基于S7-1200PLC的電梯模型控制系統改造

曹勝敏，張紅娟

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

?

基于S7-1200PLC的電梯模型控制系統改造

曹勝敏，張紅娟

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

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

關鍵詞：S7-1200PLC；電梯模型；TIA博圖軟件

電梯屬于特種設備。隨著經濟的發展，電梯在工業、商業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。以PLC為控制核心的電梯控制模型是自動化類專業課的配套教學實驗裝置。為使此實驗裝置更接近工程實際，同時滿足教學需要，擬對其進行改造，改造的項目包括：①曳引電動機及其控制方式。模型原有曳引電動機只有一種轉速，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，而位置開關為接觸型設備，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的升級換代產品，其功能更強大，性能更優越，控制邏輯更簡捷。

1改造方案

1.1曳引電機

將曳引電動機改為交流雙速電機，變極調速，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，根據運行區間長短選擇運行速度。如運行區間為一層時，用低速即可；若運行區間在兩層以上時，先低速啟動，再轉高速運行，至目標層時再轉低速，然后進行三級制動[1]。制動控制只在低速時才能進行，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光電開關的外形及安裝尺寸

將原來指示層位及平層檢測位置開關改為A30T光電開關，此為改造的重點。A30T光電開關為電梯專用U形槽馬蹄形光電開關，主要用于獲取電梯的井道信號，如門區信號、平層信號、換速信號、端站信號。A30T光電開關廣泛用于電梯控制和電梯監控，其優點為：①采用非接觸測量方式。原有位置開關為接觸測量方式，由于動作頻率高，易產生由機械疲勞引起的接觸不良，導致故障。②減少輸入點數。原有位置開關為每層一個，實際上是每層至少兩個，一個上平層、一個下平層，輸入點數較多，造成高層建筑中PLC的端口需求量非常大，且由此引起的系統造價和故障率不容忽視。采用光電開關，不論建筑物有多少層，只需安裝在轎廂上2-3個即可，節省了輸入點，提高了可靠性[2]。A30T光電開關外形尺寸為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)，可在寬電壓范圍內可靠工作。接線方式選為繼電器觸點輸出，一個公共端、一個常開點、一個常閉點。A30T光電開關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。電梯光幕是利用光電感應原理制成的電梯門安全保護裝置，由安裝在轎廂門兩側的紅外發射器、接收器、電源及輸出控制器等組成。光幕發射端內有多個紅外發射頭，一個發射頭發出的光線被多個接收頭接收，在轎廂門區域形成一個密集的紅外線保護光幕。當其中任何一束光線被阻擋時，因無法實現光電轉換，便輸出一個開關量信號，控制系統根據此信號中斷關門操作并轉為開門操作，直至阻擋物離開監控區域電梯門才能關閉，從而避免電梯夾人事故，達到安全保護的目的?，F采用上海帝奇自動化有限公司生產的KS04-24型光幕開關，保護高度170 mm。

超重檢測開關選擇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，當傳感器探頭處的磁場強度大于一定值時，傳感器輸出開關量信號，指示燈亮。

圖3　DS11-2型電梯稱重傳感器

2軟件設計

2.1點數統計

PLC的I/O端口輸入部分有外呼梯按鈕、轎廂內選按鈕、轎廂開關門按鈕、光幕信號、超重信號、曳引電機和開關門電機過載保護、上平層信號、下平層信號、轎廂上下限位等共26個點；輸出部分有外呼梯指示燈、內選按鈕指示燈、上下行指示、照明、風扇、高速接觸器、低速接觸器、三級制動接觸器、開關門接觸器、層數顯示數碼管等共36個點。

2.2硬件組態

TIA博圖軟件是功能強大的自動化應用軟件，包括設備組態、控制程序編寫、HMI畫面編輯等功能。硬件組態包括組態設備和組態網絡。S7-1200PLC的性能介于S7-200和S7-300之間，其硬件組態遵循“所見即所得”的原則。此處選S7-1200PLC的CPU1214C，本機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，可擴展8個信號模塊。選擇一個16點數字量輸入信號模塊SM1221，兩個16點數字量輸出信號模塊SM1222，即可滿足系統要求，CPU與各信號模塊安裝在一個導軌上。選擇HMI的6寸彩色屏KTP600 BASIC，HMI由PROFINET接口與CPU組成以太網，用WINCC組態監控畫面。硬件組態結構如圖4所示。

圖4　硬件組態結構

2.3系統程序設計

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需要調用，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，完成系統初始化。初始化主要在系統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，使轎廂到達一層和頂層時將原有的內部選層信號全部清除，同時給層計數器當前值置位為1，層顯示數碼管顯示1。②轎廂上行模塊，在判斷運行區間后控制轎廂先低速啟動上行，再轉高速運行，到達目標層時轉為低速并進行制動。③轎廂下行模塊，功能與上行模塊相同。④開、關門模塊，控制轎廂門在平層停穩后，執行開、關門操作。初始化程序和開關門程序的框圖如圖5所示。系統主程序OB1的模塊調用部分如圖6所示。

圖5　初始化程序與開關門程序框圖

圖6　主程序OB1的模塊調用部分

2.4系統監控畫面設計

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

圖7　WINCC監控畫面

3總結

通過實驗應用，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的速度變換、制動等運行符合設計要求，觸摸屏和WINCC監控軟件可單獨實現控制，TIA博圖軟件的使用得到了練習，控制邏輯可以向更多層電梯移植，有較高的實用價值。

參考文獻：

[1]李勝多.基于組態王和PLC的電梯控制系統設計[J].青島農業大學學報：自然科學版，2010，27(2)：168-171.[2]王永華.現代電氣控制及PLC技術[M].3版.北京：北京航空航天大學出版社，2013：316-318.

[3]劉華波.西門子S7-1200PLC編程與應用[M].北京：機械工業出版社，2015：51-53.

(責任編校：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

文獻標志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0025-03

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.008