基于西門(mén)子S7-300PLC的虛擬電梯設(shè)計(jì)

摘 要 隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速推進(jìn) ,電梯作為 一種安全，高效，方便的垂直運(yùn)輸工具已在人們的日常生活中密不可分， 因此 ,設(shè)計(jì)一種通用性強(qiáng)、可視性好的 PLC 虛擬電梯教學(xué)模型勢(shì)在必行。 針對(duì)電梯運(yùn)行特點(diǎn) ,虛擬電梯設(shè)計(jì)采用了順序控制分析方法和面向?qū)ο蟮哪K化分析設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電梯的控制技術(shù)、 PLC 電梯控制程序設(shè) 計(jì)、虛擬電梯的程序仿真、虛擬電梯的運(yùn)行監(jiān)控等。設(shè)計(jì)選用功能強(qiáng)大 先進(jìn)的西門(mén)子 (Siemens)S7-300PLC,西門(mén)子S7-PLCSIM 仿真軟件和 WINCC flexible 監(jiān)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯的軟 PLC 控制、仿真與監(jiān)控 ,具有良好的教學(xué)可視性、實(shí)時(shí)性。虛擬電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)以 PLC 控制系統(tǒng)為主要研究對(duì)象 ,通過(guò)分析研究電梯運(yùn)行原理 ,控制要求 ,做好 PLC 輸入 /輸出 (I/0)端口配置 ,利用軟 PLC 技術(shù) ,設(shè)計(jì)出梯形圖 LAD 控制程序 ,并對(duì)電梯的開(kāi)關(guān)門(mén)控制 ,廳內(nèi)外召喚登記及消除控制、平層控制、選層及電梯運(yùn)行過(guò)程等進(jìn)行仿真、監(jiān)控。 虛擬電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)代替了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng) ,提出了一種新穎的便于教師講授、易于學(xué)生編程和調(diào)試的控制方法。虛擬電梯系統(tǒng)與電梯物理模型相比 ,充分發(fā)揮了西門(mén)子中型PLC 和組態(tài)軟件的強(qiáng)大功能 ,具有較強(qiáng)的靈 活性、可操作性、通用性。教師和學(xué)生可以根據(jù)教學(xué)需要自行開(kāi)發(fā)電梯控制系統(tǒng) ,體會(huì)程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的控制效果 ,并根據(jù)仿真結(jié)果不斷修改程序 ,增強(qiáng) PLC 一體化教學(xué)的教學(xué)效果 ,提高教學(xué)效率和培訓(xùn)層次。 關(guān)鍵詞 :虛擬電梯仿真； S7-300PLC； STEP7； WINCC flexible；監(jiān)控 Abstract With 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 目錄 摘要 . I Abstract . II 目錄 . III 1 緒論 . 1 1.1 虛擬電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景 .1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 .1 1.2.1 電梯行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) .1 1.2.2 虛擬電梯的優(yōu)勢(shì) .2 1.2.3 設(shè)計(jì)目的與科研意義 .2 1.3 課題設(shè)計(jì) 思路及方法 .3 1.4 課題研究?jī)?nèi)容 .4 2 基于 PLC 控制的虛擬電梯模型的總體設(shè)計(jì)方案 . 5 2.1 電梯的主要結(jié)構(gòu)及控制技術(shù) .5 2.2 虛擬電梯的控制功能及流程圖設(shè)計(jì) .6 2.3 可編程序控制器 (PLC)的硬件實(shí)現(xiàn) .7 2.3.1 PLC 的定義 .8 2.3.2 PLC 的基本結(jié)構(gòu) .8 2.3.3 PLC 的工作原理 .9 2.3.4 PLC 控制電梯的優(yōu)點(diǎn) .9 2.3.5 西門(mén)子 S7-30OPLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .9 2.3.6 西門(mén)子 S7-300PLC 的 CPU 設(shè)計(jì) 5 .10 2.3.7 西門(mén)子 S7-3OOPLC 的通 信功能 .10 3 虛擬電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 12 3.1 虛擬電梯 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .12 3.2 電梯控制系統(tǒng)的 I/O 分配 .12 3.3.1 PLC 編程軟件的選擇 .13 3.3.2 STEP7 編程軟件概述 .13 3.3.3 STEP7 的硬件接口 .14 3.3.4 STEP7 與 S7-300PLC 間系統(tǒng)通信 .14 3.3.5 STEP7 與 S7-300PLC 間硬件組態(tài) .15 3.4 虛擬電梯梯形圖程序設(shè)計(jì)及分析 .15 3.4.1 虛擬電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) .15 3.4.2 平層判斷及電梯運(yùn)行程序 .15 3.4.3 樓層指示程序 .17 3.4.4 開(kāi)、關(guān)門(mén)控制 .18 3.4.5 內(nèi)、外呼信號(hào)登記及消除 .19 3.4.6 選層定向及 反向截梯 .22 3.4.7 電梯故障報(bào)警 . 