2021年智能制造工程设计与应用类赛项：离散行业自动化方向（2）-项目方案设计书

“西门子杯”中国智能制造挑战赛
智能制造工程设计与应用类赛项：离散行业自动化方向
工程设计文件

一、方案设计依据、范围及相关标准

1.1 方案设计依据

  本方案是针对以西门子S7-1200系列PLC为控制系统，三部十层的电梯仿真模型为被控对象。在查阅近几年基于PLC控制电梯系统的文献，研究了文献中所使用的控制技术方案，完成对单部电梯的控制设计后，采用基于调度原则的群控算法，最短候梯时间，接受每台电梯发出的呼梯信号，通过计算每台电梯所需时间，选择时间最短的电梯去接送。该群控算法实现相较于其他群控算法实现简单、开发周期短、控制效果好，能够很好的满足载客人数、乘客平均候梯时间、乘客平均乘梯时间及系统整体能耗等设计要求。

1.2 方案设计范围及相关标准

  本方案设计范围：首先，设计单部十层电梯的运行控制策略，完成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。其次，设计三部十层电梯实施联合控制，满足常用不同场景下（如上下班高峰期，午餐高峰期，楼层分区等）集群电梯的控制策略切换。最后，设计出一个WINCC监控画面，实现对电梯运行状况的实时监控包括了监控画面的总体结构、各个画面的切换关系、监控画面能够实时显示现场实际运行状态数据等。
  本方案设计相关标准：主要是基于中华人民共和国国家标准GB 10058-88《电梯技术条件》。该标准规定了各类电力拖动电梯的技术要求和产品质量要求，适用于乘客电梯、病床电梯、载货电梯。该标准的技术要求中，由于我们采用的是电梯仿真模型就无需考虑电梯的原材料、制造规格等。在该标准下，本方案的技术要求部分如下：
  1、当电源为额定频率、电机施以额定电压时，电梯轿厢在半截向下运行至行程中段（除去加速和减速段）时，应不超过额定速度的5%。
  2、各类电梯平衡系数为40%-50%。
  3、电梯的安全设施应有：超速保护装置、撞底缓冲装置、超越上下极限工作位置时的保护装置等。
  4、信号显示应明亮，标志应清晰。
  5、轿厢只能在锁紧元件啮合至少为7mm时才能启动。

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）

2.1 甲方需求分析

  甲方需求是要求以西门子 S7-1200 系列 PLC 为控制系统，电梯仿真模型为被控对象，完成单部电梯、电梯群控、WINCC监控画面的任务，其甲方的具体要求是如下：
1.单部电梯任务
　　1）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。功能描述如下：
　　①电梯初始化
　　开始时，电梯模型会给出自动运行信号示意开始，控制程序需要在收到该信号后，进行必要的初始化工作，并返回准备就绪信号以确认。例如，使电梯位于基站（即一层）待命。
　　②集选控制
　　集选控制是指集合呼叫信号，选择应答控制。例如，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。此外，还可根据电梯类型、速度的不同，自适应地调整电梯的应答响应策略。
　　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。例如，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，且此时间可修改；在持续按住开门按钮时，电梯门延时关闭功能失效。
　　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运行监控
　　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来判断是否进入轿厢。仅当无呼叫指令时，运行方向指示无指向。
　　⑥错误指令消除
  针对选层指令中可能存在的人为误操作进行相应的优化。例如，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；禁止反向登陆，即：电梯上行过程中，如电梯运行超过了三层，则此时轿厢内三层以下的选层按钮均不响应。
  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）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。当有出现异常状态时，输出信号至故障指示灯。功能描述如下：
  ①超载保护
  电梯超载时，故障指示灯闪烁，并保持开门状态，电梯不允许启动。
  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，尚未收到开门到位信号，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，在门区外或电梯运作中，设定电梯不能开门。
2.电梯群控
　　针对多部多层电梯实施联合控制，满足常见不同应用场景下（如上下班高峰期，午餐高峰期，楼层分区等）集群电梯的控制策略切换。一般地，至少需要考虑以下几个因素：载客人数、乘客平均候梯时间、乘客平均乘梯时间及系统整体能耗等。
3.WINCC监控画面
  WINCC监控页面要求为全屏幕模式，配色温和（以浅色、中性色为主），重要事件应使用对比强烈的颜色（如红色、黑黄色、闪烁提示）。监控画面主要包含以下几个功能：
  ①主画面：在该画面，可以对其他画面或功能进行选择/切换。
  ②电梯状态总览：该画面应包含电梯当前的状态（初始化状态、自动运行模式、检修状态、满载等内容），还应当包含电梯运行参数（运行方向、当前楼层等）。
  ③电梯运行监控：该画面主要为单部电梯状态监控，在该画面中可自由切换至任意一部电梯进行监控。画面中应包含当前电梯的运行参数（运行方向、当前楼层、内呼情况等）、当前状态显示、电梯视频监控等内容。
  ④外呼状态监控：该画面中主要包含各楼层呼叫情况以及各部电梯的楼层显示。
  ⑤运行数据记录：该画面以报表形式记录各部电梯的运行情况（正常运行、满载、待载停机、检修等）。
  ⑥设置画面：在该界面可修改初始化运行方向，并可通过输入数字的方式对初始化楼层进行设定。画面切换层次结构如下图所示，所有功能画面需退回主画面，才能切换至其他画面。

