西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0选型说明
1 前言
电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前电梯设计使用可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上；根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
MCGS（Monitor and Control GeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，能够在bbbbbbs平台上运行。通过对现场数据的采集处理。以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式。向用户提供解决实际工程问题的方案。充分利用bbbbbbs图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性．在自动化领域有着更广泛的应用。本文利用MCGS组态软件检验电梯PLC控制系统的运行情况。
2 电梯PLC控制系统
S7—200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器。它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强。能够满足电梯对电气控制系统的要求。S7-200系列小型PLC（MicroPLC）可应用于各种自动化系统。紧凑的结构。低廉的成本12．b～功能强大的指令集使得S7—200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。利用西门子S7—200可编程序控制器编写一个四层电梯的控制系统。分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。
STEP 7-Micro／WIN 32是S7-200系列的PLC的编程软件．可以对S7—200的所有功能进行编程。该软件在bbbbbb8平台上运行。基本操作与omce等标准bbbbbbS软件相类似，简单、易学。其基本功能是协助用户完成应用软件任务。例如创建用户程序、修改和编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。还可以直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控。
2．1 电气控制系统
图l为本系统的组成框图。
图中。输出为：l、电动机；2、上下行接触器；3、快慢速接触器；4、位置指示；5、门锁。输入为：6、轿内指令；7、厅外指令；8、门区感应；9、手动开关门；10、楼层感应。
2 PLC系统部分
完成所设定的控制任务所需要的PLC规模主要取决于控制系统对输入，｛禽出点的需求量和控制过程的难易程度。
（1）I／O点的估算：
系统的输入点有：门厅召唤按钮6个输入点；轿内指令按钮4个点；楼层感应器4个点；门区感应l点；手动开门l点：共计输入点16点。而输出点有：快慢速接触器2点；上下行接触器2点；楼层指示灯4点；门锁1个点；共计输出点9点。总计I／O点数为16／9；
（2）可编程控制器S7—200的CPU226输入，输出点数为24／16。足以满足要求。
3 电梯PLC控制系统设计
因篇幅有限。仅将电梯指示及上下行程序列出说明。
3．1楼层状态指示设计
当电梯运行至某层有指令发出时．指示位置及指令。以二层为例：
3．2电梯下行程序设计
以电梯在三层下行情况为例。当电梯的一或二层有指令时，将三层下行位置1，无上行，驱动电梯下行。程序说明如下：
3．3电梯上行程序设计
以电梯在二层上行情况为例。程序说明如下：
3．4电梯到达时程序设计
电梯到达某层时。将已完成的指令信号复位。以电梯到达三层为例。程序ig明如下：
4 组态软件模拟电梯PLC控制系统显示设计
MCGsm态软件具有全中文、面向窗口的可视化操作界面。实时性强，有良好的并行处理性能和丰富生动的多媒体画面。MCGSm态软件的开放式结构拥有广泛的数据获取和强大的数据处理功能。提供良好的安全机制，为多个不同级别用户设定不同的操作权限。MCGS组态软件支持多种硬件设备，实现“设备无关”，用户不必因外部设备的局部改动，而影响整个系统。MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立。又紧密相关。
本文利用MCGS组态软件设计。在设备组态窗口中选择适当的串口通讯设备．添加西门子S7—200PLC。正确设置其属性。正确设置组态软件中数据变量设备通道的连接，即可实现PLC与组态软件的通讯。将PLC中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合，使电脑对PLC发出的信号有响应。在MCGS组态软件的用户窗口中，制作一个动画界面。在界面上设置各个控件的属性，使设置的控件按照真实的情况动作，检验和测试电梯PLC控制系统对电梯的运行状态的控制效果。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面．组态配置各种不同类型和功能的对象或构构。可以对实时数据进行可视化处理。组态过程如图2所示：
5 结语