22 4 虛擬電梯系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) . 24 4.1 S7- PLCSIM 仿真軟件的主要功能 . 24 4.2 利用 S7- pLCSIM 仿真、調(diào)試電梯控制程序 . 24 4.3 虛擬電梯的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 25 4.3.1 WinCC flexible 人機(jī)界面監(jiān)控軟件 . 25 4.3.2 WinCC flexible 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 26 總結(jié) . 30 致謝 . 31 參考文獻(xiàn) . 32 1 緒論 1.1 虛擬電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景 隨著城市現(xiàn)代化的不斷推進(jìn) ,電梯，一種高效、安全、迅捷的代步升降運(yùn)輸工具，已經(jīng)完全融入人們的平時(shí)生活。我國(guó)的電梯使用史已有 100 年左右 ,同時(shí)其使用數(shù)量也快速增長(zhǎng) ,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) ,我國(guó)在用電梯差不多 50 萬(wàn)臺(tái) ,并且每年有 67 萬(wàn)臺(tái)的增長(zhǎng)速度。 目前 ,由于智能控制技術(shù) 的發(fā)展，電梯已經(jīng)從繼電器控制過(guò)渡到了 PLC 控制和微機(jī)控制。其中 PLC 技術(shù)可擴(kuò)展性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、成本低，既而應(yīng)用范圍廣泛。而電梯控制也成為各高樓智能控制和工藝控制的典型實(shí)例。 現(xiàn)在社會(huì)上 PLC 技術(shù)方面的人才缺口很大，因此 ,能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)易于教師傳授、便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的 ,另外可視性好、通用性強(qiáng)的 PLC 虛擬電梯教學(xué)模板迫在眉睫。同時(shí)這樣也可以改善各相關(guān)職業(yè)院校的教學(xué)模式，促進(jìn)其一體化教學(xué)的發(fā)展 ,提升培訓(xùn)層次及教學(xué)效率。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 1.2.1 電梯行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) (l)電梯控制技術(shù)方面 網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化 ； CPU 采用高位數(shù) ,電梯信號(hào)的處理和速度增強(qiáng) ； 專家控制和模糊邏輯應(yīng)用到了電梯群控系統(tǒng)中 ,精度和效率被相應(yīng)提高 ；電梯的各種選擇功能在不斷增加和擴(kuò)展 ,目前可以選用的電梯功能預(yù)計(jì)達(dá)到 5080 種之多 ,這樣電梯轎廂色調(diào)、造型的藝術(shù)化、多樣化就展現(xiàn)出來(lái)了 ,并與建筑物完美巧妙的融成一體。 (2)曳引機(jī)技術(shù)方面 伴隨機(jī)械加工水平的提高 ,有齒輪曳引機(jī)從傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)慢慢被行星式齒輪傳動(dòng)與高精度硬齒面圓柱齒輪傳動(dòng)替代 ,這樣就有利于曳引機(jī)體積縮小、傳動(dòng)效率和承載能力提高。 (3)電梯拖動(dòng)技術(shù)方面 電梯拖動(dòng)技術(shù)有明顯的發(fā)展 ,直流電梯的缺點(diǎn)是維修量大、能耗大 ,所以慢慢被交流電梯替代 ,液壓電梯運(yùn)行平穩(wěn)、機(jī)房位置靈活 ,在低樓層場(chǎng)所應(yīng)用廣泛。交流拖動(dòng)電梯更是迅速的發(fā)展 ,已從變級(jí)調(diào)速 (AC-VP)發(fā)展成調(diào)壓調(diào)速 (AC-VV)以及調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速 (AC-VVVF),如此一來(lái)電梯的速度、加速度控制就更符合人的各種生理要求 ,其給人的舒適感也相應(yīng)改善了許多。 (4)電梯安全設(shè)計(jì)及安裝監(jiān)督方面 作為高樓里唯一的代步運(yùn)輸工具 ,電梯肯定是必不可少的 ,很顯然人們就會(huì)非常關(guān)注它的壽命、穩(wěn)定性和安全性。