全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛item 逻辑控制赛项 工程设拓梦者队计文件.docx
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全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛item逻辑控制赛项工程设拓梦者队计文件
2015年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程设计文件
ITEM2逻辑控制赛项
参赛队伍名称：
机电拓梦者队
参赛学校名称：
北京联合大学
2015年8月20日
一、方案设计依据、范围及相关标准
1.1方案设计依据
2015年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程应用型赛项高校组初赛赛题及初赛细则
六层电梯仿真设备用户手册
SIMATICPCS7使用手册及产品目录
1.2设计范围
本设计包括：
自动平层、开关门、超重提示、实现上下限位，层门联锁保护等相关控制。
1.3设计遵循的标准及规范
1.国务院颁布的第373号令《特种设备安全监察条例》中涉及电梯监管的内容条款共有27条。
概括地讲，国家对电梯设计、制造、安装、维修的生产单位的监管要求主要体现在以下方面，即：
从事电梯生产（包括制造、安装、改造、维修）的活动必须实行行政许可，生产单位必须具备一定的条件，履行规定的义务。
同时明确电梯生产活动还应当按照国家制订或公布的安全技术规范要求进行并且对其生产的电梯的安全性能负责。
2.《电梯限速器测试仪校准规范》，这部涉及电梯安全运行的校准规范电梯限速器是电梯运行安全保护的重要部件之一，有电梯限速器与其他部件的连锁控制措施，保证电梯的安全运行。
“当电梯的运行速度超过额定速度一定值时，限速器能切断安全回路或进一步导致安全钳或上行超速保护装置起作用，使电梯减速直到停止。
”，限速器动作速度的现场测量，是电梯安全检测的一个必检项目。
而电梯限速器测试仪就是日常用于检测电梯限速器动作速度的测量仪器。
该仪器在电梯制造、修理、特种设备检测等行业都有着广泛的应用。
3.GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》此项新国标强制要求所有自动扶梯及人行道增设防碰挡板、围裙防夹装置、警示标志、防攀爬翻越措施、扶手防滑装置等;而在技术方面也提出了更多、更高的参数要求，如传动元件安全系数、制停距离标准等。
无疑，新标准的正式实施将大大增强公众的乘梯安全.GB16899-2011新国标政策应运而生，详细规范了电梯技术参数、安装、维保等一系列操作,严格规范了现场安装和客户使用情况，对制造单位、安装单位和使用单位明确了责任划分.
二、系统分析
2.1甲方需求分析
针对3部多层电梯实施联合控制，满足常见不同应用场合下集群电梯的控制策略切换。
具体来讲，需要考虑三方面因素：
1）乘客平均候梯时间；
2）乘客平均乘梯时间；
3）系统整体能耗。
2.1.2WINCC监控画面
要求能够实现对电梯运行状况的实时监控，所需包含的内容有：
1）整个电梯系统当前状态，包含故障、风扇、照明状态指示，以及关键传感器信号状态指示；
2）当前电梯运行方向及所在楼层；
3）当前呼叫情况汇总，包括各楼层呼梯信号、轿厢内选层信号。
2.1.3单部电梯基本功能
根据不同楼层客户需求及时响应，实现自动平层、开关门、超重提示、实现上下限位，层门联锁保护等，并根据不同的需求实现合理的响应。
具体地，应具备如下功能：
1）电梯初始化
