智能制造視域下西門子S7-1200 PLC在電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

紀(jì)宗軍

（沈陽市化工學(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

1 電梯結(jié)構(gòu)

電梯主要由電梯內(nèi)部設(shè)備、電梯整體及其各個樓層按鈕等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中電梯整體主要是由平層傳感器、端站限位開關(guān)、三相交流異步電動機和電梯轎廂組成。三相交流異步電動機定子內(nèi)有2個不同極對數(shù)的繞組，即慢速繞組和快速繞組，其中慢速繞組可以起到慢速平層停車、制動減速作用，快速繞組可以起到起動和穩(wěn)速的作用[1]。

2 西門子S7-1200 PLC在電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 可靠性高

西門子S7-1200 PLC嚴(yán)格篩選器件，并采用可自動恢復(fù)、故障診斷、隔離、濾波、屏蔽的硬件和軟件，使可編程控制器具備優(yōu)秀的抗干擾能力，平均無故障時間時間可以達到(3～5)×104h以上，是為工業(yè)控制而設(shè)計的智能化網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)件。

2.2 編程直觀、簡單

多數(shù)電氣技術(shù)人員對電氣控制線路較為熟悉，因此西門子S7-1200 PLC采用了一種面向控制過程的梯形圖語言，而并未選擇微機控制中常用的匯編語言。梯形圖語言易學(xué)易懂、形象直觀，與繼電器原理圖類似，具有一定知識的電氣技術(shù)人員或者電氣工程師都能夠在短時間內(nèi)掌握并應(yīng)用。

2.3 適應(yīng)性好

PLC是一種借助程序?qū)崿F(xiàn)控制的技術(shù)和構(gòu)件。當(dāng)實際工作環(huán)境中的控制要求發(fā)生改變時，工作人員只要修改程序即可使其滿足新的控制要求。由于西門子S7-1200 PLC產(chǎn)品己模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，所以可以靈活、方便地完成系統(tǒng)配置，組成具備不同功能和規(guī)模控制系統(tǒng)。其適應(yīng)能力十分優(yōu)秀，既可控制一個復(fù)雜的群控系統(tǒng)，也可以控制一條生產(chǎn)線，還可以控制一臺機器；既可以實現(xiàn)遠距離控制，又可以進行現(xiàn)場控制。

2.4 功能完善

目前的西門子S7-1200 PLC實現(xiàn)了模擬量和數(shù)字量的邏輯和算術(shù)運算、記錄和顯示、輸入輸出、自檢、人機對話、通信、順序控制、計數(shù)、定時等功能，大大提高了設(shè)備控制水平，而且其接口功率驅(qū)動范圍較大，為用戶操作提供了極大的方便。

3 西門子S7-1200 PLC在不同電梯的應(yīng)用場景

3.1 住宅電梯

為了便于住宅區(qū)安全管理，住宅電梯對保密性要求較高。這類應(yīng)用場景的電梯需要具備感應(yīng)系統(tǒng)，從而提升電梯智慧化水平，便于用戶持電梯卡點亮所在樓層的按鈕。當(dāng)電梯感應(yīng)到電梯卡信息時，即可為該用戶提供所在乘坐樓層、居住層樓自動開門服務(wù)，某些持有臨時卡的用戶也可以使用電梯。這實現(xiàn)了一種對電梯用戶的篩選功能，拒絕了非持卡人員進入電梯和按亮樓層，提升了住宅電梯保密性。

3.2 商場電梯

商場電梯需要方便顧客購物、進出停車場，以提升他們的購物體驗。開車進入商場的顧客會獲得一張臨時停車卡，卡片上錄入有該顧客的臨時信息，如此顧客就可以借助停車卡控制電梯。如果該顧客有固定消費的店鋪，那么該店可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在顧客到達之前收到信息，并做好接待準(zhǔn)備[1]。

3.3 學(xué)校電梯

學(xué)校電梯需要感應(yīng)學(xué)生卡，隨時將學(xué)生動態(tài)信息發(fā)送給學(xué)校的監(jiān)控中心，輔助學(xué)校實時掌握學(xué)生位置變化，從而提升校園安全管理系數(shù)，減少校園安全事件發(fā)生。

3.4 醫(yī)院電梯

在這一應(yīng)用場景中，電梯需要根據(jù)乘客緊急程度和需求為其提供個性化服務(wù)。電梯要有管理員操作功能，以便其幫助患者快速找到目標(biāo)科室。電梯內(nèi)的顯示屏顯示醫(yī)院布局圖、各個科室的醫(yī)生介紹，方便患者快速選擇目的科室或者辨別自己的方位。