因此 ,著名的奧的斯電梯公 司想出了“電梯全過(guò)程綠色化”方案來(lái)解決，電梯從設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)及更新改造各個(gè)環(huán)節(jié)都充分考慮到了節(jié)能和環(huán)保因素。自研發(fā)開(kāi)始 ,就盡量選擇綠色環(huán)保材料 ,設(shè)計(jì)最低能耗的動(dòng)力系統(tǒng)及更節(jié)省空間的布局 ,確保部件測(cè)試與系統(tǒng)集成在嚴(yán)格的考量和認(rèn)證下合格 ；安裝環(huán)節(jié)中 ,采用無(wú)腳手架安裝方法，這樣節(jié)省空間也節(jié)省原材料，同時(shí)還保證了電梯在安裝方面的質(zhì)量乃至安全。 (5)電梯裝潢方面 電梯轎廂裝潢采用新穎的裝潢材料 ,如涂塑鋼板、鋁鋼復(fù)合材料、鋼化玻璃和各種類(lèi)型石材、木材等 ,還有特殊的表面處理工藝、噴塑工藝、油漆工藝及鑲拼貼裝工藝 等。轎廂的造型和照明設(shè)計(jì)、操縱箱設(shè)計(jì)和轎廂層樓顯示設(shè)計(jì)等逐漸向藝術(shù)化、人性化發(fā)展。 (6)電梯教學(xué)模型方面 現(xiàn)在很多廠家經(jīng)營(yíng)教具與教學(xué)專用設(shè)備的生產(chǎn)加工 ,物理電梯的教學(xué)模型主要是 3 至4 層的 PLC 控制柜模型。有的電梯模型上設(shè)置了低壓電器、變頻器、機(jī)械等常見(jiàn)的多項(xiàng)故障實(shí)驗(yàn)給學(xué)生動(dòng)手實(shí)訓(xùn)。但是這些物理電梯的教學(xué)模型成本都相當(dāng)昂貴 ,正常在40000-90000 元之間 ,性價(jià)比不高。而且這些模型普遍缺少計(jì)算機(jī)控制、軟件監(jiān)控、系統(tǒng)通訊、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目拓展等一系列功能。所以物理電梯模型的發(fā)展差不多已跟不上職業(yè)教學(xué)培訓(xùn)要求 ,研發(fā)新型的 電梯模型有著光明的前景 19。 1.2.2 虛擬電梯的優(yōu)勢(shì) 伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,人們開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)際的物理模型?！疤摂M模型”其實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ) ,輔以數(shù)字接口技術(shù) ,對(duì)某個(gè)模型進(jìn)行研究和利用。軟 PLC 技術(shù)是一項(xiàng)基于 IPC(工業(yè)控制計(jì)算機(jī) )或 EPC(嵌入式計(jì)算機(jī) ) 的 控制技術(shù)，其在當(dāng)下工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域正逐漸興起。所謂軟 PLC 其實(shí)就是以 PC 機(jī)為硬件支持 ,通過(guò)軟件來(lái)完成 PLC 基本功能 ,提供發(fā)散的體系結(jié)構(gòu)。遵循國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,支持多種語(yǔ)言 (包括高級(jí)語(yǔ)言 )編程 ,能夠開(kāi)發(fā)各種用戶所要的功能（塊 ） ,有較高兼容 /靈活性 ,而且具備離線仿真及在線遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 1 虛擬電梯系統(tǒng)指將計(jì)算機(jī)和 PLC虛擬為一臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的軟 PLC控制的電梯 ,計(jì)算機(jī)結(jié)合組態(tài)軟件設(shè)計(jì)出動(dòng)畫(huà)界面 ,顯示電梯的轎廂和井道并模擬電梯的運(yùn)行 ,同時(shí)把信號(hào)傳送到PLC 控制器。 PLC 控制器運(yùn)行控制程序 ,通過(guò)通訊程序把控制結(jié)果傳到計(jì)算機(jī) ,虛擬電梯根據(jù)傳來(lái)的控制信號(hào)進(jìn)行電梯的運(yùn)行和相關(guān)信息指示 , 實(shí)際電梯的各種運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)也在模擬的范疇。 虛擬電梯系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電梯物理模型及繼電器控制的電梯系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，如技術(shù)先進(jìn)性、演示可視性、實(shí)用操 作性等。 通過(guò)以上的分析比較 ,虛擬電梯系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn) ,既有先進(jìn)教學(xué)設(shè)備所需要的低成本、高性能、易操作、易擴(kuò)展的特點(diǎn) ,又有可靠的控制技術(shù)、靈活的編程方法、實(shí)時(shí)的監(jiān)控功能等 ,是一體化教學(xué)的典型實(shí)例 ,是教學(xué)模型設(shè)計(jì)的典范 ,在職業(yè)技術(shù)教育中具有巨大的推廣空間。 