基于MCGS的六层电梯监控系统设计毕业论文.docx
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基于MCGS的六层电梯监控系统设计毕业论文
第1章 绪论
1.1电梯的近代发展情况
随着城市建设和经济的不断发展，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用[1]。
在高层建筑垂直运行的交通工具中电梯已经成为了不可或缺的一部分。
近年来，我国电梯的出口年均增长率将保持在35%以上，电梯行业也逐步成为国内比较重要的行业，预计未来五年内我国垂直电梯和扶梯市场国内市场和出口市场将分别占整个全球市场的1/2和1/3，我国在今后相当长的时间内仍将是全球最大的电梯市场,年产值超千亿元,电梯市场可谓前景一片大好[1]。
在电梯的不断发展中，电梯的控制系统已经从接触器—继电器控制系统发展到了可编程控制层和微机组成的电梯运行控制系统，相对于传统的接触器—继电器控制系统的多触点，线路复杂、可靠性差、维修工作量大等缺点，由于PLC具有易操作、维修、编程简单、灵活性强等优点迅速取代了传统的继电器—接触器控制系统。
1.2本设计的意义及内容
随着电梯在日常生活中地位的不断提高，电梯的安全及舒适度问题也越来越重要，电梯的安全及舒适度主要取决于电梯的综合性能，电梯的综合性能又可以分为电梯的硬件性能及软件性能[2]。
硬件性能主要是电机拖动系统的性能，从技术角度上来说，这一反面比较容易实现。
软件性能就是电梯的控制系统性能了，一个好的动态运行系统性能主要取决于一个好的控制系统，电梯可以看成是一个安全需求很高的实时系统，一个具有高安全性，高可靠性的控制系统成了电梯的核心。
PLC控制系统依靠其可靠性高、易操作、维修。
编程简单、灵活性强等优点迅速取代了传统的继电器—接触器控制系统，然而在当今社会中，PLC控制系统已经难以满足人们对电梯控制系统的要求，电梯在人们生活中的地位的加重，以及当代社会办公的远程化透明化,一个可以远程监控，安全性能高，实时性能良好的控制系统将会逐渐取代单一的PLC控制系统[2]。
本设计拟采用德国SIEMENS公司具有高精度高可靠性的S7-200PLC作为系统控制，采用MCGS组态软件实现实时仿真监控，两者相结合实现电梯系统的可视化监控，同时通过计算机的通信线路也可以实现电梯的远程监控，在安全性，舒适性以及透明性上有显著地提高[3]。
本设计主要是应用西门子S7-200型PLC来设计控制程序，用MCGS工控组及软件设计其仿真界面。
由MCGS软件设计的仿真界面是被控对象，根据PLC控制程序首先进行仿真画面与脚本程序的设计，接着进行设备通信设置与通道连接，从而实现电梯的实时监控，最后经调试以达到系统的控制要求[4]。
在技术上有以下几点要求：
（1）具有初始状态控制、呼叫控制、平层控制、呼叫优先权控制、安全保护系统、电梯是否正常指示；
（2）电梯内部应具有6个楼层按钮、开门和关门按钮、楼层显示、上升和下行显示；
（3）电梯外部应具有6个楼层呼叫按钮、呼叫指示灯、楼层显示、上升和下行显示；
第2章 控制系统总体方案设计
2.1总体方案设计
本设计采用西门子 S7—200系列CPU型号为224的可编程控制器，通过电机拖动系统实现了电梯的自动控制。
同时在计算机上运行MCGS组态软件，运行自行编写的脚本程序，通过通信线路建立MCGS与PLC的通信，实现对电梯的远程实监控，本系统设计的电梯能实现以下的功能：
（1）电梯门具有防夹物功能；
（2）及时响应梯内的呼叫请求；
（3）手动关开门和自动开关门；
（4）有逻辑的响应梯外呼叫请求；
（5）能实时监控电梯的运行状态等等；
（6）实时显示电梯所在楼层已经上下行显示。
2.2控制系统原理
控制系统原题如图2.1所示
图2.1 控制系统原理图
