基于SIMATIC S7-1500PLC的電梯監控系統設計

鄒鑫，何文雪，牛杰

(青島大學 自動化學院，山東 青島 266071)

0 引言

隨著房地產行業的快速發展，電梯已經成為人們日常生活中的重要交通工具。傳統的繼電器控制系統接線復雜、抗干擾能力差、維修困難已經不能滿足用戶的需求。本文采用S7-1500PLC作為控制核心，可以使得電梯監控系統運行更可靠，程序設計方便靈活，抗干擾能力強[1]。

隨著電梯數量的快速增長，發生故障的概率也隨之攀升，如果不能準確地找到發生故障的位置，就會延長維修的時間，危害乘客的生命安全。本文設計的系統使用WINCC繪制上位機畫面，實現對電梯運行狀態的可視化管理，并使用1500PLC的Web功能對CPU進行監視和管理，對保障電梯的可靠運行具有十分重要的意義[2]。TIA博途是西門子工業自動化集團發布的一款全新的全集成自動化軟件，是業內首個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務，與傳統方法相比，無需花費大量時間集成各個軟件包，同時也顯著降低了成本[3]，將會在今后的工業自動化領域發揮重要的作用。

1 控制系統的總體設計方案

電梯監視控制系統主要由S7-1500PLC、PC上位機、EET電梯仿真軟件組成。電梯控制系統總體設計方案如圖1所示。設計使用SIMATIC S7-1500PLC作為電梯控制系統的控制器實現電梯的自動運行。使用TIA博途軟件對電梯程序進行編程，利用博途自帶的WINCC來完成上位機畫面的繪制。通過PUT/GET與EET電梯仿真軟件進行通訊調試，使用上位機畫面和1500PLC的Web server對電梯運行狀況進行實時的監控。

2 系統的硬件設計

使用PLC控制電梯，對于系統的保養、維修以及故障檢查不需要高技術和精密的儀器，所用的控制電器，價格便宜，更換方便。電梯控制系統分為調速部分和邏輯控制部分。調速部分的性能對電梯乘客的舒適感有著重要的影響，控制邏輯部分則是電梯可靠運行的關鍵。為了改善乘客的舒適感和電梯運行的可靠性，使用S7-1500PLC控制電梯運行。

圖1 電梯控制系統總體設計方案

2.1 電梯主驅動系統

為了提高電梯的穩定性，提高乘客的舒適度，不讓乘客有突然的超重和失重感，故使用交流雙速電機作為電梯的驅動單元。在起動過程中，為了減少起動電流，起動時會串電阻、電抗,待起動平穩后通過1500PLC控制將其限流電路斷開；減速制動是在慢速繞組中通過1500PLC控制其按照時間原則進行在發生電制動時減速，以低速運行至平層停車。交流雙速電梯主驅動系統原理如圖2所示。

圖2 交流雙速電梯主驅動系統原理圖

電梯的驅動電機選擇改變磁極對數調速方法，該方法具有較硬的力學特性，穩定性能好；無轉差損耗，效率高；接線簡單、控制方便等特點。因此在三相交流異步電動機定子內裝有兩個不同磁極對數的繞組(6極和24極)?？焖倮@組(6極)用作起動和穩速，慢速繞組(24極)用作制動減速和慢速平層停車用。

2.2 PLC選型

對于PLC的選擇主要包括CPU和I/O模塊的選擇，經過比較，選用西門子近年來推出的高性能S7-1500系列PLC，其CPU選用1512C-1 PN，與其他系列PLC相比，主要表現在響應速度快、PROFINET數據通信更高速、更高效的組態和編程以及更低的維護成本[4]，其中位指令執行時間為48 ns，可以快速地處理輸入和輸出信號。S7-1500 PLC的模塊集成具有診斷的功能并且診斷的級別為通道級，當發生故障時，不需要進行額外的編程就能快速準確地查到受影響的通道，減少因故障而停機的時間[5]。

2.3 PLC與EET的通信配置

PLC通過PUT/GET與電梯虛擬調試軟件進行通信調試。將PLC設置為允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問，并將輸入輸出數據塊屬性中的優化塊訪問去掉。在沒有PLC的情況下，使用PLCSIM Advanced v2.0 SP1來仿真，PLC通過以太網與上位機畫面和電梯仿真軟件通信。首先設置PC/PG接口為Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter.TCPIP.1,接著將CPU、PLCSIM Advanced以及PLCSIM Virtual Ethernet Adapter的網卡設置成與本地連接網卡的IP在同一個網段下，并且子網掩碼要一致。最后將CPU、PLCSIM Advanced和電梯虛擬調試軟件的IP地址以及子網掩碼設置成一樣，點擊電梯仿真軟件的通信按鈕，當出現如圖3所示的界面，說明通信成功。

圖3 與電梯虛擬調試軟件通信視圖

2.4 上位機與PLC的通信配置

首先對PG/PC接口進行相關的設置，然后將PC系統上常規IE接口的IP地址設置成與PLC在同一個網段下，并保證在同一子網掩碼下。最后在博途組態畫面上通過PN/IE線連接PLC和常規IE的以太網接口。打開項目樹下HMI的連接就可以看到連接的PLC相關信息。點擊畫面仿真按鈕，當出現如圖4所示畫面，說明WINCC與PLC通信成功。