比赛开始时，电梯模型会给出自动运行信号，示意比赛开始，控制程序需要在收到该信号后，进行必要的初始化工作，完成后使电梯位于基站（即一层）待命，并返回准备就绪信号以确认。
2）集选控制
电梯在运行过程中可以应答同一方向所有层站呼梯信号和轿厢内的选层指令信号，并自动在这些信号指定的层站平层停靠。
电梯运行响应完所有呼梯信号和选层指令信号后，停在最后一次运行的目标层待命。
3）开关门控制
电梯门会根据当前电梯的状态、轿厢门的状态、呼梯信号、选层信号及光幕信号状态等，合理的进行相应的响应。
当门未全关时，如有光幕信号，须优先响应，保持电梯门打开；当电梯平层开门后，延时关闭，此时间可修改。
4）启停控制
根据电梯主电路完成按时间原则的启动、停止过程。
当电梯平层时，需要依时间原则依次触发三级制动减速，待平层后，切断上行、下行接触器，抱闸停车。
5）运行控制
在运行过程中，需要始终对当前运行方向、当前楼层（采用七段数码管显示）进行实时监控与显示。
通常，乘客会根据当前电梯运行方向及电梯门是否打开进行判断后上车。
仅当无呼叫指令时，运行方向指示无指向。
6）错误指令消除
当电梯到达最远端层站（比如六层）将要反向时，轿厢内原有登记的所有后方选层指令（比如三层）全部消除。
短时间内连按两次选层指令的按钮，该选层信号就被取消。
7）待载休眠
电梯无指令时或外登记超过一段时间后，轿厢内照明、风扇自动断电。
但在接到指令或召唤信号后，又会自动重新上电投入使用。
2.1.4单部电梯运行（异常）状态监测
在电梯整个运行过程中，监测状态参数以及各种反馈信号等，确保电梯稳定运行。
在故障情况下，制定相应的安全策略。
当有出现异常状态时，输出信号至故障指示灯。
具体地，应具备如下功能：
1）超载保护
电梯超载时，故障指示灯闪烁，并保持开门状态，不允许起动。
2）终端越程保护
电梯的上下终端都装有终端减速开关、终端限位开关，以保证电梯不会越程。
3）开关门保护
如果电梯持续关门一段时间后，尚未使门锁闭合，电梯就会转换成开门状态，故障指示灯常亮。
如果电梯在持续开门一段时间后，尚未收到开门限位信号，电梯就会变成关门状态，并在门关闭后，响应下一个召唤和指令。
4）运行保护
为安全起见，在门区外，系统设定不能开门。
2.2对象特性分析
对象模型分为电梯模型与用户行为模型两项
电梯三维模型主要包括：
电梯整体（包括轿厢、电机、限位开关、急停按钮、重启按钮等等）、各个楼层按钮（上行按钮、下行按钮、指示灯等等）、电梯内部设备（轿厢开门按钮、轿厢关门按钮、指示灯等）等。
电梯模型采用多部多层结构，其示意图如图1，图2所示。
图1层3d模型
图2电梯模型原理示意图
图3交流双速拖动系统
电梯模型中各IO参数均可与PLC通过现场总线相连，实施自动控制。
电梯共需要89个数字量输入，95个数字量输出。
通讯需要占用2个字节，IO输入输出需要占用6个字节控制电梯的运行具体的输入输出数据如下表1，表2所示。
表1数字量输入信号
分类
变量说明
数量
呼梯信号
1-6层站轿内指令登记按钮
18
1-5层站上行呼叫按钮
5
2-6层站下行呼叫按钮
5
控制信号
轿厢内开门按钮
3
轿厢内关门按钮
3
开门到位
3
关门到位
3
红外光幕信号
3
超重感应器
3
轿门锁开关
3
1-6层站门锁开关
18
上平层传感器
3
下平层传感器
3
上端站强迫换速开关（第一限位）
3
下端站强迫换速开关
3
上端站越位控制开关（第二限位）
3
下端站越位控制开关
3
检修开关
3
启动信号
自动运行信号
1
合计
89
表2数字量输出信号
分类
变量说明
数量
内选、外召唤指示信号
1-6层站轿内指令登记灯
18
1-5层站上行呼叫按钮登记灯
5
2-6层站上行呼叫按钮登记灯
5
层楼信号显示
七段数码管输出信号
21
上行指示信号
3
下行指示信号