1.2.3 設(shè)計(jì)目的與科研意義 1.設(shè)計(jì)目的 選用功能強(qiáng)大、先進(jìn)的西門(mén)子 (Siemens)S7-300PLC 及 STEP7 編程軟件、西門(mén)子S7-PLCSIM(Simulating Modules)仿真軟件和 WINCC flexible 組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯的軟PLC 控制、仿真與監(jiān)控可以彌補(bǔ)物理電梯模型和繼電器控制的電梯系統(tǒng)的不足。使 PLC控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、通信技術(shù)緊密結(jié)合 ,設(shè)計(jì)一個(gè)完整的 PLC 虛擬電梯教學(xué)模型，包括了軟硬件組態(tài)、控制程序、仿真監(jiān)控。 2.科研意義 虛擬電梯的設(shè)計(jì)與仿真 不受 PLC 硬件的限制，只要 PLC 設(shè)計(jì)仿真軟件，在電腦上選 擇 PLC 型號(hào)，以及合理的硬件配置，可以決定一個(gè)實(shí)際的 PLC 同等功能的虛擬 PLC，提升程序運(yùn)行調(diào)試。 PLC 軟件提供 了 非常有效的調(diào)試工具 和 手段 及 完美的虛擬環(huán)境，如單步操作，模塊化操作，設(shè)計(jì)斷點(diǎn)，動(dòng)畫(huà)界面配置，可以縮短設(shè)計(jì)和 開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快項(xiàng)目進(jìn)度，降低成本。 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是電梯控制領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，是一種全新的服務(wù)理念，新的發(fā)展思路 。 為電梯制造單位，維護(hù)單位和使用 單位提供了 集中 管理 的有力手段 。用 WINCC flexible監(jiān)控軟件來(lái)模擬人機(jī)界面控制 、進(jìn)行 動(dòng)畫(huà)監(jiān)督， 顯示出人性化、可視化的一面，另外 人工智能技術(shù)應(yīng)用到電梯 上更為 電梯控制技術(shù)的發(fā)展方向提供了新的途徑。電梯出現(xiàn)故障，電梯用戶可以 利用 可視化的人機(jī)界面選擇電梯 的 呼叫操作，監(jiān)控電梯的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控設(shè)備會(huì)自動(dòng)撥號(hào)進(jìn)入電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)中心，服務(wù)人員通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕知道電梯的問(wèn)題 ，假以時(shí)日，以避免傷害事故。遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)中心一直監(jiān)視 所 維 護(hù) 的電梯，可以隨時(shí)知道運(yùn)行狀態(tài)的電梯發(fā)生故障，維修人員維修前 就可以 知道所需的維修工具和備件，降低維修服務(wù) 費(fèi)用 和時(shí)間。這種監(jiān)控技術(shù)，贏得了信任，這也將成為中國(guó)電梯行業(yè)的技術(shù)研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向。 1.3 課題設(shè)計(jì)思路及方法 虛擬電梯系統(tǒng)采用橫向科學(xué)研究中的系統(tǒng)科學(xué)方法進(jìn)行分析、設(shè)計(jì) ,其以實(shí)驗(yàn) /文獻(xiàn)研究法為主 , 實(shí)地觀察法及社會(huì)調(diào)查法為輔。把面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法視為主導(dǎo) ,配合功能強(qiáng)大的西門(mén)子 S7-30OPLC 的編程方法、組態(tài)方法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)及人機(jī)界面 監(jiān)控。 面向?qū)ο缶幊趟枷胧菍?duì)問(wèn)題進(jìn)行自然分割 ,從更貼近人的思維的角度去建立模型 ,使設(shè)計(jì)出的軟件盡可能直觀的描述現(xiàn)實(shí)世界 ,其本質(zhì)是一種圍繞真實(shí)世界的概念來(lái)建立模型的程序設(shè)計(jì)方法。 采用面向?qū)ο缶幊痰姆椒▽?duì) PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟 PLC 仿真 ,既可以減少成本 ,也可以降低故障發(fā)生的幾率 ,還可以進(jìn)行故障模擬試驗(yàn) ,這樣在電梯實(shí)際使用 PLC 控制時(shí)可以安全地運(yùn)行 16。 虛擬電梯系統(tǒng)的研究和實(shí)施可利用單位現(xiàn)有的西門(mén)子設(shè)備和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ,選擇通用成熟的技術(shù)體系為實(shí)現(xiàn)手段 ,以確保模型的正常運(yùn)行。