工程实践与科技创新[3B]实验报告——电气自动化控制系统设计与实践

1、工程实践与科技创新3B实验报告 项目名称：电气自动化控制系统设计与实践- 人机界面 设计组编号：第6小组 设计小组名单：曾XX、张XX、林XX上海交通大学电气工程系2012年4月摘要： 本实验总结报告，详细阐述了通过施耐德实验室提供的“人机界面+Twido”硬件和软件系统而完成的“简易电梯模拟及报警系统”。此系统包含三个独立模块，分别为电梯正常运行模块、电梯人数超载报警模块、电梯故障报警模块。该系统以PLC为核心，触摸屏为辅助，实现基本的电梯运行模式，并在此基础上增添了人数超载报警、故障报警装置。对于非开发人员，只要按照触摸屏上的指示，并结合日常生活中电梯的运行状态的常识，就能很好地操控整个系

2、统。关键词：人机界面、Twido、PLC、电梯运行系统、人数超载、故障报警等目 录1系统总体说明21.1系统最初设计构想21.2系统最终实现功能31.3系统的设计原理概述41.4系统分工52系统的软件结构62.1程序总体结构62.1.1触摸屏程序总体结构（Vijeo Designer）62.1.2PLC程序总体结构（TwidoSoft）82.2重要的变量声明与地址分配182.3各模块功能介绍182.3.1触摸屏各模块功能介绍182.3.2PLC各模块功能介绍213系统的硬件连接273.1硬件总体结构273.1.1触摸屏总体结构273.1.2PLC总体结构283.2运动控制器与人机界面的连接29

3、3.2.1硬件连接303.2.2HMI软件配置304系统实现344.1学习中遇到的问题344.2建议355参考文献35系统总体说明1.1 系统最初设计构想在前期的熟悉人机界面（触摸屏、PLC）的相关软件的基础上，我们开始构思我们组所要去设计的系统，在问及其他组将要设计的系统之后，为了不和其他组有设计上的冲突，我们组成员开始在日常生活中遇到过的系统中去寻找我们感兴趣的样板。经过组内成员的研究、讨论，我们组决定设计一个简易的模拟电梯运行系统，并包含电梯人数超载报警指示、电梯故障报警指示。在熟悉电梯正常运行的功能的基础上，考虑到指示灯的数量的限制，我们选择设计一个在4个楼层之间运行的电梯系统，并用4

4、个指示灯来表示电梯在此4个楼层所处的位置。初始状态是整个系统处于停止状态，没有任何显示，而在触摸屏上进入电梯运行界面，在界面上按下启动按钮，电梯运行系统被启动，电梯初始位置处于1楼，且相应指示灯显示亮。和生活中电梯类似，我们设计的系统也有上行和下行按键，当按下上行键，电梯将执行上行系统；当按下下行键，电梯相应地执行下行系统。电梯停于某一楼层，相应地代表该楼层指示灯保持亮着的状态。在完成基本功能上，为了完善、加强整个系统的功能，也是为了让设计的电梯系统接近生活中真实电梯系统，我们添加了人数超载报警指示、电梯故障报警指示系统。通过触摸屏进入人数报警界面，在界面上，我们组用一个计数器来代表感应人数增

5、加的传感器，通过人为手动地增加或者减少人数，当人数达到11时，人数超载系统启动，我们让4个楼层指示灯同时按照一定时间间隔的忽亮忽暗指示电梯处于超载状态，当人数减少，4个楼层指示灯立即停止此现象，恢复到前电梯运行的状态，而并不是重新启动。通过触摸屏进入电梯故障界面，有一个warning按钮代替感应出故障的感应器，如此按钮一旦被按下，电梯迅速进入电梯故障系统，我们组用3个指示灯（L1、L2、L3）来表示，此3指示灯进入循环亮的过程：L1、L2 L1、L3 L2、L3 L1 L2 L3 L1、L2 。而当此故障被解除（复位）时，指示灯迅速停止，电梯故障系统停止运行。系统最终实现功能 首先，分别将PL