2.2 对象特性分析

  电梯被控对象特性分析主要包括，电梯模型、设计参数、I/O变量及相对地址列表、关于通讯方式的选择四个方面：
　　1.电梯模型
电梯对象主要包括：电梯整体（包括轿厢、电机、限位开关等）、各个楼层按钮（上下行呼梯按钮及指示灯等）、电梯内部设备（轿厢开关门按钮、轿厢选层按钮及指示灯等）等结构。电梯模型采用三部十层结构，其外形及示意图如下所示：
                   

         图1：电梯模型外形示意               图2：七段数码管
                            图3：电梯模型原理示意图
  每个轿厢内部安装有称重变送器，变送器测量范围为0-2000kg，输出信号为0-10V电压信号。
  
                图4交流双速电梯主驱动系统原理图
                
                  图5 抱闸制动回路示意图
                   表1 制动系统符号说明

符号	说明	符号	说明
SK	上行接触器	KK	高速接触器
XK	下行接触器	MK	低速接触器
1A	一级加速	2A	一级减速制动
3A	二级减速制动	4A	三级减速制动
YA	抱闸制动回路
对于交流双速电梯主驱动系统工作的说明如下：三相交流异步电动机定子内具有两个不同极对数的绕组（分别为6极和24极）。快速绕组（6极）作为起动和稳速之用，慢速绕组（24极）作为制动减速和慢速平层停车用。起动过程中，为了限制起动电流，以减小对电网电压波动的影响，起动时会串电阻、电抗一级加速；减速制动是在慢速绕组中按时间原则进行三级再生发电制动减速，以慢速绕组进行低速运行直至平层停车。目前在本模型中，一级加速过程由系统根据时间原则自动完成。
关于电梯的抱闸制动过程，当电梯处于启动、运行阶段，抱闸线圈通电，制动器松闸；电梯制动停车后，抱闸线圈断电，制动器抱闸。
2.设计参数
表2 电梯设计参数表
名称	设计参数	名称	设计参数
--------	--------------------	--------	--------
客梯数量	3个	客梯层数	10层
单部载重	客梯 750kg货梯1500kg	单部定员	10人

  3.I/O变量及相对地址列表（详见《A2赛项初赛I/O列表》）
                表3 部分I/O变量及相对地址列表

序号	位号	(相对)地址	数据类型	数值	下限	上限
1	1层上行呼梯按钮指示灯	Q+ 2.0	bool	FALSE	0	1
2	2层上行呼梯按钮指示灯	Q+ 2.1	bool	FALSE	0	1
3	3层上行呼梯按钮指示灯	Q+ 2.2	bool	FALSE	0	1
4	4层上行呼梯按钮指示灯	Q+ 2.3	bool	FALSE	0	1
4.关于通信方式的选择
应甲方要求，电梯模型中各IO参数与PLC通过以太网（Ethernet）通讯方式进行交互。

