(大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著我國計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化的水平越來越高，在工業(yè)的應(yīng)用與生產(chǎn)中，組態(tài)控制軟件、PLC等作用尤其凸顯，這些技術(shù)已經(jīng)成為控制工業(yè)流程的核心，各高校為了在這一領(lǐng)域更多地應(yīng)用技術(shù)型人才，對PLC應(yīng)用技術(shù)這一核心課程也提起了足夠的重視，對其教學(xué)環(huán)節(jié)以及教學(xué)效果加以看中。[1]但目前教學(xué)中仍存在一些問題：1)目前PLC實驗均采用PC+PLC+對象的方式，控制效果由模塊體現(xiàn)。[2]但現(xiàn)有實驗裝置中的各個控制對象多采用教學(xué)儀器廠(或自制)的模塊模擬，一般只用輸入輸出燈來顯示通斷狀態(tài)，不夠直觀，對于復(fù)雜的過程控制程序很難找出編譯出錯的地方；2)學(xué)生數(shù)量遠大于設(shè)備數(shù)，無法給每個學(xué)生提供足夠的上機練習(xí)時間；3)由于實驗設(shè)備大部分設(shè)施為基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)備，缺少復(fù)雜、高級的硬件設(shè)備，如果需要進行畢業(yè)設(shè)計、科技創(chuàng)新等實驗時無法進行現(xiàn)場演示，學(xué)生難以對控制系統(tǒng)要求和性能有較好的理解和認識。[3]該方法引入組態(tài)軟件WINCC、SIMATIC S7-PCSIM到PLC教學(xué)系統(tǒng)。利用組態(tài)軟件WINCC可以仿真多種PLC控制對象與各種工業(yè)環(huán)境，為過程可視化和操作提供全面的平臺性功能；S7-PLCSIM軟件可以模擬PLC來對Step7程序進行調(diào)試，并提供一個可以更改和監(jiān)視Step7程序參數(shù)的界面。[4]采用組態(tài)仿真軟件與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，利用計算機模擬被控對象，學(xué)生通過仿真程序界面可以實時觀察PLC運行情況，完成PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試。[5]本文以六部十層電梯為例介紹在PLC控制系統(tǒng)中西門子Step7、S7-PLCSIM和WINCC軟件的應(yīng)用。

1 控制系統(tǒng)組成

電梯的主要控制技術(shù)包括電力拖動控制和PLC邏輯控制部分以及運行載客和安全的檢測部分，實現(xiàn)電梯安全、可靠、平穩(wěn)地運行。[6-7]電力拖動控制部分為電梯垂直方向主拖動電路和轎廂開關(guān)電路，主要以電梯運行速度為控制目標，根據(jù)給定速度曲線，按照三級制動減速停止電梯運行，通過井道內(nèi)設(shè)置的端站強制換速開關(guān)(第1限位)，實現(xiàn)在端站固定位置的強迫換速(須以低速運行)。通過井道內(nèi)設(shè)置的端站限位開關(guān)(第2限位)，當(dāng)其動作后，電梯應(yīng)緊急停止并僅能向相反方向運行。邏輯控制部分由PLC控制，PLC接收呼叫信號、轎廂和廳門系統(tǒng)的功能信號以及井道的狀態(tài)信號[8]，將數(shù)據(jù)模糊化，結(jié)合數(shù)學(xué)建模方法，實現(xiàn)電梯集控控制。同時上位機PC使用WINCC組態(tài)軟件建立工控對象及腳本程序，創(chuàng)建動畫，實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控；編寫WINCC組態(tài)軟件的腳本程序，直觀的模擬電梯的實際運行狀況，如電梯故障、風(fēng)扇、照明情況；[9]電梯所處的當(dāng)前樓層及上、下行；運行(異常)狀態(tài)監(jiān)測等。設(shè)計總體方案如圖1所示。

圖1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

電梯仿真系統(tǒng)硬件主要包括電源、計算機、下位機SIMATIC S7 1214C、通信模塊CM1243-5、I/O信號板、Profibus-DP 從站PM-125以及六部十層電梯仿真；系統(tǒng)軟件包括TIA Portal V14編寫的PLC控制程序、WINCC組態(tài)監(jiān)控程序、下位機和上位機之間的通信程序等。

2 PLC程序設(shè)計

根據(jù)圖1電梯監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案，下面從電梯控制系統(tǒng)的WINCC界面組態(tài)、程序結(jié)構(gòu)、PLC的I/O地址分配等方面進行逐一說明，介紹該仿真實驗的具體實施過程。

2.1 PLC輸入/輸出地址分配

設(shè)計六部十層電梯控制系統(tǒng)，需要輸入點至少313個，包括上行呼梯按鈕54個，下層呼梯按鈕54個，各部電梯內(nèi)選按鈕60個，轎廂關(guān)門按鈕6個，轎廂關(guān)門按鈕6個，光幕信號6個，超重信號6個，電梯檢修信號6個，電梯轎廂門鎖信號66個，電梯開門到位信號6個，電梯關(guān)門到位信號6個，上平層信號6個，下平層信號6個，電梯上端站第一限位6個，上端站第二限位6個，電梯下端站第1限位6個，電梯下端站第2限位6個，自動信息信號1個。輸出點至少349個，包括上行呼梯按鈕指示燈54個，下行呼梯按鈕指示燈54個，樓層按鈕指示燈60個，電梯LED指示燈84個，電梯上行指示燈6個，下行指示燈6個，電梯故障指示燈6個，電梯照明指示燈6個，電梯風(fēng)扇指示燈6個，電梯滿載指示燈6個，電梯電機啟動信號6個，電梯上行接觸器6個，下行接觸器6個，高速接觸器6個，低速接觸器6個，電梯開門繼電器6個，電梯關(guān)門繼電器6個，電梯1級減速制動6個，電梯2級減速制動6個，電梯3級減速制動6個，準備就緒信號1個。[10]

