基于西門子S7-1200PLC 電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊昊航， 王 超

（吉林建筑大學(xué)， 吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人民生活水平日益提高的今天，現(xiàn)代建筑均向著高層化發(fā)展，電梯已經(jīng)成了高層建筑中必不可少的垂直方向交通工具， 其重要性也就顯得格外明顯。人們對(duì)電梯的需求越來(lái)越高，這對(duì)電梯的調(diào)速精度、調(diào)速范圍等靜、動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求，要求其功能改變靈活，編制程序方便，故障小，噪聲小，維修保養(yǎng)容易、節(jié)能省工、抗干擾能力強(qiáng)、控制箱面積小。電梯控制目前主要采用可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 除滿足載客運(yùn)貨的基本功能外， 還要在安全穩(wěn)定的環(huán)境中自動(dòng)智能地制定出最佳運(yùn)行方式[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要以電梯邏輯系統(tǒng)為研究重點(diǎn)， 展開(kāi)論述和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。 電梯工作流程可以概括為：乘客到達(dá)場(chǎng)景后，啟動(dòng)電梯呼梯按鈕；PLC 依據(jù)采集的乘客所輸入的召喚信號(hào)對(duì)轎廂進(jìn)行定位判斷、 當(dāng)轎廂容量和廂門狀態(tài)符合運(yùn)行條件時(shí)， 調(diào)用其自身電梯控制和分配邏輯程序輸出單梯轎廂行駛方向和其他狀態(tài)的顯示， 執(zhí)行對(duì)應(yīng)轎廂牽引拖動(dòng)和停車控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程邏輯控制器（PLC）的基本結(jié)構(gòu)

可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller）是由美國(guó)數(shù)字化設(shè)備公司設(shè)計(jì)的一種新型工業(yè)設(shè)備控制器，通過(guò)增加產(chǎn)品對(duì)可靠性及生產(chǎn)能力的需求，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 可編程控制器具有可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2]。 可編程控制器是一種常見(jiàn)的工業(yè)控制元件，在微計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，適用范圍廣，它能夠?qū)ψ詣?dòng)化系統(tǒng)起到巨大的功能作用，可用于多種工業(yè)民用電力設(shè)施，應(yīng)用范圍很廣，具有可靠性強(qiáng)，操作方便，功能齊全等特點(diǎn)、許多內(nèi)部功能已被市場(chǎng)所接受。

該控制系統(tǒng)中選用的控制器是SIMATIC S7-1200 CPU1214FC，屬小型PLC（Micro PLC），可以用于多種自動(dòng)化系統(tǒng)中。 由于其體積小并且具有很高的可靠性和安全性，所以非常適合用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制場(chǎng)合。 該小型PLC具有緊湊、成本低廉，同時(shí)功能強(qiáng)大，從而使S7-1200 PLC非常適合于各類小型控制任務(wù)[3]。由于它采用了先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)思想， 因而具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。 與此同時(shí)，多樣化的S7-1200 系列產(chǎn)品和以Windows為平臺(tái)的編程工具也應(yīng)運(yùn)而生，讓使用者可以更靈活的、便于自動(dòng)化任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。 該控制系統(tǒng)由一個(gè)主控室和多個(gè)分控制室組成[4]。 S7-1200 具有強(qiáng)大的功能和小巧的體積，采用交流電源，可以在合理范圍進(jìn)行調(diào)解。

該機(jī)集成了16 條輸入和10 條輸出， 共含有24 個(gè)數(shù)字量的I/O 點(diǎn)。 可編程控制器具有高可靠性、 抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 可以采用助記符，梯形圖等編程方式進(jìn)行編程，為了便于實(shí)際應(yīng)用，可將七個(gè)擴(kuò)展模塊外接，例如，輸入輸出擴(kuò)展模塊等、熱電偶－熱電阻擴(kuò)展模塊和通訊擴(kuò)展模塊。 另外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的串行通信接口，能夠與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息的采集及顯示功能。其中輸入/輸出擴(kuò)展模塊可以最大擴(kuò)展至248 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或者35 路模擬量I/O 點(diǎn)。 另外還提供了豐富的人機(jī)接口，包括鍵盤與顯示器等，并且采用模塊化設(shè)計(jì)。 程序與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間夠用戶用，大約為125KB。