靈活運(yùn)用理論知識(shí)、編程經(jīng)驗(yàn) ,建立 完整的程序設(shè)計(jì)、軟件仿真、數(shù)據(jù)監(jiān)控、人機(jī)界面的實(shí)施流程 ,填補(bǔ)了教學(xué)缺口 ,可行性較強(qiáng)。 圖 1.1 設(shè)計(jì)流程圖 1.4 課題研究?jī)?nèi) 本課題在了解電梯控制技術(shù)以及虛擬電梯特點(diǎn)的基礎(chǔ)上 ,選擇西門(mén)子中型 PLC 及其編程、仿真、組態(tài)軟件 ,研究 出四層虛擬電梯系統(tǒng) ,如下為主要內(nèi)容 : (1)根據(jù)四層虛擬電梯系統(tǒng)的控制要求來(lái)總體設(shè)計(jì) ,包括有電梯結(jié)構(gòu)和控制功能分析、 PLC 選擇、系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)等。 (2)進(jìn)行 PLC 系統(tǒng)配置 ,I/O 點(diǎn)數(shù)分配 ,選擇 STEP7 編程軟件進(jìn)行硬件組態(tài) ,編制四層虛擬電梯控制程序 ,分析主要程序。 (3)利用 S7-PLCSIM 仿真軟件對(duì)四層虛擬電梯仿真模擬 ,用 WINCC flexible 組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控設(shè)計(jì) ,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)電梯系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行仿真。 2 基于 PLC控制的虛擬電梯模型的 總體設(shè)計(jì)方案 2.1 電梯的主要結(jié)構(gòu)及控制技術(shù) 電梯是機(jī)電一體化結(jié)合的典型產(chǎn)品 ,也是樓宇智能控制的典型實(shí)例。機(jī)械系統(tǒng)相當(dāng)于人的軀干 ,電氣系統(tǒng)相當(dāng)于人的神經(jīng) ,機(jī)電緊密結(jié)合就可保證電梯高效、安全、迅捷地運(yùn)行。 1.電梯的機(jī)械系統(tǒng) 電梯的機(jī)械系統(tǒng)由機(jī)房、井道、轎廂和門(mén)系統(tǒng)四部分構(gòu)成。 【 2】 (1)機(jī)房?jī)?nèi)裝有電梯的動(dòng)力源曳引機(jī)、極限開(kāi)關(guān)、限速器、控制 &信號(hào)柜、選層器、電源接線板及排風(fēng)照明裝置等。這里相當(dāng)于電梯的心臟和指揮中心。 (2)井道顧名思義，就是提供電梯運(yùn)行的通道 ,內(nèi)設(shè)有導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架、對(duì)重裝置、緩沖器、隨行 電纜、平衡鏈、極限開(kāi)關(guān)、端站限位開(kāi)關(guān)等。 (3)轎廂是乘人 /運(yùn)貨的廂體 ,主要由轎頂輪、轎廂架、轎廂底、轎廂門(mén)、自動(dòng)門(mén)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)安全觸板、平層感應(yīng)器、護(hù)腳板、導(dǎo)靴、對(duì)重、電話、繩頭板構(gòu)成。 (4)門(mén)系統(tǒng)包括廳門(mén)、召喚按鈕盒、樓層顯示裝置、轎門(mén)、門(mén)機(jī)以及門(mén)鎖聯(lián)動(dòng)裝置。 2.電梯的電氣控制系統(tǒng) 電梯的控制技術(shù)主要包括 PLC 控制技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)配合交流變頻變壓 (VVVF)控制技術(shù)。 PLC 控制技術(shù)成本低、通用性好、開(kāi)發(fā)周期短、擴(kuò)展性好、維護(hù)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)通信功能強(qiáng) ,漸漸成為在現(xiàn)代化建筑中電梯控制系統(tǒng)的主流。微機(jī)控制技術(shù) 采用微機(jī)作為信號(hào)控制單元 ,完成電梯信號(hào)的采集、運(yùn)行狀態(tài)和功能的設(shè)定。且微機(jī)控制是電梯控制技術(shù)的發(fā)展方向，但是微機(jī)控制同樣有缺陷 ,比如說(shuō)成本高、抗干擾能力差、系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、對(duì)維修技術(shù)要求高 ,也不太適合用在電氣專業(yè)方面的教學(xué)。 電梯 PLC 控制系統(tǒng)由邏輯部分和調(diào)速部分（變頻器控制的）組成如圖 2.1 所示。變頻器直接控制曳引電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行 ,而 PLC 提供變頻器的輸入控制信號(hào)。系統(tǒng)邏輯部分由PLC 控制 ,PLC 接收呼叫信號(hào)、系統(tǒng)的功能信號(hào)及井道和變頻器的狀態(tài)信號(hào) ,由程序運(yùn)算判斷來(lái)完成電梯的集選控制。 PLC 在輸出顯示和監(jiān)控信號(hào) 的同時(shí) ,根據(jù)隨機(jī)邏輯控制的要求 ,向變頻器發(fā)送啟動(dòng)、運(yùn)行方向、加 /減速和制動(dòng)等信號(hào)。