基于西門子PLC的電梯控制系統(tǒng)

  1 引言 
           在常規(guī)自動控制系統(tǒng)中，傳感器與執(zhí)行器是獨立接線的，多個傳感器和執(zhí)行器構成的系統(tǒng)需要大量導線。通信總線應用到測控系統(tǒng)中，不僅能節(jié)省大量的導線，而且可提高系統(tǒng)的可靠性。已被廣泛采用的工業(yè)總線一般有兩類。一類為主從結構方式，如RS-485通訊，該通訊總線在工業(yè)控制中已得到廣泛應用，其通訊方式為命令—響應方式。主機定時向各子控制器發(fā)出查詢信號，再由各子控制器匯報各自狀態(tài)。這種通訊方式開發(fā)難度較小，但通訊實際耗費了主控制器相當一部分資源。所以此種方式并未能完全地發(fā)揮出主控制器強大的運算功能。另一類為各節(jié)點自主通訊方式，如歐姆龍公司、三菱公司的CAN總線，NEWLIFT公司的LONWORKS總線等。這類總線的可靠性和通訊速率與前一種有著本質的提高，但成本相對較貴。
            2 西門子執(zhí)行器-傳感器接口總線AS-Interface
            　　針對現(xiàn)在流行的兩類串行總線控制方式的優(yōu)缺點，西門子吸取了兩種控制方式的優(yōu)點，推出了AS-Interface（遠程I/O）總線技術。AS-Interface是執(zhí)行器-傳感器接口總線系統(tǒng)，就是將分散的I/O信號通過從站收集起來，僅用兩根信號線傳送到AS-I主站。AS-I主站按順序呼叫，最長循環(huán)時間為5ms，AS-I從站節(jié)點在錯誤的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線上的聯(lián)系，使其它從站不受影響，其故障問題可及時在AS-I主站上反映出來。AS-I的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了AS-I總線的高可靠性，AS-I總線直接通訊距離最遠可達100m，通過中繼站延伸的最大距離300m，AS-I總線最多可安裝248個傳感器與執(zhí)行器。
           西門子PLC主機與執(zhí)行器-傳感器-接口從站之間的聯(lián)系通過AS-I主站，無須額外編輯通訊程序，對于工程人員來說遠程I/O對應于映像區(qū)的對應位，符合他們的編程習慣，十分方便。由于兩線通訊的應用，系統(tǒng)連接線采用卡線刺穿式結構，布線量大為減少，且獨特的AS-I梯形電纜，杜絕了接線錯誤的可能性，與以前的PLC控制系統(tǒng)相比可節(jié)省大量的電纜，安裝工作量亦大為減少。
            3 電梯控制系統(tǒng)
            電梯控制系統(tǒng)從繼電器控制發(fā)展到PLC加調速器控制方式，經(jīng)歷了一個相當大的技術飛躍，現(xiàn)有的產(chǎn)品也成型，且性能相當穩(wěn)定，現(xiàn)有的電梯控制系統(tǒng)基本結構如圖1所示?？刂浦行脑跇琼敊C房，井道和轎廂中的所有信號都以點對點的形式通過大量的電纜傳送到控制中心。

            圖1 傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)
            傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)由于接線過多，安裝復雜，不易更改和擴展，導致難以維護和效率低的缺點。電梯用戶對電梯的要求已不僅僅停留在對系統(tǒng)的安全性、可靠性等基本功能的追求上，對電梯的舒適感、效率、自我故障診斷、遠程監(jiān)控等智能化以及電梯調試，維護的簡便性提出了更高的要求。所以急需一種高效率，高可靠性的現(xiàn)場總線技術來滿足用戶的要求，AS-Interface總線技術就是其最佳選擇。AS-I總線的物理實現(xiàn)為兩線通訊，接線采用卡線刺穿式結構，AS-I從站可以十分方便的接入到總線上，且獨特的AS-I梯形電纜，杜絕了接線錯誤的可能性。下面對西門子S7-200CN 
PLC的AS-Interface總線系統(tǒng)實現(xiàn)電梯控制做一些探討。
 4 AS-Interface總線在電梯控制系統(tǒng)中應用
        4.1 硬件實現(xiàn)
            具有AS-Interface總線功能的西門子S7-200CN
            PLC性能較好，功能強大，支持三角函數(shù)、開方、對數(shù)運算等功能;可在線編輯和監(jiān)視;通過調制解調器支持遠程監(jiān)控;可以故障診斷，執(zhí)行單次掃描，強制輸出;可以編輯變量狀態(tài)表，使用多個可同時打開的窗口可同時顯示信號狀態(tài)和狀態(tài)表。所以基于S7-200CN
            PLC的電梯控制系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡化、智能化、性價比極高的控制系統(tǒng)。
            　　在系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)上，經(jīng)過仔細調查和論證發(fā)現(xiàn):電梯控制系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器基本上集中在井道和轎廂，機房僅只有一個執(zhí)行器即調速器，而無傳感器。所以將機房作為控制中心不盡合理，為了使系統(tǒng)的硬件布置達到最優(yōu)，項目對傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)做了如下調整:電梯的控制系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)從物理上分開，改變了傳統(tǒng)電梯系統(tǒng)控制、拖動不分家的狀態(tài)。這樣做的好處是真正實現(xiàn)了強弱電分開，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，進一步保證了電梯系統(tǒng)的安全和可靠;由于電梯的大部分信號在轎廂和井道，如果將控制中心置于機房，即使應用AS-Interface總線技術，那么它所需要的AS-I從站是十分可觀的（以10層10站的電梯為例，轎廂和井道的信號大約有100個，一個AS-I從站的的I/O數(shù)最多為8，也就是說需13個從站才能滿足要求），這種即使有了先進性而無經(jīng)濟性的系統(tǒng)難以被工程所接受。項目的做法就是將控制中心轉移到轎廂頂，這種轉移在不降低其先進性的同時大大降低了控制系統(tǒng)的成本（同樣以10層10站的電梯為例，井道和機房的信號大約有48個，所需要的從站僅為6個）。
           圖2為根據(jù)以上思想采用AS-I總線技術的電梯控制系統(tǒng)，控制中心位于轎頂，由CPU226CN（PLC）、EM223（PLC擴展）、AS-I主站三部分組成，轎廂上的信號均直接接到PLC的I/O上，井道和機房的信號通過AS-I從站傳輸?shù)紸S-I主站上，現(xiàn)場安裝十分簡單。

