4 课题研究内本课题在了解电梯控制技术以及虚拟电梯特点的基础上,选择西门子中型PLC及其编程、仿真、组态软件,研究出四层虚拟电梯系统,如下为主要内容:(1)根据四层虚拟电梯系统的控制要求来总体设计,包括有电梯结构和控制功能分析、 PLC选择、系统流程图设计等。(2)进行PLC系统配置,I/O点数分配,选择STEP7编程软件进行硬件组态,编制四层虚拟电梯控制程序,分析主要程序。(3)利用S7-PLCSIM仿真软件对四层虚拟电梯仿真模拟,用WINCC flexible组态软件进行监控设计,实现上位机对电梯系统的实时监控、运行仿真。2 基于PLC控制的虚拟电梯模型的总体设计方案2.1 电梯的主要结构及控制技术电梯是机电一体化结合的典型产品,也是楼宇智能控制的典型实例。机械系统相当于人的躯干,电气系统相当于人的神经,机电紧密结合就可保证电梯高效、安全、迅捷地运行。1.电梯的机械系统电梯的机械系统由机房、井道、轿厢和门系统四部分构成。【2】(1)机房内装有电梯的动力源曳引机、极限开关、限速器、控制&信号柜、选层器、电源接线板及排风照明装置等。这里相当于电梯的心脏和指挥中心。(2)井道顾名思义，就是提供电梯运行的通道,内设有导轨、导轨支架、对重装置、缓冲器、随行电缆、平衡链、极限开关、端站限位开关等。(3)轿厢是乘人/运货的厢体,主要由轿顶轮、轿厢架、轿厢底、轿厢门、自动门机构、自动安全触板、平层感应器、护脚板、导靴、对重、电话、绳头板构成。(4)门系统包括厅门、召唤按钮盒、楼层显示装置、轿门、门机以及门锁联动装置。2.电梯的电气控制系统电梯的控制技术主要包括PLC控制技术和微机控制技术配合交流变频变压(VVVF)控制技术。PLC控制技术成本低、通用性好、开发周期短、扩展性好、维护简单、网络通信功能强,渐渐成为在现代化建筑中电梯控制系统的主流。微机控制技术采用微机作为信号控制单元,完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定。且微机控制是电梯控制技术的发展方向，但是微机控制同样有缺陷,比如说成本高、抗干扰能力差、系统设计复杂、对维修技术要求高,也不太适合用在电气专业方面的教学。电梯PLC控制系统由逻辑部分和调速部分（变频器控制的）组成如图2.1所示。变频器直接控制曳引电动机的运行,而PLC提供变频器的输入控制信号。系统逻辑部分由PLC控制,PLC接收呼叫信号、系统的功能信号及井道和变频器的状态信号,由程序运算判断来完成电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时,根据随机逻辑控制的要求,向变频器发送启动、运行方向、加/减速和制动等信号。调速部分由变频器根据一定的控制规律和算法来控制,利用光电编码器测量曳引机的转速,构成闭环矢量控制系统。3 (PG是光电编码器)图2.1电梯控制系统结构框图3.电梯的安全保护系统(1)光幕/安全触板保护在关门过程中安全触板或者光幕动作时,停止关门,并执行开门指令,梯门开到位后再重新开始关门,门紧闭后,门锁信号为0N,轿厢方可以开始运行；倘若安全触板或光幕动作一直在就不执行关门输出指令；另外在检修状态下光幕无效。(2)限位保护当轿厢到达端站平层位置仍没停下来,限位开关就瞬间动作,切断电源并且制动强迫使其停下。(3)缓冲器制停保护在井道的顶部、底部装有极限开关,当轿厢经过端站未减速时,轿厢上的撞块便会触动极限开关,切断曳引机电源,曳引机制动器随即动作至电梯减速制停。若轿厢还没有停下,便会碰到缓冲器,使轿厢渐渐转为静止状态,同理井道顶部的缓冲器具有同样的性能。(4)超载保护电梯若超载便不执行关门及运行指令,并且还会输出超载信号警报,超载消失就自动恢复常态。(5)安全钳保护安全钳装置是在限速器的动作下,使轿厢紧急制动在导轨上的安全装置。它是电梯安全系统中提供最后保护的装置之一,当其他所有安全装置失效并导致电梯高速坠落时,限速器便会带动安全钳使轿厢有效制停，确保乘客和设备的基本安全。2.2 虚拟电梯的控制功能及流程图设计虚拟电梯控制系统根据电梯的运行要求,采用西门子STEP7编程软件来进行模块化编程。