基于-S7-300-的四層電梯控制系統(tǒng)的控制與實現(xiàn).doc

中國科技論文在線/week114基于 S7-300 的電梯控制系統(tǒng)的控制與實現(xiàn)練春霞，郭西進*（中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008）510152025303540摘要：隨著城市建設的不斷發(fā)展，樓群建筑不斷增多，電梯在當今社會的生活中有著廣泛的應用。以 PLC 控制方式實現(xiàn)電梯的自動調度和集選運行功能，該方法可靠性高、程序設計簡單、維修方便、抗干擾能力強，已成為電梯系統(tǒng)中常用的控制方式。本文基于德國西門子S7-300 系列和 WINCC 監(jiān)控技術，并結合電梯的工作原理以及相應的控制策略，提出了四層電梯 PLC 控制系統(tǒng)以及 WINCC 監(jiān)控部分的解決方案關鍵詞：電梯控制系統(tǒng)；S7-300；WINCC 監(jiān)控中圖分類號：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 引言隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展和大型和巨型樓宇越來越多建造，電梯應用得到了快速發(fā)展，在當今生活中扮演著重要的角色。電梯控制系統(tǒng)主要包括三種方式：繼電器控制、微機控制、PLC控制。繼電器控制由于技術老舊、故障率高基本已經(jīng)淘汰；微機控制對于小規(guī)模企業(yè)而言設計和制造成本高而且抗干擾能力弱；PLC 控制方式以可編程控制器為控制單元，完成電梯的信號采集、運行狀態(tài)和功能設定，實現(xiàn)電梯的自動調度和集選運行功能，該方法可靠性高、程序設計簡單、維修方便、抗干擾能力強，已成為電梯系統(tǒng)中常用的控制方式。本文的電梯控制系統(tǒng)就是基于以上認識，進行電梯系統(tǒng)設計的1。1 電梯系統(tǒng)介紹1.1 電梯結構電梯是機、電一體化產(chǎn)品。目前使用的電梯絕大多數(shù)為電力拖動、鋼絲繩拽引式結構，其機械部分由拽引系統(tǒng)，轎廂和門系統(tǒng)，平衡系統(tǒng)，導向系統(tǒng)以及機械安全保護裝置組成；而電氣控制部分由電力拖動系統(tǒng)，運行邏輯功能控制系統(tǒng)和電氣安全保護等系統(tǒng)組成2。作者簡介：練春霞，（1987-），女，學生，控制工程通信聯(lián)系人：郭西進，（1962-），男，教授，主要研究方向：計算機集成制造技術，智能控制理論. E-mail:-1-中國科技論文在線/week1141.2 電梯控制的總體要求1. 開始時，電梯處于任意一層。2. 當有外呼梯信號到來時，電梯響應該呼梯信號，到達該樓層時，電梯停止運行，電梯門打開，延時 3S 后自動關門。4550553. 當有內呼梯信號到來時，電梯響應該呼梯信號，到達該樓層時，電梯停止運行，電梯門打開，延時 3S 后自動關門。4. 在電梯運行過程中，電梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信號均不響應，但如果反向外呼梯信號前方向無其它內、外呼梯信號時，則電梯響應該外號，但不響應二層向下外呼梯信號。同時，如果電梯到達三層，如果四層沒有任何呼梯信號，則電梯可以響應三層向下外呼梯信號。5. 電梯應具有最遠反向外梯響應功能。例如：電梯在一樓，而同時有二層向下外呼梯，三層向下外呼梯，四層向下外呼梯，則電梯先去四樓響應四層向下外呼梯信號。6. 電梯未平層或運行時，開門按鈕和關門按鈕均不起作用。平層且電梯停止運行后，按開門按鈕電梯門打開，按關門電梯門關閉3。1.3 程序流程圖按照控制要求先畫出程序流程圖（圖 1）。電梯完成一個呼叫任務響應的步驟如下：圖 1 程序流程圖Fig. 1 Program flowchart601. 電梯檢測到轎廂或轎廂外的呼叫信號后將此樓層與轎廂所在樓層信號進行比較，選擇運行方向；2. 電梯開始啟動，通過直流電機拖動轎廂運動，直至目標層；3. 