3.5 辦公樓電梯

這類場景中的電梯主要是為內(nèi)部員工服務(wù)，要配備VIP卡片及其識別系統(tǒng)，以便管理人員優(yōu)先到達目標(biāo)樓層。如果條件允許，公司還可以在固定時間段內(nèi)承包電梯，使電梯在該時間段在底層與公司樓層之間運轉(zhuǎn)，將該公司員工直接送達目標(biāo)樓層。

4 西門子S7-1200 PLC在電梯中的應(yīng)用路徑

4.1 PLC的選型原則

（1）配置簡單。各類機型采用統(tǒng)一配置，簡化倉庫庫存管理和設(shè)備采購工作流程。

（2）編程方便。用戶可依據(jù)不同機型的流程要求進行程序編制，且后期程序修改與調(diào)試都較為便捷，促使電梯控制方式可以根據(jù)客戶需求而變化[2]。

（3）系統(tǒng)可以較為便捷地連接到PC監(jiān)控系統(tǒng)或其他系統(tǒng)。

（4）控制靈活、精準(zhǔn)，系統(tǒng)外觀符合現(xiàn)代審美，故障率極低，便于控制維護成本。

4.2 西門子S7-1200 PLC在電梯自動初始化系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

4.2.1 初始化系統(tǒng)硬件設(shè)計

本電梯自動初始化系統(tǒng)，采用西門子S7-1200 PLC作為系統(tǒng)的控制核心，該PLC具備10個輸出端口以及14個輸入端口，可以有效滿足該系統(tǒng)對硬件的相關(guān)需求；電梯運作的動力源曳引電動機采用三相交流異步電動機。該控制系統(tǒng)總共包括8個輸出端口以及9個輸入端口，它的具體I/O地址分配情況如表1和表2所示。

表1 輸入地址分配表

表2 輸出地址分配表

結(jié)合具體I/O地址分配情況和該系統(tǒng)的初始化系統(tǒng)工作原理設(shè)計PLC外部接線圖，其PLC外部接線基于西門子S7-1200PLC，設(shè)計軟件采用AutoCAD Electrical。

4.2.2 初始化系統(tǒng)程序設(shè)計

第一，初始化方向選擇和初始化程序啟動程序設(shè)計。在將電梯投入正式使用前，按下SB1、SB2按鈕，啟動電梯自動初始化程序，程序默認(rèn)為向下初始化，相關(guān)技術(shù)人員按下按鈕SB3，之后電梯開始向上初始化，其具體程序如圖1所示。

圖1 初始化啟 動與方向選擇程序梯形圖

第二，初始化設(shè)計。啟動初始化程序后，默認(rèn)狀態(tài)下電梯開始向下初始化，此時電機啟動，下行接觸器線圈KM5得電，下行接觸器處于閉合狀態(tài)，控制電機轉(zhuǎn)動方向，從而目標(biāo)電梯向下運行，該電梯下行至與下端站第一限位開關(guān)SQ3接觸，隨后電機停止，此時延時繼電器得電，實現(xiàn)0.3 s延時，其后上行接觸器線圈KM4得電，此時上行接觸器閉合，控制電機轉(zhuǎn)動方向，進而促使電梯向上運行。

如果選擇向上初始化，需要按下SB3按鈕啟動電機，此時上行接觸器線圈KM4得電，而上行接觸器則閉合，繼而控制電機轉(zhuǎn)動方向，促使電梯向上運行，電梯上行直至接觸到上端站第一限位開關(guān)SQ1，隨即電機停止運轉(zhuǎn)，此時延時繼電器得電，同樣實現(xiàn)0.3 s延時，下行接觸器線圈KM5得電，此時下行接觸器閉合，控制電機轉(zhuǎn)動方向，繼而促使電梯向下運行。

電梯按照技術(shù)人員設(shè)置在相應(yīng)樓層停靠，初始化工作完成，并向外發(fā)出準(zhǔn)備就緒的信號，此時電梯即可投入正常使用。

第三，驗證結(jié)果。試驗驗證采用電梯仿真系統(tǒng)軟件作為試驗工具，通過電梯仿真系統(tǒng)軟件進行試驗驗證，該軟件可以通過太網(wǎng)與西門子S7-1200 PLC相互連接，從而實現(xiàn)信息交流。相關(guān)技術(shù)人員把程序下載到PLC中，使其在電梯仿真系統(tǒng)軟件中運行，然后不斷變換初始化目標(biāo)樓層和電梯初始位置，對各個方向初始化所用的時間進行測試。

