曹勝敏，張紅娟

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

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基于S7-1200PLC的電梯模型控制系統(tǒng)改造

曹勝敏，張紅娟

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

摘要：采用S7-1200PLC對電梯模型進(jìn)行改造，增加了光幕和超重檢測，改進(jìn)了曳引電機(jī)的速度和制動控制，利用TIA博圖軟件設(shè)計了硬件、控制程序和監(jiān)控畫面。通過在實(shí)驗室應(yīng)用，改造項目均符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：S7-1200PLC；電梯模型；TIA博圖軟件

電梯屬于特種設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電梯在工業(yè)、商業(yè)及住宅等場所的使用越來越普遍，其控制方式也在不斷改進(jìn)。以PLC為控制核心的電梯控制模型是自動化類專業(yè)課的配套教學(xué)實(shí)驗裝置。為使此實(shí)驗裝置更接近工程實(shí)際，同時滿足教學(xué)需要，擬對其進(jìn)行改造，改造的項目包括：①曳引電動機(jī)及其控制方式。模型原有曳引電動機(jī)只有一種轉(zhuǎn)速，控制方式簡單，影響乘梯舒適度。②平層繼電器及其控制方式。模型原有的平層檢測采用的是位置開關(guān)，而位置開關(guān)為接觸型設(shè)備，使用壽命短，可靠性差。③轎廂門加光幕和稱重傳感器。原模型轎廂門沒有光幕及稱重傳感器，關(guān)門安全性差，無超重檢測。④控制核心選用新一代S7-1200PLC。S7-1200作為S7-200的升級換代產(chǎn)品，其功能更強(qiáng)大，性能更優(yōu)越，控制邏輯更簡捷。

1改造方案

1.1曳引電機(jī)

將曳引電動機(jī)改為交流雙速電機(jī)，變極調(diào)速，低速時定子繞組接為Δ形，高速時接成YY形，主電路及變極方式如圖1所示。為了提高乘梯舒適度，根據(jù)運(yùn)行區(qū)間長短選擇運(yùn)行速度。如運(yùn)行區(qū)間為一層時，用低速即可；若運(yùn)行區(qū)間在兩層以上時，先低速啟動，再轉(zhuǎn)高速運(yùn)行，至目標(biāo)層時再轉(zhuǎn)低速，然后進(jìn)行三級制動[1]。制動控制只在低速時才能進(jìn)行，以免在高速時制動造成沖擊，引起乘客恐慌。

圖1　雙速電機(jī)主電路及定子繞組Δ/YY變極原理圖

1.2平層繼電器

圖2　A30T光電開關(guān)的外形及安裝尺寸

將原來指示層位及平層檢測位置開關(guān)改為A30T光電開關(guān)，此為改造的重點(diǎn)。A30T光電開關(guān)為電梯專用U形槽馬蹄形光電開關(guān)，主要用于獲取電梯的井道信號，如門區(qū)信號、平層信號、換速信號、端站信號。A30T光電開關(guān)廣泛用于電梯控制和電梯監(jiān)控，其優(yōu)點(diǎn)為：①采用非接觸測量方式。原有位置開關(guān)為接觸測量方式，由于動作頻率高，易產(chǎn)生由機(jī)械疲勞引起的接觸不良，導(dǎo)致故障。②減少輸入點(diǎn)數(shù)。原有位置開關(guān)為每層一個，實(shí)際上是每層至少兩個，一個上平層、一個下平層，輸入點(diǎn)數(shù)較多，造成高層建筑中PLC的端口需求量非常大，且由此引起的系統(tǒng)造價和故障率不容忽視。采用光電開關(guān)，不論建筑物有多少層，只需安裝在轎廂上2-3個即可，節(jié)省了輸入點(diǎn)，提高了可靠性[2]。A30T光電開關(guān)外形尺寸為84 mm×67 mm×25 mm，黑色外殼，有水平和垂直兩種安裝方式供用戶選擇，內(nèi)置M5安裝螺母，引出線長2 m，直徑5 mm，四芯黑色線，供電電壓為DC 12～30 V(±10%電壓波動范圍)，可在寬電壓范圍內(nèi)可靠工作。接線方式選為繼電器觸點(diǎn)輸出，一個公共端、一個常開點(diǎn)、一個常閉點(diǎn)。A30T光電開關(guān)的外形及安裝尺寸如圖2所示。

1.3光幕和超重檢測

在裝置上加裝電梯光幕傳感器和超重檢測開關(guān)。電梯光幕是利用光電感應(yīng)原理制成的電梯門安全保護(hù)裝置，由安裝在轎廂門兩側(cè)的紅外發(fā)射器、接收器、電源及輸出控制器等組成。光幕發(fā)射端內(nèi)有多個紅外發(fā)射頭，一個發(fā)射頭發(fā)出的光線被多個接收頭接收，在轎廂門區(qū)域形成一個密集的紅外線保護(hù)光幕。當(dāng)其中任何一束光線被阻擋時，因無法實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，便輸出一個開關(guān)量信號，控制系統(tǒng)根據(jù)此信號中斷關(guān)門操作并轉(zhuǎn)為開門操作，直至阻擋物離開監(jiān)控區(qū)域電梯門才能關(guān)閉，從而避免電梯夾人事故，達(dá)到安全保護(hù)的目的?，F(xiàn)采用上海帝奇自動化有限公司生產(chǎn)的KS04-24型光幕開關(guān)，保護(hù)高度170 mm。

