西门子C联网四层.docx
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西门子C联网四层
四层电梯及组态监控的设计
工学部
工学一部
专业
自动化
班级
4418501
学号
200413185005
姓名
王华丽
指导教师
李姣
负责教师
李姣
沈阳航空工业学院北方科技学院
2008年7月
摘要
随着城市建设的不断发展，楼群建筑不断增多，电梯在当今社会的生活中有着广泛的应用。
电梯作为楼群建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
本文就是利用西门子S7-200可编程控制器对电梯系统进行控制，首先进行硬件设计，包括CPU处理模块、系统的端口分配、以及外部接线图，然后，在硬件设计的基础上，对软件进行了设计，设计出系统的程序流程图及梯形图程序，并对系统进行了分析和调试，实现了电梯的自动控制。
最后，运用MCGS组态软件制作人机对话界面，检验电梯PLC控制系统的运行情况。
使电梯通过读取PLC中相应寄存器的状态，监视电梯指示灯、电梯按钮及电梯的其它运行状态，直观地反映出电梯的运行状况，达到监控的目的。
关键词：
电梯；PLC；监控
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofurbanconstruction,theincreasingcomplexconstruction,theliftoflifeintoday'ssocietyhasawiderangeofapplications.Elevatorinthebuildingasacomplexoperationoftheverticaltransporthasbeeninextricablylinkedwithpeople'sdailylives.
ThispaperistheuseofSiemensS7-200PLConelevatorcontrolsystem,firstofallforhardwaredesign,includingtheCPUprocessingmodule,thesystemofportallocation,aswellasexternalwiringdiagram,andthen,onthebasisofhardwaredesign,softwareForthedesign,designasystematicprocessflowchartandladderproceduresandsystemsanalysisanddebugging,andautomaticcontroloftheelevator.Finally,theuseofPCconfigurationsoftwareMCGSinteractiveinterface,inspectionoftheelevatorcontrolsystemPLCoperation.PLCtoreadthroughtheelevatorinthecorrespondingregisterofthestate,surveillance,liftlight,theelevatorbuttonandlifttheotherrunningdirectlyreflectstheoperationoftheescalator，thusachievethegoalofmonitoring.
Keywords：
Elevator;PLC;Monitor
目录
1绪论1
1.1电梯的概述1
1.1.1电梯在国内外的研究现状1
1.1.2电梯的分类2
1.2可编程控制器（PLC）简介2
1.2.1PLC的发展阶段3
1.2.2PLC的主要功能4
1.2.3PLC的主要特点5
1.3课题的目的、意义6
1.4主要研究内容7
2电梯系统总体设计8
2.1电梯的外部结构及控制要求8
2.2方案选择9
2.2.1硬件方案的确定9
2.2.2软件方案的确定9
2.2.3监控系统的确定10
3电梯系统硬件的设计11
3.1PLC结构及工作原理11
3.2系统的CPU处理模块13
3.3系统的端口分配及功能表13
3.4系统的外部接线图15
4电梯系统的软件设计17
4.1西门子PLC编程软件17
4.2系统的程序设计18
4.2.1程序流程图18
4.2.2主要程序设计及分析18
4.3程序调试26
4.3.1PC与PLC的通信26
4.3.2调试27
5电梯监控系统的设计28
5.1MCGS组态软件介绍28
5.2组态软件的制作过程29
5.2.1建立MCGS新画面29
5.2.2定义数据变量29
5.2.3制作监控画面31
5.2.4编写控制流程33
5.3遇到的问题分析34
6结论35
致谢36
参考文献37
附录ⅠPLC程序38
附录Ⅱ组态命令程序49
1绪论
1.1电梯的概述
1.1.1电梯在国内外的研究现状
电梯进入人们的生活已经150年了。
1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明，从此，人类历史上第一部安全升降梯诞生。
奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史。
从那以后，升降梯在世界范围内得到广泛应用。
1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它采用直流电动机为动力，通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索，悬挂并升降轿厢。
1892年，美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，取代传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式，为操纵方式现代化开了先河。
生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。
150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新—手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形—扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。
如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。
另外，调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保等一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世。
中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。
1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。
十一届三中全会后，我国电梯业进入了高速发展的时期。
解放前，我国电梯拥有量仅约2000台，也没有电梯制造业。
70年代初，全国仅有几家电梯制造厂，至80年代末就发展到150多家，至今已超过200家，且世界著名电梯厂商在我国均有合资企业。
目前我国合资、独资的电梯生产企业已有200多家。
如今，在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用，电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。
时至今日，电梯已进入了全面发展的新时期。
1.1.2电梯的分类
电梯的种类相当很多，按用途分为乘客电梯、载货电梯、医用电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、车辆电梯、船舶电梯、建筑施工电梯等；按驱动方式可分为交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯、直线电机驱动的电梯；按速度分为低速电梯（速度低于1m/s以下）、中速电梯（速度在1~2m/s之间）、高速电梯（速度大于2m/s）、超高速电梯（速度超过5m/s），不过随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高；按拖动方式分为交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯等；按操纵控制方式分为手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯等。
