基于组态软件的PLC电梯控制和仿真研究

王 宏，王子成，崔光照

（郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 450002）

基于组态软件的PLC电梯控制和仿真研究

王 宏，王子成，崔光照

（郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 450002）

0 引言

随着科学技术的发展、城市现代化进程的突飞猛进，电梯作为一种高效、迅捷、安全、可靠的垂直运输设备，成为了人们不可缺少的运输工具。现代高层建筑中各办公大楼、住宅、宾馆、医院、工矿企业、仓库、码头、大型货轮等都离不开它。电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行即高效节能又安全可靠。传统的电气控制系统采用的继电器控制，由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前应用较多的控制器有单片机及可编程控制器（PLC），由于单片机的开发和应用需要专业人员，抗干扰能力较差，维护也比较困难，因此在电梯控制系统中应用受到一定的限制。而采用PLC的电梯控制系统，不但具有很强的抗干扰能力及负载驱动能力，而且简单易学、维护方便。

本文在全面了解电梯控制技术的基础上，选择利用可靠性高、功能强大的西门子S7-300 PLC设计开发出了6层电梯控制系统，同时通过采用组态软件对PLC电梯控制系统进行人机界面设计，实现了对该电梯的实时动态监控，设计出的人机界面不仅能直观、准确地反映电梯的运行状态，而且还可以进行相关得控制操作，为电梯的安全运行提供了可靠保证。实践证明，该系统具有人机交互界面友好、运行安全可靠、抗干扰能力强，自动化程度高等特点，具有一定的先进性和实用性。

1 PLC电梯控制系统设计

1.1 控制系统组成

电梯的主要控制技术包括PLC控制技术和微机控制技术，配合交流变频变压控制技术，实现电梯安全、可靠、平稳地运行。电梯PLC控制系统由逻辑部分和变频器控制的调速部分组成（如图1所示）。电梯中的曳引电动机的运行直接由变频器控制，变频器的输入控制信号由PLC提供。逻辑部分由PLC控制，PLC接收呼叫信号、轿厢和厅门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，根据随机逻辑控制的要求，向变频器发出运行方向、启动、加速、减速和制动停梯等信号。调速部分由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制，利用光电编码器测量曳引机的转速，构成闭环矢量控制系统[1]。

以6层电梯为例，用西门子可编程控制器实现对电梯的控制。下面从电梯控制系统的硬件选型、PLC 的I/O地址分配等方面进行逐一说明。

1.1.1 硬件选型

控制系统可以选择西门子S7-200的，也可以选择S7-300的，在本设计中选择S7-300的CPU-315机型，这样可以便于STEP7提供的S7-PLCSIM仿真软件对程序进行调试和仿真，并且可以利用STEP 7与WinCC flexible进行集成调试和仿真。

图1 电梯控制系统结构框图

1.1.2 PLC输入/输出地址分配

设计一个6层电梯控制系统，需要输入点至少39点，包括启动/停止信号1个或2个，外呼信号10个，内呼信号6个，开门关门信号2个，开门和关门到位信号2个，关门防夹检测信号1个，检测轿厢到位信号12个，电梯平层信号检测2点，电梯内报警信号1个。输出点至少35个，其中包括电梯上行、下行电机输出信号2个，电梯速度控制2点，轿厢开门、关门输出信号2个，轿厢所在楼层显示器LED驱动输出8点，呼梯指示信号16个，电梯上行、下行输出指示信号2个，电梯正在服务方向指示信号2个，电梯超载显示信号1个，表1即为输入/输出地址分配表[2]。

表1 输入/输出地址分配表

1.2 软件设计

1.2.1 电梯运行状态分析

电梯运行方向由呼梯信号决定，按照顺向优先原则执行。行车途中如遇到外呼信号，顺向截车，反方向不截车。内呼和外呼信号均具有记忆标志，执行后才能被解除记忆；到达目的平层时自动开门，延时关门，并具有手动开门，手动关门功能，如果检测到在关门过程中有人通过则电梯会自动打开门。行车途中不能手动开门，开门时电梯不允许运行；如电梯在两层之间运行超过10秒，则发出超时警报；如果检测到电梯超载则发出超载警报，并且使电梯门打开，锁定电梯，直到报警信号消除后才允许电梯运行[3]。

1.2.2 程序流程图

电梯系统控制流程图如图2所示。

1.2.3 控制程序调试

使用S7-PLCSIM，可以在仿真PLC中执行以及测试STEP 7用户程序。仿真在PC或编程设备中执行。由于仿真是完全在STEP 7软件中实施的，因此不需要任何S7硬件，可以使用S7-PLCSIM仿真S7-300用户程序。S7-PLCSIM提供一个简单的STEP 7用户程序界面，以供监视以及修改诸如输入和输出变量这样的不同对象（如图3所示）。当在仿真CPU上运行程序的同时，还可以使用STEP 7软件在线监控应用程序[4]。

2 组态软件设计

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。WinCC flexible是德国西门子公司工业全集成自动化的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。该软件用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了面向解决方案概念的组态任务的支持[5]。

图2 电梯系统控制流程图

图3 利用PLCSIM调试程序

2.1 图形界面设计

图形界面用来模拟现场的情况，而本系统设计的界面用来仿真电梯运行的画面（如图4所示）。WinCC flexible提供了丰富的图形制作工具，而且还有丰富的图库供选择，在本设计中，针对电梯系统制作了进入画面、监控画面、参数设置、操作帮助画面，使整个系统操作人性化，内容丰富。

