基于SIMATIC S7-1214C PLC、WINCC和VVVF的雙電梯監(jiān)控系統(tǒng)設計與仿真

王曉瑜

（西安航空學院 電子工程學院，西安 710077）

近年來，隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展、科技的進步，高層建筑越來越多，電梯已成為不可或缺的垂直交通運輸工具。單臺電梯已不能滿足高層建筑的交通需求，需要集中管理2臺甚至多臺電梯來同時進行人群的輸送，以達到群控的目的。電梯的快速、高效、穩(wěn)定性、安全性等至關重要，而傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制回路觸點多、電氣線路復雜、故障率高、可靠性差、維護人員工作量大。基于此，本文采用西門子引領小型自動化系統(tǒng)的最新產(chǎn)品SIMATIC S7-1200 PLC作為雙控電梯系統(tǒng)的主控器，在SIMATIC S7-1200 PLC上完成控制算法組態(tài)；使用臺達VFD-V變頻器實現(xiàn)對電梯曳引機變頻調(diào)速的控制，結(jié)合上位機PC及WINCC組態(tài)軟件，在SIMATIC WINCC上完成電梯監(jiān)控環(huán)境組態(tài)。仿真試驗證明，本系統(tǒng)可有效實現(xiàn)雙電梯的優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)控制，達到雙電梯運行狀態(tài)可視化和控制智能化的目的，有效降低電梯故障率，系統(tǒng)運行可靠、易于操作、穩(wěn)定性好[1]。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)中電梯模型都為6層，考慮控制點數(shù)及經(jīng)濟性因素，使用1臺PLC來控制2臺并聯(lián)電梯。電梯系統(tǒng)一般由機械系統(tǒng)（主要為曳引機變頻調(diào)速系統(tǒng)、導向系統(tǒng)和機械安全保護系統(tǒng)等組成）及電氣監(jiān)控系統(tǒng)（PLC的邏輯控制部分和人機界面）組成。

上位機PC在SIMATICS7-1200 PLC上完成兩部電梯的邏輯控制功能。PLC根據(jù)隨機邏輯控制要求，給曳引機變頻器發(fā)出運行信號，如啟動、加速、減速和制動停梯等控制信號，電梯的調(diào)速則由變頻器指令設定電梯運行理想速度曲線，實現(xiàn)平穩(wěn)舒適和安全可靠的目的；同時上位機PC使用WINCC組態(tài)軟件建立工控對象及腳本程序，構建動畫，實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控；并利用WINCC組態(tài)軟件中的腳本程序，來構建動畫，直觀、準確地模擬電梯的實際運行狀況。如顯示雙電梯故障、風扇、照明狀態(tài)；當前電梯運行方向及所在樓層；當前呼叫情況匯總、運行（異常）狀態(tài)監(jiān)測，包括各樓層呼梯信號、轎廂內(nèi)選層信號等。電梯監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方框圖如圖1所示[2～5]。

圖1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)總體設計方案Fig.1 Overall design diagram of the elevator monitoring system

電梯監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包括供電電源、上位機PC、下位機SIMATICS71214C、通信模塊 CM1243-5、I/O信號板、Profibus-DP從站PM-125以及兩部六層仿真電梯、臺達VFD-M變頻器等；系統(tǒng)軟件主要包括 TIA博途軟件編寫的PLC控制程序、WINCC組態(tài)監(jiān)控程序、上位機和下位機之間的通信程序等。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 主機PLC的選擇與設計

根據(jù)電梯模型控制系統(tǒng)控制需求，本電梯系統(tǒng)63點DI/69點DO。控制器采用SIMATICS71214C DC/DC/DC PLC，載 DI14×24VDC 漏型/源型。因本機點數(shù)為14DI/10DO，故再選用信號板AQ1/12及插入式端子排；CM1243-5模塊將SIMATICS71214C連接到Profibus-DP主站，PM-125則為從站；輔助電源選型電池板 EP1333-3BA00 120/230 V～500 V 50/60 Hz。控制系統(tǒng)設備網(wǎng)絡圖見圖2，系統(tǒng)I/O變量表見表 1 和表 2[6～11]。

圖2 控制系統(tǒng)設備網(wǎng)絡圖Fig.2 Network diagram of control system equipment

表1 輸入變量表Tab.1 Input variable table

表2 輸出變量表Tab.2 Output variable table

2.2 變頻器選擇

本系統(tǒng)中電梯的速度控制單元選用臺達VFD-M系列變頻器，其輸出頻率范圍為0.10～6000.00 Hz，功率范圍為0.4～1.5 kW（三相230 V）。當PLC控制電梯拖動系統(tǒng)發(fā)出換速信號，傳送給變頻器，由變頻器控制曳引機的速度切換 （加速切換或減速制動）、按照電梯運行的快速性和舒適性原則的速度曲線（由變頻器指令設定），達到調(diào)速的目的，結(jié)合PLC向拖動系統(tǒng)發(fā)出的啟動、運行、平層等控制信號，使電梯調(diào)速系統(tǒng)即平穩(wěn)舒適，又安全可靠[12～15]。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)流程設計

控制要求1號電梯啟動時，上電初始化停在一層等待，有開關門信號指示時執(zhí)行上行或下行控制，若無開關門信號指示則進入休眠狀態(tài)，過60 s若無信號指示則關閉照明及風扇節(jié)能。若有上行信號指示則進入上行狀態(tài)，此時又有在此樓層上或下的樓層呼叫信號時，優(yōu)先服務當前上行，即根據(jù)最早登記的信號（指令信號，呼梯信號）決定電梯的上行或下行。下行也是同理。而當外呼信號的數(shù)目大于5時，則啟用第二部電梯進行工作。兩部電梯的總控制流程和電梯控制系統(tǒng)主程序設計流程如圖3、圖4所示。

