基于S7-1500PLC的電梯控制系統設計

朱文華,左懿

(上海第二工業大學 工程訓練中心,上海 201209)

0 引言

電梯是高層建筑中常見的運輸工具,其主要功能為人員和貨物的運輸。電梯系統的邏輯控制比較復雜,所以電梯控制器的選擇對其性能的影響就顯得尤為重要。傳統電梯的控制器大多數為繼電器。由于繼電器存在控制點多、接線復雜、故障多、不穩定等問題,逐步被可靠性強、性價比高、編程及維護方便的PLC所取代[1]。

S7-1500PLC是西門子公司生產的一款模塊化控制器,廣泛應用于離散自動化領域。該控制器憑借其模塊化,簡易的分布式結構以及無風扇的設計,成為工業控制中最熱門的解決方案之一[2]。與S7-300PLC相比,同價位S7-1500PLC的位性能(ns級)反應更快,安全保護機制更全面。而且,因其具有信息安全集成機制,S7-1500PLC不僅能提高系統安全性,還能增強系統的可用性?？傊?S7-1500PLC相較于S7-300PLC性能更強,安全性更好,性價比更高。

本文所述系統采用西門子S7-1500PLC為控制器,通過TIA Portal軟件完成系統的硬件組態、程序設計、HMI設計,同時基于PROFINET工業通信標準,完成上位機與電梯系統的數據通信[3],實現對本電梯系統運行狀態的實時監控與數據監測。

1 電梯結構及工作原理

1.1 電梯結構

如圖1所示,本文介紹的電梯裝配的是永磁同步曳引機,配備轎廂,且在兩根豎直剛性導軌間運行的垂直電梯。

圖1 單部6層電梯結構示意圖

1.2 工作原理

電梯是集機械、電氣、自動控制等技術為一體的智能運輸設備,主要由電氣控制系統、電力拖動系統、曳引系統、質量平衡系統、導向系統、轎廂系統、門系統以及安全保護系統八大部分組成[4]。

通常將曳引繩纏繞于曳引輪和引導輪上,轎廂和對重分別固定于曳引繩兩端,以曳引電動機為動力帶動曳引輪轉動,通過繩與輪之間摩擦產生的牽引力實現轎廂的上、下行[5],進而達到運輸目的。

2 電梯系統硬件設計

2.1 硬件系統組成

本系統采用西門子1500系列1513-1PN帶顯示屏的CPU模塊,它內部存儲器最大可存儲300 KB代碼和1.5 MB數據,而且其位指令執行時間也僅為40 ns,并具有四級防護機制。同時,該CPU還支持OPC UA服務器數據訪問等功能。本文電梯運行系統所選CPU固件版本為V2.5。

2.2 PLC的I/O分配

電梯的輸入信號主要包括外呼梯信號和內選層信號,輸出信號主要包括外呼梯指示燈和梯內選層指示燈等,PLC的I/O分配如表1所示。

表1 單部6層電梯仿真對象I/O表

2.3 系統HMI選型

本系統上位機采用西門子TP1200精智面板,具體參數為:12.1″ TFT顯示屏,1 280×800像素,16 M色。該面板有一個MPI/PROFIBUS DP接口和兩個PROFINET/工業以太網接口。系統以它作為監視與控制系統的載體,實現上位機與用戶之間的人機交互。

該設計充分體現了離散控制“集中操作、分開控制”的核心思想。在系統運行過程中,該觸摸屏采用PROFINET通信標準與西門子1500系列1513-1PN CPU模塊進行通信,實現全程監控、信息記錄、緊急報警以及人為過程控制等功能。

3 電梯系統軟件設計

梯形圖(LAD)是PLC編程中最常用的編程語言之一。它與繼電器線路類似,因此對于電氣從業人員,具有很強的直觀性[6]。本系統使用梯形圖完成程序編寫設計,由于電梯控制邏輯比較復雜,所以在程序設計時必須充分考慮。例如,電梯上行、電梯下行、電梯開關門、外呼、內呼等,確保電梯功能完善,下面對該系統主要程序進行分析介紹。

3.1 系統初始化

系統初始化樓層設計為1樓,所以當PLC得電啟動后,程序將10賦值給變量“電梯轎廂高度”,與此同時“1層上行指示燈”得電復位,“啟動中”指示燈得電復位,“停止中”指示燈得電置位,即電梯來到1樓后保持靜止并等待響應,程序如圖2所示。

圖2 系統初始化程序

3.2 電梯順序運行

該電梯控制邏輯為順序控制,即遵循由下至上,再由上至下的總體原則。當電梯得電運行,每完成一次響應后可停在當前樓層,并且可再次迅速響應外呼請求,即當其他樓層有呼梯請求時,能夠保證及時響應?；陧樞蚩刂频倪\行邏輯,該電梯不會響應與運行方向相反的呼梯請求,這在一定程度上提高了電梯的響應效率,尤其在多部電梯群控系統中體現更為明顯。