6、C控制程序、触摸屏控制程序下载至PLC、触摸屏中，按照输出口对应接好各指示灯，建立好PLC和触摸屏之间的通信。进入触摸屏首页界面，选择进入电梯运行系统界面。 图1.2-1 触摸屏首页按下启动按钮，启动指示灯亮，电梯运行系统启动，电梯处于楼层，指示楼层的灯显示亮着的状态，按照正常电梯运行过程，在选择所要到达的楼层之前，必须先按上行还是下行按钮，而此时只有上行按钮可按，如选择楼层，则电梯从楼层开始向楼层运行，指示灯的状态是L1灯灭，L2灯亮，过秒，L2灯灭，L灯亮，过秒，L灭，L亮，然后L一直亮着，直到用户选择下行并按下某一楼层按钮，如楼层，则指示灯状态为L灯灭，L灯亮，过秒，L灯灭，L灯亮，L灯

7、一直亮着，直到按下下行还是上行按钮，并选择要到的楼层，如此循环运行。然后，用户可以通过两种方式进入报警界面，一种是触摸屏的主界面直接进入，一种是通过电梯运行系统的向后翻页键进入。报警界面分为人数超载报警、电梯故障报警。若是人数超载按钮被按下并增加到时，人数超载报警系统启动，L1、L、L、L同时快速忽亮忽暗，亮暗间隔为.秒，当人数减一或者人数复位为零，L1、L、L、L同时熄灭；若是故障报警按钮被按下，电梯故障报警系统启动，指示灯进入循环闪烁过程，如.系统最初设计构想中提到，循环间隔.秒，循环过程持续着直至故障复位键的按下。系统的设计原理概述日常生活中，都能接触到电梯这个运行系统，几乎每幢高楼大厦

8、都配置了电梯。我们对电梯的运行过程也有一定的了解，比如对一个电梯系统，运行模式如：当乘客在电梯门外呼叫电梯时，按下上行还是下行的按钮，先前电梯运行到哪一楼层，此时收到呼叫指令，开始向呼叫楼层运行，电梯内楼层指示灯依次亮，等到达呼叫楼层时，电梯停止运行，指示该楼层的指示灯保持亮着的状态一定时间，等待乘客进入；乘客进入电梯，电梯内有要到达的楼层按钮，当乘客选择一个楼层时，电梯关门，开始向指令到达楼层行进，此时电梯内楼层指示灯依次亮，代表电梯的运行过程和位置，如此循环运行。正常生活中电梯图片如图1.3.1-1。 图1.3.1-1（a）电梯外部图片 图1.3.1-1（b）电梯内部图片电梯除了正常运行系

9、统外，还有其他一些用于报警电梯出现故障时的系统，比如每个电梯都有人数限制，当人数达到限制人数时，电梯会自动发出警报，指示乘客已超载，电梯无法运行，而一旦人数减少至限制人数以下，报警解除，电梯正常运行；当电梯出现一些故障，故障报警系统启动，等待维修人员来修理，待故障被解除，报警系统停止，电梯可正常运行。基于生活中电梯这些设计原理，我们来设计我们组的电梯系统，设计原理大致相同，有些细微之处由于实验室的条件而未能更好地与现实生活中相匹配，在后面我们将具体谈及。系统分工利用触摸屏上的指示按钮来代替生活中电梯的外部、内部各种呼叫按钮，包括上下行按钮、各楼层按钮兼指示灯、超载人数感应器、故障传感器等。 图

10、1.4-1 触摸屏电梯运行按键图 图1.4-2 实际电梯运行按键图利用PLC可编程控制器代替生活中电梯运行控制系统，控制电梯正常运行系统、电梯人数超载报警系统、电梯故障报警系统，并有一定输出，控制用来代替各楼层指示灯和报警灯的闪烁。如图1.4-3。图1.4-3 Twido PLC 可编程控制器件系统的软件结构程序总体结构122.1触摸屏程序总体结构（Vijeo Designer）2.1.1.1 触摸屏程序编写软件Vijeo Designer的结构介绍图2.1.1.1-1 Vijeo Designer软件界面图2.1.1.1-2 Vijeo Designer软件配置2.1.1.2 触摸屏控制程序

11、 图2.1.1.2-1 触摸屏主页界面图2.1.1.2-2 触摸屏电梯运行界面 图2.1.1.2-3 触摸屏报警系统界面 PLC程序总体结构（TwidoSoft）2.1.2.1 PLC 程序编写软件（TwidoSoft）的结构介绍 TwidoSoft 是一个为Twido可编程控制器建立、配置和维护应用程序的图形化开发环境。TwidoSoft 是一款32 位的基于Windows 的程序，可在操作系统是Microsoft Windows 98第二版和Microsoft Windows 2000 Professional 的个人计算机运行。TwidoSoft 1.13 或更高版本也可以在Micros

