王 宏，王子成，崔光照

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002）

基于組態(tài)軟件的PLC電梯控制和仿真研究

王 宏，王子成，崔光照

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、城市現(xiàn)代化進(jìn)程的突飛猛進(jìn)，電梯作為一種高效、迅捷、安全、可靠的垂直運(yùn)輸設(shè)備，成為了人們不可缺少的運(yùn)輸工具。現(xiàn)代高層建筑中各辦公大樓、住宅、賓館、醫(yī)院、工礦企業(yè)、倉(cāng)庫(kù)、碼頭、大型貨輪等都離不開它。電梯性能的好壞對(duì)人們生活的影響越來越顯著，因此必須努力提高電梯系統(tǒng)的性能，保證電梯的運(yùn)行即高效節(jié)能又安全可靠。傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)采用的繼電器控制，由于觸點(diǎn)多、故障率高、可靠性差、體積大等缺點(diǎn)，正逐漸被淘汰。目前應(yīng)用較多的控制器有單片機(jī)及可編程控制器（PLC），由于單片機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用需要專業(yè)人員，抗干擾能力較差，維護(hù)也比較困難，因此在電梯控制系統(tǒng)中應(yīng)用受到一定的限制。而采用PLC的電梯控制系統(tǒng)，不但具有很強(qiáng)的抗干擾能力及負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，而且簡(jiǎn)單易學(xué)、維護(hù)方便。

本文在全面了解電梯控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇利用可靠性高、功能強(qiáng)大的西門子S7-300 PLC設(shè)計(jì)開發(fā)出了6層電梯控制系統(tǒng)，同時(shí)通過采用組態(tài)軟件對(duì)PLC電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該電梯的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，設(shè)計(jì)出的人機(jī)界面不僅能直觀、準(zhǔn)確地反映電梯的運(yùn)行狀態(tài)，而且還可以進(jìn)行相關(guān)得控制操作，為電梯的安全運(yùn)行提供了可靠保證。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有人機(jī)交互界面友好、運(yùn)行安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。

1 PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)組成

電梯的主要控制技術(shù)包括PLC控制技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，配合交流變頻變壓控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電梯安全、可靠、平穩(wěn)地運(yùn)行。電梯PLC控制系統(tǒng)由邏輯部分和變頻器控制的調(diào)速部分組成（如圖1所示）。電梯中的曳引電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行直接由變頻器控制，變頻器的輸入控制信號(hào)由PLC提供。邏輯部分由PLC控制，PLC接收呼叫信號(hào)、轎廂和廳門系統(tǒng)的功能信號(hào)以及井道和變頻器的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)程序判斷與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電梯的集選控制。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號(hào)的同時(shí)，根據(jù)隨機(jī)邏輯控制的要求，向變頻器發(fā)出運(yùn)行方向、啟動(dòng)、加速、減速和制動(dòng)停梯等信號(hào)。調(diào)速部分由變頻器根據(jù)一定的控制規(guī)律和控制算法來控制，利用光電編碼器測(cè)量曳引機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)[1]。

以6層電梯為例，用西門子可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的控制。下面從電梯控制系統(tǒng)的硬件選型、PLC 的I/O地址分配等方面進(jìn)行逐一說明。

1.1.1 硬件選型

控制系統(tǒng)可以選擇西門子S7-200的，也可以選擇S7-300的，在本設(shè)計(jì)中選擇S7-300的CPU-315機(jī)型，這樣可以便于STEP7提供的S7-PLCSIM仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和仿真，并且可以利用STEP 7與WinCC flexible進(jìn)行集成調(diào)試和仿真。

圖1 電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1.2 PLC輸入/輸出地址分配

設(shè)計(jì)一個(gè)6層電梯控制系統(tǒng)，需要輸入點(diǎn)至少39點(diǎn)，包括啟動(dòng)/停止信號(hào)1個(gè)或2個(gè)，外呼信號(hào)10個(gè)，內(nèi)呼信號(hào)6個(gè)，開門關(guān)門信號(hào)2個(gè)，開門和關(guān)門到位信號(hào)2個(gè)，關(guān)門防夾檢測(cè)信號(hào)1個(gè)，檢測(cè)轎廂到位信號(hào)12個(gè)，電梯平層信號(hào)檢測(cè)2點(diǎn)，電梯內(nèi)報(bào)警信號(hào)1個(gè)。輸出點(diǎn)至少35個(gè)，其中包括電梯上行、下行電機(jī)輸出信號(hào)2個(gè)，電梯速度控制2點(diǎn)，轎廂開門、關(guān)門輸出信號(hào)2個(gè)，轎廂所在樓層顯示器LED驅(qū)動(dòng)輸出8點(diǎn)，呼梯指示信號(hào)16個(gè)，電梯上行、下行輸出指示信號(hào)2個(gè)，電梯正在服務(wù)方向指示信號(hào)2個(gè)，電梯超載顯示信號(hào)1個(gè)，表1即為輸入/輸出地址分配表[2]。