。
2.3控制系统的具体实现
本课题所设计的控制系统具体可以分为两部分，一个是PLC控制部分，另一个就是MCGS控制部分了，PLC控制部分就是控制系统的具体实现，而MCGS控制部分就是控制系统的呈现了，通过PLC可以控制电梯的运行,通过MCGS可以使电梯的运行可视化，能在屏幕上实时的显示出来[5]。
要实现电梯的自动控制，就要有以下几大组件：
（1）开门控制组件
（2）关门控制组件
（3）上下行控制组件
（4）呼梯响应控制组件
（5）指示灯输出控制组件
（6）电梯正常运行监测组件
（7）电梯门夹物监测组件
（8）PLC与MCGS通信连接组件
2.3.1开门控制
电梯在刚开门至开到最大值预定于5秒钟，匀速开门，在本控制系统中开门控制有两种方式，其一为手动开门，即电梯响应梯内乘客或者梯外乘客的呼梯信号，每层楼有一个楼层信号触点，每一个楼层信号触点接通时表示电梯在可停靠位置，手动开门控制只在电梯停靠在楼层并且楼层信号触点接通时才会正常启动，电梯在上下行运行期间不会响应开门请求；其二即为自动开门，当电梯停留在响应楼层，相应楼层信号触点接通，在电梯停止运行后会自动开门。
电梯开门到最大位置时会触动开门限位开关，开门控制停止运行，开门限位开关接通开门控制断开，表示梯门已经打开完全，此时电梯指示灯控制程序会自动清除当前楼层的呼梯信号指示灯。
2.3.2关门控制
同开门控制相似，关门控制也有两种方式，其一为手动关门，电梯响应梯内乘客的关门信号时梯门手动关闭，其二为自动关门，当电梯在当前楼层梯门完全打开时会触动定时器，定时10秒钟后，期间若无手动关门信号则梯门自动关闭。
电梯在关门期间若有当前停留楼层呼叫请求或者梯内开门请求则会立即切换为开门状态，电梯在关门至关门至最大值预定于5秒钟，慢速关门，电梯门内装有夹物检测系统，当梯门在关闭途中，有物体被夹住，会立即启动夹物检测系统，夹物检测开关闭合，此时电梯门切换至开门状态，开至最大值是定时器重新计时，被夹物体消失时，夹物检测开关断开，待定时器计时到设定值时或者有关门信号请求时电梯自动关门，在关门最大位置时会启动关门限位开关，此时电梯关门控制停止运行，电梯可以响应楼层呼梯信号上下行运动。
2.3.3上下行控制
当电梯经过楼层，楼层信号触点接触时，控制系统接受呼梯信号，通过判断做出上下行指示，电梯通过对电机拖动系统的控制来控制电梯的上下行，在电梯上下行时电梯上下行指示灯常亮，例如，当前电梯停靠于二楼，二楼信号触点接通，电梯关门限位闭合后，三楼与一楼同时有有呼梯信号，若此时上下行指示灯是关闭状态，则响应三楼信号，若此时上行指示灯为接通状态，表示当前电梯是上行状态，响应三楼信号，继续上行，若此时下行指示灯为接通状态，表示当前电梯时下行状态，则响应一楼信号，继续下行。
通过上下行指示灯来保持电梯的逻辑运行与公平呼梯响应，在前面楼层无呼叫信号时电梯反向响应反向信号。
2.3.4呼梯响应控制
呼梯响应分为内部呼梯信号响应与外部呼梯信号响应，内部呼梯响应即为同向响应，当响应完同向的信号时，电梯反向响应反向信号。
外部呼梯响应即为同向截车，反向最大化截车，例如：
当电梯停靠在二楼时，三四五楼同时有上行呼梯信号，电梯上行依次响应三四五楼呼梯信号，若三四五楼同时有下行呼梯信号，电梯则上行至五楼时，从上往下响应呼梯信号，这样可以减少电梯的停靠时间，时电梯有效运行时间最大化，保持最大的运行效率。
2.3.5指示灯输出控制
在本系统中指示灯有：
上下行指示灯，外部呼梯指示灯，内部呼梯指示灯，开关门指示灯，运行监测指示灯，报警指示灯。
通过PLC的输出口连接响应的指示灯，是电梯运行可视化，实时显示电梯的运行状态。
2.3.6电梯正常运行监测