2.2 程序結(jié)構(gòu)

根據(jù)六部十層電梯控制要求，結(jié)合I/O分配表，編寫電梯控制T形圖和設(shè)備組態(tài)，程序由主函數(shù)Main[OB1]及功能塊組成，如圖2所示。

Main函數(shù)控制所有FC塊的上電、運行。由于FC塊沒有上電自啟動功能，但FC作為函數(shù)塊，卻能最簡單實現(xiàn)程序模塊化，組織塊有上電自啟動功能，但過多的組織塊占用了CPU空間，也會出現(xiàn)各式各樣的錯誤。因此，二者結(jié)合，使用組織塊使FC塊上電，綜合了二者的優(yōu)點，彌補了不足。每個程序段代表給每個FC塊上電說明，通過使用不同的前提條件，使電梯不會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。需要上電的有各電機，初始化函數(shù)，運行函數(shù)，上、下行判斷函數(shù)，目標樓層判斷函數(shù)，運行函數(shù)，減速制動函數(shù)，當(dāng)前樓層判斷函數(shù)，電梯內(nèi)外指示燈函數(shù)，集控函數(shù)。這些都是電梯運行必不可少的。準備就緒信號開始為0，進行初始化，故障處理，輔助系統(tǒng)函數(shù)，使電機一直上電。當(dāng)初始化完畢后，準備就緒信號為1，執(zhí)行其他函數(shù)。準備就緒信號可以由檢修信號復(fù)位為0。將編好的程序下載到PLC中并進行調(diào)試，編譯正確后，啟動設(shè)備運行開關(guān)，通過WINCC監(jiān)控畫面對電梯狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

2.3 WINCC組態(tài)與通信

電梯仿真系統(tǒng)(EET)由控制器與被控對象兩大部分組成。其中，控制器采用西門子S7-1214C DC/DC/DC PLC，被控對象為WINCC組態(tài)編寫的電梯仿真界面。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)為上位機PC，通過以太網(wǎng)與PLC 1200 CPU進行以太網(wǎng)通信，通信協(xié)議遵從CP-TCP/IP協(xié)議，通訊接口設(shè)置為工業(yè)以太網(wǎng)通用接口。CM1243-5模塊即為Profibus DP主站，PM125模塊即為Profibus DP從站，PLC與主站直接相連，仿真對象與從站直連。構(gòu)建上位機監(jiān)控畫面，將監(jiān)控畫面上創(chuàng)建的各元素與所建立的相應(yīng)變量關(guān)聯(lián)，建立動畫連接，當(dāng)變量的值改變時，在畫面上將圖形對象的動畫效果表現(xiàn)出來。[11]如本系統(tǒng)中要進行動畫連接的是電梯選層按鈕、電梯上下行指示燈，電梯運行過程中轎廂所在樓層顯示位置等，實時動態(tài)顯示電梯的運行狀態(tài)。圖3為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖，圖4為WINCC監(jiān)控畫面。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖

進入如圖4所示的監(jiān)控畫面，左邊是六部十層的電梯模型，①為六部電梯的數(shù)碼管，電梯內(nèi)部用戶選層監(jiān)控?zé)簦虎跒殡娞萆?、下行指示燈；③處的箭頭為外部顯示上、下行指示燈；④方框下方的第一排燈為電機啟動信號指示燈；⑤畫面中間左側(cè)燈為自動運行信號指示燈，右面的是準備就緒信號指示燈；⑥為每個電梯的外呼分配；⑦為電梯外部呼叫指示燈；⑧右側(cè)的矩陣為樓層門鎖模塊，用于檢測樓層門鎖故障。畫面右側(cè)有滾動條，可滾動畫面，點擊下方注銷，退出畫面。

圖4 WINCC仿真界面

2.4 實驗結(jié)果與分析

電梯運動模型以虛擬仿真的形式呈現(xiàn)，將乘客行為模型作為PLC控制電梯的測試案例。設(shè)定虛擬乘客量為300人，時間為10分鐘，如圖5通過WINCC監(jiān)控畫面，可以測量出乘客平均候梯時間為27.07 s(平均候梯時間指在給定的時間周期內(nèi)，所有乘客候梯的平均值，是評定電梯控制系統(tǒng)性能的重要參數(shù)[12])，乘客平均乘梯時間45.05 s，運輸乘客數(shù)量為297人，乘客長時間等待電梯幾率小，運行效果良好，符合國家標準電梯技術(shù)條件。[13]控制電梯程序設(shè)計合理。

圖5 電梯運行結(jié)果

3 結(jié)論

借助WINCC組態(tài)軟件，設(shè)計控制系統(tǒng)仿真畫面，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，建立PLC實踐教學(xué)仿真模型，模擬控制系統(tǒng)運行的動畫效果，使被控對象更加逼真，解決了傳統(tǒng)PLC教學(xué)中使用輸入/輸出燈的亮、滅代替各種運行狀態(tài)的抽象性，使教學(xué)內(nèi)容更加生動。[14-15]本文以六部十層電梯為例，采用西門子S7-1200 PLC作為控制器，在TIA博圖平臺下進行硬件組態(tài)、軟件編程，利用上位機WINCC進行電梯工作狀態(tài)的監(jiān)控。經(jīng)過實踐測試，該電梯系統(tǒng)可以根據(jù)不同樓層的客戶需求及時響應(yīng)，實現(xiàn)六部電梯的集選控制、開關(guān)門控制、3級減速制動、終端越程保護等，且由組態(tài)界面控制電梯的實時運行，穩(wěn)定可靠、故障率低。