智能制造视域下西门子S7-1200 PLC在电梯系统中的应用探析

纪宗军

（沈阳市化工学校，辽宁 沈阳 110122）

1 电梯结构

电梯主要由电梯内部设备、电梯整体及其各个楼层按钮等结构构成，其中电梯整体主要是由平层传感器、端站限位开关、三相交流异步电动机和电梯轿厢组成。三相交流异步电动机定子内有2个不同极对数的绕组，即慢速绕组和快速绕组，其中慢速绕组可以起到慢速平层停车、制动减速作用，快速绕组可以起到起动和稳速的作用[1]。

2 西门子S7-1200 PLC在电梯系统中的应用优势

2.1 可靠性高

西门子S7-1200 PLC严格筛选器件，并采用可自动恢复、故障诊断、隔离、滤波、屏蔽的硬件和软件，使可编程控制器具备优秀的抗干扰能力，平均无故障时间时间可以达到(3～5)×104h以上，是为工业控制而设计的智能化网络通信构件。

2.2 编程直观、简单

多数电气技术人员对电气控制线路较为熟悉，因此西门子S7-1200 PLC采用了一种面向控制过程的梯形图语言，而并未选择微机控制中常用的汇编语言。梯形图语言易学易懂、形象直观，与继电器原理图类似，具有一定知识的电气技术人员或者电气工程师都能够在短时间内掌握并应用。

2.3 适应性好

PLC是一种借助程序实现控制的技术和构件。当实际工作环境中的控制要求发生改变时，工作人员只要修改程序即可使其满足新的控制要求。由于西门子S7-1200 PLC产品己模块化、系列化、标准化，所以可以灵活、方便地完成系统配置，组成具备不同功能和规模控制系统。其适应能力十分优秀，既可控制一个复杂的群控系统，也可以控制一条生产线，还可以控制一台机器；既可以实现远距离控制，又可以进行现场控制。

2.4 功能完善

目前的西门子S7-1200 PLC实现了模拟量和数字量的逻辑和算术运算、记录和显示、输入输出、自检、人机对话、通信、顺序控制、计数、定时等功能，大大提高了设备控制水平，而且其接口功率驱动范围较大，为用户操作提供了极大的方便。

3 西门子S7-1200 PLC在不同电梯的应用场景

3.1 住宅电梯

为了便于住宅区安全管理，住宅电梯对保密性要求较高。这类应用场景的电梯需要具备感应系统，从而提升电梯智慧化水平，便于用户持电梯卡点亮所在楼层的按钮。当电梯感应到电梯卡信息时，即可为该用户提供所在乘坐楼层、居住层楼自动开门服务，某些持有临时卡的用户也可以使用电梯。这实现了一种对电梯用户的筛选功能，拒绝了非持卡人员进入电梯和按亮楼层，提升了住宅电梯保密性。

3.2 商场电梯

商场电梯需要方便顾客购物、进出停车场，以提升他们的购物体验。开车进入商场的顾客会获得一张临时停车卡，卡片上录入有该顾客的临时信息，如此顾客就可以借助停车卡控制电梯。如果该顾客有固定消费的店铺，那么该店可以通过物联网技术，在顾客到达之前收到信息，并做好接待准备[1]。

3.3 学校电梯

学校电梯需要感应学生卡，随时将学生动态信息发送给学校的监控中心，辅助学校实时掌握学生位置变化，从而提升校园安全管理系数，减少校园安全事件发生。

3.4 医院电梯

在这一应用场景中，电梯需要根据乘客紧急程度和需求为其提供个性化服务。电梯要有管理员操作功能，以便其帮助患者快速找到目标科室。电梯内的显示屏显示医院布局图、各个科室的医生介绍，方便患者快速选择目的科室或者辨别自己的方位。

3.5 办公楼电梯

这类场景中的电梯主要是为内部员工服务，要配备VIP卡片及其识别系统，以便管理人员优先到达目标楼层。如果条件允许，公司还可以在固定时间段内承包电梯，使电梯在该时间段在底层与公司楼层之间运转，将该公司员工直接送达目标楼层。

4 西门子S7-1200 PLC在电梯中的应用路径

4.1 PLC的选型原则

（1）配置简单。各类机型采用统一配置，简化仓库库存管理和设备采购工作流程。

（2）编程方便。用户可依据不同机型的流程要求进行程序编制，且后期程序修改与调试都较为便捷，促使电梯控制方式可以根据客户需求而变化[2]。

（3）系统可以较为便捷地连接到PC监控系统或其他系统。

（4）控制灵活、精准，系统外观符合现代审美，故障率极低，便于控制维护成本。

4.2 西门子S7-1200 PLC在电梯自动初始化系统设计中的应用

4.2.1 初始化系统硬件设计

本电梯自动初始化系统，采用西门子S7-1200 PLC作为系统的控制核心，该PLC具备10个输出端口以及14个输入端口，可以有效满足该系统对硬件的相关需求；电梯运作的动力源曳引电动机采用三相交流异步电动机。该控制系统总共包括8个输出端口以及9个输入端口，它的具体I/O地址分配情况如表1和表2所示。

表1 输入地址分配表

表2 输出地址分配表

结合具体I/O地址分配情况和该系统的初始化系统工作原理设计PLC外部接线图，其PLC外部接线基于西门子S7-1200PLC，设计软件采用AutoCAD Electrical。