电梯是一个与人生活息息相关，与人的生命息息相关的，所以安全问题很重要，出现故障时越早接受到故障信号救援就越早，故障损失也就越少，正常运行的电梯楼层间运行时间是固定的，故可以用一个定时器，在电梯离开当前楼层信号触点时开始计时，在到达下一个楼层信号触点时复位重新计时，若超过了规定时间仍然没有到达下一楼层，可以得出当前电梯运行故障，通过输出口输出电梯运行故障信号，通过电梯运行指示灯显示出来。
2.3.7电梯门夹物监测
电梯关门中难免会有行人挤进来，若此时电梯仍然按原计划关门，后果将惨不忍睹了，故电梯必不可少的组件——夹物检测组件就出来了，在电梯的门上面安装有夹物检测系统，在电梯关门期间，若有物体被电梯门夹住了，电梯关门状态立即停止，即刻装换为开门状态，在被夹物体离开后电梯才可以重新关门，如此来保证乘客的安全。
2.3.8MCGS与PLC通信连接组件
MCGS通过通信线路与PLC连接起来，在MCGS的设备窗口建立系统与外部PLC硬件设备的连接，使MCGS能从PLC读取当前I/O数据实现对PLC工作状态的的读取显示以及控制运行。
第3章 PLC控制系统的设计
3.1主要硬件选择
S7-200CN系列PLC适用于生活中的各行各业，各种场合的监测及控制的自动化设备[6]。
盖使用其他更复杂的继电器控制的自动化控制应用极为广泛的范围从简单的，覆盖所有的自动检测，工业自动化控制及相关民用领域，包括机床，机械，电力设施，民用设施，环境保护设备等等[7]。
S7-200的主要特点是：
高可靠性;可用指令集非常丰富;操作简单，易于掌握;具有较强的沟通能力;丰富的扩展模块等[8]。
在选择PLC控制系统硬件之前，我们首先要分析出该系统所需要的I/O口数目，从中选择所需要的硬件，包括CPU、扩展模块和通信线路等等。
3.1.1PLC选型
S7-200系列的PLC分类较广，输入输出点数也不尽相同，在本设计中选用224型PLC，它有14个输入10个输出，最多支持7个扩展模块，相较于其他的型号的PLC它有强大的模拟量和高速计数的处理能力，是使用的最多的S7-200产品，市场比较成熟，资料页很多，便于我们学习开发。
在本设计中，由于有27个输入口，34个输出口，我选择的CPU是224型，224CN型号的CPU有14数字量输入口，10个数字量输出口，扩展模块我们还需要一个16点数字量输出口，16点数字量输入口的EM223型，再加上一个8点数字量输出型EM222模块，连接配置如图3.1所示。
图3.1 扩展连接图
扩展模块后的具体模块编址见表3.1。
表3.1 具体模块编址
主机I/O
模块一I/O
模块二I/O
I0.0
I1.0
Q0.0
Q1.0
I2.0
I3.0
Q2.0
Q3.0
Q4.0
I0.1
I1.1
Q0.1
Q1.1
I2.1
I3.1
Q2.1
Q3.1
Q4.1
I0.2
I1.2
Q0.2
I2.2
I3.2
Q2.2
Q3.2
Q4.2
I0.3
I1.3
Q0.3
I2.3
I3.3
Q2.3
Q3.3
Q4.3
I0.4
I1.4
Q0.4
I2.4
I3.4
Q2.4
Q3.4
Q4.4
I0.5
I1.5
Q0.5
I2.5
I3.5
Q2.5
Q3.5
Q4.5
I0.6
Q0.6
I2.6
I3.6
Q2.6
Q3.6
Q4.6
I0.7
Q0.7
I2.7
I3.7
Q2.7
Q3.7
Q4.7
3.1.2传感器选型
一个实时控制系统，传感器是必不可少的，传感器在控制系统中有着重要的作用，可以向控制系统提供、电梯移动速度、开门状况等各种信号，本设计中主要运用了平层传感器以及光电传感器。
平层传感器可以实时反馈电梯的当前位置，能实现自动平层，能保证电梯能正确的停在所需位置。
能适应频繁起动、停止、调整及换向的工作要求，使加、减速和等速平稳，速度曲线平滑，到站前无微动。