针对这个四层电梯的控制系统．本文采用西门子S7—200可编程控制器设-H-电梯的控制系统完成电梯的轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。利用MCGS组态软减设计模拟电梯PLC控制系统的运行。将PLC中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合，加载驱动。使设置的控件能够按照真实的情况动作。检验和测试电梯PLC控制系统对电梯的运行状态的控制效果。实践证明。将PLC可编程控制器和MCGS组态软件结合可以非常好地模拟电梯控制系统的测试运行．有利于PLC控制系统的设-H-、检测，具有良好的应用价值。
一、PLC控制系统的供电
1、PLC控制系统供电环境的设计与配置
由大型的多处理器组成网的PLC控制系统，应采用专路供电，即以100 kV或110kV高压变电站，经变压器转移为220V AC，由一条专线供电。对于用电要求极高的现场，100kV高压变电站应有停电备用专线。在此条件下，为PLC供电的回路一般为220V AC，50Hz普通市电。对电网要求频率波动不能太大。不要在供电网路上有其它大用电量客户反复用电，造成很大的电网冲击。目前PLC要小于±5％的电压波动较好。由于电网电压瞬间变化较难监测，这些干扰在同一供电回路传播是十分难于克服的。为提高整个系统的可靠性和抗干扰能力，在PLC控制系统供电回路一般采用隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、晶体管开关电源等。
（1）采用隔离变压器 隔离变压器的初级和次级之间采用隔离屏蔽层，屏蔽层要良好接地，次级的连接线要使用双绞线（双绞线能减少电源线间干扰），隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线；次级的屏蔽层和初、次级间屏蔽层接至直流地端。
（2）采用交流稳压电源 交流稳压电源是为了抑制电网中电压的波动，在隔离变压器后配交流稳压电源。在选交流稳压器时，一般可按实际大需求容量的130％计算。这样可以保证稳压特性，又有助于稳压器工作可靠。
（3）采用UPS电源 在一些实时控制中，系统突然断电的后果不堪设想，应设法在系统中使用UPS电源。由于UPS电源容量有限，一般仅把它供电范围保证在PLC主机、通信模板、远程I／O站的各个机架和PLC系统相关的外部设备上。
（4）采用晶体管开关电源 开关电源在市电网或其它外部电源电压波动很大时，对其输出电压不会造成很大影响，抗干扰能力强。目前许多PLC公司的产品中，电源模板采用了晶体管开关电源，整个系统设计时不必要再配晶体管开关电源。在许多情况下，PLC外部执行电源采用24V电平等级时，选配晶体管开关电源是一个好方法。
2、PLC的I/O模板二次电源供电
I/O模板的二次供电是指为系统中的现场开关、传感器执行机构、各种用电负载为连入I/O模板的现场部分的供电。
（1）采用24VDC电源
24VDC电源是PLC中常用的标准方式。它是一种安全的二次供电方式，对于防爆、防火、防尘等条件恶劣的现场，选用这一电压等级，在电能传输和状态转换时，连接点或动作触点不易引起电火花和产生强电磁干扰。为给这种模板供电，较好的办法是在220VAC电源回路中设计与配置一个容量充足的220VAC/24VDC稳压电源。
（2）采用24VAC电源
24VAC在工业中也是常用的一个电平等级。这样的模板供电非常简单，由220VAC/24VAC变压器就能满足供电需求。在现场设备比较分散，传输距离较远，采用24VAC模板比用24VDC的模板在现场设计上可以省去许多麻烦。例如交流24V电源使用导线、电阻值、信号耗压等技术指标，一般较容易做到。大量使用24V电平直流信号比交流信号抗干扰能力低一些。现场电缆敷设也比较容易一些。但在有些防爆环境不允许使用交流电，有些传感仪表常用直流电源。
二、PLC控制系统的接地
电气设备的接地系统有两类；安全接地和工作接地。安全接地是用导线将设备易触碰的部分与大地（零电位点）联接起来，其目的是保护操作人员的安全。工作接地是为电子设备提供公共的电位参考点，工作接地包括机壳接地和电路接地，电路接地分为弱信号电路接地和强信号电路接地。对PLC系统来说又可分为逻辑电路接地和功率电路接地，各部分线路之间又有串联方式和并联方式等。工作接地和安全接地组成一个复杂的接地系统，合理设计接地系统是抗干扰的重要措施。
1、控制系统与电网的接地方式
有共地、浮地以及机壳共地和电路浮地等三种方式，如图1，2，3所示。其中图1是共地方式，控制系统中电路的接地点Gc，机壳的接地点Gb与电网地线和接地点Go联在一起，整个系统以大地为电位参考点，这种接地方式在大地电位比较稳定的场所，系统的电位也比较稳定，接地线路比较简单，且因机壳接地，故操作也比较安全。若大地电位变化较大的场所，系统的电位也随之变化，电路将受到共模干扰，且容易转变成串模干扰，此时应尽量减少接地电阻，或者采用浮地方式。图2是浮地方式，控制系统中电路的接地点Go相联。一般在机柜与地之间用绝缘胶垫隔开，交流进线也要加强绝缘，这种方式可避免大地电位变化和地回路电磁感应造成的干扰。但因系统浮地，机壳容易积累静电，操作不太安全。
图1 共地方式
图2 浮地方式
图3是机壳共地，电路浮地的方式，是上面两种方式的折衷。由于机壳的接地点Gb与电网接地点Go连在一起，操作比较安全。电路的接地点Gc是独立的，避免受大地电位和接地回路的干扰。通常将电路和插件框架用绝缘支撑与外部机架、机壳隔开，保护电路部件与机壳的良好绝缘。电路的接地点接在插件框架背面专门设置的敷铜板上，自成接地系统。