3
控制信号
曳引电机启动信号
3
上行方向接触器
3
下行方向接触器
3
开门继电器
3
关门继电器
3
电梯高速运行
3
电梯低速运行
3
一级制动减速接触器
3
二级制动减速接触器
3
三级制动减速接触器
3
故障指示灯
3
轿内照明
3
风扇
3
启动信号
准备就绪信号
1
合计
95
三、控制系统设计
3.1电梯系统运行
多台电梯对各层全部呼应的综合处理，优先选出电梯及时控制，体现出一种高效，节能，快捷，方便的运作模式。
本组是通过乘客按下外呼数量的个数来确定有几个电梯运作载客，具体如下：
本次比赛中共有3部电梯联动控制，公用10个外呼按钮，当有1-3个外呼被按下时只有1个电梯运行；当有4-6个外呼被按下时则让2部电梯同时运作；当有7个以上的按钮被按下时则3部电梯同时工作分散客流。
完成内外呼指令的同时，电梯应该遵循以下模式：
1）高峰模式
在设置的外呼中，当外呼超过设定的数量（7个外呼）时，3部电梯同时进入载客模式以疏散客流。
电梯全部按层同向优先权最大来提供呼梯服务。
2）均衡模式
在设置的外呼中，当外呼设定的数量在4-6个时，2部电梯同时进入载客模式以疏散客流。
电梯全部按层同向优先权最大来提供呼梯服务。
3）空闲模式
4）无任务模式
当电梯既无外呼信号也无内选信号时，电梯进入休眠模式，当休眠模式超过设定的时间时，电梯内的照明风扇将自动关闭，有任务时自动开启。
多台电梯集中排列，共用厅外召唤按钮，按照规定程序集中调度和控制的电梯。
当有人外呼梯时，
利用电梯的就近原则及同向截车原则载客。
运行到目的楼层后，如果没有继续执行的内外呼指令时，电梯都是停在最后一个人离开的楼层。
3.2单部电梯运行
电梯开始启动,判断是否复位，若无指示信号直接进入运行模式，有开关门信号指示时执行上行或下行控制，若无开关门信号指示则进入休眠状态，过120秒若无信号指示则关闭照明及风扇节能。
若有上行信号指示则进入上行状态，此时又有在此楼层上或下的楼层呼叫信号时，优先服务当前上行，即根据最早登记的信号（指令信号，呼梯信号）决定电梯的上行或下行。
下行也是同理。
具体运行如下流程图图4所示。
图4控制逻辑流程图
根据最早登记的信号（指令信号，呼梯信号）决定电梯的上行或下行，关门未到位禁止运行
满足首个信号确定方向后，电梯运行过程中同向信号先执行，反向信号后执行（暂时记忆）一个方向执行结束后才换向执行反向信号;即电梯在上行时，优先服务上行信号，在电梯下行时优先服务下行信号。
同向截车，如1楼至6楼中间遇到有3层上行的呼梯信号，也有2下行的信号，则2楼的下行信号先记忆。
顺序是1楼--3楼---6楼--2楼--1楼。
图5信号处理原则框图
开、关门控制，到达某一层响应了该层的信号要求，则开门到位后5S后关门，关门指示灯闪烁，当长按开门则开门等待（轿门自动打开），或遇到红外光幕信号未响应、超重感应器动作则门开等待，自动状态下，在保持开门的状态时，可以按关门按钮使门立即响应关门动作。
电梯停在门区时，可以在轿厢中按开门按钮使电梯已经关闭或尚未关闭的门重新打开。
开门等待信号关闭后3S后关门电梯未起动且门已关上或正在关闭时，如果本层召唤按钮被按下，则电梯门打开。
如果按住按钮不放，门保持打开。
图6开关门逻辑简图
开机按钮打开，检测有无故障报警，若有则停车直接复位至1楼检修；若无故障时接受信号运行电梯，若无信号则进入休眠状态，等待信号后运电梯。
图7关机控制流程图
：
当按下关机按钮，先监测电梯是否在执行程序，如是在运行则运行完当前程序动作再停车复位至一楼后断电；若电梯不在运行则直接复位至1楼后断电。
图8开机控制流程图
由于给定的数码管输出数量为7个。
6层电梯楼层显示可以用PLC直接驱动（a~g）7段数码管进行显示楼层。