光电传感器主要是应用于电梯门上的保护装置，电梯是一个随机系统，随时有人或物进出电梯，这在电梯门上面就需要有保护装置，保护人或物不被夹伤，光电传感器的工作原理是运用了红外扫描探测技术，主要分为一个发射器和一个接收器，内部由微处理器进行控制处理，工作时发射器发射红外线，接收器处于正常接收状态，当有物体被电梯门夹住时，接收器不能正常接受到发射器发出的红外信号，接收器发出非正常接收信号给微处理器，微处理器处理数据后反馈给PLC，PLC根据编写好的程序，控制门电机做出相应的动作。
3.2控制系统流程图
控制系统主要流程图如图3.2所示。
图3.2 控制系统详细流程图
3.3I/O地址分配表
I/O地址分配表如表3.2所示。
输入（27）
对应PLC地址
输出（34）
对应PLC地址
一层上行呼叫按钮
I0.0
一层上呼叫灯
Q0.0
二层上行呼叫按钮
I0.1
二层上呼叫灯
Q0.1
二层下行呼叫按钮
I0.2
二层下呼叫灯
Q0.2
三层上行呼叫按钮
I0.3
三层上呼叫灯
Q0.3
三层下行呼叫按钮
I0.4
三层下呼叫灯
Q0.4
四层上行呼叫按钮
I0.5
四层上呼叫灯
Q0.5
四层下行呼叫按钮
I0.6
四层下呼叫灯
Q0.6
五层上行呼叫按钮
I0.7
五层上呼叫灯
Q0.7
五层下行呼叫按钮
I1.0
五层下呼叫灯
Q1.0
六层下行呼叫按钮
I1.1
六层下呼叫灯
Q1.1
一层梯内呼叫按钮
I1.2
一层梯内呼叫灯
Q4.2
二层梯内呼叫按钮
I1.3
二层梯内呼叫灯
Q4.3
三层梯内呼叫按钮
I1.4
三层梯内呼叫灯
Q4.4
四层梯内呼叫按钮
I1.5
四层梯内呼叫灯
Q4.5
五层梯内呼叫按钮
I3.3
五层梯内呼叫灯
Q4.6
六层梯内呼叫按钮
I3.4
六层梯内呼叫灯
Q4.7
一楼楼层信号触点
I2.0
数码管A
Q2.0
二楼楼层信号触点
I2.1
数码管B
Q2.1
三楼楼层信号触点
I2.2
数码管C
Q2.2
四楼楼层信号触点
I2.3
数码管D
Q2.3
五楼楼层信号触点
I2.4
数码管E
Q2.4
六楼楼层信号触点
I2.5
数码管F
Q2.5
夹物检测开关
I2.6
数码管G
Q2.6
开门控制
I2.7
开门指示灯
Q2.7
关门控制
I3.0
关门指示灯
Q3.0
开门限位
I3.1
电梯上行
Q3.1
关门限位
I3.2
电梯下行
Q3.2
电梯开门
Q3.3
电梯关门
Q3.4
电梯上行指示灯
Q3.5
电梯下行指示灯
Q3.6
电梯报警
Q3.7
电梯正常运行
Q4.0
夹物检测指示灯
Q4.1
表3.2 I/O地址分配表
3.4PLC硬件接线图
由于有27个输入口，34个输出口，我选择的CPU是224型，224CN型号的CPU有14数字量输入口，10个数字量输出口，扩展模块我们还需要一个16点数字量输出口，16点数字量输入口的EM223型，再加上一个8点数字量输出型EM222模块。
PLC接线图如图3.3所示，EM222扩展模块如图3.4所示，EM223扩展模块如图3.5所示。
图3.3 CPU224接线图
图3.4 扩展模块EM222接线图
图3.5 扩展模块EM223接线
3.5PLC控制系统具体实现
3.3.1上电初始化模块
PLC上电初始化时电梯门关门完全，为响应呼梯信号做好准备。
如图3.6所示。
图3.6 上电初始化
3.3.2指示灯模块
指示灯模块主要是将呼梯信号，上下行信号在响应指示灯上反映出来，运用中间继电器M0作为楼层响应开关，从而对楼层呼叫指示灯进行置为清零操作。
具体程序如图3.7所示。
图3.7 指示灯模块
3.3.3电梯上下行控制模块
当电梯停止时，呼叫楼层比当前楼层高时，电梯上行，呼叫楼层比当前楼层低，电梯下行；当电梯上行时，电梯优先响应需要上行电梯，当上行电梯呼叫响应完全后，电梯转换成下行状态，继续响应下行信号；反之，当电梯下行时，优先响应需下行的呼梯信号，完全响应后再转换成上行信号。