其中包括如下程序模块:(1)选向厅外有传唤按钮,轿厢内有楼层选择按钮与门开关按钮（均有按钮指示灯）；根据传唤指令发出的位置和实际电梯所在的位置决定电梯的运行走向,符合顺向截梯规则；响应后,自动把此次传唤指令的记忆清零。(2)平层停车平层的意思就是在停车时,轿厢底与门厅“地平面”平齐。轿厢根据传唤指令发出的位置,自动在目标平层停下(平层感应器一般装在轿厢顶部,隔磁板则装在井道壁上。向上运行时,上平层感应器先插入隔磁板,发出减速信号,电梯开始减速,直至下平层感应器插入隔磁板,发出停车开门信号,电动机立刻停转抱死；向下运行时同样的道理)。(3)开/关门控制电梯门有轿厢门与厅门之分,轿厢门由电机拖动,厅门则由轿厢门带动,当轿厢在平层停车后自动开门,开门后片刻如果没有人踏入便自动关门；但是关门过程中,如有人按下开门按钮或者遮挡光幕则又会跳到开门状态；门完全关闭后,门锁信号为0N,轿厢方可向上/下运行。(4)电梯运行PLC对输入信号进行实时采样和逻辑运算后,将结果发送给变频器,变频器再控制曳引机的电动机加减速与正反转,由此实现电梯的上下运行。(5)检修状态电梯检修时,检修盒里的向上、向下按钮可以使用,使电梯以检修速度运行,但是呼叫和开/关门指令不可响应。(6)消防状态当消防开关闭合后电梯会随即清零所有内外召唤指令,自动返回消防基站长开门并处于停用状态，若电梯正在运行，就近平层不开门，一样立即返回基站保持长开门。根据虚拟电梯系统的控制功能要求,设计流程如图2.2所示。图2.2虚拟电梯控制主程序2.3 可编程序控制器(PLC)的硬件实现PLC是主要涉及逻辑控制的微型计算机系统。在性能、抗干扰能力等方面优势突出，因此广泛应用于工业控制领域。自PLC技术引入我国以来,由PLC组成的控制系统已经被很多制造厂家（包括电梯制造厂家）采用,甚至慢慢形成各种系列的定型产品。2.3.1 PLC的定义可编程控制器(Programmable logic Contro11er)是以计算机技术为基础的新型控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下相关定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。”PLC技术与CAD/CAM技术、机器人技术并称为现代工业技术的三大支柱。2.3.2 PLC的基本结构图2.3整体式PLC的基本结构(1)中央处理器(CPU)CPU是控制器、运算器和寄存器集成在一起的一个芯片。CPU通过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。(2)存储器PLC存储器主要存放系统&用户程序与数据等。包含系统存储区(采用ROM、EPROM、E2PROM、FLASH等)、用户存储区(采用随机存取存储器RAM)。(3)I/O接口输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口采集检测元件输入的各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等,通过输入接口电路将这些信号转换为CPU能够识别和处理的信号。输出接口有晶体管输出、晶闸管输出、继电器输出等。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换为现场需要的强电信号输出,以驱动电磁阀、接触器等设备的执行元件。(4)编程器编程器的作用是把用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器,并利用编程器检查、修改和调试用户程序,监视用户程序的执行过程,显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。(5)电源PLC电源为各模块的集成电路提供工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC或1IOVAC),直流电源(常用的为24VAC)。(6)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。