基于西門子S7-300PLC的虛擬電梯設計

摘 要 隨著城市現代化進程的飛速推進 ,電梯作為 一種安全，高效，方便的垂直運輸工具已在人們的日常生活中密不可分， 因此 ,設計一種通用性強、可視性好的 PLC 虛擬電梯教學模型勢在必行。 針對電梯運行特點 ,虛擬電梯設計采用了順序控制分析方法和面向對象的模塊化分析設計方法。設計內容包括電梯的控制技術、 PLC 電梯控制程序設 計、虛擬電梯的程序仿真、虛擬電梯的運行監(jiān)控等。設計選用功能強大 先進的西門子 (Siemens)S7-300PLC,西門子S7-PLCSIM 仿真軟件和 WINCC flexible 監(jiān)控軟件來實現電梯的軟 PLC 控制、仿真與監(jiān)控 ,具有良好的教學可視性、實時性。虛擬電梯系統(tǒng)設計以 PLC 控制系統(tǒng)為主要研究對象 ,通過分析研究電梯運行原理 ,控制要求 ,做好 PLC 輸入 /輸出 (I/0)端口配置 ,利用軟 PLC 技術 ,設計出梯形圖 LAD 控制程序 ,并對電梯的開關門控制 ,廳內外召喚登記及消除控制、平層控制、選層及電梯運行過程等進行仿真、監(jiān)控。 虛擬電梯系統(tǒng)設計代替了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng) ,提出了一種新穎的便于教師講授、易于學生編程和調試的控制方法。虛擬電梯系統(tǒng)與電梯物理模型相比 ,充分發(fā)揮了西門子中型PLC 和組態(tài)軟件的強大功能 ,具有較強的靈 活性、可操作性、通用性。教師和學生可以根據教學需要自行開發(fā)電梯控制系統(tǒng) ,體會程序對現場生產設備的控制效果 ,并根據仿真結果不斷修改程序 ,增強 PLC 一體化教學的教學效果 ,提高教學效率和培訓層次。 關鍵詞 :虛擬電梯仿真； S7-300PLC； STEP7； WINCC flexible；監(jiān)控 Abstract With the rapid development of city modernization, the elevator as a safe, efficient, convenient for the vertical transportation tool in peoples daily life are inseparable. Therefore, be imperative to design a kind of strong versatility, good visibility of the PLC virtual elevator teaching model. In view of the operational characteristics of the elevator, the virtual elevator design using modular analysis method and object oriented analysis and design method of sequence control. The design includes the elevator control technology, PLC elevator control program design, virtual elevator program simulation, virtual elevator operation monitoring. Design uses powerful advanced Siemens (Siemens) S7-300PLC, Siemens S7-PLCSIM simulation software and WINCC flexible software to realize the soft PLC elevator control, simulation and monitoring, with visibility, good real-time teaching. Virtual elevator system design based