調(diào)速部分由變頻器根據(jù)一定的控制規(guī)律和算法來(lái)控制 ,利用光電編碼器測(cè)量曳引機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,構(gòu)成閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。 3 (PG是光電編碼器 ) 圖 2.1 電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3.電梯的安全保護(hù)系統(tǒng) (1)光幕 /安全觸板保護(hù) 在關(guān)門(mén)過(guò)程中安全觸板或者光幕動(dòng)作時(shí) ,停止關(guān)門(mén) ,并執(zhí)行開(kāi)門(mén)指令 ,梯門(mén)開(kāi)到位后再重新開(kāi)始關(guān)門(mén) ,門(mén)緊閉后 ,門(mén)鎖信號(hào)為 0N,轎廂方可以開(kāi)始運(yùn)行；倘若安全觸板或光幕動(dòng)作一直在就不執(zhí)行關(guān)門(mén)輸出指令；另外在檢修狀態(tài)下光幕無(wú)效。 (2)限位保護(hù) 當(dāng)轎廂到達(dá)端站平層位置仍沒(méi)停下來(lái) ,限位開(kāi)關(guān)就瞬間動(dòng)作 ,切斷電源并且制動(dòng)強(qiáng)迫使其停下。 (3)緩沖器制停保護(hù) 在井道的頂部、底部裝有極限開(kāi)關(guān) ,當(dāng)轎廂經(jīng)過(guò)端站未減速時(shí) ,轎廂上的撞塊便會(huì)觸動(dòng)極限開(kāi)關(guān) ,切斷曳引機(jī)電源 ,曳引機(jī)制動(dòng)器隨即動(dòng)作至電梯減速制停。若轎廂還沒(méi)有停下 ,便會(huì)碰到緩沖器 ,使轎廂漸漸轉(zhuǎn)為靜止?fàn)顟B(tài) ,同理井道頂部的緩沖器具有同樣的性能。 (4)超載保護(hù) 電梯若超載便不執(zhí)行關(guān)門(mén)及運(yùn)行指令 ,并且還會(huì)輸出超載信號(hào)警報(bào) ,超載消失就自動(dòng)恢復(fù)常態(tài)。 (5)安全鉗保護(hù) 安全鉗裝置是在限速器的動(dòng)作下 ,使轎 廂緊急制動(dòng)在導(dǎo)軌上的安全裝置。它是電梯安全系統(tǒng)中提供最后保護(hù)的裝置之一 ,當(dāng)其他所有安全裝置失效并導(dǎo)致電梯高速墜落時(shí) ,限速器便會(huì)帶動(dòng)安全鉗使轎廂有效制停，確保乘客和設(shè)備的基本安全。 2.2 虛擬電梯的控制功能及流程圖設(shè)計(jì) 虛擬電梯控制系統(tǒng)根據(jù)電梯的運(yùn)行要求 ,采用西門(mén)子 STEP7 編程軟件來(lái)進(jìn)行模塊化編程。其中包括如下程序模塊 : (1)選向 廳外有傳喚按鈕 ,轎廂內(nèi)有樓層選擇按鈕與門(mén)開(kāi)關(guān)按鈕（均有按鈕指示燈）；根據(jù)傳喚指令發(fā)出的位置和實(shí)際電梯所在的位置決定電梯的運(yùn)行走向 ,符合順向截梯規(guī)則；響應(yīng)后 ,自動(dòng)把此次傳喚指令 的記憶清零。 (2)平層停車(chē) 平層的意思就是在停車(chē)時(shí) ,轎廂底與門(mén)廳“地平面”平齊。轎廂根據(jù)傳喚指令發(fā)出的位置 ,自動(dòng)在目標(biāo)平層停下 (平層感應(yīng)器一般裝在轎廂頂部 ,隔磁板則裝在井道壁上。向上運(yùn)行時(shí) ,上平層感應(yīng)器先插入隔磁板 ,發(fā)出減速信號(hào) ,電梯開(kāi)始減速 ,直至下平層感應(yīng)器插入隔磁板 ,發(fā)出停車(chē)開(kāi)門(mén)信號(hào) ,電動(dòng)機(jī)立刻停轉(zhuǎn)抱死；向下運(yùn)行時(shí)同樣的道理 )。 (3)開(kāi) /關(guān)門(mén)控制 電梯門(mén)有轎廂門(mén)與廳門(mén)之分 ,轎廂門(mén)由電機(jī)拖動(dòng) ,廳門(mén)則由轎廂門(mén)帶動(dòng) ,當(dāng)轎廂在平層停車(chē)后自動(dòng)開(kāi)門(mén) ,開(kāi)門(mén)后片刻如果沒(méi)有人踏入便自動(dòng)關(guān)門(mén)；但是關(guān)門(mén)過(guò)程中 ,如有人按下 開(kāi)門(mén)按鈕或者遮擋光幕則又會(huì)跳到開(kāi)門(mén)狀態(tài)；門(mén)完全關(guān)閉后 ,門(mén)鎖信號(hào)為 0N,轎廂方可向上 /下運(yùn)行。 (4)電梯運(yùn)行 PLC對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和邏輯運(yùn)算后 ,將結(jié)果發(fā)送給變頻器 ,變頻器再控制曳引 機(jī)的電動(dòng)機(jī)加減速與正反轉(zhuǎn) ,由此實(shí)現(xiàn)電梯的上下運(yùn)行。 (5)檢修狀態(tài) 電梯檢修時(shí) ,檢修盒里的向上、向下按鈕可以使用 ,使電梯以檢修速度運(yùn)行 ,但是呼叫和開(kāi) /關(guān)門(mén)指令不可響應(yīng)。 (6)消防狀態(tài) 當(dāng)消防開(kāi)關(guān)閉合后電梯會(huì)隨即清零所有內(nèi)外召喚指令 ,自動(dòng)返回消防基站長(zhǎng)開(kāi)門(mén)并處于停用狀態(tài)，若電梯正在運(yùn)行，就近平層不開(kāi)門(mén)，一樣立即返回基站保持 長(zhǎng)開(kāi)門(mén)。 