基于西門子S7-1200 系列電梯集群仿真設(shè)計(jì)方案

黃志強(qiáng)，謝 軍

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230011）

引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技的不斷創(chuàng)新，不同領(lǐng)域的技術(shù)不可避免的開始出現(xiàn)了互相借鑒、相互融合的趨勢(shì)。對(duì)于電梯行業(yè)而言，傳統(tǒng)的行業(yè)自動(dòng)化層級(jí)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，集成化程度不高，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展需求，在此基礎(chǔ)上對(duì)于電梯行業(yè)采用仿真平臺(tái)模擬，設(shè)計(jì)出最高效，最合理的樓群集成系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的搭建

此次系統(tǒng)的搭建的對(duì)象為西門子公司開發(fā)的關(guān)于實(shí)際電梯結(jié)構(gòu)為主題的仿真軟件，該仿真軟件不僅由平時(shí)見到的傳感器、PLC、應(yīng)用模塊組成，還可以按照實(shí)際的情況，模擬出呼叫電梯，進(jìn)出電梯，等待電梯，和對(duì)電梯進(jìn)行實(shí)際的操作。和我們平時(shí)生活中遇到的電梯基本一致，是一款很強(qiáng)的仿真軟件。

1.1 PLC 程序模塊

在電梯仿真平臺(tái)中運(yùn)用的是西門子S7-1200PLC 作為整個(gè)系統(tǒng)的程序編寫與通信的鏈接，同時(shí)運(yùn)用Intouch軟件對(duì)整個(gè)的系統(tǒng)程序進(jìn)行組態(tài)并配置出相應(yīng)的仿真配置。電梯運(yùn)行的I/O 點(diǎn)也需要和S7-1200PLC 的I/O 點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來，部分PLC 的I/O 點(diǎn)位的配置如圖1 所示：

圖1 部分PLC I/O 點(diǎn)配置

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)采用SIMATIC S7-1200 緊湊型小型PLC（在TIA portal V15 工程平臺(tái)選擇CPU 1214C，緊湊型CPU DC/DC/DC）。WinCC 監(jiān)控環(huán)境和EES 仿真軟件進(jìn)行連接。再添加DI/DO 兩個(gè)通用模塊進(jìn)行數(shù)字量輸入輸出。并根據(jù)PLC 的IO 輸入輸出量設(shè)定地址范圍。控制系統(tǒng)在TIA portal V15 工程平臺(tái)中的硬件組態(tài)拓?fù)湟晥D如圖2 所示。

2 梯群控制方案設(shè)計(jì)

2.1 電梯群控

針對(duì)6部多層電梯實(shí)施聯(lián)合控制，滿足常見不同應(yīng)用場(chǎng)合下集群電梯的控制策略切換。具體來講，需要考慮三方面因素：

（1）乘客平均候梯時(shí)間；（2）乘客平均乘梯時(shí)間；（3）系統(tǒng)整體能耗。

圖2 PLC 系統(tǒng)連接圖

2.2 單部電梯基本功能

根據(jù)不同樓層客戶需求及時(shí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平層、開關(guān)門、超重提示、實(shí)現(xiàn)上下限位，層門聯(lián)鎖保護(hù)，并根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)合理的響應(yīng)。具體地，應(yīng)具備如下功能：

（1）電梯初始化

電梯模型會(huì)給出自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，示意比賽開始，控制程序需要在收到該信號(hào)后，進(jìn)行必要的初始化工作，完成后電梯位于預(yù)選區(qū)域待命，并返回準(zhǔn)備就緒信號(hào)以確認(rèn)。

（2）集選控制

電梯在運(yùn)行過程中可以應(yīng)答同一方向所有層站呼梯信號(hào)和轎廂內(nèi)的選層指令信號(hào)，并自動(dòng)在這些信號(hào)指定的層站平層?？俊ｋ娞葸\(yùn)行響應(yīng)完所有呼梯信號(hào)和選層指令信號(hào)后，停在最后一次運(yùn)行的目標(biāo)層待命。

（3）開關(guān)門控制

電梯門會(huì)根據(jù)當(dāng)前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號(hào)、選層信號(hào)及光幕信號(hào)狀態(tài)等，合理的進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)門未全關(guān)時(shí)，如有光幕信號(hào)，須優(yōu)先響應(yīng)，保持電梯門打開；當(dāng)電梯平層開門后，延時(shí)關(guān)閉，此時(shí)間可修改。

（4）啟?？刂?/p>

根據(jù)電梯主電路完成按時(shí)間原則的啟動(dòng)、停止過程。當(dāng)電梯平層時(shí)，需要依時(shí)間原則依次觸發(fā)三級(jí)制動(dòng)減速，待平層后，切斷上行、下行接觸器，抱閘停車。

（5）運(yùn)行控制

在運(yùn)行過程中，需要始終對(duì)當(dāng)前運(yùn)行方向、當(dāng)前樓層（采用七段數(shù)碼管顯示）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示。通常，乘客會(huì)根據(jù)當(dāng)前電梯運(yùn)行方向及電梯門是否打開進(jìn)行判斷后上車。僅當(dāng)無呼叫指令時(shí)，運(yùn)行方向指示無向。