on PLC control system as the main object of study, through the analysis of the elevator operation principle, control requirements, do a good job in PLC input / output (I/0) port configuration, using soft PLC technology, designs the trapezoidal chart LAD control program, and control of the door switch of elevator, hall of call register and remove control, level control, layer selection and elevator operation process simulation, monitoring. Design of virtual elevator system to replace the traditional relay control system, proposes a novel convenient for teachers to teach students, easy programming and debugging control method. Virtual elevator system and elevator model, gives full play to the functions of Siemens medium PLC and configuration software, has strong flexibility, operability, general. Teachers and students can develop the elevator control system according to the needs of teaching, experience of field control effect of production equipment, and modify the program continuously according to the simulation results, enhanced PLC integration teaching effect, improve the efficiency of teaching and training level. Key words:virtual elevator simulation； S7-300PLC； STEP7； WINCC flexible； monitoring 目錄 摘要 . I Abstract . II 目錄 . III 1 緒論 . 1 1.1 虛擬電梯系統(tǒng)的設計背景 .1 1.2 國內外研究現狀及分析 .1 1.2.1 電梯行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 .1 1.2.2 虛擬電梯的優(yōu)勢 .2 1.2.3 設計目的與科研意義 .2 1.3 課題設計 思路及方法 .3 1.4 課題研究內容 .4 2 基于 PLC 控制的虛擬電梯模型的總體設計方案 . 5 2.1 電梯的主要結構及控制技術 .5 2.2 虛擬電梯的控制功能及流程圖設計 .6 2.3 可編程序控制器 (PLC)的硬件實現 .7 2.3.1 PLC 的定義 .8 2.3.2 PLC 的基本結構 .8 2.3.3 PLC 的工作原理 .9 2.3.4 PLC 控制電梯的優(yōu)點 .9 2.3.5 西門子 S7-30OPLC 的系統(tǒng)結構 .9 2.3.6 西門子 S7-300PLC 的 CPU 設計 5 .10 2.3.7 西門子 S7-3OOPLC 的通 信功能 .10 3 虛擬電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計 . 