圖3 雙電梯總控流程Fig.3 Double total control system flow chart

圖4 電梯控制系統(tǒng)主程序設計流程Fig.4 Main program design flow chart of the elevator control system

3.2 PLC程序設計

對于雙部電梯來說，需要根據(jù)不同樓層客戶需求及時響應，實現(xiàn)自動平層、開關門、超重提示、實現(xiàn)上下限位、層門聯(lián)鎖保護等。具體地，應具備如下功能：

電梯初始化 開始時，電梯模型初始化，運行自檢，位于基站（即一層）待命。

集選控制 即電梯把召喚信號集合起來進行有選擇的應答，在運行響應完所有呼梯信號和選層指令信號后，停在最后一次運行的目標層待命。

開關門控制 電梯門會根據(jù)當前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號、選層信號及光幕信號狀態(tài)等，進行相應的響應。

啟停控制 當電梯平層時，需要依時間原則依次觸發(fā)三級制動減速，待平層后，切斷上行、下行接觸器，抱閘停車。

運行監(jiān)控 在運行過程中，需要始終對當前運行方向、當前樓層（采用七段數(shù)碼管顯示）進行實時監(jiān)控與顯示。

錯誤指令消除 針對選層指令中可能存在的人為誤操作進行相應的優(yōu)化。如當電梯到達六層將要反向時，轎廂內(nèi)原有登記的所有后方選層指令（如三層）全部消除（該程序見圖5）。

待載休眠 電梯無指令或外登記超過一段時間后，轎廂內(nèi)照明、風扇自動斷電。但在接到指令或召喚信號后，又會自動重新上電投入使用。

運行（異常）狀態(tài)監(jiān)測 超載保護、終端越程保護、開關門保護和運行保護等。

在此基礎上，根據(jù)2部六層電梯控制系統(tǒng)要求，結(jié)合輸入輸出變量表，使用TIA博途軟件，進行控制系統(tǒng)設備組態(tài)及編制梯形圖，程序主要由主程序及其功能塊組成，具體組成見圖5，1號電梯錯誤指令消除程序梯形圖見圖6。

圖5 程序塊圖Fig.5 Program block diagram

圖6 1號電梯錯誤指令消除程序梯形圖Fig.6 Ladder diagram of the 1#elevator error instruction elimination program

3.3 電梯監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)界面設計與通訊要求

電梯仿真監(jiān)控系統(tǒng)由控制SIMATICS71214C PLC與被控對象WINCC組態(tài)軟件編寫的電梯仿真界面兩大部分組成，被控對象運行在上位機PC中。系統(tǒng)拓撲結(jié)構為上位機PC通過以太網(wǎng)與PLC直接連接，通訊協(xié)議遵從CP-TCP/IP協(xié)議，通訊接口選擇工業(yè)以太網(wǎng)通用網(wǎng)口。PLC與仿真對象之間采用Profibus-DP通訊協(xié)議實現(xiàn)連接。CM1243-5模塊為Profibus-DP主站，PM125模塊為Profibus-DP從站，PLC與主站直接相連，仿真對象與從站直連。PC機地址102.168.0.241，波特率為9600，建立通訊連接，就可得到PLC與WINCC通信診斷圖，從而進一步來判斷它們之間是否能正常通信。

現(xiàn)以DP從站（PM125模塊）組態(tài)及通信配置示例：當將“PM125V20.GD”安裝到STEP 7后，在右側(cè)“硬件目錄”中，找到PM125模塊，拖入“網(wǎng)絡視圖”，與“Profibus_1”相連接，并對它進行分配，如圖7所示。

圖7 M125連接及分配Fig.7 M125 connection and distribution

在電梯監(jiān)控系統(tǒng)的仿真運行中，將調(diào)試通過的程序下載至PLC并置位RUN狀態(tài)，啟動WINCC的電梯運行監(jiān)控人機界面，確保下位機PLC與PC正常通信。給定外部呼梯信號，觀察電梯監(jiān)控的結(jié)果（比如轎箱移動、開/關門動作、LED的樓層顯示、電梯上/下行按鈕、開/關門按鈕等各個按鈕顏色的變化等），并將該變化一一對應下位機PLC的I/O位置的LED燈閃爍情況，進行組態(tài)界面與PLC程序的通訊連調(diào)，實現(xiàn)設計目標。WINCC人機監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 INCC人機監(jiān)控界面Fig.8 INCC monitoring interface

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)運行正常，符合電梯的實際運行規(guī)律，達到電梯運行狀態(tài)可視化和控制智能化的目的。

4 結(jié)語

本文采用SIMATIC S7-1200 PLC作為主控器，使用TIA博途軟件，進行控制系統(tǒng)設備組態(tài)及編制梯形圖，利用上位機PC，通過WINCC組態(tài)軟件編寫監(jiān)控組態(tài)界面，結(jié)合臺達VFD-V系列變頻器實現(xiàn)對雙部六層電梯的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計。仿真試驗證明，本系統(tǒng)在監(jiān)視雙部電梯的實際運行工況基礎上，還可以由組態(tài)界面控制電梯的實時運行，穩(wěn)定可靠有效，故障率低。

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