1、电子信息工程学院工业网络化控制课程论文学号：专业：控制工程学生姓名：指导教师：2015年 1月基于工业以太网（EPA）的模拟电梯系统组态控制设计摘 要电梯作为现代高层建筑最常用的垂直运输工具，广泛应用于社会活动的各个角落，如何保证每台电梯都能够可靠运行，已成为提高物业管理水平和电梯技术进步的关键所在。电梯运行质量直接由控制系统的功能决定，而控制系统软件又直接决定着控制系统运行的好坏。本设计介绍了基于工业以太网（EPA）的模拟电梯控制组态设计的整个过程。首先对课题的研究背景及意义做了明确的说明，其次对基于 EPA现场总线控制系统设计及组态控制设计所需用到的各种硬件及软件设施做了一定的说明，然后设
2、计了基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统的模拟电梯控制，最后使用组态设计实现对模拟电梯的控制。系统采用PLC_Config进行编程，通过 PEC系列模块实现对模拟电梯的控制，使模拟电梯运行起来。组态设计是采用力控 ForceControl6.1，力控是我国较早出现的组态软件之一。关键词：电梯；EPA；编程；组态；控制AbstractLift the most commonly used as a modern high-rise building vertical transportation, social activities are widely used in every corn
3、er, how to ensure reliable operation of each elevator can have a lift to improve property management and the key to technological progress. Quality elevator control system functions directly from the decision and control system software and directly determines the quality control system operation. I
4、n this paper based on Industrial Ethernet (EPA) field bus control system configuration of the analog design of elevator control the entire process. In the first part of the background and significance of the subject made a clear statement, followed by the EPA based on field bus control system design
5、 and configuration control design used in all the necessary hardware and software facilities to do a certain amount of description, and then designed based on Industrial Ethernet (EPA) field bus control system simulation, elevator control, the final design and implementation of simulation using the
6、configuration of the elevator control. Programming system uses PLC_Config by PEC series of modules on the simulation of the elevator control to simulate the elevator up and running. Configuration design is the use of force control ForceControl6.1, power control is the emergence of the configuration
7、software of the earlier one. Keywords: elevator; EPA; programming; configuration; control目 录摘 要 .2目 录 .4第一章 绪论 .51.1 基于工业以太网（EPA）的电梯控制系统研究背景及意义 .51.2 电梯控制设计的要求 .51.2.1设计目的 .51.2.2 控制要求 .51.3 电梯的发展与简介 .61.4 EPA 的简介 .71.4.1 EPA的起源 .71.4.2 EPA控制系统 .71.4.3 EPA 的特点 .81.4.4 EPA 的研究现状 .9第二章 基于工业以太网 EPA及力控的