图4 系统运行主画面

2.2 数据库变量构造

在程序编写之前首先要定义程序中用到的变量，根据用来描述对象的属性，在WinCC flexible中定义变量数据库（如图5所示）。在系统运行过程中，数据库中外部变量的值改变时，则该值自动写入PLC的内存中；而PLC内存中的过程变量的值改变时，WinCC flexible中的数据库变量自动更新。采集周期确定HMI设备将在何时从PLC读取外部变量的过程值。对采集周期进行设置，使其适合过程值的改变速率。如果采集周期设置得太低，将极大地增加过程的通讯负荷。在本设计中设置采集周期为500ms。

图5 WinCC flexible中建立数据库

2.3 建立动画连接

WinCC Flexible可对图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，进行过程实时监控。例如：为了实现轿厢的动态移动，先选中想要动态控制的画面对象，在属性视图的“动画”组中选择垂直移动，选择一个控制移动的变量即电梯所在楼层，激活“启用”复选框，系统在画面上显示对象的透明副本，该副本与源对象通过箭头互连。将对象副本移动到相关的目标，系统自动在属性视图中输入最终位置的像素值。修改变量的范围从1至6。当控制变量电梯所在楼层的数值改变时，对象将根据设置进行移动（如图6所示）。同样的，可以完成其他画面对象的动画连接[6]。

图6 垂直移动设置

2.4 通讯连接

要用组态软件进行实时监控首先要完成通讯连接，本系统是PLC与WinCC flexible之间进行通信，选择使用MPI组态网络。MPI是西门子公司开发的用于PLC之间通讯的协议。当通信速率要求不高、通信数据量不大时，可以采用MPI通讯协议，它是一种简单经济的通讯方式[4]。MPI网络的通信速率为19.2Kbps～12Mbps，最多可以连接32个节点，最大通讯距离为50m。在STEP 7中设置网络的通信速率为187.5Kbps，CPU315的地址为2，HMI的地址为3。在WinCC Flexible中建立HMI和PLC的连接，在WinCC Flexible的项目窗口，选择“通信”、“连接”可以看到PLC和HMI的连接信息，设置通信驱动程序为SIMATIC S7 300/400，设置网络使用MPI网络，通信速率和地址已经自动匹配，其中的参数和STEP 7中的网络组态参数自动保持一致，并自动同步[5]。

2.5 STEP 7与WinCC flexible的集成调试和仿真

使用西门子的PLC，安装STEP 7软件后，则可以将WinCC flexible与STEP 7集成在一起。集成的优点在于集成组态期间，可以访问用STEP 7组态PLC时所创建的STEP 7组态数据，使变量的访问更加方便。并且使用STEP 7中的S7-PLCSIM仿真软件，可以和WinCC flexible中的仿真软件WinCC flexible Runtime进行通信，这样可以进行联合调试和仿真程序[8]。

首先将在STEP7中编写的系统控制程序下载到S7-PLCSIM中，并将PLC置于RUN状态，接着运行WinCC flexible中的仿真软件WinCC flexible Runtime。S7-PLCSIM和WinCC flexible Runtime将自动建立连接，并相互通信。用这种方式调试和仿真程序比单独用S7-PLCSIM更容易和直观（如图7所示）。

图7 系统集成仿真画面

3 结束语

利用西门子STEP7编程软件、PLCSIM仿真软件和 WinCC flexible组态软件实现电梯的数据采集与处理、软硬件组态、程序编写、画面显示和实时的动态监控和仿真，可以在脱离PLC 实际物理控制对象的条件下，在控制程序投入实际运行前进行调试，通过界面仿真的形式实现对控制系统的设计和调试。操作界面友好，自动化程度高，监控可靠。实践证明，PLC 可编程控制器和组态软件结合监控电梯，便于系统设置、检测、维护，系统运行可靠，稳定性好。

[1]芦艳芳,朱贵宪.基于PLC 的电梯控制系统设计[J].煤炭技术,2011,30(8):53-55.

[2]李涛.基于PLC的电梯控制系统的设计与实现[J].仪器仪表用户,2010,17(3):74-75.

[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

[4]许志军.工业控制组态软件及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:清华大学出版社,2001.

[6]孙亚宁,王庆平,曾冬俊.电梯控制系统组态设计[J].电源技术,2011,35(2):221-224.

[7]漆海霞,张铁民,邹恩.基于组态软件的PLC电梯控制仿真[J].云南农业大学报,2011,26(6):889-892.

[8]廖亮.西门子人机界面组态软件WinCC flexible使用经验[J].电工技术,2008,(12):60-66.

PLC elevator control system and simulation based on conf i guration software

WANG Hong，WANG Zi-cheng，CUI Guang-zhao

本文介绍了基于西门子S7-300可编程控制器、STEP7和WinCC flexible组态软件的电梯控制系统。阐述了电梯控制系统的组成及PLC、STEP7和WinCC flexible的程序设计方法。PLC执行可靠有效地分散控制及采集现场数据，WinCC flexible组态软件制作人机对话界面，进行系统的监控和仿真。该控制仿真系统可以实现上位PC对实际电梯控制系统运行的实时监控，也可以在脱离实际物理的控制对象情况下，实现对控制程序的调试和仿真运行。

PLC；电梯控制；组态软件

王宏（1977 -），男，河南平顶山人，讲师，研究方向为计算机控制及自动化检测。

TP273

A

1009-0134(2013)01(下)-0109-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).31

2012-08-12