超重檢測開關(guān)選擇DS11-2型非接觸式稱重傳感器(如圖3所示)。傳感器與圓形磁鋼配合使用，當(dāng)傳感器探頭處的磁場強(qiáng)度大于一定值時，傳感器輸出開關(guān)量信號，指示燈亮。

圖3　DS11-2型電梯稱重傳感器

2軟件設(shè)計

2.1點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計

PLC的I/O端口輸入部分有外呼梯按鈕、轎廂內(nèi)選按鈕、轎廂開關(guān)門按鈕、光幕信號、超重信號、曳引電機(jī)和開關(guān)門電機(jī)過載保護(hù)、上平層信號、下平層信號、轎廂上下限位等共26個點(diǎn)；輸出部分有外呼梯指示燈、內(nèi)選按鈕指示燈、上下行指示、照明、風(fēng)扇、高速接觸器、低速接觸器、三級制動接觸器、開關(guān)門接觸器、層數(shù)顯示數(shù)碼管等共36個點(diǎn)。

2.2硬件組態(tài)

TIA博圖軟件是功能強(qiáng)大的自動化應(yīng)用軟件，包括設(shè)備組態(tài)、控制程序編寫、HMI畫面編輯等功能。硬件組態(tài)包括組態(tài)設(shè)備和組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。S7-1200PLC的性能介于S7-200和S7-300之間，其硬件組態(tài)遵循“所見即所得”的原則。此處選S7-1200PLC的CPU1214C，本機(jī)I/O端口有14入/10出，能為信號模塊提供5VDC電源，自帶一個PROFINET端口，可擴(kuò)展8個信號模塊。選擇一個16點(diǎn)數(shù)字量輸入信號模塊SM1221，兩個16點(diǎn)數(shù)字量輸出信號模塊SM1222，即可滿足系統(tǒng)要求，CPU與各信號模塊安裝在一個導(dǎo)軌上。選擇HMI的6寸彩色屏KTP600 BASIC，HMI由PROFINET接口與CPU組成以太網(wǎng)，用WINCC組態(tài)監(jiān)控畫面。硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

2.3系統(tǒng)程序設(shè)計

TIA博圖軟件中的STEP7是編程軟件，采用模塊化編程方法，根據(jù)功能將程序分為不同的邏輯塊，分別對各塊編程后在組織塊中根據(jù)需要調(diào)用，使CPU利用率提高[3]。在本改造項目中將程序分成如下模塊：①啟動模塊，完成系統(tǒng)初始化。初始化主要在系統(tǒng)啟動時判斷轎廂是否在一層，若不在一層就回到一層。對于層位的判斷，除去安裝在轎廂上的上、下平層傳感器，在一層和頂層還裝有固定的傳感器，使轎廂到達(dá)一層和頂層時將原有的內(nèi)部選層信號全部清除，同時給層計數(shù)器當(dāng)前值置位為1，層顯示數(shù)碼管顯示1。②轎廂上行模塊，在判斷運(yùn)行區(qū)間后控制轎廂先低速啟動上行，再轉(zhuǎn)高速運(yùn)行，到達(dá)目標(biāo)層時轉(zhuǎn)為低速并進(jìn)行制動。③轎廂下行模塊，功能與上行模塊相同。④開、關(guān)門模塊，控制轎廂門在平層停穩(wěn)后，執(zhí)行開、關(guān)門操作。初始化程序和開關(guān)門程序的框圖如圖5所示。系統(tǒng)主程序OB1的模塊調(diào)用部分如圖6所示。

圖5　初始化程序與開關(guān)門程序框圖

圖6　主程序OB1的模塊調(diào)用部分

2.4系統(tǒng)監(jiān)控畫面設(shè)計

TIA博圖軟件中組態(tài)軟件WINCC用于HMI畫面編輯，WINCC監(jiān)控畫面如圖7所示。畫面中照明和風(fēng)扇是指轎廂內(nèi)的照明和風(fēng)扇，只要電梯在運(yùn)行中就需要開啟照明，而風(fēng)扇只在夏季開啟。WINCC與PLC之間是PROFINET連接，TIA博圖軟件中WINCC可以直接調(diào)用PLC程序中的變量，連接非常方便。

圖7　WINCC監(jiān)控畫面

3總結(jié)

通過實(shí)驗應(yīng)用，該電梯模型所增加的功能如光幕和超重檢測，以及改造的平層檢測部分和曳引電機(jī)的速度變換、制動等運(yùn)行符合設(shè)計要求，觸摸屏和WINCC監(jiān)控軟件可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)控制，TIA博圖軟件的使用得到了練習(xí)，控制邏輯可以向更多層電梯移植，有較高的實(shí)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李勝多.基于組態(tài)王和PLC的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計[J].青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，27(2)：168-171.[2]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC技術(shù)[M].3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：316-318.

[3]劉華波.西門子S7-1200PLC編程與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：51-53.

(責(zé)任編校：李秀榮)

An S7-1200PLC-Based Modification of the Model Elevator Control System

CAO Sheng-min，ZHANG Hong-juan

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：Based on S7-1200PLC， the authors of this paper have improved on the control system of the model elevator by adding a light screen and overweight detection， increasing the speed and braking control of the traction motor，and redesigning the hardware，control program and monitor screen with TIA Portal. The testing has shown that the improved version meets the design requirements.Key Words： S7-1200PLC； model elevator； TIA Portal

作者簡介：曹勝敏(1965-)，女，河北元氏人，副教授，主要從事自動化研究。

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0025-03

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.008