平層后，經(jīng)過延時開門，直至開門到限位，再經(jīng)過一定延時后關門；654. 繼續(xù)響應其他呼叫。2 PLC 部分設計本文選用四層電梯模型為被控對象，電梯模型如圖 24。此模型根據(jù)升降式電梯結構，采用透明有機材料制成，具有實際電梯的仿真結構?？刂破?CPU 選用西門子 CPU312，另-2-中國科技論文在線/week114加電源模塊 PS307 5A，DI 模塊 SM321 3224，DO 模塊 SM322 3224/0.5A。其總體框圖見70圖 3。圖 2 電梯模型框圖Fig. 2 Elevator model diagram220V輸 電 線PS模塊CPU312內呼信號外呼信號DI模 塊SM321開關門按鈕樓層顯示上下行顯示DO模 塊SM322呼叫按鈕顯示75上平 升層 下信 降號 極限圖 3 總體框圖開關門極限上下行控制上升下降極限Fig. 3 General diagram電梯模型面板上提供電梯控制的各種功能的檢測信號、執(zhí)行機構和顯示器件。檢測信號8085分為外呼信號、內選信號、平層信號、位置檢測信號、轎廂門開閉位置信號等。電梯轎廂門具有開關和限位等保護功能。每個樓層顯示當前轎廂所處的樓層位置、運行方向。當有檢測信號輸入時 PLC CPU 根據(jù)程序進行處理，并將處理結果經(jīng)過 SM322 最終送到電梯中驅動執(zhí)行機構進行相應動作。2.1 IO 點數(shù)的分配電梯邏輯控制的核心是 PLC， I/O 點數(shù)的分配使設計整個 PLC 電梯控制系統(tǒng)首要解決的問題。輸入輸出分配如表 14，根據(jù)表 1 生成變量表。-3-開關門控制90中國科技論文在線表 1 I/O 點數(shù)的分配/week114Tab. 1 Distribution of I/O2.2 指示燈的控制指示燈不僅可以標示電梯的運行方向而且可以標示對按鍵按下動作的確認和標示系統(tǒng)95是否完成規(guī)定的動作。按照控制要求，電梯各層內呼指示燈，在相應內呼按鈕按下后點亮，到達該層并且門電機開后熄滅。電梯各層的外呼指示燈點亮條件也是相應外呼按鈕按下，而熄滅條件是滿足響應到達該層和門電機開三者的并。響應允許標志是根據(jù)前面所提及的控制要求指定的，比如二層外呼下指示燈的響應（圖 5）的允許標志（圖 4）只有在以下兩種情況之一下置 1：1001)2)電梯下行電梯上行但是三、四層沒有任何請求并且二層沒有外呼向上請求圖 4 電梯二層外呼向下允許標志Fig. 4 Sign of elevator is allowed to go down the second floor105圖 5 電梯二層外呼下指示燈Fig. 5 Display of elevator is allowed to go down the second floor-4-序號名 稱輸 入點序號名 稱輸出點0一層內呼I0.00一層內呼指示Q0.01二層內呼I0.11二層內呼指示Q0.12三層內呼I0.22三層內呼指示Q0.23四層內呼I0.33四層內呼指示Q0.34一層外呼上I0.44一層外呼上指示Q0.45二層外呼下I0.55二層外呼下指示Q0.56二層外呼上I0.66二層外呼上指示Q0.67三層外呼下I0.77三層外呼下指示Q0.78三層外呼上I1.08三層外呼上指示Q1.09四層外呼下I1.19四層外聽下指示Q1.110開門開關I1.210電梯上行Q1.211關門開關I1.311電梯下行Q1.312一層平層I1.412門電機開Q1.413二層平層I1.513門電機關Q1.514三層平層I2.014電梯上行指示Q1.615四層平層I2.115電梯下行指示Q1.716開門限位I2.217關門限位I2.318電梯上升極限位I2.419電梯下降極限位I2.5中國科技論文在線/week114110115120125130電梯上、下行指示燈顯示的是電梯當前運行狀態(tài)，它點亮與否分別由上升和下降允許標志（圖 6）決定，允許標志置 1 且有用戶請求時點亮，允許標志置 0 時熄滅。