12 3.1 虛擬電梯 PLC 控制系統(tǒng)結構 .12 3.2 電梯控制系統(tǒng)的 I/O 分配 .12 3.3.1 PLC 編程軟件的選擇 .13 3.3.2 STEP7 編程軟件概述 .13 3.3.3 STEP7 的硬件接口 .14 3.3.4 STEP7 與 S7-300PLC 間系統(tǒng)通信 .14 3.3.5 STEP7 與 S7-300PLC 間硬件組態(tài) .15 3.4 虛擬電梯梯形圖程序設計及分析 .15 3.4.1 虛擬電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計要點 .15 3.4.2 平層判斷及電梯運行程序 .15 3.4.3 樓層指示程序 .17 3.4.4 開、關門控制 .18 3.4.5 內、外呼信號登記及消除 .19 3.4.6 選層定向及 反向截梯 .22 3.4.7 電梯故障報警 . 22 4 虛擬電梯系統(tǒng)的仿真設計 . 24 4.1 S7- PLCSIM 仿真軟件的主要功能 . 24 4.2 利用 S7- pLCSIM 仿真、調試電梯控制程序 . 24 4.3 虛擬電梯的監(jiān)控系統(tǒng)設計 . 25 4.3.1 WinCC flexible 人機界面監(jiān)控軟件 . 25 4.3.2 WinCC flexible 監(jiān)控系統(tǒng)設計 . 26 總結 . 30 致謝 . 31 參考文獻 . 32 1 緒論 1.1 虛擬電梯系統(tǒng)的設計背景 隨著城市現代化的不斷推進 ,電梯，一種高效、安全、迅捷的代步升降運輸工具，已經完全融入人們的平時生活。我國的電梯使用史已有 100 年左右 ,同時其使用數量也快速增長 ,據不完全統(tǒng)計 ,我國在用電梯差不多 50 萬臺 ,并且每年有 67 萬臺的增長速度。 目前 ,由于智能控制技術 的發(fā)展，電梯已經從繼電器控制過渡到了 PLC 控制和微機控制。其中 PLC 技術可擴展性強、抗干擾能力強、成本低，既而應用范圍廣泛。而電梯控制也成為各高樓智能控制和工藝控制的典型實例。 現在社會上 PLC 技術方面的人才缺口很大，因此 ,能夠設計出一個易于教師傳授、便于學生學習掌握的 ,另外可視性好、通用性強的 PLC 虛擬電梯教學模板迫在眉睫。同時這樣也可以改善各相關職業(yè)院校的教學模式，促進其一體化教學的發(fā)展 ,提升培訓層次及教學效率。 1.2國內外研究現狀及分析 1.2.1 電梯行業(yè)的發(fā)展現狀和趨勢 (l)電梯控制技術方面 網絡化、智能化、人性化 ； CPU 采用高位數 ,電梯信號的處理和速度增強 ； 專家控制和模糊邏輯應用到了電梯群控系統(tǒng)中 ,精度和效率被相應提高 ；電梯的各種選擇功能在不斷增加和擴展 ,目前可以選用的電梯功能預計達到 5080 種之多 ,這樣電梯轎廂色調、造型的藝術化、多樣化就展現出來了 ,并與建筑物完美巧妙的融成一體。 (2)曳引機技術方面 伴隨機械加工水平的提高 ,有齒輪曳引機從傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動慢慢被行星式齒輪傳動與高精度硬齒面圓柱齒輪傳動替代 ,這樣就有利于曳引機體積縮小、傳動效率和承載能力提高。 (3)電梯拖動技術方面 電梯拖動技術有明顯的發(fā)展 ,直流電梯的缺點是維修量大、能耗大 ,所以慢慢被交流電梯替代 ,液壓電梯運行平穩(wěn)、機房位置靈活 ,在低樓層場所應用廣泛。交流拖動電梯更是迅速的發(fā)展 ,已從變級調速 (AC-VP)發(fā)展成調壓調速 (AC-VV)以及調頻調壓調速 (AC-VVVF),如此一來電梯的速度、加速度控制就更符合人的各種生理要求 ,其給人的舒適感也相應改善了許多。 (4)電梯安全設計及安裝監(jiān)督方面 作為高樓里唯一的代步運輸工具 ,電梯肯定是必不可少的 ,很顯然人們就會非常關注它的壽命、穩(wěn)定性和安全性。因此 ,著名的奧的斯電梯公 司想出了“電梯全過程綠色化”方案來解決，電梯從設計、制造、安裝、維護及更新改造各個環(huán)節(jié)都充分考慮到了節(jié)能和環(huán)保因素。