【ITEM2逻辑控制赛项】工程设计文档--2015北京交通大学参赛队分享(有删减)

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1、 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 逻辑控制型赛项 参赛队组别：B07 设备号：07 2015 年 8 月 24 日 一、一、方案设计依据、范围及相关标准方案设计依据、范围及相关标准 设计依据：设计依据： （1）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 （2）电梯控制仿真设备用户手册 （3）SIMATIC S7-1200 PLC 上使用手册及产品目录 设计范围：设计范围： 1. 单部电梯基本功能 根据不同楼层客户需求，即时响应，实现自动平层、开关门、超重提示、实现上下限位，层门联锁保护等，并根据不同的需求实现合理的响应。 集选控制、开关

2、门控制、错误指令消除、开门延时/关门保护、待载休眠 2. 单部电梯运行（异常）状态监测 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。 超载保护、终端越程保护、开关门保护、运行保护 3. 集群电梯的群控实现 针对多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。 4.WINCC 监控画面 要求能够实现对电梯运行状况的实时监控。 设计遵循的设计遵循的标准及规范：标准及规范： （1）GB 7588-2003 电梯制造与安装安全规范 ； （2）GB25194-2010 杂物电梯制造与安装安全规范 ； （3）GB2646

3、5-2011 消防电梯制造与安装安全规范 ； （4）GB21739-2008 家用电梯制造与安装安全规范 ； （5）GB21240-2007液压电梯制造与安装安全规范 ； （6）GB/T5013.5-2008 额定电压 450/750 V 及以下橡皮绝缘电缆 第 5 部分：电梯电缆 ； （7）GB 8903-2005 电梯用钢丝绳 ； （8）GB/T 22562-2008 电梯 T 型导轨 ； （9）JG/T5072.2-1996 电梯 T 型导轨检验规则 ； （10）JG/T5072.3-1996 电梯对重用空心导轨 ； （11）YB/T 5198-2004 电梯钢丝绳用钢丝 ； （12）G

4、B/T 7025.1-2008 电梯主参数及轿厢、井道、机房的型式与尺寸 第 1 部分：、 、类电梯 ； （13）GB/T 7025.2-2008 电梯主参数及轿厢、井道、机房的型式与尺寸 第 2 部分：类电 梯 ； （14）GB/T 7025.3-1997 电梯主参数及轿厢、井道、机房的型式与尺寸 第 3 部分：类电 梯 ； （15）GB/T 10058-1997 电梯技术条件 ； （16）GB/T 10059-1997 电梯试验方法 ； （17）JG 5009-1992 电梯操作装置、信号及附件 ； （18）GA 109-1995 电梯层门耐火试验方法 ； 二、系统分析（包括控制需求分析、

5、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全二、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全要求等）要求等） 控制需求分析：控制需求分析： 1. 单部电梯基本功能单部电梯基本功能 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 集选控制是指在信号控制的基础上把召唤信号集合起来进行有选

6、择的应答。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。电梯运行响应完所有呼梯信号和选层指令信号后，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（如图 3 所示） ，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

7、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 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. 单部电梯运行（异常）状态监测单部电梯运行（异常）状态监测 在电梯整个运行过程中，监测状态参数

8、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 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。 3. 电梯群电梯群控控

9、 针对多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。 4. WINCC 监控画面监控画面 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。 对象特性分析：对象特性分析： 电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规

10、模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。 目前电梯控制主要由 PLC（可编程逻辑控制器）实现，现代的电梯控制除了需要满足基本的载客运货功能，还需要在保证安全的前提下，自动地、智能地制定最优的响应策略、运行速度等。 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。电梯模型采用多层结构。 用户行为模型指软件系统将模拟各楼层出现的用户数量（按一定概率模型）以及每位用户对电

11、梯的操作行为，如每一名用户按下期望到达的目标楼层按钮。用户行为模型可以模拟现实情况下大量用户使用电梯时的具体用例，从而观察 PLC 所控制的电梯的行为是否符合要求。 工艺流程分析：工艺流程分析： 系统安全要求：系统安全要求： 电梯的设备本体是由机械运动和电器控制及驱动两大部分组成，不安全状态主要是指机械部分和电器部分故障。 1）电梯失控及超速保护系统分析 该系统由限速器和安全钳构成，在限速器和安全钳连杆处均设有电气联锁开关，限速器动作时这两处开关动作切断电梯控制回路。 2）电梯层门、轿门电气联锁保护系统分析 建立该系统的目的是当电梯层门或轿门在开启状态时切断电梯控制回路，防止电梯开门运行，该系

