基于wincc四部双层电梯实验仿真系统.docx
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基于wincc四部双层电梯实验仿真系统
专业综合设计任务书
一．设计题目：
基于WinCC四层单部电梯实验仿真系统
二．设计目的
1．掌握STEP7-300的使用运行方法及硬件设备的连接；
2．掌握用WINCC组态上位机编辑监控画面的设计的方法；
3．掌握利用STEP7-300进行软件仿真及对可编程逻辑器件进行硬件下载的方法。
三．设计任务及要求
1．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。
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．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。
四．设计时间及进度安排
设计时间共三周（2012.08.27～2012.09.16）,具体安排如下表：
周安排
设计内容
设计时间
第一周
参考资料。
2012.08.27～2012.08.31
第二周
编辑下位机程序，组态上位机画面。
2012.09.03～2012.09.07
第三周
完善，方案设计，撰写论文
2012.09.10～2012.09.14
五．指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师（签字）:
第1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。
它发变了人们的生活，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，起电器构成比较复杂。
点题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、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，电梯可以分为以下四种：
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．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。
2.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
3.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。
4.清除无效指令：
清除所有与电梯运行方向不符的轿内指令。
5．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。
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.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。
8.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。
第2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的工作过程一般可分为3个主要阶段：
输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
如图2-2-3所示。
图2-1PLC的工作过程
（1）输入采样阶段。
PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存输入状态的输入映像区中存储，这一过程称为采样。
在整个工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行时被使用。
（2）程序执行阶段。
PLC按顺序进行扫描，及从上到下、从左到右地扫描每条指令并分别从输入映像区和输出映像区中获得所需地数据进行运算、处理，再将程序执行结果写入寄存执行结果的输出映像区中保存。
这个结果在程序执行期间可能发生变化，但在整个程序未执行完毕之前不会到输出端口。
（3）输出刷新阶段。
在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像区中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器，再去驱动用户设备。
PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。
PLC在一个工作周期中输入采样和输出刷新的时间一般为毫秒级，而程序执行时间因程序的长度不同而不同。
PLC投入运行后，重复完成以上3个阶段工作，即采用循环扫描工作过程。
PLC工作主要特点是输入/输出采样、程序执行、输出刷新的“串行”工作方式，这样既可以避免继电器、接触器控制系统中的触电竞争和时序混乱，又可提高PLC的运算速度。
这是PLC系统可靠性高、响应快的原因，但是也导致对输入在时间上的滞后。
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
图2-2电梯PLC控制系统的基本结构图
电梯信号控制基本由PLC软件实现。
电梯信号控制系统如图2-2所示，输入到PLC的控制信号有：
运行方式选择（如自动、有/无司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。
第3章选型及仪表柜的设计
3.1硬件系统配置
S7-300PLC是模块化的组合结构，用户按照实际需求选取的各种模块可以直接安装在机架（导轨）上，通过背板总线（机座）把这些模块连接起来。
在机架上安装模块的顺序是：
在1号槽安装电源模块，2号槽安装CPU，然后安装I/O接口模块、功能模块、通信处理器、I/O信号模块。
S7-300PLC系统配置分两种情况：
1.装在一个机架上的S7-300PLC结构。
装在一个机架上的S7-300PLC必须符合以下规定：
（1）在CPU单元右边安装的信号模块不超过8个。
（2）面板总线电流值的限制装在一个机架上的全部模块都要受到S7-300面板总线提供的总电流值的限制，对于CPU313C，32KB工作内存；0.1ms/1000条指令；DI24/DO16；集成有AI5/AO2；3路脉冲输出（2.5kHz）；通道计数与测量增量型编码器24V（30kHz）；MPI连接器；多排最多可组态31个模块；固化程序V1.02、装在多个机架上的S7-300结构。
（1）接口模块（IM）总是位于3号槽、第一信号模块的左边。
（2）每个机架上不能超过8个信号模块（SM、FM、CP），这些模块总是位于接口。
（3）插入的模块数（SM、FM、CP）受到背板总线允许提供电流的限制，每个一排或每个机架总的电流消耗量不应超过1.2A。
STEP7软件中的硬件组态就是模拟真实的PLC硬件系统，将电源、CPU和信号模块等设备安装到相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改的过程。
用户在SIMATIC管理器中，利用菜单“文件/新建”建立新项目，具体步骤如下：