自研發(fā)開始 ,就盡量選擇綠色環(huán)保材料 ,設計最低能耗的動力系統(tǒng)及更節(jié)省空間的布局 ,確保部件測試與系統(tǒng)集成在嚴格的考量和認證下合格 ；安裝環(huán)節(jié)中 ,采用無腳手架安裝方法，這樣節(jié)省空間也節(jié)省原材料，同時還保證了電梯在安裝方面的質量乃至安全。 (5)電梯裝潢方面 電梯轎廂裝潢采用新穎的裝潢材料 ,如涂塑鋼板、鋁鋼復合材料、鋼化玻璃和各種類型石材、木材等 ,還有特殊的表面處理工藝、噴塑工藝、油漆工藝及鑲拼貼裝工藝 等。轎廂的造型和照明設計、操縱箱設計和轎廂層樓顯示設計等逐漸向藝術化、人性化發(fā)展。 (6)電梯教學模型方面 現在很多廠家經營教具與教學專用設備的生產加工 ,物理電梯的教學模型主要是 3 至4 層的 PLC 控制柜模型。有的電梯模型上設置了低壓電器、變頻器、機械等常見的多項故障實驗給學生動手實訓。但是這些物理電梯的教學模型成本都相當昂貴 ,正常在40000-90000 元之間 ,性價比不高。而且這些模型普遍缺少計算機控制、軟件監(jiān)控、系統(tǒng)通訊、實訓項目拓展等一系列功能。所以物理電梯模型的發(fā)展差不多已跟不上職業(yè)教學培訓要求 ,研發(fā)新型的 電梯模型有著光明的前景 19。 1.2.2 虛擬電梯的優(yōu)勢 伴隨計算機技術的發(fā)展 ,人們開始利用計算機軟件模擬實際的物理模型?！疤摂M模型”其實是以計算機技術為基礎 ,輔以數字接口技術 ,對某個模型進行研究和利用。軟 PLC 技術是一項基于 IPC(工業(yè)控制計算機 )或 EPC(嵌入式計算機 ) 的 控制技術，其在當下工業(yè)自動化領域正逐漸興起。所謂軟 PLC 其實就是以 PC 機為硬件支持 ,通過軟件來完成 PLC 基本功能 ,提供發(fā)散的體系結構。遵循國際工業(yè)標準 ,支持多種語言 (包括高級語言 )編程 ,能夠開發(fā)各種用戶所要的功能（塊 ） ,有較高兼容 /靈活性 ,而且具備離線仿真及在線遠程監(jiān)控功能。 1 虛擬電梯系統(tǒng)指將計算機和 PLC虛擬為一臺實際運行的軟 PLC控制的電梯 ,計算機結合組態(tài)軟件設計出動畫界面 ,顯示電梯的轎廂和井道并模擬電梯的運行 ,同時把信號傳送到PLC 控制器。 PLC 控制器運行控制程序 ,通過通訊程序把控制結果傳到計算機 ,虛擬電梯根據傳來的控制信號進行電梯的運行和相關信息指示 , 實際電梯的各種運行狀態(tài)和故障狀態(tài)也在模擬的范疇。 虛擬電梯系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電梯物理模型及繼電器控制的電梯系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢，如技術先進性、演示可視性、實用操 作性等。 通過以上的分析比較 ,虛擬電梯系統(tǒng)的優(yōu)勢顯而易見 ,既有先進教學設備所需要的低成本、高性能、易操作、易擴展的特點 ,又有可靠的控制技術、靈活的編程方法、實時的監(jiān)控功能等 ,是一體化教學的典型實例 ,是教學模型設計的典范 ,在職業(yè)技術教育中具有巨大的推廣空間。 1.2.3 設計目的與科研意義 1.設計目的 選用功能強大、先進的西門子 (Siemens)S7-300PLC 及 STEP7 編程軟件、西門子S7-PLCSIM(Simulating Modules)仿真軟件和 WINCC flexible 組態(tài)軟件來實現電梯的軟PLC 控制、仿真與監(jiān)控可以彌補物理電梯模型和繼電器控制的電梯系統(tǒng)的不足。使 PLC控制技術、計算機仿真技術、通信技術緊密結合 ,設計一個完整的 PLC 虛擬電梯教學模型，包括了軟硬件組態(tài)、控制程序、仿真監(jiān)控。 2.科研意義 虛擬電梯的設計與仿真 不受 PLC 硬件的限制，只要 PLC 設計仿真軟件，在電腦上選 擇 PLC 型號，以及合理的硬件配置，可以決定一個實際的 PLC 同等功能的虛擬 PLC，提升程序運行調試。 