基于西門子S7-1200PLC 電梯控制系統的設計

楊昊航， 王 超

（吉林建筑大學， 吉林 長春 130000）

0 引言

在社會經濟高速發展和人民生活水平日益提高的今天，現代建筑均向著高層化發展，電梯已經成了高層建筑中必不可少的垂直方向交通工具， 其重要性也就顯得格外明顯。人們對電梯的需求越來越高，這對電梯的調速精度、調速范圍等靜、動態特性提出了更高的要求，要求其功能改變靈活，編制程序方便，故障小，噪聲小，維修保養容易、節能省工、抗干擾能力強、控制箱面積小。電梯控制目前主要采用可編程控制器來實現， 除滿足載客運貨的基本功能外， 還要在安全穩定的環境中自動智能地制定出最佳運行方式[1]。

1 系統總體設計

本系統主要以電梯邏輯系統為研究重點， 展開論述和優化設計工作。 電梯工作流程可以概括為：乘客到達場景后，啟動電梯呼梯按鈕；PLC 依據采集的乘客所輸入的召喚信號對轎廂進行定位判斷、 當轎廂容量和廂門狀態符合運行條件時， 調用其自身電梯控制和分配邏輯程序輸出單梯轎廂行駛方向和其他狀態的顯示， 執行對應轎廂牽引拖動和停車控制。

2 硬件設計

2.1 可編程邏輯控制器（PLC）的基本結構

可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller）是由美國數字化設備公司設計的一種新型工業設備控制器，通過增加產品對可靠性及生產能力的需求，增強市場競爭力。 可編程控制器具有可靠性、抗干擾能力強、編程簡單等優點[2]。 可編程控制器是一種常見的工業控制元件，在微計算機技術與繼電器控制技術相結合的基礎上，適用范圍廣，它能夠對自動化系統起到巨大的功能作用，可用于多種工業民用電力設施，應用范圍很廣，具有可靠性強，操作方便，功能齊全等特點、許多內部功能已被市場所接受。

該控制系統中選用的控制器是SIMATIC S7-1200 CPU1214FC，屬小型PLC（Micro PLC），可以用于多種自動化系統中。 由于其體積小并且具有很高的可靠性和安全性，所以非常適合用于工業現場的控制場合。 該小型PLC具有緊湊、成本低廉，同時功能強大，從而使S7-1200 PLC非常適合于各類小型控制任務[3]。由于它采用了先進的數字處理技術和模塊化設計思想， 因而具有很強的可擴展性。 與此同時，多樣化的S7-1200 系列產品和以Windows為平臺的編程工具也應運而生，讓使用者可以更靈活的、便于自動化任務的實現。 該控制系統由一個主控室和多個分控制室組成[4]。 S7-1200 具有強大的功能和小巧的體積，采用交流電源，可以在合理范圍進行調解。

該機集成了16 條輸入和10 條輸出， 共含有24 個數字量的I/O 點。 可編程控制器具有高可靠性、 抗干擾能力強、編程簡單等優點。 可以采用助記符，梯形圖等編程方式進行編程，為了便于實際應用，可將七個擴展模塊外接，例如，輸入輸出擴展模塊等、熱電偶－熱電阻擴展模塊和通訊擴展模塊。 另外，還設計了一個通用的串行通信接口，能夠與上位計算機進行通信，以實現對下位機設備狀態信息的采集及顯示功能。其中輸入/輸出擴展模塊可以最大擴展至248 路數字量I/O 點或者35 路模擬量I/O 點。 另外還提供了豐富的人機接口，包括鍵盤與顯示器等，并且采用模塊化設計。 程序與數據的存儲空間夠用戶用，大約為125KB。

該系統含有六個獨立高速計數器， 頻率在30kHz 左右，4 路獨立式高速脈沖，輸出頻率20kHz，為了適應工業控制要求，同時有一個單獨PID 控制器。 配有兩個RS485通信/編程口，實現了MPI 通訊協議、擁有PPI 通訊協議，通訊方式自由，I/O 端子排設計更加人性化，能夠非常便捷的整體拆裝，更換維護方便，提高使用效率。

該PLC 在應用于更高需求控制系統時，輸入輸出點充足，較強的模塊擴展能力，可以滿足輸入輸出量大的控制系統，同時，對復雜控制系統運行速度較快，內部集成特殊功能較強[4]。 由于考慮到該控制系統輸入輸出較多， 因此， 增加了CPU1214FC 擴展模塊，以確保系統完整。