12、统由层、轿门联锁触点和门锁继电器组成。 3）终端越位保护系统分析 终端越位保护系统是防止电梯在顶层端站或底层端站，不能正常停靠，超出正常平层位臵导致冲顶和蹾底事故的发生。终端越位保护系统分为上下终端越位保护，由强迫减速开关，上下限位和上下极限开关组成，通过强迫减速、切断控制回路、切断动力电源三级保护来完成保护功能。本文以下终端保护系统为例进行分析，结果与上终端保护系统相同。 三、控制系统设计三、控制系统设计 3.1 3.1 基础控制系统基础控制系统及开车顺序控制系统及开车顺序控制系统的设计的设计 单部电梯控制总流程图 开始楼层等待是否有外呼信号是否有内呼信号N确认本层 与目标层Y目标层与本层是

13、否相同电梯选向N电梯运行显示电梯 运行方向显示楼层电梯平层电梯开门延时4s是否超重电梯关门故障灯闪烁YYYNN电梯初始化流程图 开始电梯是否触发下端站第一限位电梯下行否电梯是否触发上、下平层传感 器电梯上行是初始化完成是否开关门控制流程图 停层信号到电梯停止电梯开门是否开门到位？延迟4sYN电梯关门是否关门到位？响应信号YN三台电梯群控算法流程图 开始1、2、3梯停在主端站新的厅外信号到来计算候梯时间、乘梯时间、总能耗 计算Si比较S1、S2、S3判断由谁响应有召唤3部电梯在停靠层待命NY3.2 3.2 安全系统的设计安全系统的设计（包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等包括声光报警、安

14、全联锁、紧急停车、安全仪表等功能功能设计设计，并说明，并说明设计设计理由理由） 超重、红外光幕、开门按钮开门流程图 电梯到达 目的层电梯开门是否超重？开门按钮是否 按下？是否有红外光 幕信号？NN开门到位N故障灯闪 烁YYY延时4s电梯关门超重与红外光幕程序图 高低速互锁与上下行指示互锁程序图 在电梯的运行过程中，要考虑乘客的舒适度。速度太快会造成不适，而速度太慢则会增加乘客的候梯时间和乘梯时间。都是不佳的选择。而速度不稳，运行方向不稳更是造成安全隐患。因此需要明确的高低速所和上下指示的互锁，确保乘客安全。 3 3.3 .3 绿色生产、绿色生产、节能减排节能减排降耗方面的考虑降耗方面的考虑 近

15、年来，电梯生产企业加大了技术研发力度， “环保电梯” 、 “绿色电梯”等概念被纷纷提出。但是，电梯的能耗评价缺乏明确的标准，节能指标没有量化，从而导致政府无法从审查和监管的角度对节能电梯进行引导，用户在选择节能电梯上也非常茫然。因此，建立公平有效的电梯能耗评价标准，对帮助用户正确选择节能设备，加强电梯节能引导意义重大。 电梯由于其特殊的曳引式结构，存在待机、驱动、再生（回馈）等三种工况。当电梯静止不运行时为待机工况；当重载上行或轻载下行时，外界的电能通过变频器的整流逆变、曳引机和曳引系统的运作转化为轿厢和货物的位能，为驱动工况；相反的，当重载下行或轻载上行时，轿厢和货物的位能被释放出来，或者通

16、过双向变频器将能量回馈给电网，或者将能量消耗在变频器的制动电阻上，为再生（回馈）工况。 此次考虑中，能耗我们主要考虑电梯的启停次数和电梯的运行距离。而又由于电梯采用对重系统，故电梯的能量消耗主要集中在电梯的启动和停止，因此能量消耗中电梯的停启次数占大多数。因为三台电梯总停靠次数一致，运行距离与策略中候梯时间和乘梯时间并不是简单的函数关系，因此在此次设计中，我们将此部分权重设置为零。 在实际应用汇总，可以根据不同的客流情况来决定三者的权重关系，从而达到既节能有快速响应，服务乘客的目的。 四、系统四、系统设备选择设备选择与系统连接与系统连接 4 4.1 .1 系统设备系统设备选择选择 4.1.1PLC 选型选型 控制器采用西门子引领小型自动化系统的最新产品 S7-1200； 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