基于西門子PLC 的無障礙輪椅升降梯控制系統設計

杜佳亮，韓 飛，劉 冉，李 妍，李 姝

（北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144）

無障礙設計指的是通過現代技術對環境進行設計與改造，為行動不便者提供行動方便和安全的空間[1]。無障礙輪椅升降梯在安裝的過程中并不破壞建筑物原有的結構，噪聲低、需要空間小，也不影響低層住戶的生活體驗，能夠在一定程度上滿足高層住戶的出行需求，很好地解決了人們對無障礙環境的需求[2-4]。該文結合無障礙輪椅升降梯的機構及使用特點，設計了一款基于西門子PLC 的無障礙輪椅升降梯控制系統。該系統通過多種傳感器進行數據采集從而判斷設備的運行狀態；PLC 控制程序基于狀態機模型進行設計，通過數據采集傳感器判斷運行狀態，以上行、下行、報警、停止作為狀態遷移觸發指令，同時對設備的邏輯、聯鎖及保護進行嚴格設計保障使用的流暢性；為了實現無障礙輪椅升降梯的穩定升降，設計了基于MODBUS 協議的遠程無線變頻調速系統；通過觸摸屏對設備進行實時監測和故障診斷。

1 無障礙輪椅升降梯總體設計方案

1.1 無障礙輪椅升降梯工作原理

無障礙輪椅升降梯整體結構如圖1 所示，扶手和踏板處裝有步進電機進行驅動。無障礙輪椅升降梯上、下升降的動力由三相異步電機提供，通過變頻器進行電機的變頻調速控制，利用接近開關檢查無障礙輪椅升降梯是否到達指定位置。

圖1 無障礙輪椅升降梯整體結構

1.2 無障礙輪椅升降梯控制方案設計

控制系統的結構示意圖如圖2 所示。無障礙輪椅升降梯可以通過按鍵、遠程遙控、觸摸屏進行控制，PLC 結合傳感器收集到的信息控制執行元件?？刂葡到y的主要測量儀器包括測量扶手和踏板位置的旋轉角度傳感器、測量合頁位置的拉繩式線位移傳感器、檢測升降梯在導軌上位置的接近開關傳感器。其中旋轉角度傳感器為單圈絕對值編碼器，與拉繩式線位移傳感器一起與模擬量輸入模塊相連。觸摸屏與PLC 通過以太網進行通信，作為系統的監控模塊，用作狀態檢測和模式選擇。

圖2 控制系統的結構示意圖

2 控制系統的硬件設計及選型

2.1 控制及擴展模塊

根據設計需求并結合系統所需的輸入輸出信號，考慮到要留出部分余量，最終選擇西門子公司的S7-1214DC/DC/DC 作為主控核心。角度傳感器和線位移傳感器為模擬量信號輸出，該文采用與CPU 配套的SM-1231 模擬量輸入模塊。遙控器與按鍵都是數字量輸入，考慮到還需要有語音報警模塊和直流電機驅動器需要控制，為了后續維護方便，數字量擴展模塊包括數字量輸入輸出模塊和數字量輸出模塊，該文采用與PLC 主機（CPU）配套的SM-1223 和SM-1222 擴展模塊。根據配套的西門子V20 變頻器，選擇CM-1241（RS422/485）通信模塊。

表1 主要部件PLC端口地址分配

無障礙輪椅升降梯在重負載下，電機容易受到損害。踏板驅動系統、扶手驅動系統及主動力驅動系統使用減速機后可以提高轉矩，提高設備的使用壽命[5-9]。踏板、扶手驅動系統由步進電機驅動器、步進電機和減速機組成。主動力驅動系統由變頻器、三相異步電機和減速機組成。合頁驅動系統由直流電機驅動器和電推桿組成。

2.2 傳感器檢測模塊

為了實現無障礙輪椅升降梯工作過程參數的測量，選擇單圈絕對值式的旋轉角度傳感器，安裝在扶手和踏板的旋轉軸上，測量扶手和踏板的旋轉角度，實現扶手和踏板的閉環控制，提高設備的定位精度；合頁的位置由拉繩式線位移傳感器測量，傳感器與電推桿平行安裝，通過計算得到合頁的旋轉角度。限位開關傳感器安裝在升降梯兩側，通過在導軌上安裝測量墊片檢測升降梯位置，保證無障礙輪椅升降梯能夠準確到達指定的安全位置。觸摸屏采用西門子TP700系列，能夠在戶外使用，通過以太網與PLC控制器進行通信。傳感器的規格參數如表2 所示。

表2 傳感器的規格參數

3 系統軟件設計

3.1 操作及監控程序設計

整個軟件包括無障礙輪椅升降梯操作程序、監控程序及PLC 遠程控制變頻器程序等三個部分。通過TIA Portal 軟件進行程序的編寫。PLC 實際編程時，采用模塊化編程，根據控制對象及功能將程序分為多個功能塊，主要包括監控單元、參數設置單元、數據存儲單元、設備控制單元。監控單元主要通過觸摸屏對設備進行實時狀態檢測和故障診斷。參數設置單元用于對指定參數的修改。數據存儲單元用于扶手、踏板、合頁電機和主動力電機的運行異常日志。設備控制單元主要包括上行功能塊、下行功能塊、上行折疊功能塊、下行折疊功能塊、無線遠程變頻控制功能塊。無障礙輪椅升降梯運行程序狀態變化圖如圖3 所示。

