基于西门子S7-1200PLC 电梯控制系统的设计

杨昊航， 王 超

（吉林建筑大学， 吉林 长春 130000）

0 引言

在社会经济高速发展和人民生活水平日益提高的今天，现代建筑均向着高层化发展，电梯已经成了高层建筑中必不可少的垂直方向交通工具， 其重要性也就显得格外明显。人们对电梯的需求越来越高，这对电梯的调速精度、调速范围等静、动态特性提出了更高的要求，要求其功能改变灵活，编制程序方便，故障小，噪声小，维修保养容易、节能省工、抗干扰能力强、控制箱面积小。电梯控制目前主要采用可编程控制器来实现， 除满足载客运货的基本功能外， 还要在安全稳定的环境中自动智能地制定出最佳运行方式[1]。

1 系统总体设计

本系统主要以电梯逻辑系统为研究重点， 展开论述和优化设计工作。 电梯工作流程可以概括为：乘客到达场景后，启动电梯呼梯按钮；PLC 依据采集的乘客所输入的召唤信号对轿厢进行定位判断、 当轿厢容量和厢门状态符合运行条件时， 调用其自身电梯控制和分配逻辑程序输出单梯轿厢行驶方向和其他状态的显示， 执行对应轿厢牵引拖动和停车控制。

2 硬件设计

2.1 可编程逻辑控制器（PLC）的基本结构

可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）是由美国数字化设备公司设计的一种新型工业设备控制器，通过增加产品对可靠性及生产能力的需求，增强市场竞争力。 可编程控制器具有可靠性、抗干扰能力强、编程简单等优点[2]。 可编程控制器是一种常见的工业控制元件，在微计算机技术与继电器控制技术相结合的基础上，适用范围广，它能够对自动化系统起到巨大的功能作用，可用于多种工业民用电力设施，应用范围很广，具有可靠性强，操作方便，功能齐全等特点、许多内部功能已被市场所接受。

该控制系统中选用的控制器是SIMATIC S7-1200 CPU1214FC，属小型PLC（Micro PLC），可以用于多种自动化系统中。 由于其体积小并且具有很高的可靠性和安全性，所以非常适合用于工业现场的控制场合。 该小型PLC具有紧凑、成本低廉，同时功能强大，从而使S7-1200 PLC非常适合于各类小型控制任务[3]。由于它采用了先进的数字处理技术和模块化设计思想， 因而具有很强的可扩展性。 与此同时，多样化的S7-1200 系列产品和以Windows为平台的编程工具也应运而生，让使用者可以更灵活的、便于自动化任务的实现。 该控制系统由一个主控室和多个分控制室组成[4]。 S7-1200 具有强大的功能和小巧的体积，采用交流电源，可以在合理范围进行调解。

该机集成了16 条输入和10 条输出， 共含有24 个数字量的I/O 点。 可编程控制器具有高可靠性、 抗干扰能力强、编程简单等优点。 可以采用助记符，梯形图等编程方式进行编程，为了便于实际应用，可将七个扩展模块外接，例如，输入输出扩展模块等、热电偶－热电阻扩展模块和通讯扩展模块。 另外，还设计了一个通用的串行通信接口，能够与上位计算机进行通信，以实现对下位机设备状态信息的采集及显示功能。其中输入/输出扩展模块可以最大扩展至248 路数字量I/O 点或者35 路模拟量I/O 点。 另外还提供了丰富的人机接口，包括键盘与显示器等，并且采用模块化设计。 程序与数据的存储空间够用户用，大约为125KB。

该系统含有六个独立高速计数器， 频率在30kHz 左右，4 路独立式高速脉冲，输出频率20kHz，为了适应工业控制要求，同时有一个单独PID 控制器。 配有两个RS485通信/编程口，实现了MPI 通讯协议、拥有PPI 通讯协议，通讯方式自由，I/O 端子排设计更加人性化，能够非常便捷的整体拆装，更换维护方便，提高使用效率。

该PLC 在应用于更高需求控制系统时，输入输出点充足，较强的模块扩展能力，可以满足输入输出量大的控制系统，同时，对复杂控制系统运行速度较快，内部集成特殊功能较强[4]。 由于考虑到该控制系统输入输出较多， 因此， 增加了CPU1214FC 扩展模块，以确保系统完整。