需要7（Q6.0~Q6.6）点输出继电器，采用共阴极接线。
如下图所示，在1楼时1楼限位记忆继电器M1.1=1,显示数字为1即b,c.笔画亮，表示轿厢所处位置在1楼。
在2楼时限位记忆继电器M1.2显示数字为2即a,b,d,e,g笔画亮，表示轿厢所处位置在2楼，以此类推，M1.1~1.6楼层限位继电器可以用数码管显示即1~6层电梯的数码显示即可实现
表3七段数码管笔画的数字显示
楼层
楼层记忆
Q6.0a
Q6.1
b
Q6.2
Q6.3
d
Q6.4
e
Q6.5
f
Q6.6
g
1
M1.1
0
1
1
0
0
0
0
2
M1.2
1
1
0
1
1
0
1
3
M1.3
1
1
1
1
0
0
1
4
M1.4
0
1
1
0
0
1
1
5
M1.5
1
0
1
1
0
1
1
6
M1.6
1
0
1
1
1
1
1
图9--位数码显示
分析上表3及图9可得：
1层显示：
b,c为1，其余为0
2层显示：
a,b,d,e,g为1，其余为0
3层显示：
a,b,c,d,g为1，其余为0
4层显示：
b,c,f,g为1，其余为0
5层显示：
a,c,d,f,g为1，其余为0
6层显示：
a,c,d,e,f,g为1，其余为0
Q6.0--a=M1.2+M1.3+M1.5+M1.6
Q6.1--b=M1.1+M1.2+M1.3+M1.4
Q6.2--c=M1.1+M1.3+M1.4+M1.5+M1.6
Q6.3--d=M1.2+M1.3+M1.5+M1.6
Q6.4--e=M1.2+M1.6
Q6.5--f=M1.4+M1.5+M1.6
Q6.6--g=M1.2+M1.3+M1.4+M1.5+M1.6
四、控制系统选型与系统连接
4.1系统选型
S7-1200控制器使用灵活、功能强大，可用于控制各种各样的设备以满足您的自动化需求。
S7-1200设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。
CPU将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置PROFINET、高速运动控制I/O以
及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中来形成功能强大的控制器。
在您下载用户程序后，CPU将包含监控应用中的设备所需的逻辑。
CPU根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其它智能设备的通信。
各种新模块扩展了S7-1200CPU的功能，因而能够灵活地满足您的自动化需要：
●新的和改进的CPU：
–新的CPU1215CDC/DC/DC、CPU1215CDC/DC/继电器和CPU1215CAC/DC/
继电器提供了100KB的工作存储器、双以控制器采用西门子引领小型自动化系统的最新产品S7-1200；
太网和模拟量输出。
–新的和改进的CPU1211C、CPU1212C和CPU1214C具有更短的处理时间、可
使用4个PTO（CPU1211C需要信号板）、更大的保持性存储器（10KB）以及更
长的日时钟保持时间（20天）。
●新I/O信号模块：
SM1231AI4x16位提供了更高的采样率而且增加了位数。
●新的电池板（BB1297）可提供长期的实时时钟备份。
BB1297可插入S7-1200CPU
（固件版本3.0及更高版本）的信号板插槽中。
SIMATIC?
S7-1200?
支持多达16?
个PID?
控制回路。
这些控制回路可以通过一个PID?
控制器工艺对象和?
SIMATIC?
STEP?
7?
Basic?
中的编辑器轻松进行组态。
除此之外，SIMATIC?
S7-1200?
还支持PID?