如圖3所示,電梯初始位置在1樓,當按下1層上外呼時,“1層上行指示燈”得電,則“1層開關門”得電置位,“1層上行指示燈”得電復位,電梯開門。當完成開門指令,“電梯開關門結束”觸點得電,此時若乘客在轎廂按下內呼按鈕,程序則跳轉到下一步號,即“順序步號1”得電置位,同時“順序步號0”得電復位,“電梯上行”得電置位,電梯響應內呼請求,向上運行。另外,當1樓沒有呼梯而其他樓層有請求時,程序直接使“順序步號1”得電置位,同時“順序步號0”得電復位,“電梯上行”得電置位,即電梯響應外呼請求,向上運行。

圖3 電梯順序運行程序

3.3 電梯開關門

本電梯系統開關門程序基于HMI仿真進行設計,利用SIMATIC WinCC完成HMI設計與監控環境組態[7]。

如圖4所示,以本電梯系統1樓為例,在觸摸屏上所設置的“電梯門位置變量”最大值為4,當“1層開關門”得電閉合時,通過系統1Hz時鐘讓電梯門位置每1 s移動1個單位,當電梯門位置等于4時,“順序步號12”得電置位,即程序跳轉到下一程序段,1樓電梯門開,與此同時“1層開關門”得電復位。當電梯門完全打開后,同樣使用1Hz時鐘使電梯門以每秒1個單位的速度關門,當電梯門位置變量等于0時,使得“順序步號12”得電復位,“電梯開關門結束”得電置位,即完成1樓電梯關門。此時,“電梯開關門結束”得電置位,通過接通延時定時器,2 s后“電梯開關門結束”得電復位,即使得“電梯開關門結束”保持2 s得電,給乘客留有按內呼按鈕的時間。

圖4 電梯1層開、關門程序

3.4 電梯上、下行

由于在觸摸屏上進行電梯仿真所需的I/O點比實際更加復雜,而在HMI中無法模擬實際電梯的傳感器,所以在本系統中采用一個變量控制一個標尺(棒圖),標尺連著電梯的轎廂,依靠該標尺用觸點比較指令來模擬電梯的上、下行,即用一個整型變量控制HMI中圖塊位置進而實現仿真動畫。

本電梯仿真模型設計共6層,將“電梯轎廂高度”定義為一個整型數據,采用W字存儲器進行數據存儲。上行啟動:當上行啟動常開觸點閉合,使用5Hz的系統時鐘脈沖對“電梯轎廂高度”存儲器進行加1操作,即每秒“電梯轎廂高度”數值加5,電梯轎廂圖形在HMI畫面中移動關聯變量為“電梯轎廂高度”,關聯變量區間為0～60單位,因此,在仿真畫面中電梯轎廂從1樓到達6樓的時間為12 s。

所以,當“電梯上行”觸點得電閉合,且“電梯轎廂高度”不超過60,那么通過系統5Hz時鐘,使電梯以每秒5個單位的速度自增,即電梯向上運行。當“電梯下行”觸點得電閉合,且“電梯轎廂高度”不低于10,那么通過系統5Hz時鐘,使電梯以每秒5個單位的速度自減,即向下運行,程序如圖5所示。

圖5 電梯上、下行程序

3.5 樓層指示

為了便于乘客觀察電梯所在樓層,設計了電梯樓層顯示功能。如圖6所示,對“電梯轎廂高度”存儲器進行除法運算,“Always TRUE”是西門子PLC在系統運行過程中一直處于閉合狀態的監視觸點,通過它對DIV除法運算數據塊進行除法運算,將“電梯轎廂高度”除以10,其結果輸出給“電梯樓層數”寄存器,從而在觸摸屏上實現電梯樓層數的顯示。

圖6 電梯樓層指示程序

4 電梯系統仿真設計

通過西門子WinCC組態軟件進行HMI(人機交互畫面)設計,實現電梯系統仿真與運行狀態實時監控。如圖7所示。利用WinCC組態軟件內的基本元素進行電梯模型設計,主要包括電梯仿真模型、電梯外呼梯按鈕、轎廂內部選層按鈕以及電梯運行狀態指示等基本信息。

圖7 電梯仿真示意圖

在HMI設計過程中,首先,在WinCC組態軟件中通常以圖層進行畫面的分層顯示,圖層以數字為編號,0號圖層在最底層,1號圖層在0號圖層上面,以此類推。接著,轎廂的上、下行通過設置垂直動畫來實現,那么前文所述的標尺(棒圖)就需要給其設置變量連接,以實現程序與動畫的關聯。然后,轎廂的開關門設計是通過給電梯門添加水平移動動畫來實現,同樣也需要關聯變量。最后,當前電梯的樓層顯示要單獨在PLC中編寫對應程序,且每一個按鈕都要與對應變量進行綁定。

