基于WinCC组态软件的电梯控制系统设计.docx
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基于WinCC组态软件的电梯控制系统设计
****大学
毕业设计（论文）
题目：
基于WinCC组态软件的电梯
控制系统设计
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
*******
班级学号：
**********
指导教师：
*********
指导单位：
电气信息工程系
日期：
2008年9月15日至2008年12月21日
摘要
PLC是ProgrammableLogicalController的简称，广泛应用于冶金、石油、化工、交通运输、轻工、电力、汽车、通用机械、智能建筑等各个领域，是目前一种应用场合最多的工业控制器，在工业自动化中起着举足轻重的作用。
而电梯是人们生活中不可或缺的工具之一。
目前，电梯控制使用最多的是PLC控制方式。
本文主要介绍了可编程控制器及其应用特点，并用西门子S7–300系列PLC来做一个电梯控制系统的设计，然后采用西门子公司的工控组态软件WinCC与S7-PLCSIM仿真软件配合使用实现S7-300与工控组态软件WinCC之间虚拟通讯，模拟控制过程。
关键词：
电梯控制；可编程控制器；WinCC；SIMATICS7-300；S7-PLCSIM
ABSTRACT
ThePLCisthebriefnameoftheProgrammableLogicalController,whichiswidelyusedinthemetallurgy,petroleum,chemicalengineering,transportationextensivelyconveyance,lightwork,electricpower,automobile,generalusemachine,theintelligencebuildingetc.It’scurrentlyakindofthemostsituationappliedindustrycontroller,andrisesaprominentroleinindustryautomationarea.Elevatorisimportanttoolsofourlife.Nowadays,moreandmorepeopledesigntheelevatorsystembyusingPLC.ThemainpurposeofthisarticleistointroducetheapplicationfeaturesofprogrammablelogiccontrollerandbuildtheelevatorsystembyuseSIMENSS7-300.Next,weusetheSiemensindustrialcontrolconfigurationsoftwareWincccombinationwithPLCSIMsimulationsoftwaretobuildupavirtualcommunicationsbetweenS7-300andWinCC,soastosimulatethecontrolprocess.
Keywords：
ElevatorControl；PLC；WinCC；SIMATICS7-300；S7-PLCSIM
第一章绪论
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。
它方便了人们的生活，节省了时间和体力。
电梯是自动化程度和安全可靠性要求很高的设备，其电气构成比较复杂。
电梯质量的好坏在很大程度上取决于它的控制系统。
PLC控制系统运行可靠、编程简单、维修方便、抗干扰性强，已成为目前电梯系统中使用最多的控制方式。
1.1电梯的基本结构
电梯的基本结构有：
1.曳引系统：
由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。
2.导向系统：
由导轨、导靴和导轨架等组成。
作用是限制轿厢和对重的活动自由度。
使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。
3.门系统：
由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。
4.桥厢：
轿厢是用以运送乘客或货物的电梯组件。
它是由轿厢架和轿厢体组成。
5.重量平衡系统：
由对重和重量补偿装置组成。
对重由对重架和对重块组成。
6.电力拖动系统：
由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、速度装置等组成。
它的作用是对电梯实行速度控制。
7.电气控制系统：
由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成。
它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。
8.安全保护系统：
包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。
1.2电梯的控制方式
按操纵控制方式分，电梯可以分为以下几种：
1.手柄开关操纵电梯：
电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关，实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。
它要求轿厢门上装有透明玻璃窗口或使用栅栏轿门，井道壁上有层楼标记和平层标记，电梯司机根据这些标记判断楼层数以及控制电梯平层。
2.信号控制电梯：
这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。
除具有自动平层，自动开门功能外，还具有轿厢命令等级、层站召唤等级、自动停层、顺向截停和自动换向等功能。