該系統(tǒng)含有六個(gè)獨(dú)立高速計(jì)數(shù)器， 頻率在30kHz 左右，4 路獨(dú)立式高速脈沖，輸出頻率20kHz，為了適應(yīng)工業(yè)控制要求，同時(shí)有一個(gè)單獨(dú)PID 控制器。 配有兩個(gè)RS485通信/編程口，實(shí)現(xiàn)了MPI 通訊協(xié)議、擁有PPI 通訊協(xié)議，通訊方式自由，I/O 端子排設(shè)計(jì)更加人性化，能夠非常便捷的整體拆裝，更換維護(hù)方便，提高使用效率。

該P(yáng)LC 在應(yīng)用于更高需求控制系統(tǒng)時(shí)，輸入輸出點(diǎn)充足，較強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，可以滿足輸入輸出量大的控制系統(tǒng)，同時(shí)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)運(yùn)行速度較快，內(nèi)部集成特殊功能較強(qiáng)[4]。 由于考慮到該控制系統(tǒng)輸入輸出較多， 因此， 增加了CPU1214FC 擴(kuò)展模塊，以確保系統(tǒng)完整。

2.2 PLC 的功能特點(diǎn)

可編程邏輯控制器的運(yùn)行，它通過(guò)CPU 重復(fù)輸入采樣，掃描速度一定、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新的三個(gè)階段過(guò)程。 本系統(tǒng)對(duì)這一控制方法進(jìn)行了描述[5]。 首先，按掃描方式順序讀取全部輸入狀態(tài)及數(shù)據(jù)，再按先向上，再向下的順序、先左后右依次掃描用戶程序（梯形圖）進(jìn)行邏輯操作，最后，將輸出的全部狀態(tài)及數(shù)據(jù)刷新，通過(guò)輸出電路帶動(dòng)外部設(shè)備工作。 PLC 作為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的大腦，芯片的集成度較高，具有保護(hù)電路和自診斷功能，編程多數(shù)使用直觀，簡(jiǎn)便的梯形圖，使用簡(jiǎn)單非常容易掌握， 用戶可靈活變換控制系統(tǒng)功能與大小，本發(fā)明適用于任意控制系統(tǒng)，內(nèi)置在不同模塊中，可直接和不同器件相連，本實(shí)用新型的有益效果是：輸入輸出功能模塊全，便于安裝，配置靈活，易于編程、運(yùn)行速度高，可靠性強(qiáng)，相對(duì)于繼電器邏輯控制器，它有著先天綜合優(yōu)勢(shì)[6]。

2.3 硬件接線圖

針對(duì)電梯控制系統(tǒng)的功能需求和I/O 分配，繪制了PLC 控制部分的硬件連接圖如圖1 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是CPU 通電后運(yùn)行在RUN 的狀態(tài)下， 啟動(dòng)電梯初始化程序進(jìn)行初始化， 初始化完成后電梯進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)等待呼叫信號(hào)的發(fā)出。 在收到內(nèi)外呼后判斷該層是否和目標(biāo)層持平，如果持平則轎廂門處于動(dòng)作狀態(tài)，如果不持平則選擇電梯方向并開(kāi)始工作。

3.2 輸入/輸出（I/O）分配

在該控制系統(tǒng)中，要求輸入的是上/下呼梯和轎內(nèi)選層、轎內(nèi)啟閉，操作/維護(hù)按鈕，及各類傳感器、限位器的輸入。此外，還加入了當(dāng)前載重量作為檢測(cè)電梯超重與否的仿真輸入信號(hào)。 具體分配如表1 所示。

表1 輸出表量表

在該控制系統(tǒng)中， 以輸出控制為主的裝置具有多個(gè)指示燈、七段數(shù)碼管，接觸器，繼電器、與電動(dòng)機(jī)之類的，還有準(zhǔn)備好的信號(hào)，其具體分配如表2 所示。

