基于電梯模型的S7-1200 PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

◆盧建寧 王步來(lái) 宗劍 錢平

1 引言

現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求做出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性[1]。PLC（Programmable Logical Controller，PLC）即可編程邏輯控制器，是自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)三者結(jié)合的高科技產(chǎn)品。PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾性能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)控制的各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。

目前各工科大專院校電類專業(yè)都開設(shè)了PLC相關(guān)課程，原有的教學(xué)以S7-200 為教學(xué)機(jī)型[1]。S7-200 是一款經(jīng)典的PLC，多年來(lái)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于PLC 技術(shù)日新月異，發(fā)展很快，西門子公司將不再對(duì)S7-200 系列PLC 進(jìn)行更新升級(jí)。與此同時(shí)，西門子公司在2009 年推出面向中小型應(yīng)用場(chǎng)合的S7-1200 系列PLC，逐漸在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，S7-1200 系列PLC 也逐漸成為各個(gè)高校的教學(xué)機(jī)型[2-4]。

高校的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受到資金、場(chǎng)所等條件的限制，往往難以及時(shí)更新教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。本文從滿足教學(xué)和科研的需要出發(fā)，針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件存在的不足，探索利用“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽邏輯控制子賽項(xiàng)的比賽裝置，設(shè)計(jì)基于西門子S7-1200 PLC 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可在該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行多個(gè)PLC 教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并可以通過(guò)人機(jī)交互界面（HMI）動(dòng)態(tài)顯示PLC 控制系統(tǒng)的工作狀況。

2 用于比賽的電梯仿真模型組成

電梯仿真模型（Elevator Simulation Model，簡(jiǎn)稱ESM）由控制器與被控對(duì)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(duì)象即為電梯仿真軟件。被控對(duì)象運(yùn)行在工控機(jī)中。從宏觀上看，在ESM 整個(gè)系統(tǒng)中，工程師站與PLC 直接通過(guò)以太網(wǎng)連接，PLC 與仿真對(duì)象之間采用Profibus DP 通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。在工程師站上安裝有軟件TIA Portal V13 和WINCC Professional V13。CM1243-5 模塊即為Profibus DP 主站，電梯仿真模型通過(guò)PM125 模塊成為Profibus DP 從站。PLC 與主站直接相連，仿真對(duì)象與從站直連。整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

PM125 模塊提供了仿真對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS 的互連，其作為Profibus DP 從站，內(nèi)部遵循一定的協(xié)議格式。從PLC 端的角度來(lái)看，其格式如圖2 所示。

具體來(lái)講，對(duì)于PLC 端的輸入數(shù)據(jù)，首字節(jié)用于通信命令字，后續(xù)的字節(jié)則是用戶數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度由實(shí)際情況而定；對(duì)于輸出數(shù)據(jù)，除了首字節(jié)同樣用于通信命令字外，其后的第二個(gè)字節(jié)用于定義PLC 輸出數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度值，接下來(lái)的字節(jié)才是用戶數(shù)據(jù)，同樣地，其長(zhǎng)度也由實(shí)際情況而定。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

電梯控制實(shí)驗(yàn)是PLC 案例教學(xué)中的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)[5-6]。電梯仿真模型ESM 可以仿真一部、兩部或者三部六層電梯。PLC 可以通過(guò)Profibus 總線的通信接口對(duì)電梯仿真模型進(jìn)行信號(hào)采集和輸出控制。下面以單部電梯為例，說(shuō)明如何利用電梯仿真模型開設(shè)PLC 的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖1 電梯仿真模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 PM125 通信協(xié)議格式定義

電梯模型的輸出信號(hào)，針對(duì)PLC 而言是輸入信號(hào)：各樓層的上行下行按鈕10 個(gè)，轎廂內(nèi)樓層按鈕六個(gè)，各樓層門鎖信號(hào)六個(gè)，端站限位信號(hào)四個(gè)，上下平層信號(hào)兩個(gè)，電梯門開關(guān)到位信號(hào)兩個(gè)，轎廂門開關(guān)按鈕兩個(gè)，紅外光幕、超重、檢修開關(guān)、轎廂門鎖信號(hào)、自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)各一個(gè)，總共37 個(gè)PLC 的輸入信號(hào)。單部六層電梯模型的輸入信號(hào)地址如表1 所示。