根據(jù)虛擬電梯系統(tǒng)的控制功能要求 ,設(shè)計(jì)流程如圖 2.2 所示。 圖 2.2 虛擬電梯控制主程序 2.3 可編程序控制器 (PLC)的硬件實(shí)現(xiàn) PLC 是主要涉及邏輯控制的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在性能、抗干擾能力等方面優(yōu)勢(shì)突出，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。自 PLC 技術(shù)引入我國(guó)以來(lái) ,由 PLC 組成的控制系統(tǒng)已經(jīng)被很多制造廠家（包括電梯制造廠家）采用 ,甚至慢慢形成各種系列的定型產(chǎn)品。 2.3.1 PLC的定義 可編程控制器 (Programmable logic Contro11er)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型控制裝置。在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì) (International Electrical Committee)頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下相關(guān)定義 : “PLC 是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器 ,用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令 ,并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出 ,控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體 ,易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。” PLC 技術(shù)與 CAD/CAM 技術(shù)、機(jī) 器人技術(shù)并稱為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的三大支柱。 2.3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 圖 2.3 整體式 PLC 的基本結(jié)構(gòu) (1)中央處理器 (CPU) CPU 是控制器、運(yùn)算器和寄存器集成在一起的一個(gè)芯片。 CPU 通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源總線與存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、編程器和電源相連接。 (2)存儲(chǔ)器 PLC存儲(chǔ)器主要存放系統(tǒng) &用戶程序與數(shù)據(jù)等。包含系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū) (采用 ROM、 EPROM、E2PROM、 FLASH 等 )、用戶存儲(chǔ)區(qū) (采用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM)。 (3)I/O 接口 輸入輸出接口是 PLC 與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制或檢測(cè)元件 和執(zhí)行元件連接的接口電路。 PLC的輸入接口采集檢測(cè)元件輸入的各種控制信號(hào) ,如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、選擇開(kāi)關(guān)以及其 他一些傳感器輸出的開(kāi)關(guān)量或模擬量等 ,通過(guò)輸入接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為 CPU能夠識(shí)別和處理的信號(hào)。輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出、繼電器輸出等。輸出接口電路將CPU 送出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出 ,以驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等設(shè)備的執(zhí)行元件。 (4)編程器 編程器的作用是把用戶編寫(xiě)的程序下載至 PLC 的用戶程序存儲(chǔ)器 ,并利用編程器檢查、修改和調(diào)試用戶程序 ,監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過(guò)程 ,顯示 PLC 狀態(tài) 、內(nèi)部器件及系統(tǒng)的參數(shù)等。 (5)電源 PLC 電源為各模塊的集成電路提供工作電源。電源輸入類(lèi)型有 :交流電源 (220VAC 或1IOVAC),直流電源 (常用的為 24VAC)。 (6)人機(jī)界面 最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕 ,目前液晶屏 (或觸摸屏 )式的 操作員終端應(yīng)用越來(lái)越廣泛 ,由計(jì)算機(jī) (運(yùn)行組態(tài)軟件 )充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。 