2.3.3 PLC的工作原理（1）PLC的工作方式:以集中输入、集中输出,周期性循环扫描的方式工作。（2）工作过程:包括上电处理、输入采样、程序执行、输出刷新、通信处理等4。2.3.4 PLC控制电梯的优点早期的电梯控制系统中的逻辑控制由继电器-接触器控制电路实现,但是这种控制系统结构复杂、可靠性不高、通用性不强、扩展能力差。随着计算机技术、通信技术、PLC控制技术的不断发展,PLC控制电梯由于成本低、安全性高、通用性好、功能强、开发周期短、维护方便、网络通信功能强大,很快成为了现代高楼中、小型电梯控制系统的主流。并且PLC控制电梯是楼层间智能控制、工艺过程控制的典例,属于职业教育需求的范畴。2.3.5 西门子S7-30OPLC的系统结构图2.4 S7-300PLC系统结构图西门子S7-300PLC的硬件系统结构如图2.4所示,图示反映了PLC各个硬件组成部分的具体位置和通信连接方法。由图看出,西门子S7-30OPLC采用紧凑的、无槽位限制的模块结构,电源模块(PS)、CPU模块、信号模块(SM)、功能模块(FM)、接口模块(IM)和通信处理器(CP)都安装在DIN标准导轨上。电源模块总安装在机架最左边1号槽位,CPU模块在2号槽位,如果有接口模块,则放在3号槽位。信号模块与通信处理模块可不受限制地插到4至11号任何一个槽位,系统自动分配模块地址。每个机架顶多可安装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块,最多能增加3个扩展机架(ER)6。虚拟电梯设计中用到了电源模块(PS)、CPU模块、通信处理器(CP),因此只要对这三个模块的相应槽位组态,具体组态步骤见“STEP7与S7-300PLC间硬件组态”内容。2.3.6 西门子S7-300PLC的CPU设计51.CPU设计(1)模式选择器:MRES=模块复位功能；STOP=停止模式,程序不执行；RUN=程序执行编程器只读操作；RUN-P=程序执行,编程器可读写操作。(2)状态指示器:SF,BATF=电池故障；DC5V=内部5V DC电压指示；FRCE=表示至少有一个输入或输出被强制；RUN=当CPU启动时闪烁,在运行模式下常亮；STOP=在停止模式下常亮,有存储器复位请求时慢速闪烁,正在执行复位时快速闪烁。(3)MPI接口用来连接到编程设备或其他设备,DP接口用来直接连接到分布式I/O。2.CPU的存储区(1)装载存储器:它是一个可编程模块,包括建立在编程设备上的装载对象(逻辑块、数据块和其他信息),它可以是存储器卡或内部集成的RAM。存储器卡一般有两种,其中,采用RAM存储器卡时,系统须配备电池,当采用Flash EPROM存储器卡时,则断电也不会丢失,但内部RAM中的数据仍要电池保持。(2)系统存储器:包括过程映象输入和输出表(PII,PIQ),位存储器,定时器,计数器和局部堆践。保持存储器是非挥发的RAM,在没有安装后备电池的情况下也能用来保持一些数据,设置CPU参数时要指定保持的区域。(3)工作存储器仅包含在运行时间使用的程序和数据,RAM工作存储器集成在CPU中,通过后备电池来保持。2.3.7 西门子S7-3OOPLC的通信功能西门子S7-300PLC系统的主要通信网络有如下四种1.工业以太网-用于工厂管理与单元层的通信系统,符合IEEE8O2.3国际标准,可采用TCP/IP或IS0协议,通过网关连接远程网络。2.PROFIBUS-PROFIBUS是一种具有国际化、开放化以及不依赖生产商的现场总线标准。它广泛应用于全集成自动化的工业车间级监控和现场层通信系统,符合IEC61158国际标准,是目前世界上最成功的现场总线之一。包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三类协议。可以通过CP通信处理器将西门子S7-300PLC与PROFIBUS-DP总线相连。可以连接的设备包括S7-300/400PLC、运行STEP7的编程器、西门子人机界面(HMI)、数控系统、变频器、非西门子装置等。3.MPI(Multi-Point Interface多点接口)-即集成通讯功能多点接口(MPI),是一种集成在SIMATIC S7 CPU中的通讯接口。