4.3 基于西門子S7-1200系列電梯集群仿真設(shè)計方案

4.3.1 系統(tǒng)的搭建

選擇由西門子公司開發(fā)的以實際電梯結(jié)構(gòu)為主題的仿真軟件作為系統(tǒng)搭建對象，該仿真軟件由應(yīng)用模塊、PLC以及傳感器組成，而且結(jié)合實際情況模擬進出電梯、呼叫電梯、等待電梯以及實際操作電梯的過程。由此設(shè)計的電梯集群仿真設(shè)計方案，與人們平時生活中所遇到的電梯及其使用操作基本一致，是一款功能強大的仿真軟件[3]。

第一，PLC程序模塊設(shè)計。將西門子S7-1200PLC作為電梯仿真平臺中整個系統(tǒng)的通信鏈接與程序編寫，并通過Intouch軟件對整個系統(tǒng)程序進行組態(tài)，同時配置相應(yīng)的仿真配置。S7-120OPLC的IO點與電梯運行的I/O點相互對應(yīng)。

第二，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。本次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計選擇SIMATIC S7-1200緊湊型小型PLC（在TIA portal V15工程平臺中的CPU 1214C、緊湊型CPU DC/DC/DC）。EES仿真軟件與WinCC監(jiān)控環(huán)境相互連接，之后添加DI/DO兩個通用模塊，以實現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出操作。以PLC的IO輸入輸出量為依據(jù)，對地址范圍進行設(shè)定。

4.3.2 梯群控制方案設(shè)計

第一，電梯群控。聯(lián)合控制功能針對6部多層電梯，要求梯群控制方案設(shè)計滿足常見不同應(yīng)用場合下的集群電梯控制策略切換。具體而言，相關(guān)設(shè)計人員要考慮以下三方面影響因素：系統(tǒng)整體能耗；使用者均乘梯時間；使用者平均候梯時間。

第二，單部電梯基本功能。

（1）電梯初始化。電梯模型發(fā)出自動運行信號，控制程序接受到“開始”信號之后，開始必要的初始化工作，初始化工作完成以后電梯進入預(yù)選區(qū)域待命，同時發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號。

（2）集選控制。在運行過程中，電梯能夠應(yīng)答轎廂內(nèi)的選層指令信號和同一方向的所有層站呼梯信號，然后在這些信號所指定的層站自動平層停靠。電梯對所有選層指令信號和呼梯信號運行響應(yīng)完以后，停在最后一次運行的目標(biāo)層，進入隨時待命狀態(tài)。

（3）開關(guān)門控制。電梯門結(jié)合電梯的當(dāng)前狀態(tài)、光幕信號狀態(tài)呼梯信號、轎廂門狀態(tài)以及選層信號等信息，合理地完成相應(yīng)的響應(yīng)。如果在門未全關(guān)時，收到光幕信號，則需要對其優(yōu)先響應(yīng)，保持電梯門打開；在電梯平層開門以后，可以延時關(guān)閉，且延時關(guān)閉時間是可修改的。

（4）啟停控制。根據(jù)電梯主電路，按時間原則完成啟動、停止過程。在電梯處于平層時，應(yīng)按照時間原則依次觸發(fā)三級制動減速，在平層之后，即可切斷上行、下行接觸器，進入抱閘停車狀態(tài)。

（5）運行控制。在電梯運行過程中，要始終對當(dāng)前樓層（采用七段數(shù)碼管顯示）以及運行方向進行實時監(jiān)控和顯示。通常來說，使用主體會結(jié)合當(dāng)前電梯運行方向和電梯門狀態(tài)判斷是否上車，并在確認(rèn)之后完成上車動作。當(dāng)電梯未收到呼叫指令時，運行方向顯示無向。

第三，單部電梯運行（異常）狀態(tài)監(jiān)測。針對整個電梯運行過程，監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)和各類反饋信號，以促使電梯穩(wěn)定運行。當(dāng)電梯發(fā)生故障時，提供相應(yīng)的安全策略。[4]如果出現(xiàn)異常狀態(tài)，電梯需要點亮故障指示燈。■