PLC 軟件提供 了 非常有效的調試工具 和 手段 及 完美的虛擬環(huán)境，如單步操作，模塊化操作，設計斷點，動畫界面配置，可以縮短設計和 開發(fā)時間，加快項目進度，降低成本。 電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)是電梯控制領域的先進技術，是一種全新的服務理念，新的發(fā)展思路 。 為電梯制造單位，維護單位和使用 單位提供了 集中 管理 的有力手段 。用 WINCC flexible監(jiān)控軟件來模擬人機界面控制 、進行 動畫監(jiān)督， 顯示出人性化、可視化的一面，另外 人工智能技術應用到電梯 上更為 電梯控制技術的發(fā)展方向提供了新的途徑。電梯出現故障，電梯用戶可以 利用 可視化的人機界面選擇電梯 的 呼叫操作，監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)，監(jiān)控設備會自動撥號進入電梯遠程監(jiān)控服務中心，服務人員通過計算機屏幕知道電梯的問題 ，假以時日，以避免傷害事故。遠程監(jiān)控服務中心一直監(jiān)視 所 維 護 的電梯，可以隨時知道運行狀態(tài)的電梯發(fā)生故障，維修人員維修前 就可以 知道所需的維修工具和備件，降低維修服務 費用 和時間。這種監(jiān)控技術，贏得了信任，這也將成為中國電梯行業(yè)的技術研究和發(fā)展的一個重要方向。 1.3 課題設計思路及方法 虛擬電梯系統(tǒng)采用橫向科學研究中的系統(tǒng)科學方法進行分析、設計 ,其以實驗 /文獻研究法為主 , 實地觀察法及社會調查法為輔。把面向對象的程序設計方法視為主導 ,配合功能強大的西門子 S7-30OPLC 的編程方法、組態(tài)方法進行程序設計及人機界面 監(jiān)控。 面向對象編程思想是對問題進行自然分割 ,從更貼近人的思維的角度去建立模型 ,使設計出的軟件盡可能直觀的描述現實世界 ,其本質是一種圍繞真實世界的概念來建立模型的程序設計方法。 采用面向對象編程的方法對 PLC 控制系統(tǒng)進行計算機軟 PLC 仿真 ,既可以減少成本 ,也可以降低故障發(fā)生的幾率 ,還可以進行故障模擬試驗 ,這樣在電梯實際使用 PLC 控制時可以安全地運行 16。 虛擬電梯系統(tǒng)的研究和實施可利用單位現有的西門子設備和計算機網絡 ,選擇通用成熟的技術體系為實現手段 ,以確保模型的正常運行。靈活運用理論知識、編程經驗 ,建立 完整的程序設計、軟件仿真、數據監(jiān)控、人機界面的實施流程 ,填補了教學缺口 ,可行性較強。 圖 1.1 設計流程圖 1.4 課題研究內 本課題在了解電梯控制技術以及虛擬電梯特點的基礎上 ,選擇西門子中型 PLC 及其編程、仿真、組態(tài)軟件 ,研究 出四層虛擬電梯系統(tǒng) ,如下為主要內容 : (1)根據四層虛擬電梯系統(tǒng)的控制要求來總體設計 ,包括有電梯結構和控制功能分析、 PLC 選擇、系統(tǒng)流程圖設計等。 (2)進行 PLC 系統(tǒng)配置 ,I/O 點數分配 ,選擇 STEP7 編程軟件進行硬件組態(tài) ,編制四層虛擬電梯控制程序 ,分析主要程序。 (3)利用 S7-PLCSIM 仿真軟件對四層虛擬電梯仿真模擬 ,用 WINCC flexible 組態(tài)軟件進行監(jiān)控設計 ,實現上位機對電梯系統(tǒng)的實時監(jiān)控、運行仿真。 2 基于 PLC控制的虛擬電梯模型的 總體設計方案 2.1 電梯的主要結構及控制技術 電梯是機電一體化結合的典型產品 ,也是樓宇智能控制的典型實例。機械系統(tǒng)相當于人的軀干 ,電氣系統(tǒng)相當于人的神經 ,機電緊密結合就可保證電梯高效、安全、迅捷地運行。 1.電梯的機械系統(tǒng) 電梯的機械系統(tǒng)由機房、井道、轎廂和門系統(tǒng)四部分構成。 【 2】 (1)機房內裝有電梯的動力源曳引機、極限開關、限速器、控制 &信號柜、選層器、電源接線板及排風照明裝置等。