2.3.3 PLC的工作原理 （ 1） PLC 的工作方式 :以集中輸入、集中輸出 ,周期性循環(huán)掃描的方式工作。 （ 2）工作過(guò)程 :包括 上電處理、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新、通信處理 等 4。 2.3.4 PLC控制電梯的優(yōu)點(diǎn) 早期的電梯控制系統(tǒng)中的邏輯控制由繼電器 -接觸器控制電路實(shí)現(xiàn) ,但是這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高、通用性不強(qiáng)、擴(kuò)展能力差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、 PLC控制技術(shù)的不斷發(fā)展 ,PLC 控制電梯由于成本低、安全性高、通用性好、功能強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短、維護(hù)方便、網(wǎng)絡(luò)通信功能強(qiáng)大 ,很快成為了現(xiàn)代高樓中、小型電梯控制系統(tǒng)的主流。并且 PLC 控制電梯是樓層間智能控制、工藝過(guò)程控制的典例 ,屬于職業(yè)教育需求的范疇。 2.3.5 西門(mén)子 S7-30OPLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 2.4 S7-300PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 西門(mén)子 S7-300PLC 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示 ,圖示反映了 PLC 各個(gè)硬件組成部分 的具體位置和通信連接方法。由圖看出 ,西門(mén)子 S7-30OPLC 采用緊湊的、無(wú)槽位限制的模塊結(jié)構(gòu) ,電源模塊 (PS)、 CPU 模塊、信號(hào)模塊 (SM)、功能模塊 (FM)、接口模塊 (IM)和通信處理器 (CP)都安裝在 DIN 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上。電源模塊總安裝在機(jī)架最左邊 1 號(hào)槽位 ,CPU 模塊在 2 號(hào)槽位 ,如果有接口模塊 ,則放在 3 號(hào)槽位。信號(hào)模塊與通信處理模塊可不受限制地插到 4 至 11 號(hào)任何一個(gè)槽位 ,系統(tǒng)自動(dòng)分配模塊地址。每個(gè)機(jī)架頂多可安裝 8 個(gè)信號(hào) 模塊、功能模塊或通信處理器模塊 ,最多能增加 3 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架 (ER)6。 虛擬電梯設(shè)計(jì)中用到了電源模塊 (PS)、 CPU 模塊、通信處理器 (CP),因此只要對(duì)這三個(gè)模塊的相應(yīng)槽位組態(tài) ,具體組態(tài)步驟見(jiàn)“ STEP7 與 S7-300PLC 間硬件組態(tài)”內(nèi)容。 2.3.6 西門(mén)子 S7-300PLC的 CPU設(shè)計(jì) 5 1.CPU 設(shè)計(jì) (1)模式選擇器 : MRES=模塊復(fù)位功能； STOP=停止模式 ,程序不執(zhí)行； RUN=程序執(zhí)行編程器只讀操作； RUN-P=程序執(zhí)行 ,編程器可讀寫(xiě)操作。 (2)狀態(tài)指示器 :SF,BATF=電池故障； DC5V=內(nèi)部 5V DC 電壓指示； FRCE=表示至少有一個(gè)輸入或輸出被強(qiáng)制； RUN=當(dāng) CPU 啟動(dòng)時(shí)閃爍 ,在運(yùn)行模式下常亮； STOP=在停止模式下常亮 ,有存儲(chǔ)器復(fù)位請(qǐng)求時(shí)慢速閃爍 ,正在執(zhí)行復(fù)位時(shí)快速閃爍。 (3)MPI 接口用來(lái)連接到編程設(shè)備或其他設(shè)備 ,DP 接口用來(lái)直接連接到分布式 I/O。 2.CPU 的存儲(chǔ)區(qū) (1)裝載存儲(chǔ)器 : 它是一個(gè)可編程模塊 ,包括建立在編程設(shè)備上的裝載對(duì)象 (邏輯塊、數(shù)據(jù)塊和其他信息 ),它可以是存儲(chǔ)器卡或內(nèi)部集成的 RAM。存儲(chǔ)器卡一般有兩種 ,其中 ,采用 RAM 存儲(chǔ)器卡時(shí) ,系統(tǒng)須配備電池 ,當(dāng)采用 Flash EPROM存儲(chǔ)器卡時(shí) ,則斷電也不會(huì)丟失 ,但內(nèi)部 RAM中的數(shù)據(jù)仍要電池保持。 (2)系統(tǒng)存儲(chǔ)器 : 包括過(guò)程映象輸入和輸出表 (PII,PIQ),位存儲(chǔ)器 ,定時(shí)器 ,計(jì)數(shù)器和局部堆踐。保持存儲(chǔ)器是非揮發(fā)的 RAM,在沒(méi)有安裝后備電池的情況下也能用來(lái)保持一些數(shù)據(jù) ,設(shè)置 CPU 參數(shù)時(shí)要指定保持的區(qū)域。 (3)工作存儲(chǔ)器僅包含在運(yùn)行時(shí)間使用的程序和數(shù)據(jù) ,RAM 工作存儲(chǔ)器集成在 CPU 中 ,通過(guò)后備電池來(lái)保持。 2.3.7 西門(mén)子 S7-3OOPLC的通信功能 西門(mén)子 S7-300PLC 系統(tǒng)