            圖2 AS-I電梯控制系統(tǒng)
 4.2 相關西門子控制元器件介紹
           下面對CPU226CN，AS-I主站CP243-2，擴展EM223及AS-I從站的性能及作用做一個簡單的介紹。
          （1） S7-200CN主控制器（CPU226cn）
            ●構成
            本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，兩路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，1個RS-485通訊/編程口。是具有較強控制能力的控制器。如圖3所示:

            圖3 CPU226CN
 ●作用
           裝置于轎頂，負責控制轎廂位置，轎門的驅動，接受來自轎廂上的各種電信號，處理與AS-I主站之間和調制解調器通訊等各種信號。
          （2） AS-I主站
            ●性能
            AS-I周期時間不大于5ms，AS-I的連接電纜允許的最大電流為3A，可直接連到外部24V電源，其地址范圍:一個8DI/8DO數(shù)字模塊和一個8AI/8AO模擬模塊。可見，AS-I主站的響應時間和帶負載能力非同一般。如圖4所示:

            圖4 CP243-2
     ●作用
            裝置于轎頂，負責與主控制器通訊并控制AS-I從站。
   （3） 擴展
           ●性能
           EM223擴展單元具有8I/8O共16路數(shù)字信號輸入輸出口，具有光電隔離，低功耗等功能。
           ●作用
           將控制中心置于轎頂?shù)囊粋€重要原因是電梯的大部分信號都集中在轎廂上，可以通過將這些信號直接以并行的方式送到控制中心，這是一種十分經(jīng)濟且可行的辦法。所以顯然CPU224本機I/O點數(shù)量不能滿足要求時，必須通過擴展（EM223）來彌補不足點數(shù)。
   （4） AS-I從站
           將井道和機房的信號通過AS-I從站連入電梯控制系統(tǒng)，因此，AS-I從站被分散安裝在井道中和機房內，負責處理召喚盒內信號和控制調速器。
       4.3 軟件實現(xiàn)
          西門子S7-200CN系列PLC是將AS-I從站自動映射到8個模擬量輸入字（AIW0～AIW7）和8個模擬量輸出字（AQW0～AQW7）上。對于工程技術人員來說，對AS-I從站的編程和對普通的I/O編程沒什么區(qū)別，只需增加一小段程序，就可實現(xiàn)從站I/O到PLC中的映射。
         啟動AS-I及映射轉換程序清單如下:
            　　LD SM0.1
            　　SI Q3.7, 1
            　　RI Q3.0, 4
            　　LD SM0.7
            　　BMW AIW0, VW1000, 8
            　　BMW VW2000, AQW0, 8
       4.4 工作流程
           電梯控制的核心是對各類信號分析并控制調速器，門機等拖動轎廂運動的過程。在西門子S7-200CNPLC串行系統(tǒng)中，井道和機房的各類控制、數(shù)據(jù)信號通過AS-I從站傳輸?shù)紸S-I主站上，經(jīng)由AS-I主站傳輸?shù)紺PU226CN中。同樣，CPU226CN想對某一從站發(fā)出指令也需AS-I主站完成。轎廂上的所有信號直接通過并行I/O點送入CPU226CN內。下面以一部電梯處理一個召喚信號過程為例，簡要介紹其工作流程。
            　　系統(tǒng)上電時，CPU226CN進行上電自檢。包括I/O檢查，與主站的通訊檢查，電梯的當前狀態(tài)（門狀態(tài)，自動、檢修或司機，電梯位置等）的參數(shù)正確性。一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，則進入故障狀態(tài)，封鎖快車，直到所有故障排除，才進入正常運行狀態(tài)。從站一旦檢測到有召喚信號，立即通過AS-I信號電纜傳輸?shù)紸S-I主站，經(jīng)由主站向CPU226CN發(fā)出中斷信號，把召喚信號最終傳送到CPU226CN進行處理。一次信號的傳輸時間少于5ms。
            　　CPU226CN收到信號后，根據(jù)電梯的現(xiàn)在狀態(tài)，決定電梯的運行方向和停車位置，通過AS-I主站向從站發(fā)生指令控制調速器及曳引機。