在电梯运行当中，外呼型号有多个需要下行时，电梯优先响应最高层电梯的下行信号，这样可以提高电梯运行效率。
具体程序如图3.8所示，其中，因PLC中线圈不能二次输出，所以将M1、M2作为中间继电器，M1控制上行信号，M2控制下行信号。
上下行控制模块如图3.8所示。
图3.8 上下行控制模块
3.3.4开关门控制模块
当电梯停靠可以响应呼梯信号的楼层是就要启用开门模块了，电梯开门后，梯内人员按下关门按钮或者等待10秒钟自动关门，其中定时器T37即为10秒定时器，在电梯关门时，若有物体被夹住启动了夹物检测开关，关门停止，转换成开门状态。
电梯开关门模块如图3.9所示。
图3.9 开关门控制模块
3.3.5电梯正常运行监测模块
电梯正常运行时在电梯楼层间运行时间是固定的，故可以用一个定时器，在电梯离开当前楼层信号触点时开始计时，在到达下一个楼层信号触点时复位重新计时，若超过了规定时间仍然没有到达下一楼层，可以得出当前电梯运行故障，通过输出口输出电梯运行故障信号，通过电梯运行指示灯显示出来。
具体程序如图3.10所示，其中M5为中间继电器，起对定时器复位作用。
图3.10 电梯正常运行监测模块
图3.10 电梯正常运行监测模块（续）
3.3.5楼层显示模块
在本课题中，我们选用7段共阴极数码管显示电梯所在楼层，共阴极数码管，分为a、b、c、d、e、f、g共7段，把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，这段就会发光。
当然，LED的电流通常较小，一般需要在回路中接上限流电阻。
假如我们将"b"和"c"段置“1”，其它端清零，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。
而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段置“1”，其它段清零，此时数码管将显示“2”。
数码管原理图如图3.11所示,楼层显示模块程序段如图3.12所示。
图3.11 共阴极七段数码管原理图
图3.12 楼层显示模块
第4章 MCGS组态设计
MCGS是一套可以快速生成计算机监控系统的组态软件。
它通过通信线路对工作实时数据进行采集，经过循环策略对采集到的数据集中处理处理，然后在设计好的用户窗口上面以动画进行显示出来，主要应用在自动化生产过程监控中。
一个完整的组态工程包括了主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库以及运行策略五个部分，其中用户窗口有多个，选择一个座位启动窗口，设备窗口就是组态软件与外部设备连接的部分，通过设备窗口可以管理驱动外部设备，可以把从外部设备的采集到的数据实时反馈到组态软件，也可以把组态软件的操作数作用在外部设备上，实时数据库定义了工程运行所需要的状态变量，在于PLC连接时实时数据库与PLC的I/O接口相对应，运行策略就是控制系统运行的核心了，运行策略有3个固定的运行策略，包括启动策略——在MCGS组态控制系统开始运行时将自动被调用一次，相反，另一个固定策略——退出策略就在系统结束时自动被调用一次，还有一个固定策略就是循环策略了，循环策略顾名思义就是可以被用户修改，按照用户所定义的循环时间固定循环运行的策略了，在同一个组态控制系统中循环策略用户可以定义多个也必须要有一个循环策略，下面我们通过对本课题的6层电梯设计详细的介绍组态界面的设计。
4.1组建实时数据库
万里之行始于足下，要做一个监控系统，我们首先得对整个系统的运行了解清楚，就好比是写一篇文章，要打打草稿，同样的，我们先得把整个系统所需要用的数据变量一一列出来，理清整个系统的思路，再慢慢的设计出整个系统来。
实时数据库变量我们可以参考上面PLC设计时列出的符号表，总体上是一致的。
下面我们将一步一步的详细介绍。
