基于电梯模型的S7-1200 PLC实验教学平台设计

◆卢建宁 王步来 宗剑 钱平

1 引言

现代社会要求制造业对市场需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性[1]。PLC（Programmable Logical Controller，PLC）即可编程逻辑控制器，是自动控制技术、计算机技术和通信技术三者结合的高科技产品。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰性能力强等特点，被广泛应用于工业生产控制的各个领域[1-3]。

目前各工科大专院校电类专业都开设了PLC相关课程，原有的教学以S7-200 为教学机型[1]。S7-200 是一款经典的PLC，多年来在工业控制领域得到广泛应用。由于PLC 技术日新月异，发展很快，西门子公司将不再对S7-200 系列PLC 进行更新升级。与此同时，西门子公司在2009 年推出面向中小型应用场合的S7-1200 系列PLC，逐渐在各行各业得到广泛应用，S7-1200 系列PLC 也逐渐成为各个高校的教学机型[2-4]。

高校的PLC实验教学由于受到资金、场所等条件的限制，往往难以及时更新教学实验设备。本文从满足教学和科研的需要出发，针对当前实验条件存在的不足，探索利用“西门子杯”中国智能制造挑战赛逻辑控制子赛项的比赛装置，设计基于西门子S7-1200 PLC 的实验教学平台，学生可在该仿真实验平台上进行多个PLC 教学实验，并可以通过人机交互界面（HMI）动态显示PLC 控制系统的工作状况。

2 用于比赛的电梯仿真模型组成

电梯仿真模型（Elevator Simulation Model，简称ESM）由控制器与被控对象两大部分组成。其中，控制器采用西门子S7-1214C DC/DC/DC PLC，被控对象即为电梯仿真软件。被控对象运行在工控机中。从宏观上看，在ESM 整个系统中，工程师站与PLC 直接通过以太网连接，PLC 与仿真对象之间采用Profibus DP 通信协议来实现连接。在工程师站上安装有软件TIA Portal V13 和WINCC Professional V13。CM1243-5 模块即为Profibus DP 主站，电梯仿真模型通过PM125 模块成为Profibus DP 从站。PLC 与主站直接相连，仿真对象与从站直连。整体网络拓扑结构见图1。

PM125 模块提供了仿真对象与现场总线PROFIBUS 的互连，其作为Profibus DP 从站，内部遵循一定的协议格式。从PLC 端的角度来看，其格式如图2 所示。

具体来讲，对于PLC 端的输入数据，首字节用于通信命令字，后续的字节则是用户数据，其长度由实际情况而定；对于输出数据，除了首字节同样用于通信命令字外，其后的第二个字节用于定义PLC 输出数据的长度值，接下来的字节才是用户数据，同样地，其长度也由实际情况而定。

3 实验教学平台设计

电梯控制实验是PLC 案例教学中的一个典型实验[5-6]。电梯仿真模型ESM 可以仿真一部、两部或者三部六层电梯。PLC 可以通过Profibus 总线的通信接口对电梯仿真模型进行信号采集和输出控制。下面以单部电梯为例，说明如何利用电梯仿真模型开设PLC 的教学实验。

图1 电梯仿真模型结构图

图2 PM125 通信协议格式定义

电梯模型的输出信号，针对PLC 而言是输入信号：各楼层的上行下行按钮10 个，轿厢内楼层按钮六个，各楼层门锁信号六个，端站限位信号四个，上下平层信号两个，电梯门开关到位信号两个，轿厢门开关按钮两个，红外光幕、超重、检修开关、轿厢门锁信号、自动运行信号各一个，总共37 个PLC 的输入信号。单部六层电梯模型的输入信号地址如表1 所示。

电梯模型的输入信号，针对PLC 而言是发出的控制信号，包括各楼层外呼指示灯10 个，各层内呼指示灯六个，七段数码显示七个，上下行指示两个，上下行接触器两个，开关门继电器两个，高低速运行指示两个，制动接触器三个，此外还有准备就绪信号、电机启动信号、故障指示、照明、风扇各一个，总共39 个PLC 的输出信号。单部六层电梯模型的输出信号地址如表2 所示。

表1 单部六层电梯模型的输入信号列表

表2 单部六层电梯模型的输出信号列表

电梯控制程序由学生按照电梯运行的规则进行编写，在TIA 13 中编译好电梯运行控制程序，并将其下载到西门子S7-1214PLC 中，并调到RUN 运行模式。电梯仿真对象模型以三维画面的形式反映PLC 内部程序运行结果，能够非常直观地反映PLC 程序运行得正确与否。三维模型画面能直观地显示电梯的运行位置，能够判断PLC 发出楼层指示信号的正确性；能直观地动态显示电梯的运行方向，能够判断PLC 给出的电梯运行方向指示信号的正确性；能动态地模拟电梯开关门的动作，检验PLC 发出的开关门信号的正确性。电梯模型进行不同客流类型的模拟，可以设置乘客出现的时间、所在楼层、数量、干扰信号等。仿真电梯模型可实现真实电梯的绝大多数功能，同时对PLC 编程没有任何额外限制。学生编写的程序和采用真实电梯模型的控制程序可以完全一样。

以电梯模型作为教学平台，笔者开发了八个教学实验，分别是电梯模型认知实验，Profibus DP 通信实验，信号指示系统实验，电梯启动与停止、制动控制，电梯楼层信号的产生、消除及显示，电梯外呼内选信号的登记与消除，电梯开关门控制，电梯开关门故障保护。基于西门子S7-1200 PLC 控制的电梯的仿真效果如图3 所示。通过实验，使学生能够清楚地了解PLC 控制系统的工作原理，真正感知PLC 强大的控制功能。

图3 电梯仿真运行效果

4 结语

PLC（可编程控制器）相关课程是高等院校电类专业的重要专业课程，课程的实践性非常强，必须通过实验或进行实际操作，才能够真正掌握PLC 技术。针对应用型高校的PLC 实验教学受到资金、场所等诸多条件的限制，充分利用“西门子杯”中国智能制造挑战赛逻辑控制子赛项的比赛装置，设计基于S7-1200 PLC 的实验教学平台。学生利用该平台可以完成多个教学实验，并通过三维动态仿真模型直观地验证PLC 控制程序的正确性。

经过四个学期的教学实践，发现与以往教学方式相比，实验教学平台能够提高学生的学习兴趣和编程能力，并且这种模式更贴近实际应用和工况。实验教学平台的运用能够丰富教学内容，有利于学生对PLC 的全面理解和掌握，提高学生的学习兴趣，改善学生的学习风气，增强PLC 实验的教学效果。学生通过实验教学平台的训练，掌握了PLC的基本编程和操作方法，为今后从事工业自动控制领域的相关工作打下扎实的基础。■