這里相當于電梯的心臟和指揮中心。 (2)井道顧名思義，就是提供電梯運行的通道 ,內設有導軌、導軌支架、對重裝置、緩沖器、隨行 電纜、平衡鏈、極限開關、端站限位開關等。 (3)轎廂是乘人 /運貨的廂體 ,主要由轎頂輪、轎廂架、轎廂底、轎廂門、自動門機構、自動安全觸板、平層感應器、護腳板、導靴、對重、電話、繩頭板構成。 (4)門系統(tǒng)包括廳門、召喚按鈕盒、樓層顯示裝置、轎門、門機以及門鎖聯動裝置。 2.電梯的電氣控制系統(tǒng) 電梯的控制技術主要包括 PLC 控制技術和微機控制技術配合交流變頻變壓 (VVVF)控制技術。 PLC 控制技術成本低、通用性好、開發(fā)周期短、擴展性好、維護簡單、網絡通信功能強 ,漸漸成為在現代化建筑中電梯控制系統(tǒng)的主流。微機控制技術 采用微機作為信號控制單元 ,完成電梯信號的采集、運行狀態(tài)和功能的設定。且微機控制是電梯控制技術的發(fā)展方向，但是微機控制同樣有缺陷 ,比如說成本高、抗干擾能力差、系統(tǒng)設計復雜、對維修技術要求高 ,也不太適合用在電氣專業(yè)方面的教學。 電梯 PLC 控制系統(tǒng)由邏輯部分和調速部分（變頻器控制的）組成如圖 2.1 所示。變頻器直接控制曳引電動機的運行 ,而 PLC 提供變頻器的輸入控制信號。系統(tǒng)邏輯部分由PLC 控制 ,PLC 接收呼叫信號、系統(tǒng)的功能信號及井道和變頻器的狀態(tài)信號 ,由程序運算判斷來完成電梯的集選控制。 PLC 在輸出顯示和監(jiān)控信號 的同時 ,根據隨機邏輯控制的要求 ,向變頻器發(fā)送啟動、運行方向、加 /減速和制動等信號。調速部分由變頻器根據一定的控制規(guī)律和算法來控制 ,利用光電編碼器測量曳引機的轉速 ,構成閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。 3 (PG是光電編碼器 ) 圖 2.1 電梯控制系統(tǒng)結構框圖 3.電梯的安全保護系統(tǒng) (1)光幕 /安全觸板保護 在關門過程中安全觸板或者光幕動作時 ,停止關門 ,并執(zhí)行開門指令 ,梯門開到位后再重新開始關門 ,門緊閉后 ,門鎖信號為 0N,轎廂方可以開始運行；倘若安全觸板或光幕動作一直在就不執(zhí)行關門輸出指令；另外在檢修狀態(tài)下光幕無效。 (2)限位保護 當轎廂到達端站平層位置仍沒停下來 ,限位開關就瞬間動作 ,切斷電源并且制動強迫使其停下。 (3)緩沖器制停保護 在井道的頂部、底部裝有極限開關 ,當轎廂經過端站未減速時 ,轎廂上的撞塊便會觸動極限開關 ,切斷曳引機電源 ,曳引機制動器隨即動作至電梯減速制停。若轎廂還沒有停下 ,便會碰到緩沖器 ,使轎廂漸漸轉為靜止狀態(tài) ,同理井道頂部的緩沖器具有同樣的性能。 (4)超載保護 電梯若超載便不執(zhí)行關門及運行指令 ,并且還會輸出超載信號警報 ,超載消失就自動恢復常態(tài)。 (5)安全鉗保護 安全鉗裝置是在限速器的動作下 ,使轎 廂緊急制動在導軌上的安全裝置。它是電梯安全系統(tǒng)中提供最后保護的裝置之一 ,當其他所有安全裝置失效并導致電梯高速墜落時 ,限速器便會帶動安全鉗使轎廂有效制停，確保乘客和設備的基本安全。 2.2 虛擬電梯的控制功能及流程圖設計 虛擬電梯控制系統(tǒng)根據電梯的運行要求 ,采用西門子 STEP7 編程軟件來進行模塊化編程。其中包括如下程序模塊 : (1)選向 廳外有傳喚按鈕 ,轎廂內有樓層選擇按鈕與門開關按鈕（均有按鈕指示燈）；根據傳喚指令發(fā)出的位置和實際電梯所在的位置決定電梯的運行走向 ,符合順向截梯規(guī)則；響應后 ,自動把此次傳喚指令 的記憶清零。 (2)平層停車 平層的意思就是在停車時 ,轎廂底與門廳“地平面”平齊。轎廂根據傳喚指令發(fā)出的位置 ,自動在目標平層停下 (平層感應器一般裝在轎廂頂部 ,隔磁板則裝在井道壁上。向上運行時 ,上平層感應器先插入隔磁板 ,發(fā)出減速信號 ,電梯開始減速 ,直至下平層感應器插入隔磁板 ,發(fā)出停車開門信號 ,電動機立刻停轉抱死；向下運行時同樣的道理 )。 (3)開 /關門控制 電梯門有轎廂門與廳門之分 ,轎廂門由電機拖動 ,廳門則由轎廂門帶動 ,當轎廂在平層停車后自動開門 ,開門后片刻如果沒有人踏入便自動關門；但是關門過程中 ,如有人按下 開門按鈕或者遮擋光幕則又會跳到開門狀態(tài)；門完全關閉后 ,門鎖信號為 0N,轎廂方可向上 /下運行。 (4)電梯運行 PLC對輸入信號進行實時采樣和邏輯運算后 ,將結果發(fā)送給變頻器 ,變頻器再控制曳引 機的電動機加減速與正反轉 ,由此實現電梯的上下運行。 (5)檢修狀態(tài) 電梯檢修時 ,檢修盒里的向上、向下按鈕可以使用 ,使電梯以檢修速度運行 ,但是呼叫和開 /關門指令不可響應。 (6)消防狀態(tài) 當消防開關閉合后電梯會隨即清零所有內外召喚指令 ,自動返回消防基站長開門并處于停用狀態(tài)，若電梯正在運行，就近平層不開門，一樣立即返回基站保持 長開門。 根據虛擬電梯系統(tǒng)的控制功能要求 ,設計流程如圖 2.2 所示。 圖 2.2 虛擬電梯控制主程序 2.3 可編程序控制器 (PLC)的硬件實現 PLC 是主要涉及邏輯控制的微型計算機系統(tǒng)。在性能、抗干擾能力等方面優(yōu)勢突出，因此廣泛應用于工業(yè)控制領域。自 PLC 技術引入我國以來 ,由 PLC 組成的控制系統(tǒng)已經被很多制造廠家（包括電梯制造廠家）采用 ,甚至慢慢形成各種系列的定型產品。 2.3.1 PLC的定義 可編程控制器 (Programmable logic Contro11er)是以計算機技術為基礎的新型控制裝置。在 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下相關定義 : “PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器 ,用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令 ,并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出 ,控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體 ,易于擴展其功能的原則而設計?！?PLC 技術與 CAD/CAM 技術、機 器人技術并稱為現代工業(yè)技術的三大支柱。 2.3.2 PLC的基本結構 圖 2.3 整體式 PLC 的基本結構 (1)中央處理器 (CPU) CPU 是控制器、運算器和寄存器集成在一起的一個芯片。 CPU 通過數據總線、地址總線、控制總線和電源總線與存儲器、輸入輸出接口、編程器和電源相連接。 (2)存儲器 PLC存儲器主要存放系統(tǒng) &用戶程序與數據等。包含系統(tǒng)存儲區(qū) (采用 ROM、 EPROM、E2PROM、 FLASH 等 )、用戶存儲區(qū) (采用隨機存取存儲器 RAM)。 (3)I/O 接口 輸入輸出接口是 PLC 與工業(yè)現場控制或檢測元件 和執(zhí)行元件連接的接口電路。 PLC的輸入接口采集檢測元件輸入的各種控制信號 ,如限位開關、操作按鈕、選擇開關以及其 他一些傳感器輸出的開關量或模擬量等 ,通過輸入接口電路將這些信號轉換為 CPU能夠識別和處理的信號。輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出、繼電器輸出等。輸出接口電路將CPU 送出的弱電控制信號轉換為現場需要的強電信號輸出 ,以驅動電磁閥、接觸器等設備的執(zhí)行元件。 (4)編程器 編程器的作用是把用戶編寫的程序下載至 PLC 的用戶程序存儲器 ,并利用編程器檢查、修改和調試用戶程序 ,監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行過程 ,顯示 PLC 狀態(tài) 、內部器件及系統(tǒng)的參數等。 (5)電源 PLC 電源為各模塊的集成電路提供工作電源。