司机只要将需要停站的层楼按钮逐一按下，再按下启动按钮，电梯就自动关门运行。
在这中间，司机只需要操纵启动按钮，一直到预先登记的指令全部执行完毕。
在运行中，电梯能被符合运动方向的层站召唤信号截停。
采用这种控制方式的常为司机客梯。
3.集选控制电梯：
集选控制是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制电梯，它与信号控制的主要区别主要在于能实现无司机操纵。
其主要特点是：
把轿内选层信号和各层外呼信号集合起来，自动决定上、下运行方向，顺向应答。
这类电梯需要在轿厢上设置称重装置，以免电梯超载。
轿门上需设有保护装置，防止乘客出、入轿厢时被轧伤。
4.并联控制电梯：
2-3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。
群控电梯是用微机来统一调度多台集中并列的电梯。
群控有梯群程序控制、梯群智能控制等形式。
1.3电梯的主要功能
电梯要实现的主要功能有：
1.司机操作：
由司机关门启动电梯运行，由轿内指令按钮选向，厅外召唤只能顺向截梯，自动平层。
2.集选控制：
集选控制是将轿厢内指令和厅外召唤的各种功能信号集中进行综合分析处理的高度自动控制功能。
它能对轿厢指令、厅外召唤登记，停站延时自动关门启动运行，同向逐一应答，自动平层，自动开门，顺向截梯，自动换反向应答，能自动应召服务。
3.下行集选：
只在下行时有集选功能，因此厅外只设下行召唤按钮，上行不能截梯。
4.独立操作：
指通过轿内指令驶往特定楼层，专为特定楼层乘客提供服务，不应答其他层站和厅外召唤。
5.特别楼层优先控制：
特别楼层有呼唤时，电梯以最短的时间应答。
应答前往时，不理会轿内指令和其他召唤。
到达该特别楼层后，该功能自动取消。
6.停梯操作：
在夜间、周末或假日，通过停梯开关使电梯停在指定楼层。
停梯时，轿门关闭，照明、风扇断电，以利节电、安全。
7.满载控制：
当轿厢内满载时，不响应厅外召唤。
8.防止恶作剧功能：
本功能防止因恶作剧而按下过多轿内指令按钮导致异常情况。
9.清除无效指令：
清除所有与电梯运行方向不符的轿内指令。
10.开门时间自动控制：
根据厅外召唤、轿内指令的种类以及轿内情况，自动调整开门时间。
11.故障重开门：
因故障使电梯门不能关闭时，使门重新打开再试关门。
12.低速自救：
当电梯在层间停止时，自动以低速驶向最近楼层停梯开门。
13.停电时紧急操作：
当市电电网停电时，用备用电源将电梯运行到指定楼层待机。
14.故障检测：
将故障记录在微机内存，并以数码显示故障性质。
当故障超过一定数值时，电梯便停止运行。
只有排除故障，清除内存记录后，电梯才能运行。
大多数微机控制电梯都具有这种功能。
第二章PLC概述
可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicalController，简称PLC。
国际电工委员会（IRC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC把控制技术、计算机技术、通信技术集成于一体、功能强大，可靠性高，编程简单，使用方便，维护容易，应用广泛，是当代工业生产自动化的四大支柱之一。
2.1PLC的发展简史及发展趋势
PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。
这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求、促进了它们的发展。
从PLC的控制功能来分，PLC的发展经历了这四个阶段：
第一阶段，从第一台PLC问世到20世纪70年代中期，是PLC的初创阶段。
该时期的PLC产品主要用于逻辑运算、定时和计数，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能比较简单。
第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是PLC的实用化发展阶段。
该时期的PLC产品的主要控制功能得到了较大的发展。
随着多种8位处理器的相继问世，PLC技术产生了飞跃。
在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环调节功能，提高了运算速度，扩大了输入/输出规模。
第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的实现阶段。
与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大发展，初步形成了分布式的通信网络体系。
在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。
第四阶段，从20世纪80年代中期开始，是PLC的开放阶段。
主要表现为通信系统的开放，使各个厂家的产品可以互相通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。
在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型产品多有CRT屏幕显示功能，产品的扩展也因为通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。
PLC诞生至今，虽然只有30多年历史，但其发展势头迅猛。
平均3到5年更新换代一次。
今后，PLC的发展可归纳为以下几个方面：
1.小型化、专用化、低成本。
随着微电子技术的发展，新型器件被大幅度地提高功能和降低价格。
PLC功能不断加强，结构更为紧凑、小巧。
由于主要部件成本不断下降，也大幅度降低了PLC的成本。
2.系列化、标准化、模块化。
为了推动技术标准化的进程，一些国际性组织不断为PLC的发展制定一些新的标准。