上升允許標志的置位是由實際電梯的運行要求決定的，例如當前電梯處在第二層，只有在三四層和二層外呼上有請求時，上升允許才置為 1，其它層的情況類似。上升允許標志的復位，要滿足前面提到的控制要求，例如電梯處在二層且二層向下允許為 1，電梯要滿足執(zhí)意要求，即將上升允許標志復位，電梯向下運行。按照同樣的道理可以得到下降允許位的置復位控制。圖 6 電梯上升允許標志Fig. 6 Display of elevator is allowed to rise2.3 廂的升降控制轎廂的升（圖 7）降和廂門的開關是有兩臺不同的電機完成的，在程序設計中應分別實現(xiàn)控制。電梯上行首先滿足一定的公共條件，然后滿足每一層的具體情況才能實現(xiàn)。公共條件是廂門電機關閉、廂門關閉到限位、電梯上升指示燈亮。每一層的具體情況是是根據(jù)實際情形得來的，電梯若當前處在一層則必須有二三四層任意請求，電梯若當前處在三層則必須有四層的請求。電梯上行停止的條件很多，有電梯下行置 1，電梯上升到極限位置，電梯下行標志值置 1，廂門電機開。電梯的下降控制與上升控制思想基本相同，只是把公共條件和每一層具體情況改一下即可。2.4 箱門開關控制為保證運行的安全和完成要求的控制條件，廂門開門（圖 8）限制條件較多。電梯處于一層和四層時的開門條件較少，電梯到達該層并且該層有用戶請求即可開門。電梯處于二層和三層時要具體考慮各個信號，對于想到達該層的內呼信號可立即響應開門，對于外呼信號要考慮是否被允許。例如用戶在二層按動電梯外的向下請求，只有二層向下響應允許有效并且電梯到達該層，廂門才會打開，這是為了保證控制要求中的 4、5。開門停止的條件是開門到限位位置和有關門請求。-5-中國科技論文在線/week114135140廂門關門限制條件較少，只要有關門請求、開門后 3 秒到兩者之一發(fā)生便可關門。圖 7 電梯上行Fig. 7 Elevator uplink-6-145中國科技論文在線2.5 電梯控制系統(tǒng)程序的調試圖 8 電梯門開Fig. 8 Elevator door opens/week1142.5.1連線對應輸入輸出表，連接電梯模型與 DI 模塊、DO 模塊。將電梯模型設為高入高出模式，公共端 I 與 PLC 主機輸入、輸出端的 1L、2L、3L 相連，但不能與主機的供電端即 L 相連；150公共端 II 與 PLC 主機輸入、輸出端的 1M、2M、3M 相連，但不能與主機的供電端相連即M 相連；檢查無誤后，重新開啟電源，模型、PLC 處于待機狀態(tài)5。2.5.2系統(tǒng)的硬件組態(tài)硬件組態(tài)的任務就是在 STEP 中生成一個與實際的硬件硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件組態(tài)如下圖：-7-155中國科技論文在線圖 9 硬件組態(tài)圖Fig. 9 Hardware configuration diagram/week1142.5.3程序的調試1601) 接通電梯模型及 PLC 主機的電源，觀察電梯模型、PLC 主機供電是否正常，然后關閉電源開關。2）按照分配的 I/O 地址，將電梯模型中的信號端與 PLC 主機的 I/O 端口相連。3）打開 STEP7，按下載按鈕把硬件配置和程序下載到 PLC 中，程序下載完，運行程序。并按下，觀察程序運行狀況，若按下內、外呼叫按165鈕，程序沒有按控制要求正常運行，通過在線瀏覽程序運行狀況，可以發(fā)現(xiàn)錯誤之處，及時修改程序。4）按模型上的內呼、外呼、開關門按鈕，看電梯的運行情況。模型上沒有的按鈕，可以按 PLC 主機上的輸入按鈕，看對應的輸出指示燈是否符合控制要求。2.5.4運行170175打開電梯開關，將 PLC 調到 RUN 模式，對照控制要求按動按鈕。結果符合電梯控制系統(tǒng)的控制要求。3 基于 WINCC 的電梯監(jiān)控系統(tǒng)3.1 WINCC 中畫面的編輯和腳本的編輯按照實驗電梯模型搭建出與實際電梯相符合的虛擬電梯模型圖， WINCC 中的畫面編輯的圖，再進行各個相關圖形的文本編輯和腳本文件的編輯等6。