12、oft Windows XP 上运行。 图2.1.2.1-1所用软件版本TwidoSoft V3.2 TwidoSoft 主窗口为菜单和命令、窗口和工具栏以及应用程序的查看提供了轻松的访问方法。图2.1.2.1-2 主窗口 图2.1.2.1-3 梯形图浏览器窗口 图2.1.2.1-4 梯形图编辑器窗口2.1.2.2 PLC控制程序PLC控制程序如下，具体每行梯形图所要实现的的功能，注释中已经给出，各模块功能的实现在2.3.2中详细论述： 重要的变量声明与地址分配%I0.0%M20%M21%M22%M23%M24%M25外部启动电梯运行按键一楼按键二楼按键三楼按键四楼按键电梯运行系统触摸屏启动按

13、键电梯运行系统停止按键%M26%M27%M30%M31%M32%M33%M34电梯上行按键电梯下行按键超载报警解除按键电梯故障报警启动按键电梯故障报警解除按键超载报警启动按键进入电梯运行模式按键%M35%Q0.2%Q0.5%Q0.6%Q0.7%Q0.8%Q0.9进入报警模式按键一楼及报警指示灯四楼及报警指示灯二楼及报警指示灯三楼及报警指示灯电梯运行模式启动指示灯电梯运行模式停止指示灯各模块功能介绍 触摸屏各模块功能介绍2.3.1.1 触摸屏主页面模块 图2.3.1.1-1 触摸屏主页界面主模块共有两个普通按钮，分别是“进入操作界面”和“进入报警界面”。点击“进入操作界面”，页面跳转到操作界面，

14、同时置位operation_mode变量，松开复位。点击“进入报警界面”，页面跳转到报警界面，同时置位alarm_mode变量，松开复位。2.3.1.2 触摸屏电梯正常运行模块图2.3.1.2-1 触摸屏电梯正常运行界面正常运行模块图示为上图，下面分别介绍按钮及指示灯作用。START按钮：启动电梯，同时初始默认电梯停在在一楼。点击置位start_total变量，松开复位。STOP按钮：停止电梯。点击置位stop_total变量，松开复位。上行按钮：确定电梯上行。点击置位step_up变量，松开复位。下行按钮：确定电梯下行。点击置位step_down变量，松开复位。楼层按钮：确定电梯前进楼层。点

15、击分别置位switch01、switch02、switch03、switch04变量。松开复位。楼层灯：显示电梯当前所在楼层。分别响应light1_1、light1_2、light2_1、light2_2、light3_1、light3_3、light4_1变量。Backword按钮：返回主界面。Foeward按钮：进入报警界面。点击置位alarm_mode变量，松开复位。2.3.1.3 触摸屏报警指示模块图2.3.1.3-1 触摸屏报警指示界面报警界面图示为上图，下面分别介绍按钮及指示灯作用。当前人数显示器：显示当前电梯人数。响应people_total变量。人数增减按钮：手动增减电梯人数。

16、人数增加到限乘值时，会触发报警灯闪烁；人数减值零时，无法继续减小。点击分别触发以下脚本：（1）点击增加按钮int a = people_total.getIntValue();if(a<10)a = a+1;people_total.write(a);elsea = a+1;people_total.write(a);warning_light.write(1);warning_people.write(1);（2）点击减少按钮int a = people_total.getIntValue();if(a<10)a = a+1;people_total.write(a);elsea

17、 = a+1;people_total.write(a);warning_light.write(1);warning_people.write(1);松开时分别复位warning_people和reset_people变量。Reset按钮：复位超员报警子系统。点击置位reset_people变量、复位people_total和warning_light变量，松开复位reset_people变量。WARNING按钮：触发故障报警子系统。点击置位warning和warning_light变量，松开复位warning变量。ALL-RESET按钮：复位故障总系统。点击置位all_reset变量、复位

18、warning_light和people_total变量，松开复位all_reset变量。报警灯：在任何一种故障发生时，触发灯光红色快速闪烁。响应变量warning_light。Backword按钮：返回正常运行界面。点击置位operating_mode变量。 PLC各模块功能介绍2.3.2.1 电梯正常运行模块电梯正常运行模块分为上行和下行，两者设计原理一样，所以在此只讨论上行过程的设计，诚如上面梯形图所展示的，我们组用4个输入（M24、M21、M22、M23）来表示4个楼层，3个计时器起到延时作用（延时2秒），按动每个输入按钮，则向PLC控制系统呼叫所要到的楼层。M0、M2、M4、M6分别