4.2.2 初始化系统程序设计

第一，初始化方向选择和初始化程序启动程序设计。在将电梯投入正式使用前，按下SB1、SB2按钮，启动电梯自动初始化程序，程序默认为向下初始化，相关技术人员按下按钮SB3，之后电梯开始向上初始化，其具体程序如图1所示。

图1 初始化启 动与方向选择程序梯形图

第二，初始化设计。启动初始化程序后，默认状态下电梯开始向下初始化，此时电机启动，下行接触器线圈KM5得电，下行接触器处于闭合状态，控制电机转动方向，从而目标电梯向下运行，该电梯下行至与下端站第一限位开关SQ3接触，随后电机停止，此时延时继电器得电，实现0.3 s延时，其后上行接触器线圈KM4得电，此时上行接触器闭合，控制电机转动方向，进而促使电梯向上运行。

如果选择向上初始化，需要按下SB3按钮启动电机，此时上行接触器线圈KM4得电，而上行接触器则闭合，继而控制电机转动方向，促使电梯向上运行，电梯上行直至接触到上端站第一限位开关SQ1，随即电机停止运转，此时延时继电器得电，同样实现0.3 s延时，下行接触器线圈KM5得电，此时下行接触器闭合，控制电机转动方向，继而促使电梯向下运行。

电梯按照技术人员设置在相应楼层停靠，初始化工作完成，并向外发出准备就绪的信号，此时电梯即可投入正常使用。

第三，验证结果。试验验证采用电梯仿真系统软件作为试验工具，通过电梯仿真系统软件进行试验验证，该软件可以通过太网与西门子S7-1200 PLC相互连接，从而实现信息交流。相关技术人员把程序下载到PLC中，使其在电梯仿真系统软件中运行，然后不断变换初始化目标楼层和电梯初始位置，对各个方向初始化所用的时间进行测试。

4.3 基于西门子S7-1200系列电梯集群仿真设计方案

4.3.1 系统的搭建

选择由西门子公司开发的以实际电梯结构为主题的仿真软件作为系统搭建对象，该仿真软件由应用模块、PLC以及传感器组成，而且结合实际情况模拟进出电梯、呼叫电梯、等待电梯以及实际操作电梯的过程。由此设计的电梯集群仿真设计方案，与人们平时生活中所遇到的电梯及其使用操作基本一致，是一款功能强大的仿真软件[3]。

第一，PLC程序模块设计。将西门子S7-1200PLC作为电梯仿真平台中整个系统的通信链接与程序编写，并通过Intouch软件对整个系统程序进行组态，同时配置相应的仿真配置。S7-120OPLC的IO点与电梯运行的I/O点相互对应。

第二，系统网络拓扑结构设计。本次系统网络拓扑结构设计选择SIMATIC S7-1200紧凑型小型PLC（在TIA portal V15工程平台中的CPU 1214C、紧凑型CPU DC/DC/DC）。EES仿真软件与WinCC监控环境相互连接，之后添加DI/DO两个通用模块，以实现数字量输入输出操作。以PLC的IO输入输出量为依据，对地址范围进行设定。

4.3.2 梯群控制方案设计

第一，电梯群控。联合控制功能针对6部多层电梯，要求梯群控制方案设计满足常见不同应用场合下的集群电梯控制策略切换。具体而言，相关设计人员要考虑以下三方面影响因素：系统整体能耗；使用者均乘梯时间；使用者平均候梯时间。

第二，单部电梯基本功能。

（1）电梯初始化。电梯模型发出自动运行信号，控制程序接受到“开始”信号之后，开始必要的初始化工作，初始化工作完成以后电梯进入预选区域待命，同时发出准备就绪信号。

（2）集选控制。在运行过程中，电梯能够应答轿厢内的选层指令信号和同一方向的所有层站呼梯信号，然后在这些信号所指定的层站自动平层停靠。电梯对所有选层指令信号和呼梯信号运行响应完以后，停在最后一次运行的目标层，进入随时待命状态。

（3）开关门控制。电梯门结合电梯的当前状态、光幕信号状态呼梯信号、轿厢门状态以及选层信号等信息，合理地完成相应的响应。如果在门未全关时，收到光幕信号，则需要对其优先响应，保持电梯门打开；在电梯平层开门以后，可以延时关闭，且延时关闭时间是可修改的。

（4）启停控制。根据电梯主电路，按时间原则完成启动、停止过程。在电梯处于平层时，应按照时间原则依次触发三级制动减速，在平层之后，即可切断上行、下行接触器，进入抱闸停车状态。

（5）运行控制。在电梯运行过程中，要始终对当前楼层（采用七段数码管显示）以及运行方向进行实时监控和显示。通常来说，使用主体会结合当前电梯运行方向和电梯门状态判断是否上车，并在确认之后完成上车动作。当电梯未收到呼叫指令时，运行方向显示无向。

第三，单部电梯运行（异常）状态监测。针对整个电梯运行过程，监测状态参数和各类反馈信号，以促使电梯稳定运行。当电梯发生故障时，提供相应的安全策略。[4]如果出现异常状态，电梯需要点亮故障指示灯。■