自动调节功能，可以自动计算增益、积分时间和微分时间的最佳调节值。
操作站安装西门子新一代的编程软件博途（TIAPortal）STEP7V11SP2和WinCCAdvancedSP2。
操作站与S7-1200控制器之间采用以太网通讯方式，控制器与仿真服务器之间采用ProfiBusDP通讯。
4.2I/O地址分配
根据系统分析共需要89个输入端口，95个输出端口，因此需要扩展3个输入输出模块具体I/O分配如下表4，表5所示
表4数字量输入信号
序号
变量名称
偏移地址
1
六层下行按钮
I…+1.0
2
五层下行按钮
I…+1.1
3
五层上行按钮
I…+1.2
4
四层下行按钮
I…+1.3
5
四层上行按钮
I…+1.4
6
三层下行按钮
I…+1.5
7
三层上行按钮
I…+1.6
8
二层下行按钮
I…+1.7
9
二层上行按钮
I…+2.0
10
一层上行按钮
I…+2.1
11
1号梯轿厢内按钮6
I…+2.2
12
1号梯轿厢内按钮5
I…+2.3
13
1号梯轿厢内按钮4
I…+2.4
14
1号梯轿厢内按钮3
I…+2.5
15
1号梯轿厢内按钮2
I…+2.6
16
1号梯轿厢内按钮1
I…+2.7
17
1号梯轿厢门开按钮
I…+3.0
18
1号梯轿厢门关按钮
I…+3.1
19
1号梯红外光幕信号
I…+3.2
20
1号梯超重信号
I…+3.3
21
1号梯检修开关
I…+3.4
22
1号梯轿厢门锁信号
I…+3.5
23
1号梯一层楼层门锁信号
I…+3.6
24
1号梯二层楼层门锁信号
I…+3.7
25
1号梯三层楼层门锁信号
I…+4.0
26
1号梯四层楼层门锁信号
I…+4.1
27
1号梯五层楼层门锁信号
I…+4.2
28
1号梯六层楼层门锁信号
I…+4.3
29
1号梯电梯门开到位信号
I…+4.4
30
1号梯电梯门关到位信号
I…+4.5
31
1号梯上平层信号
I…+4.6
32
1号梯下平层信号
I…+4.7
33
1号梯上端站第1限位
I…+5.0
34
1号梯上端站第2限位
I…+5.1
35
1号梯下端站第1限位
I…+5.2
36
1号梯下端站第2限位
I…+5.3
37
2号梯轿厢内按钮6
I…+5.4
38
2号梯轿厢内按钮5
I…+5.5
39
2号梯轿厢内按钮4
I…+5.6
40
2号梯轿厢内按钮3
I…+5.7
41
2号梯轿厢内按钮2
I…+6.0
42
2号梯轿厢内按钮1
I…+6.1
43
2号梯轿厢门开按钮
I…+6.2
44
2号梯轿厢门关按钮
I…+6.3
45
2号梯红外光幕信号
I…+6.4
46
2号梯超重信号
I…+6.5
47
2号梯检修开关
I…+6.6
48
2号梯轿厢门锁信号
I…+6.7
49
2号梯一层楼层门锁信号
I…+7.0
50
2号梯二层楼层门锁信号
I…+7.1
51
2号梯三层楼层门锁信号
I…+7.2
52
2号梯四层楼层门锁信号
I…+7.3
53
2号梯五层楼层门锁信号
I…+7.4
54
2号梯六层楼层门锁信号
I…+7.5
55
2号梯电梯门开到位信号
I…+7.6
56
2号梯电梯门关到位信号
I…+7.7
57
2号梯上平层信号
I…+8.0
58
2号梯下平层信号
I…+8.1
59
2号梯上端站第1限位
I…+8.2
60
2号梯上端站第2限位
I…+8.3
61
2号梯下端站第1限位
I…+8.4
62
2号梯下端站第2限位
I…+8.5
63
3号梯轿厢内按钮6
I…+8.6
64
3号梯轿厢内按钮5
I…+8.7
65
3号梯轿厢内按钮4
I…+9.0
66
3号梯轿厢内按钮3