8、开发环境 .102.1 EPA 可编程控制器产品介绍及特点 .102.2 基于 IEC61131-3 编程标准的 PLC_Config 编程软件 .112.3 EPA 可编程控制器硬件安装 .112.4 力控 ForceControl6.1.122.4.1力控 ForceControl6.1概述 .122.4.2力控 ForceControl6.1主要特点 .13第三章 电梯控制系统的软件设计 .153.1 四层电梯的主电路 .153.1.1 四层电梯曳引机及门电机电路图 .153.1.2 电梯控制 PLC外部 I/O接线图 .153.1.3 电梯控制 PLC I/O点数的估算 .163.2
9、现场总线的三级控制模式 .173.3 电梯控制的系统框图 .18第四章 组态控制设计 .214.1 绘制组态图并定义相关变量 .214.2 组态设置 .234.2.1设置 I/O点的地址并保存 .234.2.2设置本机 IP地址 .234.2.3 对设备（PEC8000）进行配置 .244.3 组态调试 .254.4 最终实时组态效果 .25参考文献 .26附录 .27附录 A 控制器参数说明 .27附录 B 从设备资源和特性 .29附录 C 端子排布及指示灯说明 .31谢辞 .33第一章 绪论1.1基于工业以太网（EPA）的电梯控制系统研究背景及意义现代社会中，电梯已经成为不可缺少的运输设备
10、。电梯的存在使得每幢高层建筑的交通更为便利。此次设计是通过基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统对模拟电梯进行组态控制设计，基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统主要用于工业控制系统中控制方案的开发、现场设备的控制以及对现场设备运行情况的实时监控，目前已经成功应用于石油、化工、机械、冶金等工业领域。EPA 即 是 建 立 在 此 基 础 上 的 工 业 现 场 设 备 开 放 网 络 平 台 ， 通 过 该 平 台 ， 不 仅 可 以 使工 业 现 场 设 备 （ 如 现 场 控 制 器 、 变 送 器 、 执 行 机 构 等 ） 实 现 基 于 以 太 网 的 通 信 ， 而 且 可以
11、使 工 业 现 场 设 备 层 网 络 不 游 离 于 主 流 通 信 技 术 之 外 ， 并 与 主 流 通 信 技 术 同 步 发 展 ， 同时 ， 用 以 太 网 现 场 设 备 层 到 控 制 层 、 管 理 层 等 所 有 层 次 网 络 的 “E 网 到 底 ”， 实 现 工 业企 业 综 合 自 动 化 系 统 各 层 次 的 信 息 无 缝 集 成 ， 推 动 工 业 企 业 的 技 术 改 造 和 提 升 、 加 快 信息 化 改 造 进 程 。基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统，具有很好的通信可行性；EPA 系统应用行业广泛，具有广阔的推广应用前景；促进了我国工业数据
12、通信方面的研究，改变了跟踪研究的现状;改变了现场总线技术开发难度大、技术要求高、难以产业化，市场化的局面，推动了我国工业自动化仪表与控制系统产品的研究开发。EPA实时以太网，是一种全新的适用于工业现场设备的开放性实时以太网标准，EPA 将大量成熟的 IT技术应用于工业控制系统，利用高效、稳定、标准的以太网和 UDP/IP协议的确定性通信调度策略，为适用于现场设备的实时工作建立了一种全新的标准。1.2电梯控制设计的要求1.2.1设计目的：基于工业以太网（EPA）现场总线控制系统，使用组态设计，实现对模拟电梯的控制。1.2.2 控制要求：电梯为四层四站有司机驾驶客梯，轿厢行走由滑块动作示意，开门动
13、作由信号灯指示示意。电梯控制逻辑关系如下：1)行车方向由内选信号决定,顺向优先执行；2)行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车；3)内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示；4)停层时可延时自动开门、手动开门； 5)有内选信号时延时自动关门,关门后延时自动行车；6)无内选时延时 5s自动关门，但不能自动行车；7)行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。1.3 电梯的发展与简介1852年，美国纽约杨克斯的机械工程师奥的斯先生发明了世界第 1台安全升降机。1857年 3年 23日，奥的斯公司在纽约为一座专营法国瓷器和玻璃器皿的商店安装了世界上第一台客运升降机。1889
