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

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：参赛学校名称：2015年6月28日一、方案设计依据、范围及相关标准1、方案设计依据（1）全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛逻辑控制赛项高校组初赛赛题及初赛细则；（2）六层电梯逻辑控制仿真及设备用户手册等；（3）SIMATICS7-1200使用手册及产品目录。2、方案设计范围本逻辑控制功能包括：六层电梯的单部电梯基本功能（集选控制、开关门控制、错误指令消除、开门延时/关门保护、待载休眠），单部电梯运行（异常）状态监测（超载保护、终端越程保护、开关门保护、运行保护），集群电梯的群控实现等。并在SIMATICS7-1200PLC上完成控制算法组态及SIMATICWINCC上完成监控环境组态，建立PLC和WINCC之间的通讯连接。方案设计相关标准(1)GB/T30560-2014《电梯操作装置、信号及附件》；(2)GB/T30977-2014《电梯对重和平衡重用空心导轨》；(3)GB/T24803.2-2013《电梯安全要求第2部分:满足电梯基本安全要求的安全参数》；(4)GB24803.1-2009《电梯安全要求第1部分:电梯基本安全要求》；(5)GB/T10058-2009《电梯技术条件》；(6)GB/T24478-2009《电梯曳引机》；(7)GB/T31200-2014《电梯、自动扶梯和自动人行道乘用图形标志及其使用导则》；(8)GB/T24474-2009《电梯乘运质量测量》；(9)DB31/T543-2011《在用电梯运行能效评价及测试方法》；(10)DB13/355-1998《电梯安全技术检验》；(11)DB50/T539-2014《曳引与强制驱动电梯自检规则》；(12)DB32/T2668-2014《电梯应急救援规范》；(13)DB32/T2670-2014《电梯安全技术评价规范》；(14)DB62/T2451-2014《在用电梯安全评价规范》；(15)KSB6884-2001《电梯用安全极限开关》。二、系统分析（包括甲方需求分析、对象特性分析、系统安全分析等）1、甲方需求分析（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。具体地，应包含但不限于如下功能：1）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操纵箱上的选层按钮信号，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指令信号后，停在最后一次运行的目标层待命。2）开关门控制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，轿门自动打开。如果按住按钮不放，门保持打开。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。3）错误指令消除当电梯到达最远层站将要反向时，原来所有后方登记的指令全部消除。连按2次错误指令的按钮，该等级的信号就被取消。4）开门延时/关门保护无司机运行时，电梯到站自动开门后，延时若干时间自动关门。在关门过程中，当安装在轿厢门口的光电信号或机械保护装置探测到有人或物体在此区域时，立即重新开门。5）待载休眠电梯无指令时或外登记超过一段时间后（此时间可通过参数调整），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。具体地，应包含但不限于如下功能：1）超载保护轿厢载荷超过设定值时，电梯不响应沿途的层站召唤，按登记的轿内指令行使。电梯超载时，轿内发出音频或视频信号，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（该时间可设定）后，尚未使门锁闭合，电梯就会转换成开门状态。如果电梯在持续开门一段时间（时间可调整）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。在非检修状态，电梯运行过程中，如果连续运行了运行时间限制器规定的时间后，其中没有平层开关动作过，系统就认为检测到钢丝绳打滑故障，所以就停止轿厢的一切运行，直到断电复位或转到检修状态时，才能恢复正常运行。（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。2、对象特性分析在电梯运行曲线中的启动段是关系到电梯运行舒适感指标的主要环节，而舒适感又与加速度直接相关，对于电梯控制系统来说，由电动机的力矩方程式可知加速度的变化率反映了系统动态转距的变化。故在此段采用加速度的时间控制原则，当启动上升段速度达到稳态值的90%时，将系统由加速度控制切换到速度控制，因为在稳速段，速度为恒值控制波动较小，加速度变化不大，且采用速度闭环控制可以使稳态速度保持一定的精度，为制动段的精确平层创造条件。其理想速度曲线如附图。图1理想速度曲线在系统的制动段，既要对减速度进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按电梯运行的速度和距离的关系来控制，以保证平层的精度。在系统的转速降至120r/min之前，为了使两者得到兼顾，采取以加速度对时间控制为主，同时根据在每一制动距离上实际转速与理论转速的偏差来修正加速度给定曲线的方法。