表1 輸入/輸出地址分配表

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 電梯運(yùn)行狀態(tài)分析

電梯運(yùn)行方向由呼梯信號(hào)決定，按照順向優(yōu)先原則執(zhí)行。行車途中如遇到外呼信號(hào)，順向截車，反方向不截車。內(nèi)呼和外呼信號(hào)均具有記憶標(biāo)志，執(zhí)行后才能被解除記憶；到達(dá)目的平層時(shí)自動(dòng)開門，延時(shí)關(guān)門，并具有手動(dòng)開門，手動(dòng)關(guān)門功能，如果檢測(cè)到在關(guān)門過程中有人通過則電梯會(huì)自動(dòng)打開門。行車途中不能手動(dòng)開門，開門時(shí)電梯不允許運(yùn)行；如電梯在兩層之間運(yùn)行超過10秒，則發(fā)出超時(shí)警報(bào)；如果檢測(cè)到電梯超載則發(fā)出超載警報(bào)，并且使電梯門打開，鎖定電梯，直到報(bào)警信號(hào)消除后才允許電梯運(yùn)行[3]。

1.2.2 程序流程圖

電梯系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示。

1.2.3 控制程序調(diào)試

使用S7-PLCSIM，可以在仿真PLC中執(zhí)行以及測(cè)試STEP 7用戶程序。仿真在PC或編程設(shè)備中執(zhí)行。由于仿真是完全在STEP 7軟件中實(shí)施的，因此不需要任何S7硬件，可以使用S7-PLCSIM仿真S7-300用戶程序。S7-PLCSIM提供一個(gè)簡(jiǎn)單的STEP 7用戶程序界面，以供監(jiān)視以及修改諸如輸入和輸出變量這樣的不同對(duì)象（如圖3所示）。當(dāng)在仿真CPU上運(yùn)行程序的同時(shí)，還可以使用STEP 7軟件在線監(jiān)控應(yīng)用程序[4]。

2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。WinCC flexible是德國(guó)西門子公司工業(yè)全集成自動(dòng)化的子產(chǎn)品，是一款面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的HMI軟件。該軟件用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備，提供了面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持[5]。

圖2 電梯系統(tǒng)控制流程圖

圖3 利用PLCSIM調(diào)試程序

2.1 圖形界面設(shè)計(jì)

圖形界面用來模擬現(xiàn)場(chǎng)的情況，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的界面用來仿真電梯運(yùn)行的畫面（如圖4所示）。WinCC flexible提供了豐富的圖形制作工具，而且還有豐富的圖庫(kù)供選擇，在本設(shè)計(jì)中，針對(duì)電梯系統(tǒng)制作了進(jìn)入畫面、監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置、操作幫助畫面，使整個(gè)系統(tǒng)操作人性化，內(nèi)容豐富。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行主畫面

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)變量構(gòu)造

在程序編寫之前首先要定義程序中用到的變量，根據(jù)用來描述對(duì)象的屬性，在WinCC flexible中定義變量數(shù)據(jù)庫(kù)（如圖5所示）。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)庫(kù)中外部變量的值改變時(shí)，則該值自動(dòng)寫入PLC的內(nèi)存中；而PLC內(nèi)存中的過程變量的值改變時(shí)，WinCC flexible中的數(shù)據(jù)庫(kù)變量自動(dòng)更新。采集周期確定HMI設(shè)備將在何時(shí)從PLC讀取外部變量的過程值。對(duì)采集周期進(jìn)行設(shè)置，使其適合過程值的改變速率。如果采集周期設(shè)置得太低，將極大地增加過程的通訊負(fù)荷。在本設(shè)計(jì)中設(shè)置采集周期為500ms。

圖5 WinCC flexible中建立數(shù)據(jù)庫(kù)

2.3 建立動(dòng)畫連接

WinCC Flexible可對(duì)圖形對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，真實(shí)地描述外界對(duì)象的狀態(tài)變化，進(jìn)行過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。例如：為了實(shí)現(xiàn)轎廂的動(dòng)態(tài)移動(dòng)，先選中想要?jiǎng)討B(tài)控制的畫面對(duì)象，在屬性視圖的“動(dòng)畫”組中選擇垂直移動(dòng)，選擇一個(gè)控制移動(dòng)的變量即電梯所在樓層，激活“啟用”復(fù)選框，系統(tǒng)在畫面上顯示對(duì)象的透明副本，該副本與源對(duì)象通過箭頭互連。將對(duì)象副本移動(dòng)到相關(guān)的目標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)在屬性視圖中輸入最終位置的像素值。修改變量的范圍從1至6。當(dāng)控制變量電梯所在樓層的數(shù)值改變時(shí)，對(duì)象將根據(jù)設(shè)置進(jìn)行移動(dòng)（如圖6所示）。同樣的，可以完成其他畫面對(duì)象的動(dòng)畫連接[6]。