模块式结构使系统的构成更加灵活、方便。
功能明确化，专用化的复杂功能由专门模块来完成。
3.高速化、大容量化和高性能化。
大型PLC采用多处理器系统，如有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，存储容量大大增加。
PLC的功能进一步加强，以适应各种控制需要，使计算、处理功能进一步完善，特别是增强了过程控制和数据处理功能。
4.网络化。
计算机与PLC之间，以及各个PLC之间的连网和通信能力的不断增强，使工业网络可以有效地节省资源、降低成本、提高系统可靠性和灵活性，使网络的应用有普遍化的趋势。
2.2PLC的功能及应用
随着计算机技术、工业控制技术、电子技术和通信技术的发展，PLC已从小规模的单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域，能组成工厂自动化的PLC综合控制系统。
现在的PLC一般具有如下主要功能：
1.开关量逻辑控制功能：
这是PLC的最基本功能之一。
逻辑控制功能实际上就是位处理功能，它用PLC的与、或、非指令代替继电器触点串联、并联和其他逻辑连接，实现开关控制、逻辑控制和顺序控制。
2.定时/计数控制功能：
定时/计数控制功能是指利用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。
3.数据处理功能：
数据处理功能是指PLC能进行数据传送、数据比较、数据移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。
4.监控、故障诊断功能：
PLC设置了较强的监控、故障诊断功能。
利用编程器或监视器，操作人员可以监视PLC各个部分的运行状态和进程；也可以在线调整和修改控制程序中的定时器、计数器的设定值或强制设置I/O的状态。
PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性进行自诊断，发现异常情况，发出警报并显示错误类型，如遇严重错误，则自动终止运行。
5.步进控制功能：
步进控制功能是用步进指令来实现有多道加工工序的控制，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。
6.A/D、D/A转换功能：
有些PLC具有A/D、D/A转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。
7.停电记忆功能：
PLC内部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件，以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。
8.远程I/O功能：
远程I/O功能是指通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接。
进行远程控制，接受输入信号、传出输出信号。
9通信连网功能：
新一代的PLC具有通信功能。
PLC的通信包括PLC相互之间、PLC与上位计算机间的通信，PLC与其他智能设备间的通信。
10.扩展功能：
扩展功能是指通过连接I/O扩展单元来增加I/O点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力。
PLC生产初期，由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。
但最近几年来，随着PLC性能价格比的不断提高，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：
一方面由于微处理器芯片及有关元器件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，使它能解决复杂的计算和通信问题。
从PLC的功能来分，PLC的应用领域主要有以下几个方面：
1.开关量逻辑控制。
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它完全取代了传统的继电接触器等顺序控制装置。
开关量逻辑控制可以代替继电器完成组合逻辑控制、定时与顺序逻辑控制，它既可用于单机控制，又可用于多机控制，以及生产线的自动控制，并广泛应用于电力、机械制造、钢铁、石油、化工、采矿、汽车等各行各业。
2.运动控制。
利用配合PLC使用的专用智能模块，可以对步进电机或伺服电机的单轴或多轴系统实现的位置控制。
3.过程控制。
过程控制是对温度、压力、流量等连续变化的模拟量实现的闭环控制。
现代的PLC一般都有PID闭环控制功能。
4.机械加工机床的数字控制。
PLC和计算机数控装置组合成一体，可以实现数值控制，组成数控机床。
5.通信、网络化。
随着计算机网络和计算机控制技术的发展，工厂自动化网络系统正在兴起。
通过网络系统。
PLC和远程I/O进行通信，多台PLC之间以及PLC和其他智能设备之间也可相互交换数字信息，形成一个统一的整体，实现分散控制或集中控制。
2.3PLC的分类和特点
PLC种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面存在较大差异，且还没有权威的统一分类标准，准确分类也是困难的。
按控制规模，根据I/O点数的多少，可将PLC分为微型机（I/O点数小于100点，内存容量为256B-1KB）、小型机（I/O点数约为100-500点，内存容量为1-3.6KB）、中型机（I/O点数约为500-1000点，内存容量为3.6-13KB）、大型机（I/O点数在1000点以上，内存容量为13KB以上）、超大型机（I/O点数可达几千点，甚至几万点，内存容量为13KB以上）。
按照结构形式分类可分为整体式和模块式。
按功能强弱来分，可大致分为低档机、中档机和高档机三种。
