基于組態軟件的PLC電梯控制和仿真研究

王 宏，王子成，崔光照

（鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，鄭州 450002）

基于組態軟件的PLC電梯控制和仿真研究

王 宏，王子成，崔光照

（鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，鄭州 450002）

0 引言

隨著科學技術的發展、城市現代化進程的突飛猛進，電梯作為一種高效、迅捷、安全、可靠的垂直運輸設備，成為了人們不可缺少的運輸工具。現代高層建筑中各辦公大樓、住宅、賓館、醫院、工礦企業、倉庫、碼頭、大型貨輪等都離不開它。電梯性能的好壞對人們生活的影響越來越顯著，因此必須努力提高電梯系統的性能，保證電梯的運行即高效節能又安全可靠。傳統的電氣控制系統采用的繼電器控制，由于觸點多、故障率高、可靠性差、體積大等缺點，正逐漸被淘汰。目前應用較多的控制器有單片機及可編程控制器（PLC），由于單片機的開發和應用需要專業人員，抗干擾能力較差，維護也比較困難，因此在電梯控制系統中應用受到一定的限制。而采用PLC的電梯控制系統，不但具有很強的抗干擾能力及負載驅動能力，而且簡單易學、維護方便。

本文在全面了解電梯控制技術的基礎上，選擇利用可靠性高、功能強大的西門子S7-300 PLC設計開發出了6層電梯控制系統，同時通過采用組態軟件對PLC電梯控制系統進行人機界面設計，實現了對該電梯的實時動態監控，設計出的人機界面不僅能直觀、準確地反映電梯的運行狀態，而且還可以進行相關得控制操作，為電梯的安全運行提供了可靠保證。實踐證明，該系統具有人機交互界面友好、運行安全可靠、抗干擾能力強，自動化程度高等特點，具有一定的先進性和實用性。

1 PLC電梯控制系統設計

1.1 控制系統組成

電梯的主要控制技術包括PLC控制技術和微機控制技術，配合交流變頻變壓控制技術，實現電梯安全、可靠、平穩地運行。電梯PLC控制系統由邏輯部分和變頻器控制的調速部分組成（如圖1所示）。電梯中的曳引電動機的運行直接由變頻器控制，變頻器的輸入控制信號由PLC提供。邏輯部分由PLC控制，PLC接收呼叫信號、轎廂和廳門系統的功能信號以及井道和變頻器的狀態信號，經程序判斷與運算實現電梯的集選控制。PLC在輸出顯示和監控信號的同時，根據隨機邏輯控制的要求，向變頻器發出運行方向、啟動、加速、減速和制動停梯等信號。調速部分由變頻器根據一定的控制規律和控制算法來控制，利用光電編碼器測量曳引機的轉速，構成閉環矢量控制系統[1]。

以6層電梯為例，用西門子可編程控制器實現對電梯的控制。下面從電梯控制系統的硬件選型、PLC 的I/O地址分配等方面進行逐一說明。

1.1.1 硬件選型

控制系統可以選擇西門子S7-200的，也可以選擇S7-300的，在本設計中選擇S7-300的CPU-315機型，這樣可以便于STEP7提供的S7-PLCSIM仿真軟件對程序進行調試和仿真，并且可以利用STEP 7與WinCC flexible進行集成調試和仿真。

圖1 電梯控制系統結構框圖

1.1.2 PLC輸入/輸出地址分配

設計一個6層電梯控制系統，需要輸入點至少39點，包括啟動/停止信號1個或2個，外呼信號10個，內呼信號6個，開門關門信號2個，開門和關門到位信號2個，關門防夾檢測信號1個，檢測轎廂到位信號12個，電梯平層信號檢測2點，電梯內報警信號1個。輸出點至少35個，其中包括電梯上行、下行電機輸出信號2個，電梯速度控制2點，轎廂開門、關門輸出信號2個，轎廂所在樓層顯示器LED驅動輸出8點，呼梯指示信號16個，電梯上行、下行輸出指示信號2個，電梯正在服務方向指示信號2個，電梯超載顯示信號1個，表1即為輸入/輸出地址分配表[2]。