圖3 無障礙輪椅升降梯操作程序狀態變化圖

在無障礙輪椅升降梯中，PLC 需要執行遠程通信、數據采集、數據記錄、運動路徑規劃等任務。尤其是在上行運動與下行運動的運動規劃程序中，傳統的PLC 編程方法顯得有些冗余，在程序的設計過程中，經常需要花費大量的時間進行調試，提高了制造成本，為了解決這個問題，采用狀態機模型作為程序的基本架構。

狀態機是一種用來描述某種運動對象在整個生命周期中所有的狀態可能以及動作行為的建模工具[10-13]。狀態機指的并不是某一種機器，而是一種數學模型。狀態機包括四個環節：狀態、事件、動作、變換。狀態機的基本邏輯結構就是CASE 結構，利用CMP 指令充當狀態的載體，在CMP 指令后面添加設備需要完成的動作，在動作完成指令發出后實現狀態的轉移，狀態的轉移通過更改CMP 指令中數值的大小來實現[14-16]。

圖4 所示為下行程序狀態變化圖，通過數據采集傳感器判斷和檢測升降梯運動狀態，以下行指令觸發升降梯狀態進行遷移。當第一次觸發下行指令時，升降梯由初始化狀態即狀態1 遷移至狀態2，此時踏板張開，左扶手運行至與背板平行，右扶手運行至與背板垂直，左合頁張開，當檢測到狀態2 運行結束信號并通過位置檢測，升降梯狀態遷移至狀態3，如果不觸發下行指令，升降梯將會在狀態3 等待使用者下一步指令。當繼續觸發下行指令，左扶手將會運動至與背板垂直，當到達指定位置之后，升降梯將會遷移至狀態4。當升降梯狀態遷移至8，此時為升降梯下行結束，即使用者已經使用完畢，由工作人員進行升降梯折疊操作。當同時觸發報警和停止指令，升降梯開始折疊，當接收到折疊結束信號時升降梯遷移至狀態10，通過位置檢測后，升降梯遷移至狀態1，進行下一輪循環。

圖4 無障礙輪椅升降梯下行程序狀態變化圖

3.2 遠程無線變頻調速系統的設計

3.2.1 遠程無線變頻調速系統設計總方案

由于PLC 與變頻器之間距離較遠，選擇傳統的有線通信布線難度大，且不易維護，為了提高無障礙輪椅升降梯運行的穩定性，降低設備安裝的施工難度，設計了一種遠程無線變頻調速系統。選配無線串口數傳電臺，通過DTU 實現數據的遠距離傳輸?？梢酝ㄟ^觸摸屏對變頻器進行讀寫操作，實時監控變頻器的運行狀態，利用接近開關傳感器檢測設備在關鍵節點的定位是否滿足要求。

3.2.2 遠程無線通訊設計

西門子S7-1214PLC 通過組態CM1241（RS422/485）通信模塊進行MODBUS 通信，利用無線透傳模塊對數據進行遠程無線傳輸，對變頻器進行控制。同時激活S7-1214PLC 系統與時鐘存儲器功能，利用FirstScan 實現MODBUS 上電初始化功能，通過時鐘存儲器功能來控制發送數據的頻率。

S7-1214 實現MODBUS 通信功能需要調用以下指令。首先需要編寫MODBUS 初始化程序，調用MB_COMM_LOAD 功能塊，如果要組態MODBUS RUT 端口，必須首先調用“MB_COMM_LOAD”功能塊一次。

遠程無線變頻調速系統中西門子S7-1214PLC為主站，變頻器為從站。遠程無線變頻調速系統控制程序主要分為讀程序和寫程序。寫程序程序是將速度值、正反轉指令寫入變頻器中。讀程序是為了實現對變頻器的實時監控，實時讀取變頻器的相關參數值。

無障礙輪椅升降梯控制系統中，需要多次調用讀指令，對變頻器進行實時監控，通過輪詢通信實現該功能。

4 實驗分析

為了驗證無障礙輪椅升降梯控制系統的可靠性和可行性，完成設計后，進行了實際測試。經過操作測試，新設計的無障礙輪椅升降梯取得了良好的應用效果，使用操作等待時間由原來的5 min 以上變成了3 min 以下；系統具有較高的抗干擾性，能夠較好地完成相應的控制指令。觸摸屏主要界面如圖5所示。

圖5 觸摸屏主要界面

5 結論

以無障礙輪椅升降梯為研究對象，設計了一種基于PLC 的無障礙輪椅升降梯電氣控制系統。

該文設計中的各個模塊都較好地實現了相關功能，針對現有無障礙輪椅升降梯中的安裝復雜、設備穩定性差、設備維修困難等問題，提出了針對性的修改。

采用狀態機模型對主程序進行設計，程序架構清晰，易于擴展和調試，并且具備很好的通用性；利用遠程無線數據傳輸模塊，設計了基于MODBUS 通信協議的遠程無線變頻調速系統，實現了主從站之間的無線通信，提高了無障礙輪椅升降梯的運行范圍，方便現場施工，并設計了輪詢讀取程序，可以實時監控變頻器的運行狀態；利用觸摸屏設計的上位機界面實現對設備運行狀態的實時監測；設備可通過按鍵、遠程遙控、觸摸屏進行控制，方便使用者在不同地方操作升降梯，降低了等待時間。

無障礙輪椅升降梯電氣控制系統具有良好的可靠性和較高工作效率。該系統的設計方法和功能設置可以為無障礙輪椅升降梯領域的自動化和智能化設計提供借鑒。