使用该接口可建立基本网络,同时连接几个编程单元、操作者面板、S7-300/400PLC、运行STEP7的编程器和西门子人机界面。4.点对点连接(Point-to-Point Connection)-可以连接两太PLC,以及计算机、打印机、机器人控制系统、扫描仪等非西门子设备。使用CP通信处理器模块或通过CPU集成的通信接口,可建立经济方便的点对点连接。点对点通信提供的接口有RS-232C(全双工模式)和RS-485(半双工模式)/RS-422A9。AS-i(EN 50295)-与传感器和执行器进行通讯的国际标准。EIB(EN 50090,ANSI EIA 776)-用于楼宇安装系统和楼宇自动化的全球标准。3 虚拟电梯PLC控制系统设计3.1 虚拟电梯PLC控制系统结构虚拟电梯的PLC控制系统主要是信号控制系统与拖动系统组成,系统结构图如3.1所示,主要组成包括PLC控制系统、机械执行系统、信号指示系统、按钮系统、门机、光幕信号系统、安全保护系统、拖动及调速系统等。外部控制信号通过输入采样寄存在输入映像寄存器中,根据控制程序需要来读取并在CPU中进行逻辑运算处理,再把结果存入输出映像寄存器,每个周期进行一次输出刷新,驱动外部执行机构,即分别向楼层显示、呼梯信号灯、运行方向信号灯发出显示信号,向门机发出开关门控制信号,向变频器发出上下行、换速等信号,从而达到对电梯运行状态的控制。输入/输出接口电路通过光电隔离和滤波把PLC和外部电路隔离,所以PLC有较强的抗干扰能力,无故障运行率可达4至5万小时。且控制逻辑由程序实现,减少了系统中继电器的使用数量和控制柜的体积,大大增强了系统的灵活性、可扩展性和可靠性2。系统结构图如图3.1所示：图3.1虚拟电梯PLC控制系统结构图3.2 电梯控制系统的I/O分配根据虚拟电梯控制功能的需求,计算出PLC的输入/输出(I/O)点数(以四层电梯为例),然后进行模块化编程。其中包括以下程序模块:电梯平层停车、选向、电梯上行、电梯下行、开门、关门、检修等,其I/O分配如下:表3-1 输入分配表输入信号作用按钮/限位信号输入点输入信号口作用按钮/限位信号输入点门安全信号门安全信号I0.0紧急停止信号紧急停止按钮I0.7外呼按钮一层上选按钮I0.1平层信号一层平层信号I1.0二层上选按钮I0.2二层平层信号I1.1三层上选按钮I0.3三层平层信号I1.2二层下选按钮I0.4四层平层信号I1.3三层下选按钮I0.5上平层感应干簧管I2.2四层下选按钮I0.6下平层感应干簧管I2.3内呼按钮一层内选按钮I1.4门区层感应干簧管I2.4二层内选按钮I1.5减速开关上强迫减速开关I2.5三层内选按钮I1.6下强迫减速开关I2.6四层内选按钮I1.7检修信号检修慢上I3.0开门内选按钮I2.0检修慢下I3.1关门内选按钮I2.1选择信号自动选择开关I3.3警铃按钮I2.7消防选择开关I3.4直驶按钮I3.2检修选择开关I3.5超载信号超载触点I3.6表3-2 输出分配表输出信号到位信号输出点输出信号到位信号输出点上行指示上行接触器Q0.0快速信号快速接触器Q0.6下行指示下行接触器Q0.1慢速信号慢速接触器Q0.7外呼指示一层上选指示Q0.2开门开门信号Q1.6二层上选指示Q0.3关门关门信号Q1.7三层上选指示Q0.4楼层指示一楼指示灯Q2.0二层下选指示Q0.5二楼指示灯Q2.1三层下选指示Q1.0三楼指示灯Q2.2四层下选指示Q1.1四楼指示灯Q2.3内呼指示一层内选指示Q1.2快加速信号快加速接触器Q2.4二层内选指示Q1.3第一慢加速信号第一慢加速接触器Q2.5三层内选指示Q1.4第二慢加速信号第二慢加速接触器Q2.6四层内选指示Q1.5点动检修点动检修接触器Q2.7报警信号报警警铃Q3.03.3.1 PLC编程软件的选择经过上述分析，再结合虚拟电梯的I/O分配需求,选择西门子S7-300中型PLC控制器,及相应的STEP7编程软件和S7-PLCSIM仿真软件进行梯形图控制程序的设计与仿真。