表1 輸入/輸出地址分配表

1.2 軟件設計

1.2.1 電梯運行狀態分析

電梯運行方向由呼梯信號決定，按照順向優先原則執行。行車途中如遇到外呼信號，順向截車，反方向不截車。內呼和外呼信號均具有記憶標志，執行后才能被解除記憶；到達目的平層時自動開門，延時關門，并具有手動開門，手動關門功能，如果檢測到在關門過程中有人通過則電梯會自動打開門。行車途中不能手動開門，開門時電梯不允許運行；如電梯在兩層之間運行超過10秒，則發出超時警報；如果檢測到電梯超載則發出超載警報，并且使電梯門打開，鎖定電梯，直到報警信號消除后才允許電梯運行[3]。

1.2.2 程序流程圖

電梯系統控制流程圖如圖2所示。

1.2.3 控制程序調試

使用S7-PLCSIM，可以在仿真PLC中執行以及測試STEP 7用戶程序。仿真在PC或編程設備中執行。由于仿真是完全在STEP 7軟件中實施的，因此不需要任何S7硬件，可以使用S7-PLCSIM仿真S7-300用戶程序。S7-PLCSIM提供一個簡單的STEP 7用戶程序界面，以供監視以及修改諸如輸入和輸出變量這樣的不同對象（如圖3所示）。當在仿真CPU上運行程序的同時，還可以使用STEP 7軟件在線監控應用程序[4]。

2 組態軟件設計

組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。WinCC flexible是德國西門子公司工業全集成自動化的子產品，是一款面向機器的自動化概念的HMI軟件。該軟件用于組態用戶界面以操作和監視機器與設備，提供了面向解決方案概念的組態任務的支持[5]。

圖2 電梯系統控制流程圖

圖3 利用PLCSIM調試程序

2.1 圖形界面設計

圖形界面用來模擬現場的情況，而本系統設計的界面用來仿真電梯運行的畫面（如圖4所示）。WinCC flexible提供了豐富的圖形制作工具，而且還有豐富的圖庫供選擇，在本設計中，針對電梯系統制作了進入畫面、監控畫面、參數設置、操作幫助畫面，使整個系統操作人性化，內容豐富。

圖4 系統運行主畫面

2.2 數據庫變量構造

在程序編寫之前首先要定義程序中用到的變量，根據用來描述對象的屬性，在WinCC flexible中定義變量數據庫（如圖5所示）。在系統運行過程中，數據庫中外部變量的值改變時，則該值自動寫入PLC的內存中；而PLC內存中的過程變量的值改變時，WinCC flexible中的數據庫變量自動更新。采集周期確定HMI設備將在何時從PLC讀取外部變量的過程值。對采集周期進行設置，使其適合過程值的改變速率。如果采集周期設置得太低，將極大地增加過程的通訊負荷。在本設計中設置采集周期為500ms。

圖5 WinCC flexible中建立數據庫

2.3 建立動畫連接

WinCC Flexible可對圖形對象進行動畫設計，真實地描述外界對象的狀態變化，進行過程實時監控。例如：為了實現轎廂的動態移動，先選中想要動態控制的畫面對象，在屬性視圖的“動畫”組中選擇垂直移動，選擇一個控制移動的變量即電梯所在樓層，激活“啟用”復選框，系統在畫面上顯示對象的透明副本，該副本與源對象通過箭頭互連。將對象副本移動到相關的目標，系統自動在屬性視圖中輸入最終位置的像素值。修改變量的范圍從1至6。當控制變量電梯所在樓層的數值改變時，對象將根據設置進行移動（如圖6所示）。同樣的，可以完成其他畫面對象的動畫連接[6]。