2.2 PLC 的功能特點

可編程邏輯控制器的運行，它通過CPU 重復輸入采樣，掃描速度一定、用戶程序執行和輸出刷新的三個階段過程。 本系統對這一控制方法進行了描述[5]。 首先，按掃描方式順序讀取全部輸入狀態及數據，再按先向上，再向下的順序、先左后右依次掃描用戶程序（梯形圖）進行邏輯操作，最后，將輸出的全部狀態及數據刷新，通過輸出電路帶動外部設備工作。 PLC 作為現代工業自動化的大腦，芯片的集成度較高，具有保護電路和自診斷功能，編程多數使用直觀，簡便的梯形圖，使用簡單非常容易掌握， 用戶可靈活變換控制系統功能與大小，本發明適用于任意控制系統，內置在不同模塊中，可直接和不同器件相連，本實用新型的有益效果是：輸入輸出功能模塊全，便于安裝，配置靈活，易于編程、運行速度高，可靠性強，相對于繼電器邏輯控制器，它有著先天綜合優勢[6]。

2.3 硬件接線圖

針對電梯控制系統的功能需求和I/O 分配，繪制了PLC 控制部分的硬件連接圖如圖1 所示。

3 軟件設計

3.1 電梯控制系統設計

該系統是CPU 通電后運行在RUN 的狀態下， 啟動電梯初始化程序進行初始化， 初始化完成后電梯進入準備狀態等待呼叫信號的發出。 在收到內外呼后判斷該層是否和目標層持平，如果持平則轎廂門處于動作狀態，如果不持平則選擇電梯方向并開始工作。

3.2 輸入/輸出（I/O）分配

在該控制系統中，要求輸入的是上/下呼梯和轎內選層、轎內啟閉，操作/維護按鈕，及各類傳感器、限位器的輸入。此外，還加入了當前載重量作為檢測電梯超重與否的仿真輸入信號。 具體分配如表1 所示。

表1 輸出表量表

在該控制系統中， 以輸出控制為主的裝置具有多個指示燈、七段數碼管，接觸器，繼電器、與電動機之類的，還有準備好的信號，其具體分配如表2 所示。

表2 輸入表量表

3.3 主要程序設計

使用編程軟件TIA Portal V16，它可以在計算機上直接生成和編輯梯形圖或指令表程序， 編好程序， 下載到PLC 中運行，現就幾個主要的指令表程序分述于下：

3.3.1 初始化程序

電梯模型提供了脈沖信號的自動運行信號， 控制程序接收到此信號之后，啟動初始化工作。因設定初始化目標樓層是6 層，故進行初始化時電梯需向上運行，在初始化結束時，返回準備好的長信號，準備工作就緒，也就是表示電梯能夠正常工作載客了。

3.3.2 電梯外呼/內呼上下行及顯示程序

當一層向上的呼梯按鈕上的指示燈點亮。 在三層以上樓層上的所有按鍵都被按下后，則該樓層的上行呼梯指示燈也會同時點亮。 同樣地，當是第三、第四、第五，當按下六層對應按鈕時，輸出變量2、3、4、5 層上行呼梯指示燈亮。

3.4 安全保護設計

本文通過分析影響電梯安全性的主要因素和常見故障類型，為能確保乘客人身安全和可靠啟停，提出了相應的解決方案。 根據電梯安全標準要求控制系統滿足故障安全準則。 為了實現這一目標，必須設計出一套安全可靠的系統以確保轎廂內人員和貨物不受損壞。 電梯發生故障的時候， 該控制系統可以使得電梯對維修信號做出及時的反應，讓電梯處于規定的樓層保養。 若系統發生了誤動作或失控現象，會造成人員傷害甚至設備損壞。 本文研究并分析了上述各個模塊的功能實現的方法及原理[7]。 當存在異常狀態的時候， 與此同時， 故障指示燈也經常亮著，提醒乘坐的電梯在檢修，目前無法使用的普通電梯是頻繁的，是必不可少的安全防護環節之一，本系統有必要設置超重保護、終端越位保護和操作保護。

（1）超重保護程序。 電梯超載后故障指示燈點亮，在開門狀態下不允許啟動電梯[9]。

（2）終端越位保護程序。 電梯的上下兩端分別設置有終端減速開關，終端限位開關，以保證電梯不會超限[10]。

（3）運行保護程序。 為了安全，門區以外或者電梯運作時，設定電梯不能開門。

4 結束語

根據現代電梯控制對安全性和可靠性的需求， 我們以西門子S7-1200PLC 為核心器件， 實現了整套系統的設計，經過對電梯的實際工作過程進行分析，電梯運行時信號I/O 分配，本系統通過在特定的平層上按壓旅客向上或者向下的按鍵，PLC便發出訊號，轎廂將乘客送達在樓層并開門，接著按下樓層號關門，電機轉動使轎廂到達需要到達的樓層開門。 同時利用梯形圖程序完成各功能動作及相應邏輯判斷。整個控制系統的實施過程簡單，效率高，安全，可靠，與其他控制器相比，PLC 控制有良好的前景。