電梯模型的輸入信號(hào)，針對(duì)PLC 而言是發(fā)出的控制信號(hào)，包括各樓層外呼指示燈10 個(gè)，各層內(nèi)呼指示燈六個(gè)，七段數(shù)碼顯示七個(gè)，上下行指示兩個(gè)，上下行接觸器兩個(gè)，開關(guān)門繼電器兩個(gè)，高低速運(yùn)行指示兩個(gè)，制動(dòng)接觸器三個(gè)，此外還有準(zhǔn)備就緒信號(hào)、電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、故障指示、照明、風(fēng)扇各一個(gè)，總共39 個(gè)PLC 的輸出信號(hào)。單部六層電梯模型的輸出信號(hào)地址如表2 所示。

表1 單部六層電梯模型的輸入信號(hào)列表

表2 單部六層電梯模型的輸出信號(hào)列表

電梯控制程序由學(xué)生按照電梯運(yùn)行的規(guī)則進(jìn)行編寫，在TIA 13 中編譯好電梯運(yùn)行控制程序，并將其下載到西門子S7-1214PLC 中，并調(diào)到RUN 運(yùn)行模式。電梯仿真對(duì)象模型以三維畫面的形式反映PLC 內(nèi)部程序運(yùn)行結(jié)果，能夠非常直觀地反映PLC 程序運(yùn)行得正確與否。三維模型畫面能直觀地顯示電梯的運(yùn)行位置，能夠判斷PLC 發(fā)出樓層指示信號(hào)的正確性；能直觀地動(dòng)態(tài)顯示電梯的運(yùn)行方向，能夠判斷PLC 給出的電梯運(yùn)行方向指示信號(hào)的正確性；能動(dòng)態(tài)地模擬電梯開關(guān)門的動(dòng)作，檢驗(yàn)PLC 發(fā)出的開關(guān)門信號(hào)的正確性。電梯模型進(jìn)行不同客流類型的模擬，可以設(shè)置乘客出現(xiàn)的時(shí)間、所在樓層、數(shù)量、干擾信號(hào)等。仿真電梯模型可實(shí)現(xiàn)真實(shí)電梯的絕大多數(shù)功能，同時(shí)對(duì)PLC 編程沒(méi)有任何額外限制。學(xué)生編寫的程序和采用真實(shí)電梯模型的控制程序可以完全一樣。

以電梯模型作為教學(xué)平臺(tái)，筆者開發(fā)了八個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別是電梯模型認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，Profibus DP 通信實(shí)驗(yàn)，信號(hào)指示系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，電梯啟動(dòng)與停止、制動(dòng)控制，電梯樓層信號(hào)的產(chǎn)生、消除及顯示，電梯外呼內(nèi)選信號(hào)的登記與消除，電梯開關(guān)門控制，電梯開關(guān)門故障保護(hù)。基于西門子S7-1200 PLC 控制的電梯的仿真效果如圖3 所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠清楚地了解PLC 控制系統(tǒng)的工作原理，真正感知PLC 強(qiáng)大的控制功能。

圖3 電梯仿真運(yùn)行效果

4 結(jié)語(yǔ)

PLC（可編程控制器）相關(guān)課程是高等院校電類專業(yè)的重要專業(yè)課程，課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行實(shí)際操作，才能夠真正掌握PLC 技術(shù)。針對(duì)應(yīng)用型高校的PLC 實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到資金、場(chǎng)所等諸多條件的限制，充分利用“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽邏輯控制子賽項(xiàng)的比賽裝置，設(shè)計(jì)基于S7-1200 PLC 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。學(xué)生利用該平臺(tái)可以完成多個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)三維動(dòng)態(tài)仿真模型直觀地驗(yàn)證PLC 控制程序的正確性。

經(jīng)過(guò)四個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)與以往教學(xué)方式相比，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和編程能力，并且這種模式更貼近實(shí)際應(yīng)用和工況。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)用能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，有利于學(xué)生對(duì)PLC 的全面理解和掌握，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)氣，增強(qiáng)PLC 實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的訓(xùn)練，掌握了PLC的基本編程和操作方法，為今后從事工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的相關(guān)工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。■