图3 机壳共地 电路浮地
2、控制系统的一般接地方式
控制系统的接地一般有三种方式，如图4～6所示。
其中图4为控制器和其它设备分别接地方式，这种接地方式好。如果做不到每个设备专用接地，可使用图5公共接地方式，但不允许使用图6的共通接地方式，特别是应避免与电动机变压器等动力设备共通接地。接地时应注意：
（1）接地线应尽量粗，一般用大于2mm2的线接地；
（2）接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器之间的距离不大于50m；
1.1动机可编程控制器(PLC)的,计算设备的发明人理查德e.莫莉1968年已被广泛应用于工业,包括制造系统,运输系统,化工设备等,不胜枚举.当时,临立会取代hardwiredlogic软连线逻辑或所谓梯形图(左) 编程语言和视觉类似hardwired逻辑并减少了配置时间从6个月至6天[24,000莫莉,1999〕. 基于PC控制已经开始进入的地方,基于PLC的控制仍将技术中的大部分工业应用将坚持由于其较高 性能,价格低廉,和优越的可靠性,在恶劣的环境中.根据一项研究PLC市场的霜冻和苏利文[1995], 增加的年销售量为15万plcs每年提供硬件价值超过8亿美元,已预言,价格计算硬件正在稳步下降. 发明者的临立会,理查德e莫莉, 认为公平的PLC市场为50亿元的产业在当前时间.plcs被广泛应用于工业实践, 编程控制器的控制系统仍然非常依赖试错.alike软件工程,PLC的软件设计,目前正面临两难的软件危机或以类似的方式.莫莉强调自己有力的说明[穆迪和莫莉,1999年,第 110]:`如果楼房像软件项目,一个单一的啄木鸟可以摧毁文明. "尤其是,实际问题可编程才能消除软件错误,以减少维修费用的老梯子逻辑 节目. 硬件成本plcs正在不断下降,减少扫描时间梯形图仍然是一个问题,在业,使低成本plcs可 用. 在一般情况下,生产力的PLC发电是落后于其他领域,例如VLSI设计那里有效率的计算机辅助设计工具的作法. 现有的软件工程方法,不一定适用于PLC的软件设计,因为PLC的编程需要考虑 硬件和软件.软件设计变得,越来越多的主要成本动因. 在许多工业设计项目, 超过so0/a的人力,用于控制系统的设计与安装,预计进行测试和调试PLC程序〔40998,1999〕. 当前PLC的控制系统是不恰当的设计,以支持日益增长的需求弹性和可重构制造 系统.一个问题,推动需要有一个系统的设计方法论,是不断增加的软件复杂的大型项目.1.2目的和意义论文的目的这一论断,是建立一个有系统的软件设计方法 可编程操作自动化系统.设计方法涉及高层次的描述基于国家转型模式处理自动化控制系统为离散事件系统,分步设计过程,并订定设计规则提供指导和测量,以建立一个成功的设计.有形的结果,这项研究是为了找到一个方法,以减少不确定性,在管理控制软件发展过程中,即减少编程和调试的时间,它们的变化,越来越灵活的自动化系统 并使软件的重用,通过模块.其目的是为了克服目前的规划策略,是基于经验的个人软件 开发商.
一个有系统的方法来设计PLC的软件可以克服的缺陷,在传统的方式编程制造控制系统, 可以产生广泛影响的几个工业应用.自动化控制系统是模拟的正式语言或,equivalently,由国家机器. 正式交涉,提供一个高层次的描述系统的行为被控制.国家机器可以分析评价,以查明他们是否达到预期目标. 状态机的描述提供了一种结构性的代表转达的合理要求和制约因素,如详细的安全规则. 第三,明确界定的控制系统的设计成果,有利于代码自动生成一个有能力生产控制软件可执行商业 鲜明的逻辑控制可以减少编程的筹备时间及人力成本.特别是,论文是有关对以下几方面. 客户导向的制造业,在现代制造系统的特点是产品和工艺创新,成为客户导向的,很快地回应变化的系统要求.一个重大的挑战就是要提供有利的技术,可以在经济reconfigure自动化控制系统,以回应变动 需求和新的机遇.设计和操作知识,可以重复使用的实时性,给予相当大的竞争力,工业实践.更高程度的自动化设计和软件质量的研究显示,编程方法自动化系统尚未 能赶上急速增加,使用电脑资源.比如,编程plcs仍依靠传统的节目风格,梯形逻辑图. 由于延误和资源规划的一大绊脚石的进步制造业.测试和调试可能消耗超过50%的统筹分配给PLC程序设计. 标准[电工60848,1999年;国际电工委员会-61131-3,1993年; IEC61499标准,1998年; iso15745-1,[1999]已形成固定和传播国家-国际艺术设计的方法, 但他们通常不能参与推进知识有效的计划和制度设计.有系统的方式会增加设计水平的自动化,通过重用现有软件组件, 并将提供方法,使大规模的制度设计管理.同样的,这将提高软件的质量和可靠性,将相关的系统高安全标准 特别是那些有危害的环境影响,如机场的控制,以及公共铁路.系统复杂的软件业,被视为表现破坏者和复杂发生器. 不断缩小的硬件价格有所斩获,需要软件的表现而言,代码优化和效益.结果是,庞大而低效率的软件代码,一方面保持收益硬件性能 另一方面. 软件proliferates变成复杂到无法控制的程度;软件重新设计并维持必要的现代自动化系统变得几乎不可能. 尤其 PLC程序已从几行代码是25年前为上千行代码 类似数目的算点.提高安全性,比如新政策对防火 而灵活的现代自动化系统加上复杂的程序设计过程. 生命周期的软件成本,是一项长期生长所需的全部费用.80-90%这些费用都进入软件维修,调试, 改造和扩建,以满足不断变化的需求[蒙斯etal. ,1998].