电梯的运行是通过轿厢和楼层的输入信号及行程信号进行控制的。系统接收输入信号后输出一个信号来对电梯进行运行控制。由于输入信号是随机的，所以控制系统采用随机逻辑控制。当系统接收一个输入信号后，以逻辑控制为基础，根据电梯的运行状态对不同的输入信号做出相应的反应来控制电梯的下一步运行。3、系统安全分析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。而近来网络上接二连三出现的电梯故障致人死亡的事故，更把人们的目光聚集在了电梯的安全问题上。电梯安全系统一般由机械安全装置和电气安全装置两大部分组成，但是机械安全装置往往也需要电气方面的配合的联锁，才能保证电梯安全运行。梯的安全性除了在结构的合理性、可靠性，电气控制和拖动的可靠性方面充分考虑外，还针对各种可能发生的危险，设置专门的安全装置。1）防超越行程的保护为防止电梯由于控制方面的故障，轿厢超越顶层或底层端站继续运行，必须设置保护装置以防止发生严重的后果和结构损坏。防止越程的保护装置一般是由设在井道内上下端站附近的强迫换速开关、限位开关和极限开关组成。防止越程的保护装置只能防止在运行中控制故障造成的越程，若是由于曳引绳打滑、制动器失效或制动力不足造成轿厢越程，该保护装置无能为力。2）防超载运行保护电梯在运行时，能承受的重量是一定的，如果电梯超载运行，将会对乘客安全造成很大的风险。所以在系统控制设定时，当电梯的承受重量达到一定值时，电梯将不会再对乘客的输入信号做出响应只执行原有指令，如果电梯的承受重量超过电梯所能承受的最大重量时，系统会发出超载信号，电梯将不会启动并发出警报，直到重量恢复到范围内才能继续运行。3）层门、轿门门锁电气联锁保护确保门不可靠关闭电梯不能运行。电梯在运行时为了保证乘客安全，系统不允许在门区外开门，防止乘客在电梯运行时因出轿厢范围而发生意外。在电梯运行时如果平层信号一直没有动作过，则不能反映外界的输出响应，此时系统将默认为钢丝绳打滑故障，所以电梯不能继续运行，需要断电复位或者转到检修状态时，电梯才能恢复正常运行。保证门在关闭过程中不会夹伤乘客或货物，关门受阻时，保持门处于开启状态。4）报警和救援装置电梯发生人员被困在轿厢内时，通过报警或通信装置应能将情况及时通知管理人员并通过救援装置将人员安全救出轿厢。报警装置：电梯必须安装应急照明和报警装置，并由应急电源供电。救援装置：电梯困人的救援以往主要采用自救的方法，即轿厢内的操纵人员从上部安全窗爬上轿顶将层门打开。随着电梯的发展，无人员操纵的电梯广泛使用，再采用自救的方法不但十分危险而且几乎不可能。因此现在电梯从设计上就确定了救援必须从外部进行。救援装置包括曳引机的紧急手动操作装置和层门的人工开锁装置。三、控制系统设计（包括控制逻辑、控制回路、控制算法等的选择，开机、停机等控制逻辑以流程图表达）1、控制逻辑电梯在1楼？上行显示2～6楼有召唤?电梯上行YYY电梯停在1楼等待召唤电梯停在m楼？电梯上行显示?(m+1)～6楼有召唤?电梯上行YYY1～（m-1）楼有召唤?电梯下行下行显示电梯停在m楼等待召唤(m+1)～6楼有召唤？电梯上行上行显示1～（m-1）楼有召唤?电梯下行显示?电梯下行YYYYNNNNN电梯在6楼下行显示1～5楼有召唤？电梯下行电梯停在6楼等待召唤YYN(1m6)N-2、控制回路上电是否外部呼叫等待目标层与本层是否同是否内部呼叫电梯选向电梯是否上行是否目标层平层检测开关门程序电梯是否下行制动停车楼层显示电梯下行程序电梯上行程序门安全信号结束初始化四、控制系统选型与系统连接1、系统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S7-1200CPU的功能，因而能够灵活地满足您的自动化需要：●CPU：CPU1214CDC/DC/DC75KB工作存储器；24VDC电源，板载DI14x24VDC漏型/源型，DQ10x24VDC和AI2；板载6个高速计数器和4路脉冲输出；信号板扩展板载I/O；多达3个通信模块可用于串行通信；多达8个信号模块可用于I/O扩展；0.04ms/1000条指令；PROFINET接口用于编程、HMI和PLC间通信。●信号板:AQ1x12位；插入式端子排；输出：+/-10V，0到20mA；可选择诊断；可选择输出替代值。●电池板:6EP1333-3BA00120/230V~500V50/60HZ。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。●CM1243-5通信模块，用于将SIMATICS7-1200连接到PROFIBUS，DP主站，PG/OP通信，S7通信。2、系统连接五、实施效果5.1操作说明5.2监控画面（包括数据显示、趋势显示、操作报警等）5.3响应曲线及性能分析六、经济效益分析随着经济与人口的发展，建筑越来越高，而电梯则成为了高层住宅中极为重要的机电设备之一，它是高层住宅的主要垂直交通工具。电梯设备不但费用昂贵；而且电梯交通系统的设计是否合理还将直接影响建筑的使用安全和经营服务质量以及经济效益。近年来，随着地产业的发展，电梯的需求量越来越大，电梯产业逐渐升温，而电梯行业则顺带大有前景广阔的趋势，而对电梯的经济性提出了更高的要求。本设计采用PLC（即可编程控制器）控制电梯的运行，相比于传统的继电器控制方式，PLC具有可靠性高、体积小、抗干扰能力强、编程简单、维修方便、功耗低、控制功能完善、通用性强等特点。在采用PLC控制方式控制时，可以实现各种特殊控制的要求，只需要改变程序就可适用于各种生产过程。在维修时通过更换各种模块就可以迅速排除故障，而且PLC还具有自诊断、故障报