19、表示1、2、3、4楼层指示灯状态量，初始时电梯在1楼层，M0输出为1，对应指示灯亮，当按下上行和某个楼层按钮时，电梯开始向上运行，所涉及到的计时器依次被触发，起到延时作用，使上一楼层指示灯状态量为1，前一楼层状态量复位为0，这样相邻楼层指示灯间隔2秒一暗一亮，代表着电梯正在上行的过程。进一步，为了防止上行和下行过程发生冲突，我们设置了专门表示上行和下行过程的状态量M13-上行、M14-下行，当电梯处于上行过程时，M13状态为1，M14状态为0，从而阻止了下行过程的运行，输出正确，不会导致系统紊乱。2.3.1.4 电梯人数超载报警模块人数超载系统，我们组是用一个输入（M33）和两个计时器来完成，

20、当人数超载时，M33迅速给一个高电平信号，则M40的状态迅速由0变为1，出发两个计时器工作，也是利用计时器的延时功能循环产生脉冲输出M40，脉冲间隔0.5秒，利用M40控制4个楼层的指示灯，显示为4个灯一齐间隔0.5秒的亮，从而来表示超载报警。2.3.2.2 电梯故障报警模块因为要实现一个6个状态的循环，所以故障报警系统需要1个输入（M31）和6个计时器来工作，这6个计时器，分别受上一个计时器的触发和下一个计时器的复位。这样就能产生6个依次状态为1的状态量（M42、M43、M44、M45、M46、M47），只要每个循环中让相应的状态量的输出给对应的指示灯，那么灯的循环即可以实现。2.3.2.3

21、 电梯独立输出模块由于受灯的数量的限制，我们只能循环利用指示灯，但为了不引起各指示灯输出的冲突，而造成系统紊乱，也是为了使各个模块之间独立，我们组设置了几个状态量（M36、M37、M38、M39），其中M36和M37相对应，M36使能电梯正常运行系统的状态量，M37使能电梯报警系统的状态量，当电梯进入正常运行界面时，M36状态为1，M37状态为0，相应地，当电梯进入报警界面时，M37状态为1，M36状态为0，同时，在报警界面，为了让超载报警和故障报警两模块各自独立，M38-使能人数超载报警、M39-使能故障报警，当电梯处于超载报警时，M38状态为1、M39状态为0，相应地，当电梯处于故障报警时

22、，M38状态为0、M39状态为1。由于有这样的设置，整个系统的输出才会准确无误。系统的硬件连接硬件总体结构触摸屏总体结构 图3.1.1-1 触摸屏外部结构 图3.1.1-2 触摸屏内部结构PLC总体结构PLC是一种新型的电气控制装置，它将传统的继电控制技术和计算机控制技术融为一体，进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，它具有数据运算、传送与处理功能和可以进行模拟量控制、位置控制，特别是远程通讯功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统，被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制。 图3.1.2-1 PLC硬件系统结构PLC采用“顺序

23、扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。1. 主机 主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我们常说的电脑芯片。 内部存储器有两类：一类是系统程序存储器，另一类是用户程序及数据存储器。系统程序存储器：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。用户程序及数据存储器：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。2. 输入/输出（I/O）接

24、口（1）输入接口用于接收输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。（2）输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:接触器、电磁阀、指示灯等）。3. 电源 电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源。4. 编程器编程器是PLC很重要的外部设备，它主要由键盘、显示器组成。编程器分简易型和智能型两类。小型PLC常用简易编程器，大、中型PLC多用智能编程器。编程器的作用是编制用户程序并送入PLC程序存储器。利用编程器可检查、修改、调试用户程序和在线监视PLC工作状况。现在许多PLC采用和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程和监控。本

25、实验采用Twido PLC，型号为TWDLCAE40DRF，采用电源：24VDC，100240 VAC，通讯协议：Modbus，CANopen，Ethernet （两种40点一体型本体内置） 。本设备为一体型40 I/O 控制器，主要配置如下：（1）具有24个数字量输入（24VDC），14个继电器（2A）和2个晶体管（1A）输出（2）具有2 个模拟电位器输入（3）具有1 个集成的串行口（4）具有一个支持附加串行口的插槽（5）内置 RTC（6）具有一个用户可更换电池的电池盒（7）最多连接7 个扩展I/O 模块（8）最多连接2个AS-Interface V2总线接口模块（9）可连接1个CANope

