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(dú)立接線的，多個傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成的系統(tǒng)需要大量導(dǎo)線。通信總線應(yīng)用到測控系統(tǒng)中，不僅能節(jié)省大量的導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(yīng)用，其通訊方式為命令—響應(yīng)方式。主機(jī)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(shí)際耗費(fèi)了主控制器相當(dāng)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(qiáng)大的運(yùn)算功能。另一類為各節(jié)點(diǎn)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(zhì)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(diǎn)，西門子吸取了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，推出了AS-Interface（遠(yuǎn)程I/O）總線技術(shù)。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(diǎn)在錯誤的情況下，具有自動關(guān)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(yuǎn)可達(dá)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(jī)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(yuǎn)程I/O對應(yīng)于映像區(qū)的對應(yīng)位，符合他們的編程習(xí)慣，十分方便。由于兩線通訊的應(yīng)用，系統(tǒng)連接線采用卡線刺穿式結(jié)構(gòu)，布線量大為減少，且獨(dú)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(diào)速器控制方式，經(jīng)歷了一個相當(dāng)大的技術(shù)飛躍，現(xiàn)有的產(chǎn)品也成型，且性能相當(dāng)穩(wěn)定，現(xiàn)有的電梯控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂浦行脑跇琼敊C(jī)房，井道和轎廂中的所有信號都以點(diǎn)對點(diǎn)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(fù)雜，不易更改和擴(kuò)展，導(dǎo)致難以維護(hù)和效率低的缺點(diǎn)。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(yuǎn)程監(jiān)控等智能化以及電梯調(diào)試，維護(hù)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(shù)來滿足用戶的要求，AS-Interface總線技術(shù)就是其最佳選擇。AS-I總線的物理實(shí)現(xiàn)為兩線通訊，接線采用卡線刺穿式結(jié)構(gòu)，AS-I從站可以十分方便的接入到總線上，且獨(dú)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(shí)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(yīng)用
        4.1 硬件實(shí)現(xiàn)
            具有AS-Interface總線功能的西門子S7-200CN
            PLC性能較好，功能強(qiáng)大，支持三角函數(shù)、開方、對數(shù)運(yùn)算等功能;可在線編輯和監(jiān)視;通過調(diào)制解調(diào)器支持遠(yuǎn)程監(jiān)控;可以故障診斷，執(zhí)行單次掃描，強(qiáng)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(luò)化、智能化、性價比極高的控制系統(tǒng)。
            　　在系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)上，經(jīng)過仔細(xì)調(diào)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(jī)房僅只有一個執(zhí)行器即調(diào)速器，而無傳感器。所以將機(jī)房作為控制中心不盡合理，為了使系統(tǒng)的硬件布置達(dá)到最優(yōu)，項目對傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)做了如下調(diào)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(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電分開，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，進(jìn)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(jī)房，即使應(yīng)用AS-Interface總線技術(shù)，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(jìn)性而無經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)移到轎廂頂，這種轉(zhuǎn)移在不降低其先進(jìn)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(jī)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(shù)的電梯控制系統(tǒng)，控制中心位于轎頂，由CPU226CN（PLC）、EM223（PLC擴(kuò)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(jī)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(guān)西門子控制元器件介紹
           下面對CPU226CN，AS-I主站CP243-2，擴(kuò)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(gòu)成
            本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30kHz高速計數(shù)器，兩路獨(dú)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(qiáng)控制能力的控制器。如圖3所示:

            圖3 CPU226CN
 ●作用
           裝置于轎頂，負(fù)責(zé)控制轎廂位置，轎門的驅(qū)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(diào)制解調(diào)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(yīng)時間和帶負(fù)載能力非同一般。如圖4所示:

            圖4 CP243-2
     ●作用
            裝置于轎頂，負(fù)責(zé)與主控制器通訊并控制AS-I從站。
   （3） 擴(kuò)展
           ●性能
           EM223擴(kuò)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(jì)且可行的辦法。所以顯然CPU224本機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)量不能滿足要求時，必須通過擴(kuò)展（EM223）來彌補(bǔ)不足點(diǎn)數(shù)。
   （4） AS-I從站
           將井道和機(jī)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(jī)房內(nèi)，負(fù)責(zé)處理召喚盒內(nèi)信號和控制調(diào)速器。
       4.3 軟件實(shí)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(shù)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(shí)現(xiàn)從站I/O到PLC中的映射。
         啟動AS-I及映射轉(zhuǎn)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(diào)速器，門機(jī)等拖動轎廂運(yùn)動的過程。在西門子S7-200CNPLC串行系統(tǒng)中，井道和機(jī)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(diǎn)送入CPU226CN內(nèi)。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(jìn)行上電自檢。包括I/O檢查，與主站的通訊檢查，電梯的當(dāng)前狀態(tài)（門狀態(tài)，自動、檢修或司機(jī)，電梯位置等）的參數(shù)正確性。一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，則進(jìn)入故障狀態(tài)，封鎖快車，直到所有故障排除，才進(jìn)入正常運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(diào)速器及曳引機(jī)。
            5 基于西門子PLC的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
            　　5.1 通信口介紹
            　　內(nèi)部集成的PPI接口為S7-200CN的用戶提供了強(qiáng)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。可通過普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進(jìn)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(jìn)行通訊非常簡單方便，只用NETR和NETW兩條語句即可進(jìn)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(luò)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(jī)（插MPI卡）為站點(diǎn)，構(gòu)成PPI網(wǎng)。
            　?。?） MPI方式
            　　S7-200CN可以通過內(nèi)置接口連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上，波特率為19.2/187.5kbps。它可與S7-300/S7-400CPU進(jìn)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(shè)備、控制器進(jìn)行通訊。
            　　5.2 硬件實(shí)現(xiàn)
            　　我們使用自由口方式，通過電纜將CPU226CN的485口與調(diào)制解調(diào)器連接，并接入電話線，在監(jiān)控室將調(diào)制解調(diào)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(jìn)行監(jiān)控。其中，調(diào)制解調(diào)器選用實(shí)達(dá)網(wǎng)上之星5600db+，硬件框圖如圖5所示:

            圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件框圖
            　　5.3 軟件設(shè)置
            　　由于西門子STEP-7MicroWIN編程軟件本身帶有遠(yuǎn)程監(jiān)控的相關(guān)設(shè)置，所以對于工程技術(shù)人員來說不用重新進(jìn)行通信開發(fā)，節(jié)省了大量的費(fèi)用。在進(jìn)入STEP-7MicroWIN編程軟件的界面后，只需簡單的設(shè)置，遠(yuǎn)程監(jiān)控即可實(shí)現(xiàn)。
            　　Communication中將Local Modem和Remote Modem設(shè)定為相同的型號（否則無法對Local
            Modem進(jìn)行燒制），若在備選欄中無法找到所選用的硬件Modem，則必須進(jìn)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(biāo)分析
            　　總線技術(shù)在電梯上的應(yīng)用（也稱串行通信電梯），目前已在國內(nèi)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(shù)，但對于國內(nèi)廣大的中小電梯企業(yè)而言，引進(jìn)和開發(fā)這套系統(tǒng)無疑將耗費(fèi)大量的人力和物力。四川建寧電梯廠2000年曾成套引進(jìn)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(shù)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(shù)的串行通訊系統(tǒng)的開發(fā)無論是在成本上還是在技術(shù)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(jié)束語
            　　基于西門子AS-I總線技術(shù)的串行通訊系統(tǒng)十分適合中小企業(yè)進(jìn)行自主開發(fā)。無須工程技術(shù)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(shù)在電梯上的應(yīng)用已于2001年10月在四川樂山師范學(xué)院主教學(xué)樓的兩臺電梯上得到成功實(shí)現(xiàn)。