2.3 系统安全分析

  电梯可能发生的危险一般有：人员被挤压、撞击和发生坠落、剪切；人员被电击、轿厢超越极限行程发生撞击；轿厢超速或因断绳造成坠落；由于材料失效、强度丧失而造成结构破坏等。电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果损坏。在本系统中通过平层传感器检测上下端限位，当到达第一限位时就进行减速必要时进行抱闸。
  2.防电梯超速和断绳的保护
  电梯由于控制失灵、曳引力不足、制动器失灵或制动力不足以及超载拖动绳断裂等原因都会造成轿厢超速和坠落，因此，必须有可靠的保护措施。在电梯仿真模型中就需要对速度进行控制，通过电气触电使电梯速度改变，甚至是在发生断绳后进行与机械抱闸一起使得电梯停止运行。
  3.防人员剪切和坠落的保护
  在电梯事故中人员被运动的轿厢剪切或坠入井道的事故所占的比例较大，而且这些事故后果都十分严重，所以防止人员剪切和坠落的保护十分重要。防人员坠落和剪切的保护主要由门、门锁和门的电气安全触点联合承担。在电梯仿真模型中通过光幕传感器和上下平层传感器等进行控制电梯轿厢门和楼层门的开关，从而避免人员剪切和坠落的事故发生。
  4.停止开关和检修运行装置
  ①停止开关一般称急停开关，按要求在轿顶、底坑和滑轮间必须装设停止开关。
  ②检修运行是便于检修和维护而设置的运行状态，由安装轿顶或其它地方的检修运行装置进行控制。在电梯仿真模型中有一个检修信号，可以使得电梯进入检修状态。
  5.消防功能
  发生火灾时井道往往是烟气和火焰蔓延的通道，而且一般层门在70℃以上时也不能正常工作。为了乘客的安全，在火灾发生时必须使所有电梯停止应答召唤信号，直接返回撤离层站，即具有火灾自动返基站功能。虽然在甲方的要求报告中没有，但是在实际生活中我们要考虑到消防安全。
  6.电气安全保护
  在本电梯模型中只是涉及了弱电控制部分，但是我们仍然要考虑对电梯的电气装置和线路必须采取安全保护措施，以防止人员触电和设备损毁事故。

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）

3.1 控制逻辑

  ①电梯初始化的控制逻辑
                  
                     图6 电梯初始化的控制逻辑流程图
  在电梯接收到自动运行信号后，电梯初始化开始。由于本次项目是十层电梯，为了节约初始化时间，通过判断目标楼层是否大于5决定电梯的初始化方向。当电梯到达第一限位时开始减速，到达第二限位时就刹车停稳并开始反向运行，直至到达设置的初始化楼层并输出电梯的准备就绪信号并点亮显示楼层数。
  ②电梯启停控制逻辑
             
                        图7 电梯启停控制逻辑流程图
  电梯获得电机启动信号后，只有上下行接触器其中一个信号为1且高速或者低速接触器也为1时，电梯才能运行。当电梯到达平层时，电梯减速先从高速运行转为低速运行，接着进行一级减速，二级减速。三级减速，停稳对准后进行刹车。
  ③开关门的控制逻辑
                        
                      图8 开关门的控制逻辑流程图
  当电梯的停层信号为1，电梯停止并开门，当轿厢门完全打开后，开门状态将保持三秒钟的时间。然后将门关闭，待关门时间到达设定值后，电梯停止并等待响应信号。
  ④关门保护控制逻辑
                
                        图9 关门保护控制逻辑流程图
  电梯可以在正常工作状态下关门，但是当电梯在关门时受到障碍，如超重、有开门指令输入等将会进行开关门保护动作的判断。当没有触发该动作时，电梯将继续关门，直到关门动作完成。在关门时，有开门指令输入或电梯门关门超时、关门过载开关动作总次数大于8次时电梯门将打开，然后进行相关动作，完成后电梯将继续关门。
  ⑤单部电梯的运行控制逻辑
                
                    图10 单部电梯的运行控制逻辑流程图
  电梯首先完成了初始化操作后，在楼层等待外呼信号，待接到人后得到内呼信号，并确认本层与目标层是否相同。不同时，电梯将选择运行方向并开始运行，每到到一层楼就进行判断是否到达目标楼层。到达目标楼层后，电梯开门上下乘客。在电梯接到人后，判断电梯是否超重，若超重，电梯不会运行并闪烁故障灯；反之，电梯在短暂延时后关门继续运行，完成一次单部电梯的运行控制。
  ⑥三部电梯的运行控制逻辑
              