2.2 PLC 的功能特点

可编程逻辑控制器的运行，它通过CPU 重复输入采样，扫描速度一定、用户程序执行和输出刷新的三个阶段过程。 本系统对这一控制方法进行了描述[5]。 首先，按扫描方式顺序读取全部输入状态及数据，再按先向上，再向下的顺序、先左后右依次扫描用户程序（梯形图）进行逻辑操作，最后，将输出的全部状态及数据刷新，通过输出电路带动外部设备工作。 PLC 作为现代工业自动化的大脑，芯片的集成度较高，具有保护电路和自诊断功能，编程多数使用直观，简便的梯形图，使用简单非常容易掌握， 用户可灵活变换控制系统功能与大小，本发明适用于任意控制系统，内置在不同模块中，可直接和不同器件相连，本实用新型的有益效果是：输入输出功能模块全，便于安装，配置灵活，易于编程、运行速度高，可靠性强，相对于继电器逻辑控制器，它有着先天综合优势[6]。

2.3 硬件接线图

针对电梯控制系统的功能需求和I/O 分配，绘制了PLC 控制部分的硬件连接图如图1 所示。

3 软件设计

3.1 电梯控制系统设计

该系统是CPU 通电后运行在RUN 的状态下， 启动电梯初始化程序进行初始化， 初始化完成后电梯进入准备状态等待呼叫信号的发出。 在收到内外呼后判断该层是否和目标层持平，如果持平则轿厢门处于动作状态，如果不持平则选择电梯方向并开始工作。

3.2 输入/输出（I/O）分配

在该控制系统中，要求输入的是上/下呼梯和轿内选层、轿内启闭，操作/维护按钮，及各类传感器、限位器的输入。此外，还加入了当前载重量作为检测电梯超重与否的仿真输入信号。 具体分配如表1 所示。

表1 输出表量表

在该控制系统中， 以输出控制为主的装置具有多个指示灯、七段数码管，接触器，继电器、与电动机之类的，还有准备好的信号，其具体分配如表2 所示。

表2 输入表量表

3.3 主要程序设计

使用编程软件TIA Portal V16，它可以在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表程序， 编好程序， 下载到PLC 中运行，现就几个主要的指令表程序分述于下：

3.3.1 初始化程序

电梯模型提供了脉冲信号的自动运行信号， 控制程序接收到此信号之后，启动初始化工作。因设定初始化目标楼层是6 层，故进行初始化时电梯需向上运行，在初始化结束时，返回准备好的长信号，准备工作就绪，也就是表示电梯能够正常工作载客了。

3.3.2 电梯外呼/内呼上下行及显示程序

当一层向上的呼梯按钮上的指示灯点亮。 在三层以上楼层上的所有按键都被按下后，则该楼层的上行呼梯指示灯也会同时点亮。 同样地，当是第三、第四、第五，当按下六层对应按钮时，输出变量2、3、4、5 层上行呼梯指示灯亮。

3.4 安全保护设计

本文通过分析影响电梯安全性的主要因素和常见故障类型，为能确保乘客人身安全和可靠启停，提出了相应的解决方案。 根据电梯安全标准要求控制系统满足故障安全准则。 为了实现这一目标，必须设计出一套安全可靠的系统以确保轿厢内人员和货物不受损坏。 电梯发生故障的时候， 该控制系统可以使得电梯对维修信号做出及时的反应，让电梯处于规定的楼层保养。 若系统发生了误动作或失控现象，会造成人员伤害甚至设备损坏。 本文研究并分析了上述各个模块的功能实现的方法及原理[7]。 当存在异常状态的时候， 与此同时， 故障指示灯也经常亮着，提醒乘坐的电梯在检修，目前无法使用的普通电梯是频繁的，是必不可少的安全防护环节之一，本系统有必要设置超重保护、终端越位保护和操作保护。

（1）超重保护程序。 电梯超载后故障指示灯点亮，在开门状态下不允许启动电梯[9]。

（2）终端越位保护程序。 电梯的上下两端分别设置有终端减速开关，终端限位开关，以保证电梯不会超限[10]。

（3）运行保护程序。 为了安全，门区以外或者电梯运作时，设定电梯不能开门。

4 结束语

根据现代电梯控制对安全性和可靠性的需求， 我们以西门子S7-1200PLC 为核心器件， 实现了整套系统的设计，经过对电梯的实际工作过程进行分析，电梯运行时信号I/O 分配，本系统通过在特定的平层上按压旅客向上或者向下的按键，PLC便发出讯号，轿厢将乘客送达在楼层并开门，接着按下楼层号关门，电机转动使轿厢到达需要到达的楼层开门。 同时利用梯形图程序完成各功能动作及相应逻辑判断。整个控制系统的实施过程简单，效率高，安全，可靠，与其他控制器相比，PLC 控制有良好的前景。