基于電梯模型的S7-1200 PLC實驗教學平臺設計

◆盧建寧 王步來 宗劍 錢平

1 引言

現代社會要求制造業對市場需求做出迅速反應，生產出小批量、多品種、多規格、低成本和高質量的產品。為了滿足這一要求，生產設備和自動生產線的控制系統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，是自動控制技術、計算機技術和通信技術三者結合的高科技產品。PLC 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾性能力強等特點，被廣泛應用于工業生產控制的各個領域[1-3]。

目前各工科大專院校電類專業都開設了PLC相關課程，原有的教學以S7-200 為教學機型[1]。S7-200 是一款經典的PLC，多年來在工業控制領域得到廣泛應用。由于PLC 技術日新月異，發展很快，西門子公司將不再對S7-200 系列PLC 進行更新升級。與此同時，西門子公司在2009 年推出面向中小型應用場合的S7-1200 系列PLC，逐漸在各行各業得到廣泛應用，S7-1200 系列PLC 也逐漸成為各個高校的教學機型[2-4]。

高校的PLC實驗教學由于受到資金、場所等條件的限制，往往難以及時更新教學實驗設備。本文從滿足教學和科研的需要出發，針對當前實驗條件存在的不足，探索利用“西門子杯”中國智能制造挑戰賽邏輯控制子賽項的比賽裝置，設計基于西門子S7-1200 PLC 的實驗教學平臺，學生可在該仿真實驗平臺上進行多個PLC 教學實驗，并可以通過人機交互界面（HMI）動態顯示PLC 控制系統的工作狀況。

2 用于比賽的電梯仿真模型組成

電梯仿真模型（Elevator Simulation Model，簡稱ESM）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，被控對象即為電梯仿真軟件。被控對象運行在工控機中。從宏觀上看，在ESM 整個系統中，工程師站與PLC 直接通過以太網連接，PLC 與仿真對象之間采用Profibus DP 通信協議來實現連接。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PM125 模塊成為Profibus DP 從站。PLC 與主站直接相連，仿真對象與從站直連。整體網絡拓撲結構見圖1。

PM125 模塊提供了仿真對象與現場總線PROFIBUS 的互連，其作為Profibus DP 從站，內部遵循一定的協議格式。從PLC 端的角度來看，其格式如圖2 所示。

具體來講，對于PLC 端的輸入數據，首字節用于通信命令字，后續的字節則是用戶數據，其長度由實際情況而定；對于輸出數據，除了首字節同樣用于通信命令字外，其后的第二個字節用于定義PLC 輸出數據的長度值，接下來的字節才是用戶數據，同樣地，其長度也由實際情況而定。

3 實驗教學平臺設計

電梯控制實驗是PLC 案例教學中的一個典型實驗[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Profibus 總線的通信接口對電梯仿真模型進行信號采集和輸出控制。下面以單部電梯為例，說明如何利用電梯仿真模型開設PLC 的教學實驗。

圖1 電梯仿真模型結構圖

圖2 PM125 通信協議格式定義

電梯模型的輸出信號，針對PLC 而言是輸入信號：各樓層的上行下行按鈕10 個，轎廂內樓層按鈕六個，各樓層門鎖信號六個，端站限位信號四個，上下平層信號兩個，電梯門開關到位信號兩個，轎廂門開關按鈕兩個，紅外光幕、超重、檢修開關、轎廂門鎖信號、自動運行信號各一個，總共37 個PLC 的輸入信號。單部六層電梯模型的輸入信號地址如表1 所示。

電梯模型的輸入信號，針對PLC 而言是發出的控制信號，包括各樓層外呼指示燈10 個，各層內呼指示燈六個，七段數碼顯示七個，上下行指示兩個，上下行接觸器兩個，開關門繼電器兩個，高低速運行指示兩個，制動接觸器三個，此外還有準備就緒信號、電機啟動信號、故障指示、照明、風扇各一個，總共39 個PLC 的輸出信號。單部六層電梯模型的輸出信號地址如表2 所示。

表1 單部六層電梯模型的輸入信號列表

表2 單部六層電梯模型的輸出信號列表

電梯控制程序由學生按照電梯運行的規則進行編寫，在TIA 13 中編譯好電梯運行控制程序，并將其下載到西門子S7-1214PLC 中，并調到RUN 運行模式。電梯仿真對象模型以三維畫面的形式反映PLC 內部程序運行結果，能夠非常直觀地反映PLC 程序運行得正確與否。三維模型畫面能直觀地顯示電梯的運行位置，能夠判斷PLC 發出樓層指示信號的正確性；能直觀地動態顯示電梯的運行方向，能夠判斷PLC 給出的電梯運行方向指示信號的正確性；能動態地模擬電梯開關門的動作，檢驗PLC 發出的開關門信號的正確性。電梯模型進行不同客流類型的模擬，可以設置乘客出現的時間、所在樓層、數量、干擾信號等。仿真電梯模型可實現真實電梯的絕大多數功能，同時對PLC 編程沒有任何額外限制。學生編寫的程序和采用真實電梯模型的控制程序可以完全一樣。

以電梯模型作為教學平臺，筆者開發了八個教學實驗，分別是電梯模型認知實驗，Profibus DP 通信實驗，信號指示系統實驗，電梯啟動與停止、制動控制，電梯樓層信號的產生、消除及顯示，電梯外呼內選信號的登記與消除，電梯開關門控制，電梯開關門故障保護。基于西門子S7-1200 PLC 控制的電梯的仿真效果如圖3 所示。通過實驗，使學生能夠清楚地了解PLC 控制系統的工作原理，真正感知PLC 強大的控制功能。

圖3 電梯仿真運行效果

4 結語

PLC（可編程控制器）相關課程是高等院校電類專業的重要專業課程，課程的實踐性非常強，必須通過實驗或進行實際操作，才能夠真正掌握PLC 技術。針對應用型高校的PLC 實驗教學受到資金、場所等諸多條件的限制，充分利用“西門子杯”中國智能制造挑戰賽邏輯控制子賽項的比賽裝置，設計基于S7-1200 PLC 的實驗教學平臺。學生利用該平臺可以完成多個教學實驗，并通過三維動態仿真模型直觀地驗證PLC 控制程序的正確性。

經過四個學期的教學實踐，發現與以往教學方式相比，實驗教學平臺能夠提高學生的學習興趣和編程能力，并且這種模式更貼近實際應用和工況。實驗教學平臺的運用能夠豐富教學內容，有利于學生對PLC 的全面理解和掌握，提高學生的學習興趣，改善學生的學習風氣，增強PLC 實驗的教學效果。學生通過實驗教學平臺的訓練，掌握了PLC的基本編程和操作方法，為今后從事工業自動控制領域的相關工作打下扎實的基礎。■