（1）新建工程
打开MCGS软件，点击左上角的“文件”——然后点击新建工程，系统就自动新建了一个名为“新建工程X.mcg”的工程，也可以在打开软件后同时按下Ctrl+N组合键新建一个工程。
新建后出现一个工作台，如图4.1所示。
（2）增加数据对象
在工作台窗口中，选中实时数据库选项，点击“新增对象”可以逐个逐个的增加所需要的数据变量，在实时数据库中选中新建对象的名字点击右侧“对象属性”对所新建对象的属性进行编辑，包括了对象定义，里面可以修改对象的名称初值等，在数据类型可以修改对象为开关、数值灯类型，在对象数值注释栏可以对数据注释，便于使用。
新建数据对象如图4.1所示，本课题所用的实时数据库如图4.2所示。
图4.1 新增对象窗口
图4.2 本课题所用实时数据库
4.2编辑用户窗口
用户窗口即监控系统的脸，我们所要监控的数据都在用户窗口上面显示出来，一个符合要求的监控系统必须要有一个直观完善的用户窗口，在我们编辑用户窗口时，需要将一个用户窗口设置为启动窗口，在进入运行环境后自动运行这个启动窗口。
下面分几个部分来介绍用户窗口的编辑。
（1）新建一个用户窗口
在工作台窗口中，选择“用户窗口”选项卡，在右侧点击新建窗口，系统建立一个默认名字为“窗口0”的新建窗口，选择窗口点击右键，在弹出菜单中选择设为启动窗口。
（2）编辑动画组态窗口
双击“窗口0”，进入动画组态窗口即可以编辑我们的监控界面了，在动画组态窗口里面我们可以加入按钮、指示灯、开关、管道等等所有需要的部件。
第一步：
添加按钮
添加按钮可以再工具箱中点击一个立体矩形图标，然后待鼠标变成十字光标后在动画组态窗口中相应位置拖动出一个合适大小的矩形按钮出来；也可以直接在工具箱点击一个矩形图标，在动画组态窗口中绘制一个矩形，然后在矩形属性中点击按钮输入动作，使这个矩形拥有按钮的属性。
双击添加的按钮会弹出按钮属性对话框，在对话框中可以设置按钮的具体属性。
第二步：
添加指示灯等图形元件
一个监控系统，或多或少都要用到指示灯，在MCGS中内置了很多种类型的指示灯可以供我们挑选，同时还有很多比较复杂的图形可以供我们直接使用。
在“菜单栏”选择“编辑”选项，在下拉栏中选择“插入元件”，弹出元件库菜单，在右侧窗口我们可以选择所需要的元件插入到动画中。
下面我们一插入一个指示灯为例做详细的介绍。
在图4.3所示元件库菜单左侧窗口中选择“指示灯”，在右侧窗口会出现所有提供的指示灯图案，在插入了指示灯后，为了使指示灯亮起来我们还得给指示灯进行数据对象连接，在数据连接后，我们在指示灯属性动画连接里面可以进行指示灯的可见度设置，还可以对指示灯的颜色变化进行设置，如图4.4所示。
图4.3 对象元件库管理
图4.4 指示灯动态属性设置
本课题用户窗口如图4.5所示。
图4.5 本课题用户窗口
4.3编辑运行策略
在组态动画窗口做好了之后，要让动画动起来的主要部分就是运行策略了，启动策略和退出策略都是系统固定的，我们不需要修改，我们修改的就是循环策略。
在循环策略属性设置我们设置为200ms循环一次，如图4.6所示。
在循环策略中，我们可以使用工具箱添加我们所需要的策略，如图4.7策略工具箱所示。
在我这个课题我一共用了8个策略组件，每个组件实现一个小功能，这样编写的时候简单明了，出错误了也可以针对性的修改。
图4.6 循环策略属性设置
图4.7 本课题所用循环策略以及策略工具箱
4.4编辑脚本程序
设置好循环策略后，就可以进行最后一步了——编写脚本程序，脚本程序就是控制系统的运行程序，我们通过设备管理窗口从外部设备采集到数据后通过脚本程序处理，在组态监控界面上面用动画的形式显示出来，下面我以一个电梯上行动作详细的介绍下脚本程序的编写。
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