设计理论发展的,首要重点大部分设计开发研究,是基于机械和电器产品.其中的副产品,这项研究是为了提高我们的基本了解设计理论和方法 扩大到该领域的工程系统设计.一个制度设计的理论,进行大规模而复杂的制度尚未完全建立. 尤其 至于如何简化复杂或复杂的设计任务,尚未解决的一个科学的方法. 建设桥梁设计理论和新成果的认识论的正式交涉,在计算机科学和运筹学 如离散事件系统建模,可以促进未来的发展,工程设计.应用在逻辑硬件设计,从逻辑的角度来看, PLC的软件设计类似的硬件集成电路设计.现代超大规模集成电路设计是非常复杂的数百万件,产品开发时间为3年,[云妮,1996〕. 设计过程通常是分离成组件设计和系统设计阶段.在构件设计阶段,单一功能的设计和论证. 在系统设计阶段,部件的整理和整个系统的性能和功能测试,通过模拟.一般来说,一个完整的验证是不可能的. 一个系统的方法,如对PLC的程序设计可能会影响到逻辑的硬件设计.1.3结构的论文图1.1显示提纲以下论文. 第二章阐明了重大的挑战和问题进行研究,并论述了有关的背景和术语.有人会争辩说,一个系统的设计PLC的软件能有助于更高的灵活性和可重构制造 系统.重要的问题,就是如何处理复杂的工程设计等方面的设计和营运体系 将辩论. 研究方法适用于这个论断是介绍从讨论设计理论和方法是什么可以从这一领域. 第三章涵盖了美国先进的控制技术和当前的实践在设计和PLC编程软件.影响电气和软件工程所揭示以及可能适用的方法,由计算机科学 讨论. 利弊的评价,并会导致一个结论,即一种新的方法,是需要足够的面对日趋复杂的PLC软件设计. 第四章占主体的论断,抓住了本质特征的设计方法. 设计理论视为处于前科学阶段,它有先进的机械,软件和系统工程方面的一些建议的设计模式及其评价整个真实世界的例子. 根据文献,在第2和第3潜在适用的设计理念和方式的选择和应用语境PLC的软件设计. 公理化设计选定为基本设计理念,因为它提供了指导设计师不受任何限制某一 设计方面.提前设计概念PLC的软件设计,一个正式的五线谱基于状态形式主义介绍. 设计过程中,开发整理活动需要有优先顺序,显示了相关设计成果. 在第五章,增加了一些个案研究结果充分显示了适用性的开发设计方法.这些例子都是从一个复杂的参考系统,以及灵活的组装系统. 所取得的见解评价结论段落.第6章介绍先进的计算机设计工具,PLC的软件设计概念层次. 该软件是在VisualBasic中使用控件提供模块化和重用Web的协作编程环境. 其主要组成部分的PLC软件建模编辑结构(单元)与行为设计 版面规格接口和模拟引擎,可以验证开发的模式.第七章是结论性的论断. 它涉及的成就方面的研究目标和问题. 一个批判的评价是一起展望未来研究的问题.
（3）接地线应尽量避开强电回路和主回路电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短平行走线长度
PLC控制系统设计与调试的一般步骤
（一）分析被控对象并提出控制要求
详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
（二）确定输入／输出设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。
（三）选择PLC
PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。
（四）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路
1.分配I/O点
画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第2步中进行。
2.设计PLC外围硬件线路
画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。
由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
（五）PLC程序设计
1. 程序设计
根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容：
1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。
2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。
3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。
2. 程序模拟调试
程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。
2）软件模拟法是在PLC中编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。
（六）硬件实施
硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：
1） 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。
2）设计系统各部分之间的电气互连图。
3）根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。
由于程序设计与硬件实施可进行，PLC控制系统的设计周期可大大缩短。
（七）联机调试
联机调试是将通过模拟调试的程序进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。
全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
（八）整理和编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。
PLC控制系统设计与调试的步骤流程图