圖6 垂直移動(dòng)設(shè)置

2.4 通訊連接

要用組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控首先要完成通訊連接，本系統(tǒng)是PLC與WinCC flexible之間進(jìn)行通信，選擇使用MPI組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。MPI是西門子公司開發(fā)的用于PLC之間通訊的協(xié)議。當(dāng)通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時(shí)，可以采用MPI通訊協(xié)議，它是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的通訊方式[4]。MPI網(wǎng)絡(luò)的通信速率為19.2Kbps～12Mbps，最多可以連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大通訊距離為50m。在STEP 7中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的通信速率為187.5Kbps，CPU315的地址為2，HMI的地址為3。在WinCC Flexible中建立HMI和PLC的連接，在WinCC Flexible的項(xiàng)目窗口，選擇“通信”、“連接”可以看到PLC和HMI的連接信息，設(shè)置通信驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镾IMATIC S7 300/400，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)使用MPI網(wǎng)絡(luò)，通信速率和地址已經(jīng)自動(dòng)匹配，其中的參數(shù)和STEP 7中的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)參數(shù)自動(dòng)保持一致，并自動(dòng)同步[5]。

2.5 STEP 7與WinCC flexible的集成調(diào)試和仿真

使用西門子的PLC，安裝STEP 7軟件后，則可以將WinCC flexible與STEP 7集成在一起。集成的優(yōu)點(diǎn)在于集成組態(tài)期間，可以訪問用STEP 7組態(tài)PLC時(shí)所創(chuàng)建的STEP 7組態(tài)數(shù)據(jù)，使變量的訪問更加方便。并且使用STEP 7中的S7-PLCSIM仿真軟件，可以和WinCC flexible中的仿真軟件WinCC flexible Runtime進(jìn)行通信，這樣可以進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試和仿真程序[8]。

首先將在STEP7中編寫的系統(tǒng)控制程序下載到S7-PLCSIM中，并將PLC置于RUN狀態(tài)，接著運(yùn)行WinCC flexible中的仿真軟件WinCC flexible Runtime。S7-PLCSIM和WinCC flexible Runtime將自動(dòng)建立連接，并相互通信。用這種方式調(diào)試和仿真程序比單獨(dú)用S7-PLCSIM更容易和直觀（如圖7所示）。

圖7 系統(tǒng)集成仿真畫面

3 結(jié)束語(yǔ)

利用西門子STEP7編程軟件、PLCSIM仿真軟件和 WinCC flexible組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)電梯的數(shù)據(jù)采集與處理、軟硬件組態(tài)、程序編寫、畫面顯示和實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和仿真，可以在脫離PLC 實(shí)際物理控制對(duì)象的條件下，在控制程序投入實(shí)際運(yùn)行前進(jìn)行調(diào)試，通過界面仿真的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。操作界面友好，自動(dòng)化程度高，監(jiān)控可靠。實(shí)踐證明，PLC 可編程控制器和組態(tài)軟件結(jié)合監(jiān)控電梯，便于系統(tǒng)設(shè)置、檢測(cè)、維護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，穩(wěn)定性好。

[1]蘆艷芳,朱貴憲.基于PLC 的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2011,30(8):53-55.

[2]李濤.基于PLC的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶,2010,17(3):74-75.

[3]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[4]許志軍.工業(yè)控制組態(tài)軟件及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5]馬國(guó)華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[6]孫亞寧,王慶平,曾冬俊.電梯控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2011,35(2):221-224.

[7]漆海霞,張鐵民,鄒恩.基于組態(tài)軟件的PLC電梯控制仿真[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)報(bào),2011,26(6):889-892.

[8]廖亮.西門子人機(jī)界面組態(tài)軟件WinCC flexible使用經(jīng)驗(yàn)[J].電工技術(shù),2008,(12):60-66.

PLC elevator control system and simulation based on conf i guration software

WANG Hong，WANG Zi-cheng，CUI Guang-zhao

本文介紹了基于西門子S7-300可編程控制器、STEP7和WinCC flexible組態(tài)軟件的電梯控制系統(tǒng)。闡述了電梯控制系統(tǒng)的組成及PLC、STEP7和WinCC flexible的程序設(shè)計(jì)方法。PLC執(zhí)行可靠有效地分散控制及采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，WinCC flexible組態(tài)軟件制作人機(jī)對(duì)話界面，進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控和仿真。該控制仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上位PC對(duì)實(shí)際電梯控制系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可以在脫離實(shí)際物理的控制對(duì)象情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制程序的調(diào)試和仿真運(yùn)行。

PLC；電梯控制；組態(tài)軟件

王宏（1977 -），男，河南平頂山人，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制及自動(dòng)化檢測(cè)。

TP273

A

1009-0134(2013)01(下)-0109-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).31

2012-08-12