            5 基于西門子PLC的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)
            　　5.1 通信口介紹
            　　內部集成的PPI接口為S7-200CN的用戶提供了強大的通訊功能。PPI接口物理特性為RS-485，可在三種方式下工作:
            　?。?） PPI方式
            　　PPI通訊協(xié)議是西門子專為S7-200CN系列PLC開發(fā)的一個通訊協(xié)議?？赏ㄟ^普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進行聯(lián)網(wǎng)。波特率為9.6kbps,19.2kbps和187.5kbps.S7-200CN系列CPU上集成的編程口同時就是PPI通訊協(xié)議進行通訊非常簡單方便，只用NETR和NETW兩條語句即可進行數(shù)據(jù)信號的傳遞，不需額外再配置模塊或軟件。PPI通訊網(wǎng)絡是一個令牌傳遞網(wǎng)，在不加中繼器的情況下，最多可以由31個S7-200CN系列PLC，TD200，OP/TP面板或上位機（插MPI卡）為站點，構成PPI網(wǎng)。
            　?。?） MPI方式
            　　S7-200CN可以通過內置接口連接到MPI網(wǎng)絡上，波特率為19.2/187.5kbps。它可與S7-300/S7-400CPU進行通訊。
            　?。?） 自由口方式
            　　自由口方式是S7-200CNPLC的一個很有特色的功能。它使S7-200CNPLC可以與任何通訊協(xié)議公開的其它設備、控制器進行通訊。
            　　5.2 硬件實現(xiàn)
            　　我們使用自由口方式，通過電纜將CPU226CN的485口與調制解調器連接，并接入電話線，在監(jiān)控室將調制解調器與電腦連接。連接完畢后，可以通過撥號上網(wǎng)對現(xiàn)場的電梯進行監(jiān)控。其中，調制解調器選用實達網(wǎng)上之星5600db+，硬件框圖如圖5所示:

            圖5 遠程監(jiān)控硬件框圖
            　　5.3 軟件設置
            　　由于西門子STEP-7MicroWIN編程軟件本身帶有遠程監(jiān)控的相關設置，所以對于工程技術人員來說不用重新進行通信開發(fā)，節(jié)省了大量的費用。在進入STEP-7MicroWIN編程軟件的界面后，只需簡單的設置，遠程監(jiān)控即可實現(xiàn)。
            　　Communication中將Local Modem和Remote Modem設定為相同的型號（否則無法對Local
            Modem進行燒制），若在備選欄中無法找到所選用的硬件Modem，則必須進行自定義，自定義Modem configure，如表1所示。
            　　表1 自定義Modem configure

            6 綜合指標分析
            　　總線技術在電梯上的應用（也稱串行通信電梯），目前已在國內的部分電梯上采用。如上海三菱、廣州日立、天津奧的斯等大的電梯生產(chǎn)廠家已經(jīng)開始大量地采用這種技術，但對于國內廣大的中小電梯企業(yè)而言，引進和開發(fā)這套系統(tǒng)無疑將耗費大量的人力和物力。四川建寧電梯廠2000年曾成套引進了臺灣TS868電梯串行通訊系統(tǒng)，與現(xiàn)在自主開發(fā)基于西門子AS-I總線技術的串行通訊系統(tǒng)相比，列出對比表，如表2所示。
            　　表2 TS868和SIEMENS（S7-200CN）對比表

            　　從對比表中不難看出，基于西門子AS-I總線技術的串行通訊系統(tǒng)的開發(fā)無論是在成本上還是在技術上都表現(xiàn)優(yōu)秀，特別適合中小電梯企業(yè)的產(chǎn)品更新?lián)Q代。
            7 結束語
            　　基于西門子AS-I總線技術的串行通訊系統(tǒng)十分適合中小企業(yè)進行自主開發(fā)。無須工程技術人員放棄熟悉的PLC控制，也無須大的投入，就可使電梯產(chǎn)品上檔次，跟上國際大趨勢，使企業(yè)在激烈的市場競爭中爭取到一個好的市場定位。這一技術在電梯上的應用已于2001年10月在四川樂山師范學院主教學樓的兩臺電梯上得到成功實現(xiàn)。