圖4 WINCC與PLC通信視圖

SIMATIC PC Station通過以太網與S7-1500PLC進行通信，使用Wincc RT Advanced 組態監控畫面，控制系統由TIA V15.1軟件對系統硬件進行組態，如圖5所示。以上硬件的選擇可以實現電梯的可視化管理保障電梯安全穩定運行。

圖5 控制系統硬件組態

3 系統的軟件設計

3.1 程序設計

設計的程序能夠滿足不同樓層用戶的呼叫請求，實現正常的上、下行功能及自動平層、滿載指示、開、關門等。為保障乘客的安全，設計相應的故障程序，比如電梯運行到上、下端限位時需要停止電梯運行，超重時應保持門敞開，直到滿載指示消失。開、關門保護，若電梯在持續關門一段時間后沒有收到關門到位信號時，電梯應為開門狀態；若電梯在持續開門一段時間后沒有收到開門到位信號時，電梯應為關門狀態，并在關門后，響應下一個呼叫請求。

電梯在運行時如果長時間沒有收到呼叫請求，為了達到節能減排的目的，關閉轎廂內的照明和風扇。程序中寫有禁止反向登錄程序，如果電梯上行到4層并繼續上行時，系統就不會響應4層以下的廳外呼叫請求以及錯誤指令消除程序。當到達頂層的時候，就會消除轎內原有登記的后方選層按鈕以及短時間內連續按兩次轎廂內按鈕可以取消轎內呼叫指令。程序流程圖如圖6所示。

3.2 上位機畫面的設計

上位機畫面采用博途中的組態軟件進行繪制，首先將HMI變量與PLC變量進行關聯，然后點擊運行系統設置，設置適合的屏幕分辨率。博途WINCC中提供了豐富的控件、動畫及基本的繪圖工具，對工具箱中的基本對象、元素、控件和圖形等通過鼠標簡單的設置就能實現大部分的監控需求。畫面設計有電梯監視界面、用戶管理界面、系統診斷界面、報警界面、歷史報警界面、輸入狀態描述界面、輸出狀態描述界面，并且每個畫面可以互相切換[6]。

1)電梯監視界面

電梯監視界面中包括電梯模型、廳外呼叫按鈕、轎廂內呼叫按鈕、電梯當前載質量顯示和樓層顯示等如圖7所示。這些主要是用工具箱中的基本對象來繪制，并關聯上相應的變量。對于電梯門的開關畫面，就是通過門鎖信號的狀態來設置可見性。

圖7 電梯監視界面

2)輸入輸出狀態描述界面

輸入輸出狀態描述界面的繪制，通過工具箱元素中的符號I/O域顯示出來，由于輸入輸出點很多，所以在畫面中加入上下翻頁按鈕，并編寫相關程序如圖8所示，輸入、輸出是否有信號，通過圓圈顏色的變化來判斷，輸入狀態描述界面如圖9所示。通過輸入、輸出界面可以查出非正常故障，比如電梯運行后輸入平層信號的狀態為0，可以判斷出可能是平層傳感器出現故障。

圖8 翻頁梯形圖

圖9 輸入狀態描述畫面

3.3 Web server

使用S7-1500 PLC 的Web server功能可以獲得CPU的診斷數據和過程數據，在沒有STEP7等工具軟件時也能實現對CPU的監視和管理。首先啟動PLC的Web服務器功能，設置刷新時間，設置不同用戶的訪問級別，加入變量監控表[7]?？梢酝ㄟ^路由器進行端口映射到公網，通過在IE瀏覽器上輸入公網IP地址，如圖10所示，能夠實現對PLC的遠程監控。從圖10左側項目樹中可以看出該網頁能夠實現各種功能。當設備出現故障并且現場工作人員不能解決時，不需要工程師遠道而來，通過Web瀏覽器修改參數或者電話指導現場維修即可完成。

圖10 Web server界面

4 仿真

在硬件和軟件設計好之后進行仿真，PLC通過PUT/GET與電梯虛擬仿真軟件通信，通信成功后點擊EET仿真軟件的自動按鈕，電梯會初始化到一樓，等待呼叫電梯請求，并按照給定的客流模型運行，打開上位機畫面對電梯進行實時監控。如果電梯在運行過程中出現過載、超限、關門異常等狀態時，畫面上就會顯示如圖11所示情況。如果報警消除，會在報警狀態后顯示I0，在歷史報警界面中會記錄下這條報警，直到按下消除報警緩沖按鈕。

圖11 電梯報警畫面

5 結語

電梯監控系統是采用西門子S7-1500 PLC作為控制核心，在博途軟件平臺下進行硬件組態、程序編寫和上位機畫面繪制。通過電梯虛擬軟件的仿真和調試可以使得系統運行可靠、穩定、能耗低，能夠針對不同的呼叫請求實現合理的響應。使用可視化人機交互界面和1500 PLC的Web server功能，提高了查找故障發生位置的速度和維修效率，降低了維修成本和運行風險，有一定的實際應用價值。