除上述电梯的分类外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、斜行电梯、双层轿厢电梯等等。
1.2可编程控制器（PLC）简介
PLC（ProgrammableLogicController）通常称为可编程控制器，它是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机、自动化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、以及维护方便等特点，特别是适应恶劣的工业环境的能力和高可靠性，使其应用越来越广泛。
1987年2月国际电工委员会（IEC）对可编程控制器定义如下：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专门为在工业环境下应用而设计的。
它采用可可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、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。
可编程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，易于扩展其功能的原则设计”。
事实上，可编程控制器是一种以微处理器为核心，带有指令存储器和输入/输出接口，将自动化、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。
1.2.1PLC的发展阶段
随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为以下三个阶段。
⑴早期的PLC（20世纪60年代末－20世纪70年代中期）
早期的PLC可编程逻辑控制器，是继电器控制装置的，其主要功能只是执行原来有继电器完成的顺序控制、定时等。
它在硬件上以计算机的形式出现，在I/O接口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求。
在软件编程上，采用广大电器工程技术人员所熟知的继电器控制线路方式－梯形图。
其中PLC特有的编程语言－梯形图一直沿用至今。
⑵中期的PLC（20世纪70年代中期－20世纪80年代中后期）
在20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU），这样使PLC的功能大大增强。
在软件方面，除了保持原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通信、自诊断等功能。
在硬件方面，增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加。
除此之外，还提供了一定数量的数据寄存器。
⑶近期的PLC（20世纪80年代中后期至今）
进入20世纪80年代中后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的档次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造商研发的专用逻辑处理芯片。
这样使PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
近年来，PLC技术发展很快，性能不断提高，类型也在不断增多，功能也越来越完善。
因此，PLC已发展成为当今自动化、信息化的重要支柱。
1.2.2PLC的主要功能
随着PLC技术的为断发展，目前已能实现以下功能。
⑴调节控制功能
条件控制功能是指用PLC与、或、非指令取代继电器触点串联，并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。
⑵定时/计数控制功能
定时/计数控制功能就是用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，以取代时时间继电器。
⑶步进控制功能
步进控制能就是步进指令来实现在多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下道工序的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。
⑷数据处理功能
数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、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。
⑸A/D与D/A转换功能
A/D与D/A转换功能就是通过A/D，D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。
⑹运动、过程控制功能
运动控制功能就是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制。
过程控制功能是指通过PLC的PLD控制指令实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。
⑺扩展功能
扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊单元来提高PLC的控制能力。
⑻远程I/O功能
过程I/O功能是指通过过程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，接收输入信号，传出输出信号。
⑼通讯联网功能
通讯联网功能是PLC之间的联网，PLC与上位计算机的连接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成系统规模较大的复杂控制。
⑽监控功能
监控功能是指PLC能监视系统各部分运行状态和进程，以系统出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动中止运行。
也可在线调整，修改控制程序中定时器，计数器等到设事实上值或强制I/O状态。
1.2.3PLC的主要特点
PLC之所以能迅速发展和广泛应用，是因为它具有以下特点：
⑴可靠性高
①PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
②PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。
③PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
④PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
⑤在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
⑥PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如，采用软件滤波；软件自诊断；简化编程语言等。
⑵易操作
①操作方便。
对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
②编程方便。
PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。
③维修方便。
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
⑶灵活性高
①编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
②扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
③操作的灵活性。
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
1.3课题的目的、意义
以前，我国住宅楼电梯大部分是采用继电器控制的，由于控制线路复杂、体积大、故障率高而且难于维护，使电梯难以达到安全、稳定、可靠的基本要求，事故时有发生。
鉴于继电器控制存在着上述的种种弊端，将PLC应用于电梯控制，收到了良好效果。
可编程控制器应用于电梯控制，用软件编程替代原有继电器硬件布线控制，使控制系统具有了极大的柔性和通用性。
同时，由于PLC功能齐全、应用灵活，能够满足电梯控制的要求而且具有抗干扰性能强、操作方便、维护简单等特点，使得系统可靠性大大提高。