14、 年 12月，奥的斯公司在纽约的第玛瑞斯特大楼成功安装了 1台直接连接式升降机。这是以直流电动机为动力的世界第 1台电力驱动升降机，从此诞生了名副其实的电梯。现代电梯主要由曳引机（绞车） 、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等。电梯电气控制技术越来越收到人们的重视。电梯电气控制技术是
15、否，主要体现在电梯电气控制系统的设计上。电梯的电气控制主要是对各种指令信号、位置信号、速度信号和安全信号进行管理，使电梯正常运行或处于保护状态，发出各种显示信号。目前我国电梯主要由先进的、可靠性高的微型计算机或可编程控制器控制。PLC是可编程控制器的简称，它是一种用于自动控制的专用微机，实质上属于微机控制方式，但可编程控制器具有其自身的特点：（1）PLC 在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，能在较恶劣的各种环境里工作，可靠性高。（2）PLC 将 CPU、存储器、1/0 接口等做成一体，使用方便，扩展容易。目前在国产电梯及中低档的客梯广泛采用了 PLC控制系统，特别适合在用电梯的技术改造和控制器
16、开发。1.4 EPA的简介EPA 是 Ethernet for Plant Automation 的 缩 写 ， 它 是 Ethernet、 TCP/IP 等 商 用计 算 机 通 信 领 域 的 主 流 技 术 直 接 应 用 于 工 业 控 制 现 场 设 备 间 的 通 信 ， 并 在 此 基 础 上 ， 建立 的 应 用 于 工 业 现 场 设 备 间 通 信 的 开 放 网 络 通 信 平 台 。 其 是 一 种 全 新 的 适 用 于 工 业 现 场设 备 的 开 放 性 实 时 以 太 网 标 准 ， 将 大 量 成 熟 的 IT 技 术 应 用 于 工 业 控 制 系 统 ，
17、利 用 高 效 、稳 定 、 标 准 的 以 太 网 和 UDP/IP 协 议 的 确 定 性 通 信 调 度 策 略 ， 为 适 用 于 现 场 设 备 的 实 时工 作 建 立 了 一 种 全 新 的 标 准 。1.4.1 EPA的起源在当前多种现场总线并存、无法统一的形势下，以以太网和无线技术为代表的商用COTS（Commercial-Off-The-Shelf）技术在工业企业综合自动化系统中的信息管理层、监控层网络得到了广泛应用，并有直接向下延伸，应用于工业测量与控制系统的现场设备层网络的趋势,即所谓的“E（Ethernet）到底。EPA 的提出背景用于工业测量与控制系统的 EPA系统
18、结构与通信规范 EPA System Architecture and communication Specification for use in industrial control and measurement system Ethernet for Plant Automation标准是一种用于工业自动化系统的实时动态网络通讯协议。该协议是在国家“863”计划支持下，由浙大中控、浙江大学和中国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、大连理工大学、清华大学等单位的科技人员联合制定的。1.4.2 EPA控制系统它是一种分布式系统，它利用 ISO/IEC8802-3、IEEE802.11、I
19、EEE802.15 等协议定义的网络，将分布在现场的若干个设备、小系统以及控制/监视设备连接起来，使所有设备一起运作，共同完成工业生产过程和操作中的测量和控制。EPA 控制系统可以用于工业自动化控制环境。同时 EPA系统结构提供了一个系统框架，用于描述若干个设备如何连接起来，它们之间如何进行通信、如何交换数据和如何组态。图 1.1 EPA控制系统结构图1.4.3 EPA的特点（1）确定性通信EPA系统中，根据通信关系，将控制现场划分为若干个控制区域，每个区域通过一个EPA网桥互相分隔，将本区域内设备间的通信流量限制在本区域内；不同控制区域间的通信由 EPA网桥进行转发；在一个控制区域内，每个
20、EPA设备按事先组态的分时发送原则向网络上发送数据，由此避免了碰撞，保证了 EPA设备间通信的确定性和实时性。（2） “E”网到底EPA是应用于工业现场设备间通信的开放网络技术，采用分段化系统结构和确定性通信调度控制策略，解决了以太网通信的不确定性问题，使以太网、无线局域网、蓝牙等广泛应用于工业企业管理层、过程监控层网络的 COTS（Commercial Off-The-Shelf）技术直接应用于变送器、执行机构、远程 I/O、现场控制器等现场设备间的通信。采用 EPA网络，可以实现工业企业综合自动化智能工厂系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于以太网技术的统一，即所