I…+9.1
67
3号梯轿厢内按钮2
I…+9.2
68
3号梯轿厢内按钮1
I…+9.3
69
3号梯轿厢门开按钮
I…+9.4
70
3号梯轿厢门关按钮
I…+9.5
71
3号梯红外光幕信号
I…+9.6
72
3号梯超重信号
I…+9.7
73
3号梯检修开关
I…+10.0
74
3号梯轿厢门锁信号
I…+10.1
75
3号梯一层楼层门锁信号
I…+10.2
76
3号梯二层楼层门锁信号
I…+10.3
77
3号梯三层楼层门锁信号
I…+10.4
78
3号梯四层楼层门锁信号
I…+10.5
79
3号梯五层楼层门锁信号
I…+10.6
80
3号梯六层楼层门锁信号
I…+10.7
81
3号梯电梯门开到位信号
I…+11.0
82
3号梯电梯门关到位信号
I…+11.1
83
3号梯上平层信号
I…+11.2
84
3号梯下平层信号
I…+11.3
85
3号梯上端站第1限位
I…+11.4
86
3号梯上端站第2限位
I…+11.5
87
3号梯下端站第1限位
I…+11.6
88
3号梯下端站第2限位
I…+11.7
89
自动运行信号
I…+12.0
表5数字量输入信号
序号
变量名称
偏移地址
1
六层外呼指示灯（下）
Q…+2.0
2
五层外呼指示灯（下）
Q…+2.1
3
五层外呼指示灯（上）
Q…+2.2
4
四层外呼指示灯（下）
Q…+2.3
5
四层外呼指示灯（上）
Q…+2.4
6
三层外呼指示灯（下）
Q…+2.5
7
三层外呼指示灯（上）
Q…+2.6
8
二层外呼指示灯（下）
Q…+2.7
9
二层外呼指示灯（上）
Q…+3.0
10
一层外呼指示灯（上）
Q…+3.1
11
1号梯六层内呼指示灯
Q…+3.2
12
1号梯五层内呼指示灯
Q…+3.3
13
1号梯四层内呼指示灯
Q…+3.4
14
1号梯三层内呼指示灯
Q…+3.5
15
1号梯二层内呼指示灯
Q…+3.6
16
1号梯一层内呼指示灯
Q…+3.7
17
1号梯七段数码显示a
Q…+4.0
18
1号梯七段数码显示b
Q…+4.1
19
1号梯七段数码显示c
Q…+4.2
20
1号梯七段数码显示d
Q…+4.3
21
1号梯七段数码显示e
Q…+4.4
22
1号梯七段数码显示f
Q…+4.5
23
1号梯七段数码显示g
Q…+4.6
24
1号梯上行指示
Q…+4.7
25
1号梯下行指示
Q…+5.0
26
1号梯电机启动信号
Q…+5.1
27
1号梯故障指示
Q…+5.2
28
1号梯照明
Q…+5.3
29
1号梯风扇
Q…+5.4
30
1号梯上行接触器
Q…+5.5
31
1号梯下行接触器
Q…+5.6
32
1号梯开门继电器
Q…+5.7
33
1号梯关门继电器
Q…+6.0
34
1号梯高速运行
Q…+6.1
35
1号梯低速运行
Q…+6.2
36
1号梯一级制动接触器
Q…+6.3
37
1号梯二级制动接触器
Q…+6.4
38
1号梯三级制动接触器
Q…+6.5
39
2号梯六层内呼指示灯
Q…+6.6
40
2号梯五层内呼指示灯
Q…+6.7
41
2号梯四层内呼指示灯
Q…+7.0
42
2号梯三层内呼指示灯
Q…+7.1
43
2号梯二层内呼指示灯
Q…+7.2
44
2号梯一层内呼指示灯
Q…+7.3
45
2号梯七段数码显示a
Q…+7.4
46
2号梯七段数码显示b
Q…+7.5
47
2号梯七段数码显示c
Q…+7.6
48
2号梯七段数码显示d
Q…+
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