2.3 單部電梯運(yùn)行（異常）狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在電梯整個(gè)運(yùn)行過程中，監(jiān)測(cè)狀態(tài)參數(shù)以及各種反饋信號(hào)等，確保電梯穩(wěn)定運(yùn)行。故障情況下，制定相應(yīng)的安全策略。有出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，輸出信號(hào)故障指示燈。應(yīng)具備如下功能：

（1）超載保護(hù)

電梯超載時(shí)，故障指示燈閃爍，并保持開門狀態(tài)，不允許起動(dòng)。

（2）終端越程保護(hù)

電梯的上下終端都裝有終端減速開關(guān)、終端限位開關(guān)，以保證電梯不會(huì)越程。

（3）開關(guān)門保護(hù)

如果電梯持續(xù)關(guān)門一段時(shí)間后，尚未使門鎖閉合，電梯就會(huì)轉(zhuǎn)換成開門狀態(tài)，故障指示燈常亮。如果電梯在持續(xù)開門一段時(shí)間后，尚未收到開門限位信號(hào)，電梯就會(huì)變成關(guān)門狀態(tài)，并在門關(guān)閉后，響應(yīng)下一個(gè)召喚和指令。電梯集群控制邏輯如圖3 所示

圖3 集群控制邏輯圖

3 人機(jī)交互界面

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)利用WinCC 監(jiān)控界面與PLC相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)向用戶提供操作平臺(tái)讓用戶可以對(duì)流程進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改操作。配合S7-1200 PLC 和TIA Portal 來實(shí)現(xiàn)程序的編寫和調(diào)試。對(duì)程序進(jìn)行修改和完善，并且畫出WinCC 人機(jī)交互界面，方便用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)顯示屏顯示出監(jiān)控界面。

本設(shè)計(jì)的人機(jī)界面包括：WinCC 電梯運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，如圖4 所示；電梯狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。

下面分別對(duì)以上人機(jī)界面的功能設(shè)計(jì)及交互方案進(jìn)行介紹。

圖4 電梯實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控圖

圖5 部分電梯選層PLC 設(shè)計(jì)

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

電梯啟動(dòng)后，通過進(jìn)入電機(jī)達(dá)到模式進(jìn)行系統(tǒng)的初始化?？刂瞥绦蛐枰谑盏叫盘?hào)后，進(jìn)行必要的初始化工作，并返回準(zhǔn)備就緒信號(hào)以確認(rèn)初始化完成。例如，使進(jìn)入電梯選層，當(dāng)在1 號(hào)梯轎內(nèi)按下1 層的按鈕，與此同時(shí)1 號(hào)梯轎內(nèi)1 層所對(duì)應(yīng)的指示燈亮起，電機(jī)接受到信號(hào)，準(zhǔn)備工作，當(dāng)在1 號(hào)梯轎內(nèi)按下2 層的按鈕時(shí)1 號(hào)梯轎內(nèi)2 層所對(duì)應(yīng)的指示燈亮起，電機(jī)接受到信號(hào)，把梯轎從1 層提升到2 層，以此往復(fù)，如圖5 所示關(guān)于部分電梯選層PLC 程序設(shè)計(jì)。

4.2 SCL 程序設(shè)計(jì)

對(duì)電梯程序編寫的過程中運(yùn)用了西門子SCL 程序編寫方式對(duì)電梯的載重量進(jìn)行了編寫。在SCL 程序中對(duì)于載重量進(jìn)行定義，當(dāng)1 號(hào)電梯的載重量大于設(shè)定值的重量時(shí)，促使電梯門關(guān)閉的繼電器會(huì)斷開，與此同時(shí)電梯滿載的指示燈會(huì)亮起，變成常亮的狀態(tài)，當(dāng)電梯門打開到設(shè)計(jì)位置后開門繼電器打開，使電路斷電，否則開門繼電器接通，會(huì)使電梯門一直處于打開狀態(tài)，程序如下

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用PLC（即可編程控制器）控制電梯的運(yùn)行，相比于傳統(tǒng)的繼電器控制方式，PLC 具有可靠性高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、維修方便、功耗低、控制功能完善、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。在采用PLC 控制方式控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各種特殊控制的要求，只需要改變程序就可適用于各種生產(chǎn)過程。在維修時(shí)通過更換各種模塊就可以迅速排除故障，而且PLC 還具有自診斷、故障報(bào)警功能，面板上的各種指示便于操作人員檢查調(diào)試，大大減少了工作人員的工作量。從建設(shè)初期投入方面和后期維護(hù)方面大大減少了成本資金，經(jīng)濟(jì)效益大大增加，更加符合綠色環(huán)保要求。同時(shí)通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，該電梯集群系統(tǒng)的可操控性比傳統(tǒng)的電梯操控性更強(qiáng)，系統(tǒng)更穩(wěn)定，在實(shí)際工程中具有一定的工程價(jià)值。