                      图11 三部电梯的运行控制逻辑流程图
  三部电梯与单部电梯的运行逻辑类似，只是增加了调度算法，具体的调度控制算法将在后面的控制算法一栏进行介绍。

3.2 控制回路

  作为电梯系统的控制回路，输入信号为呼叫信号、楼层信号、重量检测信号三个信号，电梯的输入信号会进入到电梯运行数据管理中，并进行层站呼叫分配，输出信号如数码管、电梯运行方向等将为显示模块和WINCC监控系统提供输入信号，同时WINCC监控系统也能进行电梯的相关操作如设定值等。在电梯的任务－数据－通信管理系统下，进行信号分配后将控制调度电梯的运行。电梯系统控制回路图，如图12所示。
              
                        图12 电梯系统控制回路图

3.3 控制算法

  控制算法时PLC电梯控制系统设计中最为重要的部分，进行控制算法设计时需要充分考虑电梯的运行状态。例如，上下行、开关门、内外呼等，确保电梯投入使用后安全且功能完善。以呼梯信号为例，呼梯信号包括内选信号和外呼信号，当乘客在轿梯内选择好楼层后，该楼层的内选楼层指示灯被点亮，内选信号就被储存，乘客到达相应楼层并执行开门程序，说明轿厢到达该楼层并执行开门程序等待乘客离开，此时内选信号应该被清除。此外，在进行电梯控制系统设计时要考虑电梯控制的自锁与互锁关系，故在进行电梯控制设计时采用随机逻辑控制方式。
  控制算法需遵守的原则：
  ①自由站和基站原则
  部分电梯在基站等待，其余电梯在上一指令楼层待命。
  ②先到先行原则
  如果三部电梯先后到达基站等待命令，若上层/下层呼叫，应执行先到先行原则。
  ③顺接反不接原则
  假如3号梯正在上行，若3号梯上方出现上行呼叫信号，则由3号电梯去接，在基站的其余电梯不执行；假如3号梯下方出现上行呼叫信号，由基站的电梯去执行。
  ④最小等待时间调度原则
  当外呼指令发送后，通过计算每部电梯的平均候梯时间，选择最适合电梯去接送，确保减少乘客的候梯时间。
  ⑤成本调度原则
  综合考虑电梯接送完成后的能耗，确保最低能耗。
  本电梯系统采用的是基于调度原则的群控算法。基于调度原则的群控算法，最短候梯时间，接受每台电梯发出的呼梯信号，通过计算每台电梯所需时间，选择时间最短的电梯去接送。多目标函数解、计算最优函数解、最佳派梯方案统称为电梯群控算法。呼梯处理全部模块、计算呼梯到达的时间、呼梯分配过程等组成电梯群控算法。当群控模块启动后，计算出每台电梯乘客的侯悌时间、电梯能耗和平均侯悌时间。通过对比数值找出最小值（乘客侯悌时间>平均候梯时间>电梯能耗）记为最优电梯，真正的外呼指令传输给最优梯的虚拟外呼，完成群控控制。群控算法流程图如图11所示。
  电梯在运行前，轿厢可能处于任意楼层，此时就要进行电梯初始化。完成初始化后，根据呼梯信号进行运行。从降低能耗提高效率的角度，电梯的集群控制应该遵循待机电梯优先响应呼叫，如果无待机电梯。应选择合适的电梯响应该呼叫的原则。同单部电梯类似的原则，集群控制程序应在每个扫描周期开始时优先扫描有无呼梯信号，若没有呼梯信号，电梯部分逻辑程序扫描结束；若有呼梯信号，程序开始对每个电梯进行距离比较算法，选择距离最近的电梯处理此信号。如果所有电梯都不适合处理此呼叫，则保留此呼叫并进行下一周期扫描，以此循环。

注

链接: 2021年智能制造工程设计与应用类赛项：离散行业自动化方向（2）-项目方案设计书.
链接: 2021年智能制造工程设计与应用类赛项：离散行业自动化方向-参考程序.