1.执行菜单命令“文件/新建”，在打开的对话框中单击“浏览”按钮选择项目的存储位置，建立一个新项目名dt。
2.单击“确定”按钮后，在SIMATIC管理器中，显示出一个新建立的项目名称。
在新项目名上按鼠标右键选择“插入新对象”，可以看到这里供用户插入多种资源，包括300或400站、网络和程序等。
这里选择插入一个“SIMATIC300站”。
3.选择插入的300站，双击右侧窗口中包含的硬件图标，打开“硬件组态”窗口。
这时，窗口中无任何内容，需要逐一添加。
4.首先在右侧的硬件目录“SIMATIC300/RACK-300”中双击Rail（机架），一个模拟的机架框就出现在左侧的窗口中。
在这个机架上，用户可以配置具体的模拟。
首先在左侧视图中单击模块将要存放的位置，然后在右侧视图中双击选择的模块，或将选择的模块拖入存放的位置即可，如图3-1所示为配置机架和具体的模块。
图3-1硬件组态
S7-300模块有不同型号的CPU，以适应不同等级的控制系统。
有的CPU上集成有I/O点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口，有的CPU上集成有PTP接口等。
本系统选用的是CPU312。
电源模块为S7-300PLC和需要DC24V的传感器/执行器供电。
有直流供电电源和交流供电电流。
额定输出电流有2A、5A或10A。
电源模块除了给CPU模块提供电源外，还可以给输入/输出模块提供DC24V电源。
本系统选用的是PS3075A的电源，模块输入和输出之间有可可靠的隔离，输出DC24V正常电压时，绿色LED亮；输出过载时LED闪烁；输出电流大于8A时，电压跌落，跌落后自动恢复。
输出短路时输出电压消失，短路消失后电压自动恢复。
由于本系统有28输入、33输出、DI两个、DO两个。
故选2个DI16xDC24V和一个DO32xDC24V/0.5A、一个DO16xDC24V/0.5A系统硬件组态完成。
3.2仪表柜设计
1．所有电器元件及附件，均应固定安装在支架或底板上，不得悬吊在电器及连线上。
接线面每个元件的附近有标牌，标注应与图纸相符。
除元件本身附有供填写的标志牌外，标志牌不得固定在元件本体上。
如图3-2所示
图3-2柜内电源模块
2．一次配线应尽量选用矩形铜母线，当用矩形母线难以加工时或电流小于等于100A可选用绝缘导线。
接地铜母排的截面面积＝电柜进线母排单相截面面积×1/2接地母排与接地端子。
如图3-3所示
图3-3端子排
3．二次线的连接（包括螺栓连接、插接、焊接等）均应牢固可靠，线束应横平、竖直，配置坚牢，层次分明，整齐美观。
同一合同的相同元件走线方式应一致。
如图3-4
图3-4三十二路开关
4.柜体内任意两个金属零部件通过螺钉连接时如有绝缘层均应采用相应规格的接地垫圈，并注意将垫圈齿面接触零件表面，以保证保护电路的连续性。
5.当需要外部接线时，其接线端子及元件接点距结构底部距离不得小于200mm，且应为连接电缆提供必要的空间提高柜体屏蔽功能，如需要外部接线，出线时，需加电磁屏蔽衬垫，柜体孔缝要求为求缝长或孔径小于λ/（10~100）。
如果需要在电柜内开通风窗口，交错排列的孔或高频率分布的网格比狭缝好，因为狭缝会在电柜中传导高频信号。
柜体与柜门之间的走线，必须加护套，否则容易损坏绝缘层。
如图3-5所示
图3-5正面走线
3.3STEP7概述
STEP7编程软件适用于SIMATICS7、C7、M7和基于PC的WinCC，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3-6所示。
图3-6STEP7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行配置和参数设置。
包括系统组态（选择机架、给各个槽位分配模块、自动生成I/O地址）、CPU参数设置（如启动特性、扫描监视时间）和模块参数设置（用于定义硬件模块的可调整参数）。
5.编程语言可以是梯形图语言（LAD）、功能块图语言（FBD）和语句表语言（STL）。
6.硬件诊断工具为用户提供自动化系统的状态，可快速浏览CPU的数据以及用户程序运行中的故障原因，也可用图形方式显示硬件配置，例如，模块的一般信息和状态、显示模块故障、显示诊断缓冲区信息等。
在S7系列PLC中，用户程序是由块组成的。
构成用户程序的块包括：
组织块、功能块、功能、数据块、系统功能块、系统功能。
组织块OB是操作系统和用户程序之间的界面。
操作系统只调用组织块，其他的程序块需要通过用户程序中的指令调用，操作系统才会加以处理（扫描）。
其中最主要的组织块是OB1，这是操作系统自动做循环扫描的唯一的一个块。
其他的组织块包括启动组织块和各种中断组织块，均由操作系统在特定条件下调用，用户不可以用简单的指令调用组织块。
功能FC和功能块FB是用户程序中的主要逻辑操作块。
主要的控制、运算、操作等均由FC和FB来完成。
组织块负责安排FC和FB的调用条件和调用顺序。
系统功能块SFB和系统功能SFC本质上就是FB和FC，只是它们的作者是西门子公司。
SFB和SFC通常用于完成一些通用的功能，如读写实时时钟、设置参数、数据通信等。
数据块DB用于记录数据。
在数据块中只有数据没有程序。
但数据块占用程序容量。
按使用方法，数据块可分为全局（共享）数据和背景（伴随）数据块两种。
3.4仿真软件S7-PLCSIM
仿真软件包S7-PLCSIM可以在PG/PC上仿真S7-300/400PLC。
把程序下载到仿真PLC中运行，以后的监控/测试均在一台真正的S7PLC中的监控/测试一样。
安装了仿真软件，则在SIMATICManager窗口的工具条上响应的图标就会发亮。
仿真PLC启动后，PG/PC与PLC的所有连接均自动指向仿真PLC。
也就是说，仿真启动后，在STEP7中的下载、上载、监控等操作都指向仿真PLC。
3.5工程组态软件WinCC
WinCC是视窗控制中心（WindowsControlCenter）的简称，它是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。
它具有丰富的设置选项，使用方式灵活，功能强大。
运用组态软件模拟S7-300/400PLC的CPU中用户程序的执行过程，可以在开发阶段发现和排除错误，提高调试效率。
因为一方面S7-300/400的硬件价格较高，另一方面具体的控制对象体积大、价值贵、结构复杂，一般的单位和个人都很难配备较为齐全的实验装置。
采用组态软件的过程监控画面，配合S7-PLCSIM仿真软件，可以生动形象地表现控制对象的控制过程,是学习S7-300/400PLC的编程和调试的有力工具。
系统功能块SFB和系统功能SFC本质上就是FB和FC，只是它们的作者是西门子公司。
SFB和SFC通常用于完成一些通用的功能，如读写实时时钟、设置参数、数据通信等。
输出短路时输出电压消失，短路消失后电压自动恢复，它具有丰富的设置选项，使用方式灵活，其功能非常的强大。
WinCCV6.0采用标准MicrosoftSQLServer2000数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能，可以在办公室内看到生产过程的动态画面，能
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