3.3.2 STEP7编程软件概述STEP7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WINAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具,是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP7具有以下功能:硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP7的所有功能均有在线帮助,用鼠标选中某一对象,按F1即可得到相关的在线帮助。在STEP7中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理,它能方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WINAC的数据。实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。3.3.3 STEP7的硬件接口PC/MPI适配器用于连接安装了STEP7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s,PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s1.5Mbit/s。除了PC适配器,还需要一根标准的RS-232C通信电缆。使用计算机的通信卡CP5611、CP5511或CP5512,可以将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络,实现计算机与PLC的通信。也可以使用计算机的工业以太网通信卡CP1512或CP1612,通过工业以太网实现计算机与PLC的通信。可在SIMATIC Manager管理器中执行菜单命令“Option” “Setting the PG/PC Interface”,打开“setting the PG/PC Interface”对话框,选择实际使用的硬件接口。点击【Select】按钮,打开“Install/Remove interfaces”对话框,安装选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。3.3.4 STEP7与S7-300PLC间系统通信图3.2 STEP7与S7-300PLC间通信结构图7STEP7与S7-300PLC间通信方式可选择PROFIBUS通信、MPI通信、工业以太网三种方式,通信结构图如图3.2所示。可在SIMATIC Manager管理器中双击“hardware”图标,进入“HW CONFIG”(硬件组态)界面后,双击CPU模块所在槽,在弹出的“Properties”(属性)窗口的“Communication” (通信)选项卡中进行选择,至少应该为PG(编程器或计算机)通信和0P(操作员面板)通信分别保留1个连接。3.3.5 STEP7与S7-300PLC间硬件组态使用项目管理结构来构造一个自动化任务解决方案,使用“New Project”向导生成一个新项目。使用菜单命令File“New Project”Wizard,打开Wizard,对话框中将显示你所建立的项目结构。在项目中,站点代表着可编程控制器的硬件结构,它包含着每一个模板的组态数据以及参数赋值。3.4 虚拟电梯梯形图程序设计及分析3.4.1 虚拟电梯PLC控制系统设计要点虚拟电梯系统设计时,在满足电梯功能需求的前提下,还要尽可能地发挥PLC的控制功能和提高PLC的性价比。如下是PLC电梯控制系统设计的要点和技巧。18(1)模块化设计:电梯控制系统是集选式控制系统,结构较复杂,适合面向对象的模块化编程方法,将各个输出的信号按属性分类做出程序模块,模块与模块之间可以用中间寄存器来衔接。则电梯控制系统大致可分为以下一些程序模块:平层判断及电梯运行模块、楼层指示模块、开关门控制模块、内外呼信号登记及消除模块、选层定向及顺向截梯模块、电梯故障报警模块、换速模块、检修模块等。(2)由于采用循环扫描方式,要注意各条指令或模块间的时序关系,以确保程序可以按照设计功能运行。尤其注意计数器、定时器的计数条件以及