2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 ITEM2逻辑控制赛项 决赛赛题
2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛
ITEM2逻辑控制赛项 决赛赛题
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。
一、被控对象描述
1. 对象模型
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，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。电梯模型采用多部多层结构，其外形及示意图如下所示：
图1：电梯模型外形示意图
1
2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 ITEM2逻辑控制赛项 决赛赛题
曳引电动机引导轮上端站第二限位上端站第一限位65432基站轿厢上平层传感器下平层传感器轿厢轿厢关门到位轿厢门驱动电机轿厢开门到位1下端站第一限位下端站第二限位
图2：电梯模型原理示意图
图3：交流双速电梯拖动系统
2
2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 ITEM2逻辑控制赛项 决赛赛题
符号 JXK 1K 2K 3K YA 含义 电机启动信号 1级制动减速 2级制动减速 3级制动减速 抱闸 符号 SK XK KK MK 含义 上行接触器 下行接触器 高速运行 低速运行 afbgedc
图4：七段数码管
电梯模型中各IO参数均可与PLC通过现场总线相连，实施自动控制。
用户行为模型指软件系统将模拟各楼层出现的用户数量以及每位用户对电梯的操作行为，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。
2. 设计参数
名称 客梯数量 载重 3. 输入输出数据 IO列表详见附录。
设计参数 1～N个 1000kg 名称 客梯层数 定员 设计参数 6层 13人 二、控制任务
1. 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
3
2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 ITEM2逻辑控制赛项 决赛赛题
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
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。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。
4
2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 ITEM2逻辑控制赛项 决赛赛题
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. 电梯群控
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
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。
三、比赛要求
大赛以一个虚拟的控制工程项目为背景展开。大赛组委会作为甲方发布控制工程招标需求，各参赛队伍以乙方身份，根据甲方提出的控制任务，进行工程技术方案设计，并以甲方工程承包商的身份进入比赛现场实施控制工程项目。大赛综合考察参赛选手系统分析能力、系统设计能力以及系统实施能力。
参赛选手在理解被控对象的基础上，完成： 1. 工程方案设计
进入总决赛的参赛队伍根据题目完成工程项目设计，撰写并提交工程设计方案。 2. 工程现场实施
工程现场实施包括以下几部分内容：
（1） 在SIMATIC S7-1200 PLC上完成控制算法组态；在SIMATIC WINCC上完成监控环境组态；建立PLC和WINCC之间的通讯连接；
5