因此，本系统采用西门子公司的小型PLC系列S7－200中的STEP7-Micro/WIN4.0编程软件。
随着计算机技术、控制技术和网络技术的发展，现在的电梯系统都倾向于采用先进、实用、可靠的PLC来进行控制，这样能提高电梯系统的经济性、可靠性及可维护性。
在工业自动化领域中，自动化设备的应用很多都离不开监控系统。
使用监控系统对工业自动化生产过程实施监控，即使不深入现场，也能了解设备状况，分析设备问题，并且能够记录设备的各种信息。
另外，还能及时发现问题并解决，从而完善生产的环节。
因此，本系统就是采用MCGS组态监控软件进行监控，此软件操作简单，可视性好，无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定、功能全面的监控系统。
在现实生活中，操作者还可通过以太网或其它办公信息网络等对电梯设备进行在线监控，从而达到远程维护的目的，这样既节省人力和财力，又能及时发现问题并解决。
1.4主要研究内容
本次设计主要是利用可编程序控制器（PLC）控制一个四层电梯，首先进行硬件设计，包括CPU处理模块、扩展模块、资源分配以及外部接线等，然后在硬件设计的基础上，选用西门子公司的STEP7－Micro/WIN4.0编程软件进行了设计，设计出系统的程序流程图及梯形图程序，并对系统进行了分析和调试，实现了电梯的自动控制。
并且用上位机MCGS组态软件进行监控，检验电梯PLC控制系统的运行情况，从而达到对电梯的监视控制。
2电梯系统总体设计
2.1电梯的外部结构及控制要求
图2.1电梯外部结构
由上图可知，电梯由安装在各楼层电梯口的上升、下降呼叫按钮，电梯轿厢内楼层选择按钮，上升下降指示，各楼层到位行程开关组成。
当电梯在上升的过程中只响应向上的呼叫，在下降的过程中只响应向下的呼叫，电梯向上或向下的呼叫执行完成后再执行反向呼叫。
另外电梯还具有楼层显示、呼叫记忆、内选呼叫指示等功能。
本系统设计的电梯达到如下要求：
行车方向由内选信号决定，顺向优先执行；行车途中如遇呼梯信号时，顺向截车，反向不截车；内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除；内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均有信号灯指示；楼层显示灯亮表示轿厢停于该层，灯灭表示电梯离开该层；无呼梯时，5S内没有人呼梯，电梯停止运行；行车时不能手动开门或本层呼梯开门，开门不能行车。
2.2方案选择
系统总体逻辑框图，如图2.2所示。
电梯
图2.2系统总体逻辑框图
2.2.1硬件方案的确定
PLC种类繁多，虽然功能和指令不尽相同，但结构与工作原理则大同小异。
通常PLC由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
根据此次电梯控制系统的要求，我选用了德国西门子公司推出的小型PLC系列S7-200，它具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。
此系统为多点输入、多点输出，CPU选择224系列，扩展模块选用EM223。
2.2.2软件方案的确定
本系统选用STEP7-Micro/WIN4.0版编程软件，是因为它比以往的编程软件功能更新、更强，支持32位的Windows95、Windows98、WindowsNT、WindowsXP使用环境，并且具有易于操作，界面一致性好，简单易学的特点。
使用该软件时需要一根连到计算机串行通讯口的PC/PPI电缆，其通讯参数的配置可以在安装软件结束时或在运行时进行。
2.2.3监控系统的确定
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，能够在Windows平台上运行。
另外，MCGS充分利用windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，在自动化领域有着更广泛的应用。
因比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性，所以选用MCGS组态软件制作人机对话界面，检验电梯PLC控制系统的运行情况。
3电梯系统硬件的设计
3.1PLC结构及工作原理
PLC的基本结构：
一般PLC分为箱体式和模块式两种。
但它们的组成是相同的，对箱体式PLC有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
PLC的基本结构框图如图3.1所示。
图3.1PLC基本结构框图
PLC的工作原理：
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。
由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。
这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后逐条执行用户程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。
如图3.2所示：
PLC采用集中采样，集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。
图3.2PLC扫描工作原理图
PLC工作过程分三个阶段进行，即输入采样、程序执行和输出刷新。
以下详细叙述PLC三个阶段的工作过程：
PLC在输入采样阶段：
以扫描方式依次地读入信号的通/断状态，并将它们存入存储器输入暂存区的相应单元内，这部分存储区也特别地称为输入映像区。
在读输入结束后，PLC转入用户程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按照先后顺序扫描执行每条指令，从输入映像存储区中读取输入状态，根据用户程序进行逻辑运算，将不断得到运算结果，而运算得到的结果是将其对应地先存入输出暂存区（输出映象区）的相应单元中，直到用户程序全部被执行完。
本扫描周期内的程序执行阶段结束后，PLC转入写输出阶段。
输出刷新阶段：
当所有的指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器等）输出，驱动相应输出设备工作。
在此期间PLC根据输出映像区中的对应状态刷新所有的输出锁存电路，再经隔离驱动到输出端子，向外界输出控制信号，这才是PLC的实际输出。
为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。
每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。
此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。
诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。
如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。
处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。
然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。
PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。
3.2系统的CPU处理模块
基本CPU单元选用的是CPU224，性能如下：
2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入，10点输出；可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；可利用PPI协议或自由口进行通信。
由于CPU224的输入和输出点不能满足设计的要求，因此还添加了扩展模块，扩展模块选用的是EM223继电器型，性能如下：
输入电压24V；8点输入、8点输出；额定负载电压24VDC/24V～230VAC；允许范围20.4～30VDC/20～250VAC；输出电压L±0.3V-每组电流总和8A；I/O端子可拆卸；背板总线消耗电流80mA；功耗3W。
3.3系统的端口分配及功能表
对于PLC电梯控制系统的输入、输出点必须进行合理的配置。
基本的输入显示功能有：
一层内选指示、二层内选指示、三层内选指示、四层内选指示、一层上呼指示、二层上呼指
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