1、在 WINCC 中的畫面編輯的圖(圖 10)：-8-中國科技論文在線/week114圖 10 電梯控制系統(tǒng)的編輯畫面Fig. 10 Editing screen of the elevator control system1802、電梯門的動作的編輯電梯門開要滿足門電機開、平層按鈕都置一得條件；電梯門關要滿足門電機關、平層按鈕都置一的條件。如圖 11 所示：其他的電梯門的編輯于其類似，只是相關的靜態(tài)位置和移動的方向不同。185190195圖11 電梯門的基于C腳本的編輯Fig. 11 Editing of elevator door based on C script3、上行指示燈的動作的設置上行指示燈亮要滿足的電梯上行指示燈置一的條件；下行指示燈亮要滿足電梯下行指示燈置一的條件。如圖 12 所示為電梯上行指示燈亮的設置：其他相關的下行只是燈的動作設置與其類似。圖12 上行指示燈的動作的設置Fig. 12 Settings of action of uplink indicator-9-中國科技論文在線/week114層按鈕的設置轎廂內的層按鈕亮要滿足響應的內呼按鈕置一的條件；轎廂外的層按鈕亮要滿足響應的外呼按鈕置一的條件。如圖 13 所示為一層內呼按鈕亮的設置：2002052102152、3、4 層的按鈕的設置與 1 層的按鈕設置類似。圖13 層按鈕的動作設置Fig. 13 Settings of action of layer button5、開門按鈕的動作設置轎廂內開門按鈕響應的條件是門電機開的輸出置一；關門按鈕響應的條件是門電機關的輸出置一。如圖 14 是開門按鈕響應的設置：圖14 開門按鈕的設置Fig. 14 Settings of door open button6、平層顯示燈的設置平層顯示燈亮要滿足一層平層或二層平層或三層平層或四層平層的輸入置一的條件；至上限燈亮要滿足電梯上升極限位置一的條件：至下限燈亮要滿足電梯下降極限位置一的條件。如圖 15 為平層顯示燈的設置：7、層顯示的設置- 10 -中國科技論文在線圖15 平層顯示燈的設置/week114220225230235240Fig. 15 Settings of smooth layer indicator light層顯示是利用七段數(shù)碼顯示來實現(xiàn)的，當 A 段亮時必須滿足二層平層或三層平層的輸入置一的條件，同樣剩下的六段即可設置相應的平層條件滿足時亮。圖 16 為 A 段亮時要滿足的條件：圖16 層顯示的設置Fig. 16 Settings of layer display8、轎廂的動作的設置轎廂上行要滿足電梯上行指示燈置一并且此時沒有任何平層輸入信號置一的條件；轎廂下行要滿足電梯下行指示燈并且此時沒有任何平層輸入信號置一的條件。圖 17 為轎廂動作的 C 腳本的編輯：圖17 轎廂動作的C腳本的編輯Fig. 17 Editing of script C of elevator car acting9、拖動輪的動作的設置拖動輪順時針動作要滿足電梯上行輸出置一并且此時沒有任何平層的輸入信號的置一；拖動輪逆時針動作要滿足電梯下行輸出置一并且此時沒有任何平層的輸入信號的置一。圖18 為拖動輪的動作的 C 腳本的編輯：- 11 -中國科技論文在線圖18 拖動輪動作的腳本C的編輯Fig. 18 Editing of script C of drag round moving/week11424510、拖動繩動作的設置拖動繩的動作與轎廂的動作是同時進行的，其設置與轎廂的設置大體相同：圖19 拖動繩動作的C腳本的編輯Fig. 19 Editing of script C of drag rope acting25011、時間顯示的設置時間顯示是用來顯示此刻時間的(圖 20)：至此 WINCC 中的畫面編輯和相關動作的編輯的工作已完成。255圖20 時間設置的C腳本的編輯Fig. 20 Editing of script C of time setting3.2 WINCC 與 PLC300 的連接- 12 -260中國科技論文在線圖 21 WINCC 與 PLC 的通信/week114Fig. 21 The co