21、谓的“E（Ethernet）网到底“。（3）互可操作与传统的 4-20mA标准不同，工业数据通信网络不仅要解决信号的互通和互连，更需要解决信息的互通问题，即信息的互相识别、互相理解和互可操作。所谓信号的互通，即两个需要互相通信的设备所采用的通信介质、信号类型、信号大小、信号的输入/输出匹配等几方面的参数符合同一标准，即物理层标准。在此基础上，采用统一的数据链路层协议，不同的设备就能连接在同一网络上实现互连。（4）开放性EPA 标准完全兼容 IEEE802.3、IEEE802.10、IEEE802.11、IEEE802.15 以及UDP（TCP）/IP 等协议，采用 UDP协议传输 EPA协议报
22、文，以减少协议处理时间，提高报文传输的实时性。商用通信线缆（如五类双绞线、同轴线缆、光纤等）均可应用于 EPA系统中，但必须满足工业现场应用环境的可靠性要求，如使用屏蔽双绞线代替非屏蔽双绞线。EPA网络支持其他以太网/无线局域网/蓝牙上的其他协议（如 FTP、HTTP、SOAP，以及MODBUS、ProfiNet、Ethernet/IP 协议）报文的并行传输。这样，IT 领域的一切适用技术、资源和优势均可以在 EPA系统中得以继承。（5）冗余EPA支持网络冗余、链路冗余和设备冗余，并规定了相应的故障检测和故障恢复措施，如设备冗余信息的发布、冗余状态的管理、备份的自动切换等。1.4.4 EPA的
23、研究现状制定了国家标准用于工业测量与控制系统的 EPA通信标准 ，在此基础上形成的 65C/357/NP正式成为国际标准 PAS文件 IEC/PAS 62409，专家认为“EPA 标准”是我国第一个具有自主知识产权的现场总线标准，改变了我国现场总线技术和产品开发一直所处的跟踪研究现状，实现了我国在自动控制领域国际标准零的突破。第二章 基于工业以太网 EPA及力控的开发环境2.1 EPA可编程控制器产品介绍及特点EPA系列可编程控制器 PEC8000，具有 1个以太网接口，2 个 RS485接口，可以通过以太网组成控制系统，也可以通过 RS485接口连接 Modbus设备。PEC8000 支持
24、IEC61131-3功能块和梯形图编程，自主开发的编程软件 PLC_Config可以对 EPA网络设备和 Modbus网络设备进行统一的编程和管理。DIO3000 同时支持 Modbus RTU/ASCII协议，具有 24路 DI（2 路高速 DI） 、16 路 DO（2 路高速 DO） 、2 路 AO。温度控制模块 TAC6000，具有 8路 AI、3 路 DI和 9路 DO以及 1个 RS485接口；能够以 PWM方式实现多路控温，具有 PID和模糊控温方式，并具有控制参数自整定功能；支持 IEC61499功能块组态编程。DIO2000 是可编程序开关量控制器，具有 23路 DI、12 路
25、 DO和 1个 RS485接口，支持 IEC61131-3功能块方式编程。表 2.1 EPA产品介绍规格型号 DIO3000 DIO3400 AIO5000 PEC3000 PEC3400 PEC5000 PEC80008 8 6模拟量输入 支持全系列热电偶、热电阻、标准电流、标准电压、毫伏电压等多种传感器类型2 2 8 8 2模拟量输出 支持 020mA或 020V输出，可配置为开关量输出24 8 1 24 8 1 82路高速 2路高速 2路高速开关量 输入输入电压范围为 10V30V，高速输入频率范围为 0.3Hz50KHz16 32 1 16 32 1 82路高速 2路高速 2路高速开关
26、量 输出140mA，高速输出频率范围为 10Hz50KHz1 1 1 1以太网通讯 支持 EPA协议、ModbusTCP/UDP 协议标准2 2 2 2 2 2 2串行通讯支持 ModbusRTU和 ASCII协议，标准波特率 1200115200 和高速 MB+总线 500K、1M 波特率1 1 1 1 1 1 1无线通讯 *支持 802.15.4的 ZigBee无线通讯标准程序存储区 128KB存储区用户数据存储区 10752字，可掉电保存网络扩展 通过 RS485和 ZigBee网络可扩展 16个从设备，自动对从设备进行管理编程语言 IEC61131-3标准功能块 梯形图 指令码编程软件 PLC_Config编程软件工作条件 工作温度：-4080 工作湿度：90%电源电压 10V30V 直流输入，功耗 5W外形尺寸 45mm110mm110mm