表2 輸入表量表

3.3 主要程序設(shè)計(jì)

使用編程軟件TIA Portal V16，它可以在計(jì)算機(jī)上直接生成和編輯梯形圖或指令表程序， 編好程序， 下載到PLC 中運(yùn)行，現(xiàn)就幾個(gè)主要的指令表程序分述于下：

3.3.1 初始化程序

電梯模型提供了脈沖信號(hào)的自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)， 控制程序接收到此信號(hào)之后，啟動(dòng)初始化工作。因設(shè)定初始化目標(biāo)樓層是6 層，故進(jìn)行初始化時(shí)電梯需向上運(yùn)行，在初始化結(jié)束時(shí)，返回準(zhǔn)備好的長(zhǎng)信號(hào)，準(zhǔn)備工作就緒，也就是表示電梯能夠正常工作載客了。

3.3.2 電梯外呼/內(nèi)呼上下行及顯示程序

當(dāng)一層向上的呼梯按鈕上的指示燈點(diǎn)亮。 在三層以上樓層上的所有按鍵都被按下后，則該樓層的上行呼梯指示燈也會(huì)同時(shí)點(diǎn)亮。 同樣地，當(dāng)是第三、第四、第五，當(dāng)按下六層對(duì)應(yīng)按鈕時(shí)，輸出變量2、3、4、5 層上行呼梯指示燈亮。

3.4 安全保護(hù)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)分析影響電梯安全性的主要因素和常見(jiàn)故障類型，為能確保乘客人身安全和可靠啟停，提出了相應(yīng)的解決方案。 根據(jù)電梯安全標(biāo)準(zhǔn)要求控制系統(tǒng)滿足故障安全準(zhǔn)則。 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須設(shè)計(jì)出一套安全可靠的系統(tǒng)以確保轎廂內(nèi)人員和貨物不受損壞。 電梯發(fā)生故障的時(shí)候， 該控制系統(tǒng)可以使得電梯對(duì)維修信號(hào)做出及時(shí)的反應(yīng)，讓電梯處于規(guī)定的樓層保養(yǎng)。 若系統(tǒng)發(fā)生了誤動(dòng)作或失控現(xiàn)象，會(huì)造成人員傷害甚至設(shè)備損壞。 本文研究并分析了上述各個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)的方法及原理[7]。 當(dāng)存在異常狀態(tài)的時(shí)候， 與此同時(shí)， 故障指示燈也經(jīng)常亮著，提醒乘坐的電梯在檢修，目前無(wú)法使用的普通電梯是頻繁的，是必不可少的安全防護(hù)環(huán)節(jié)之一，本系統(tǒng)有必要設(shè)置超重保護(hù)、終端越位保護(hù)和操作保護(hù)。

（1）超重保護(hù)程序。 電梯超載后故障指示燈點(diǎn)亮，在開(kāi)門狀態(tài)下不允許啟動(dòng)電梯[9]。

（2）終端越位保護(hù)程序。 電梯的上下兩端分別設(shè)置有終端減速開(kāi)關(guān)，終端限位開(kāi)關(guān)，以保證電梯不會(huì)超限[10]。

（3）運(yùn)行保護(hù)程序。 為了安全，門區(qū)以外或者電梯運(yùn)作時(shí)，設(shè)定電梯不能開(kāi)門。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)代電梯控制對(duì)安全性和可靠性的需求， 我們以西門子S7-1200PLC 為核心器件， 實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)對(duì)電梯的實(shí)際工作過(guò)程進(jìn)行分析，電梯運(yùn)行時(shí)信號(hào)I/O 分配，本系統(tǒng)通過(guò)在特定的平層上按壓旅客向上或者向下的按鍵，PLC便發(fā)出訊號(hào)，轎廂將乘客送達(dá)在樓層并開(kāi)門，接著按下樓層號(hào)關(guān)門，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使轎廂到達(dá)需要到達(dá)的樓層開(kāi)門。 同時(shí)利用梯形圖程序完成各功能動(dòng)作及相應(yīng)邏輯判斷。整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)單，效率高，安全，可靠，與其他控制器相比，PLC 控制有良好的前景。