PLC迅速的发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。
它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
它具有以下主要特点：
可靠性高，抗干扰能力强；编程、操作简易方便、程序修改灵活；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；易于系统的设计、安装、调试和维护；体积小、重量轻、功耗低、响应快。
2.4可编程控制器的基本结构
可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如下图所示）。
图2-1可编程控制器的基本结构
1.CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。
它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2.I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
3.电源
可编程序控制器一般使用220V交流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
4.编程器
编程器是PLC的外部编程设备，用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监视PLC的工作情况。
也可以通过专用的编程电缆线将PLC与电脑联接起来，并利用编程软件进行电脑编程和监控。
5.输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6.外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪，变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
2.5可编程控制器的工作原理
可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图所示）。
RUN
STOP
图2-2可编程序控制器工作过程
在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU，模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。
2.6PLC控制系统设计的基本原则和内容
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1.最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
2.保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
3.在满足控制要求的前提下，力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
4．考虑到生产发展和工艺的改进，在选用PLC时，在I/O点数和内存容量上适当留有余地
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。
因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：
1.PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。
在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。
2.系统运行方式与控制方式的择定。
3.选择用户输入设备、输出设备、以及由输出设备驱动的控制对象。
4.PLC的选择。
包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。
5.分配I/O点，绘制I/O连接图。
6.设计程序控制。
7.必要时还须设计控制台。
8.编制控制系统的技术文件。
第三章软件介绍
PLC的程序有两部分组成：
一是操作系统。
二是用户程序。
操作系统由PLC生产厂家提供，它支持用户程序的运行。
用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的程序。
用户要开发应用程序，就要用到开发程序的软件。
STEP7是与西门子公司SIMATICS7系列PLC相配套的支持用户开发应用程序的软件包。
3.1STEP7概述
STEP7编程软件适用于SIMATICS7、C7、M7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和设置参数的标准工具。
STEP7是通过项目的方式来管理自动化系统，其功能包括硬件组态（配置）、参数设置、网络组态、通信连接、创建符号、编程、组态消息和操作员监控变量、启动和运行维护、监视、诊断、文档创建和归档等。
STEP7标准软件包符合面向图形和对象的Windows操作原则，可运行在Windows2000、WindowsXP、WindowsServer2003下，为适应不同的应用对象，可选择不同的版本。
STEP7标准软件包的功能和组成如下图所示。
图3-1STEP7标准软件包
1.SIMATIC管理器可浏览SIMATICS7、M7、C7的所有工具软件和数据。
2.符号编辑器管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。
3.通信组态包括组态的连接和显示、定义MPI或PROFIBUSDP设备之间由时间或事件驱动的数据传输、定义事件驱动的数据、用编程语言对所选通信块进行参数设置。
4.硬件组态用于对硬件设备进
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