5 電梯系統數據通信

本文通過工業通信標準OPC UA(OLE for process control unified architecture)協議實現上位機與西門子S7-1500PLC的數據通信[8]。

S7-PLCSIM Advanced是西門子公司研發的一款高性能仿真器,除了仿真PLC控制程序外,它還可以進行通信仿真[9]。本文基于該仿真軟件進行OPC UA通信仿真環境搭建,實現電梯系統與上位機的數據通信。

5.1 S7-PLCSIM Advanced V3.0設置

西門子S7-PLCSIM Advanced V3.0軟件安裝過程比較簡單這里不過多贅述,但有兩個要注意,其一,PLCSIM-Advanced會依賴WinPcap軟件;其二,在軟件安裝過程中需要進行不重啟設置。這一點很重要,否則計算機會一直重啟。軟件安裝完成后,在計算機中將多出一個虛擬網卡。

運行軟件時同樣需要注意幾點:1)在計算機網絡設置中,需將本地網卡和虛擬網卡的IP地址獲取方式設置成自動獲取;2)在控制面板中搜索PG/PC接口,將前面所述虛擬網卡設置為應用程序的訪問點;3)通過TCP/IP通信協議以太網與PLC進行連接時,其中IP地址須保證與PLC的完全一致。本系統PLC的IP地址為192.168.0.1,子網掩碼為255.255.255.0。

由于PLCSIM-Advanced只支持1500PLC,故本系統選擇的是1513-1PN帶顯示屏的CPU。在博圖項目中還需進行項目設置。首先,在項目屬性中勾選“塊編譯時支持仿真”;然后,在CPU的屬性下勾選“允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問”;最后,在下載到設備時,選擇PG/PC接口為Siemens PLCSIM虛擬以太網適配器。

5.2 OPC UA環境搭建

在博圖項目中增加一些數據塊,數據塊中添加需要監控的變量,以便后續以UaExpert作為客戶端進行數據通信。然后,雙擊該CPU模塊,找到OPC UA選項,將“激活OPC UA服務器”選中。最后,還需要點擊OPC UA運行系統許可證選項,選擇一個合適的許可證。設置完成之后,將PLC程序重新下載,至此實現了整個環境搭建。

5.3 系統數據通信

本文通過工業通信標準OPC UA協議,以UaExpert作為客戶端,實現上位機與西門子S7-1500PLC的數據通信。將SIMATIC WinCC軟件中的電梯模型進行編譯并仿真,點擊面板上“啟動”按鈕,模擬電梯進行初始化,此時電梯得電啟動,“啟動中”指示燈亮,當按下3樓上外呼按鈕時,電梯上行來到3樓,即當前樓層數為3(圖7)。與此同時,在電梯樓層指示監控程序中同樣可以看到當前電梯樓層數為3,如圖8所示。

圖8 電梯樓層指示監控程序

從博圖監控表中也能看到電梯運行時各個參數的值。如圖9所示,當前“啟動”的監視值為“TRUE”,“啟動中”的監視值也為“TRUE”,與電梯仿真結果一致。

圖9 電梯數據監控表

最后,本設計使用UaExpert軟件進行PLC通信數據顯示,即以UaExpert為客戶端實現上位機與電梯控制PLC的實時數據通信。測試結果如圖10所示,可以看到客戶端顯示數據與上述電梯仿真畫面以及監控表的監視值均一致。此時該電梯控制系統與上位機通信成功,即證明該設計可以實現電梯系統運行狀態的實時監控與數據監測。

圖10 UaExpert通信數據

通過本設計,可以讓工程師更好地判斷當前電梯總體運行狀況,在提高系統可靠性的同時規避風險,進而保障人民生命財產安全。故上述設計實現過程可為實際電梯控制系統提供一種更良好的解決方案。

6 結語

在本次數據通信中,系統采用的是UaExpert軟件作為客戶端,它可以成功進行PLC的通信數據展示,但作為客戶端,純數據展示在客戶體驗上可能稍顯不足,況且如今數字化變革和新冠疫情引起了各行各業對數字化轉型的需求,同時隨著企業加快數字化轉型的日程,這讓人們意識到客戶體驗也是一個必不可少的、保持競爭優勢的環節。

因此,后續可以嘗試使用西門子低代碼軟件Mendix作為客戶端與PLC進行數據通信,憑借其業內領先的低代碼平臺和全方位的生態系統,整合最先進的技術實現快速可視化開發,在進行數據監控的同時簡化操作,提高互動性并進行豐富的界面展示,進而大大提高客戶體驗感。