電源輸入類型有 :交流電源 (220VAC 或1IOVAC),直流電源 (常用的為 24VAC)。 (6)人機界面 最簡單的人機界面是指示燈和按鈕 ,目前液晶屏 (或觸摸屏 )式的 操作員終端應用越來越廣泛 ,由計算機 (運行組態(tài)軟件 )充當人機界面非常普及。 2.3.3 PLC的工作原理 （ 1） PLC 的工作方式 :以集中輸入、集中輸出 ,周期性循環(huán)掃描的方式工作。 （ 2）工作過程 :包括 上電處理、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新、通信處理 等 4。 2.3.4 PLC控制電梯的優(yōu)點 早期的電梯控制系統(tǒng)中的邏輯控制由繼電器 -接觸器控制電路實現 ,但是這種控制系統(tǒng)結構復雜、可靠性不高、通用性不強、擴展能力差。隨著計算機技術、通信技術、 PLC控制技術的不斷發(fā)展 ,PLC 控制電梯由于成本低、安全性高、通用性好、功能強、開發(fā)周期短、維護方便、網絡通信功能強大 ,很快成為了現代高樓中、小型電梯控制系統(tǒng)的主流。并且 PLC 控制電梯是樓層間智能控制、工藝過程控制的典例 ,屬于職業(yè)教育需求的范疇。 2.3.5 西門子 S7-30OPLC的系統(tǒng)結構 圖 2.4 S7-300PLC 系統(tǒng)結構 圖 西門子 S7-300PLC 的硬件系統(tǒng)結構如圖 2.4 所示 ,圖示反映了 PLC 各個硬件組成部分 的具體位置和通信連接方法。由圖看出 ,西門子 S7-30OPLC 采用緊湊的、無槽位限制的模塊結構 ,電源模塊 (PS)、 CPU 模塊、信號模塊 (SM)、功能模塊 (FM)、接口模塊 (IM)和通信處理器 (CP)都安裝在 DIN 標準導軌上。電源模塊總安裝在機架最左邊 1 號槽位 ,CPU 模塊在 2 號槽位 ,如果有接口模塊 ,則放在 3 號槽位。信號模塊與通信處理模塊可不受限制地插到 4 至 11 號任何一個槽位 ,系統(tǒng)自動分配模塊地址。每個機架頂多可安裝 8 個信號 模塊、功能模塊或通信處理器模塊 ,最多能增加 3 個擴展機架 (ER)6。 虛擬電梯設計中用到了電源模塊 (PS)、 CPU 模塊、通信處理器 (CP),因此只要對這三個模塊的相應槽位組態(tài) ,具體組態(tài)步驟見“ STEP7 與 S7-300PLC 間硬件組態(tài)”內容。 2.3.6 西門子 S7-300PLC的 CPU設計 5 1.CPU 設計 (1)模式選擇器 : MRES=模塊復位功能； STOP=停止模式 ,程序不執(zhí)行； RUN=程序執(zhí)行編程器只讀操作； RUN-P=程序執(zhí)行 ,編程器可讀寫操作。 (2)狀態(tài)指示器 :SF,BATF=電池故障； DC5V=內部 5V DC 電壓指示； FRCE=表示至少有一個輸入或輸出被強制； RUN=當 CPU 啟動時閃爍 ,在運行模式下常亮； STOP=在停止模式下常亮 ,有存儲器復位請求時慢速閃爍 ,正在執(zhí)行復位時快速閃爍。 (3)MPI 接口用來連接到編程設備或其他設備 ,DP 接口用來直接連接到分布式 I/O。 2.CPU 的存儲區(qū) (1)裝載存儲器 : 它是一個可編程模塊 ,包括建立在編程設備上的裝載對象 (邏輯塊、數據塊和其他信息 ),它可以是存儲器卡或內部集成的 RAM。存儲器卡一般有兩種 ,其中 ,采用 RAM 存儲器卡時 ,系統(tǒng)須配備電池 ,當采用 Flash EPROM存儲器卡時 ,則斷電也不會丟失 ,但內部 RAM中的數據仍要電池保持。 (2)系統(tǒng)存儲器 : 包括過程映象輸入和輸出表 (PII,PIQ),位存儲器 ,定時器 ,計數器和局部堆踐。保持存儲器是非揮發(fā)的 RAM,在沒有安裝后備電池的情況下也能用來保持一些數據 ,設置 CPU 參數時要指定保持的區(qū)域。 (3)工作存儲器僅包含在運行時間使用的程序和數據 ,RAM 工作存儲器集成在 CPU 中 ,通過后備電池來保持。 2.3.7 西門子 S7-3OOPLC的通信功能 西門子 S7-300PLC 系統(tǒng)