吉首大学是-吉首大学是
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
第
1
页
共
30
页
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
SIMATIC PCS7
使用手册及产品目录
1.2
设计范围
< p>
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。< p>
1.3
设计遵循的标准及规范
< br>1
.
国务院颁布的第
373
号令
< p>《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。
16899-2011
《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<
/p>
.GB 16899-2011
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
2.1.1
电梯群控
针对
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。
2.1.2 WINCC
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
< br>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。
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
< /p>
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
< p>
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
< /p>
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
曳引电动机
引导轮
上端站第二限位
上端站第一限位
上平层传感器
下平层传感器
6
5
4
3
2
1
轿厢
轿厢
轿厢关门到位
轿厢门驱动电机
轿厢开门到位
下端站第一限位
下端站第二限位
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
呼梯信号
控制信号
启动信号
合计
分类
变量说明
1-6
层站轿内指令登记按钮
1-5
层站上行呼叫按钮
2-6
层站下行呼叫按钮
轿厢内开门按钮
轿厢内关门按钮
开门到位
关门到位
红外光幕信号
超重感应器
轿门锁开关
1-6
层站门锁开关
上平层传感器
下平层传感器
上端站强迫换速开关（第一限位）
下端站强迫换速开关
上端站越位控制开关（第二限位）
下端站越位控制开关
检修开关
自动运行信号
表
2
数字量输出信号
变量说明
1-6
层站轿内指令登记灯
1-5
层站上行呼叫按钮登记灯
2-6
层站上行呼叫按钮登记灯
七段数码管输出信号
上行指示信号
下行指示信号
曳引电机启动信号
上行方向接触器
下行方向接触器
开门继电器
关门继电器
电梯高速运行
电梯低速运行
一级制动减速接触器
数量
18
5
5
3
3
3
3
3
3
3
18
3
3
3
3
3
3
3
1
89
数量
18
5
5
21
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
内选、外召唤指示信号
层楼信号显示
控制信号
启动信号
合计
二级制动减速接触器
三级制动减速接触器
故障指示灯
轿内照明
风扇
准备就绪信号
3
3
3
3
3
1
95
三、控制系统设计
3.1
电梯系统运行
3.1.1
电梯群控
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< /p>
10
个外呼按钮，当有
1-3
个外呼被按下时只有< /p>
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。
3.1.2
集选控制
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
3.2.1
控制逻辑流程图
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，< /p>
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。
Y
N
图
4
控制逻辑流程图
是否处于上行
N
是否处于下行
Y
执行运行程序段
是否复位
开始
N
电梯复位程序
Y
执行程序
段
N
是否开关门
N
Y
是否空闲
上行召唤？
N
上行指示
N
下
行
召
N
下行指示
N
Y
开关门程序
N
Y
执行运行程序段
结束
3.2.2
电梯信号处理原则
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< /p>
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。
信号登记
最远换向
欲往楼层
（
轿内
）
站外呼梯
上行驱动
比较
电梯所处位置
图
5
信号处理原则框图
下行驱动
开门
/
关门控制
同向截车
3.2.3
开关门逻辑控制简图
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。
响
应
信
号
开
门
到
位？
有
红
外
信
号？
延
时
2
秒
有
红
外
信
号
？
关门
停
层信
号
到
Y
停层
Y
开门
开门到
位？
Y
开
门
延
时
N
Y
N
图
6
开关门逻辑简图
3.2.4
电梯开机控制
:
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。
运行
图
7
关机控制流程图
3.2.5
电梯关机控制
：
< /p>
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。
断电
图
8
开机控制流程图
开
机
信
有
无
故
障
N
Y
停车
关
照
明
风
扇
有无指示
信号
Y
N
休眠
有
信
号
关机信号
电
梯
是
否在
1
楼
Y
执行完当前
程序
N
停车
复位至
1
楼
3.2.6
数码显示控制原理
由于给定的数码管输出数量为
7
个。
6< /p>
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
（
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
< p>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
Q6.0
Q6.1
Q6.2
Q6.3
Q6.4
a
b
d
e
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
楼层
1
2
3
4
5
6
楼层记
忆
M1.1
M1.2
M1.3
M1.4
M1.5
M1.6
Q6.5
f
0
0
0
1
1
1
Q6.6
g
0
1
1
1
1
1
图
9--
位数码显示
< br>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< /p>
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
S7-1200 CPU
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
CPU 1215C DC/DC/DC
、
CPU 1215C DC/DC/
继电器和
CPU 1215C AC/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
CPU 1211C
、
CPU 1212C
和
CPU 1214C
具有更短的处理时间、可
使用
4
个
PTO
（
CPU 1211C
需要信号板）、更大的保持性存储器
(10 KB)
以及更
长的日时钟保持时间（
20
天）。
●
新
I/O
信号模块：
SM 1231 AI 4 x 16
位提供了更高的采样率而且增加了位数。
●
新的电池板
(BB 1297)
可提供长期的实时时钟备份。
BB 1297
可插入
S7-1200 CPU
（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（
TIA Portal
）
STEP7 V11 SP2
和
WinCC Advanced SP2
。
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。
4.2 I/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