26、n现场总线接口模块（10）连接一个可选内存插卡(32 KB或64 KB)（11）可连接一个可选的操作器显示模块 图3.1.2-2 TWDLCAE40DRF运动控制器与人机界面的连接 图3.2-1 触摸屏与PLC的连接 硬件连接Twido PLC与HMI的通讯采用Modbus RTU，具体接口如下图：111 图3.2.1-1 接口图3222 图3.2.1-2 总接口图 HMI软件配置在HMI编程软件Vijeo-Designer中，新建工程时，需要配置相关的I/O设置。打开Vijeo-Designer软件，新建一个工程，目标类型选择XBTGT2000系列的XBTGT2330(320x240)即可，

27、工程名随意。在“导航器”的工程选项卡中右击管理器，选择“新建驱动程序”。在弹出的对话框中制造商选择施耐德电气，驱动程序选择Modbus(RTU)，设备选择Modbus Equipment。具体步骤如下图： 图3.2.2-1 HMI软件配置（1）图3.2.2-2 HMI软件配置（2）在I/O管理器中会添加子选项ModbusRTU01，右击此选项，点击配置，打开一个对话框。具体配置如下图： 图3.2.2-3 HMI软件配置（3）图3.2.2-4 HMI软件配置（4）点击变量选项卡，右击Target1，新建变量、新建，打开一个对话框，如图6-42进行设置，这样就添加了一个名为“使能”的离散型变量，其

28、在ModbusEquipment01中对应的地址为%M1，与PLC程序中的使能中%M1相对应，这样便建立起了触摸屏和PLC的关联。图3.2.2-5 HMI软件配置（5）在界面上添加一个开关，如下图，名称改为“使能”，操作选择“位”并且“点击瞬间ON”，目标变量选择“使能”即%M1，点“添加”。图3.2.2-6 HMI软件配置（6）以上通过简单的软件例程，便可以基本阐述HMI与PLC之间的连接方式。1.2.3.系统实现学习中遇到的问题张XX：本次科技创新，可以说是电气专业的我们第一次选择自己专业的科创，我也是第一次走进了施耐德联合实验室。虽然从过程上来看，科创的难度不算很大，过程也算顺利，但中间

29、还是遇到了很多问题和教训，值得在以后的学习和实验中加以重视和反思。我负责的模块是HMI的软件编写，这部分主要以图形化编程为主，所以理解起来较为容易上手，但在初期，由于我急于求成，所以忽视了对相关资料的阅读，导致对于编程之外的工程配置参数没有注意，下载方式一直默认是以太网，使得花费了很久时间都无法导入HMI。这对自己也是个经验和教训，以后不论做学问还是工作，都不能忽视细节，同时也要在正式上手之前做足准备工作，这样才不至于在有限的实验测试时间内问题不断，影响进度也影响心情。另外，由于是三人协同，我负责的模块与其他两位同学的交流也显得十分重要。在我们当初确定电梯模型之后，由于我无法获知PLC编程同学

30、的想法和理解，所以没有办法开始我的工作，使得工作虽分工明确，但实际上效率却不高，另外在调试时，由于对PLC相关知识的不熟悉，使得在变量定义和初始化时遇到了障碍，导致我起初以为是PLC编写逻辑的问题，但后来才发现时自己在按钮设置时没有及时复位，导致下一次响应无法按照预定设置展开，这是导致我们后期进度较慢的主要原因。这也体现出沟通和协作的关系，分工明确固然是好事，但如果分工之后没有及时的交流汇总，那只能是各自闭门造车，最后反而适得其反。曾XX：在整个科创6的过程中，我负责的是PLC可编程控制器件的程序编写。由于是第一次接触PLC，刚开始时不是很熟练，对Twidosoft软件中状态量的功能不是很清楚，所以程序的编写遇到些瓶颈，难以下手。当我发现，老师给的施耐德网站上有些程序案例，通过对其中一些案例的分析，我渐渐熟悉了那些状态量的功能，并自己能编写一些小的梯形图程序，实现硬件上相应的功能。当我们小组决定设计一组电梯模型系统时，这对于我来说，是一个比较大的系统程序，但是我并没有感到害怕，