圖6 垂直移動設置

2.4 通訊連接

要用組態軟件進行實時監控首先要完成通訊連接，本系統是PLC與WinCC flexible之間進行通信，選擇使用MPI組態網絡。MPI是西門子公司開發的用于PLC之間通訊的協議。當通信速率要求不高、通信數據量不大時，可以采用MPI通訊協議，它是一種簡單經濟的通訊方式[4]。MPI網絡的通信速率為19.2Kbps～12Mbps，最多可以連接32個節點，最大通訊距離為50m。在STEP 7中設置網絡的通信速率為187.5Kbps，CPU315的地址為2，HMI的地址為3。在WinCC Flexible中建立HMI和PLC的連接，在WinCC Flexible的項目窗口，選擇“通信”、“連接”可以看到PLC和HMI的連接信息，設置通信驅動程序為SIMATIC S7 300/400，設置網絡使用MPI網絡，通信速率和地址已經自動匹配，其中的參數和STEP 7中的網絡組態參數自動保持一致，并自動同步[5]。

2.5 STEP 7與WinCC flexible的集成調試和仿真

使用西門子的PLC，安裝STEP 7軟件后，則可以將WinCC flexible與STEP 7集成在一起。集成的優點在于集成組態期間，可以訪問用STEP 7組態PLC時所創建的STEP 7組態數據，使變量的訪問更加方便。并且使用STEP 7中的S7-PLCSIM仿真軟件，可以和WinCC flexible中的仿真軟件WinCC flexible Runtime進行通信，這樣可以進行聯合調試和仿真程序[8]。

首先將在STEP7中編寫的系統控制程序下載到S7-PLCSIM中，并將PLC置于RUN狀態，接著運行WinCC flexible中的仿真軟件WinCC flexible Runtime。S7-PLCSIM和WinCC flexible Runtime將自動建立連接，并相互通信。用這種方式調試和仿真程序比單獨用S7-PLCSIM更容易和直觀（如圖7所示）。

圖7 系統集成仿真畫面

3 結束語

利用西門子STEP7編程軟件、PLCSIM仿真軟件和 WinCC flexible組態軟件實現電梯的數據采集與處理、軟硬件組態、程序編寫、畫面顯示和實時的動態監控和仿真，可以在脫離PLC 實際物理控制對象的條件下，在控制程序投入實際運行前進行調試，通過界面仿真的形式實現對控制系統的設計和調試。操作界面友好，自動化程度高，監控可靠。實踐證明，PLC 可編程控制器和組態軟件結合監控電梯，便于系統設置、檢測、維護，系統運行可靠，穩定性好。

[1]蘆艷芳,朱貴憲.基于PLC 的電梯控制系統設計[J].煤炭技術,2011,30(8):53-55.

[2]李濤.基于PLC的電梯控制系統的設計與實現[J].儀器儀表用戶,2010,17(3):74-75.

[3]王永華.現代電氣控制及PLC應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010.

[4]許志軍.工業控制組態軟件及應用[M].北京:機械工業出版社,2005.

[5]馬國華.監控組態軟件及其應用[M].北京:清華大學出版社,2001.

[6]孫亞寧,王慶平,曾冬俊.電梯控制系統組態設計[J].電源技術,2011,35(2):221-224.

[7]漆海霞,張鐵民,鄒恩.基于組態軟件的PLC電梯控制仿真[J].云南農業大學報,2011,26(6):889-892.

[8]廖亮.西門子人機界面組態軟件WinCC flexible使用經驗[J].電工技術,2008,(12):60-66.

PLC elevator control system and simulation based on conf i guration software

WANG Hong，WANG Zi-cheng，CUI Guang-zhao

本文介紹了基于西門子S7-300可編程控制器、STEP7和WinCC flexible組態軟件的電梯控制系統。闡述了電梯控制系統的組成及PLC、STEP7和WinCC flexible的程序設計方法。PLC執行可靠有效地分散控制及采集現場數據，WinCC flexible組態軟件制作人機對話界面，進行系統的監控和仿真。該控制仿真系統可以實現上位PC對實際電梯控制系統運行的實時監控，也可以在脫離實際物理的控制對象情況下，實現對控制程序的調試和仿真運行。

PLC；電梯控制；組態軟件

王宏（1977 -），男，河南平頂山人，講師，研究方向為計算機控制及自動化檢測。

TP273

A

1009-0134(2013)01(下)-0109-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).31

2012-08-12