西门子模块6ES231-7PD22-0XA8原装代理

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　一、 前言
　　电梯控制系统主要由调速部分和逻辑控制部分构成。调速部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要作用，目前，大多选用高性能的变频器，利用旋转编码器测量曳引电机转速，构成闭环矢量控制系统。通过对变频器参数的合理设置，不仅使电梯在运行超速和缺相等方面具备了保护功能，使电梯的起动、低速运行和停止更加平稳舒适。变频器自身的起动、停止和电机给定速度选择则都有逻辑控制部分完成，逻辑控制部分是电梯安全可靠运行的关键。V80系列 PLC以其可靠性高、运算速度快、产品成本低和电梯专用客制化服务等优点，已在多家电梯厂家中的电梯生产及改造中获得了应用。本文以一台 4 层 4站的别墅电梯控制系统为例，阐述了 V80 系列 PLC 在电梯控制系统的设计思想和实现方案。
　　二、 电梯控制系统构成
　　电梯控制系统主要由变频调速主回路、输入输出单元以及 PLC 单元构成，由如图 1所示，用来完成对电梯曳引电机及开关门机的起动，加减速，停止，运行方向，楼层显示，层站召唤，轿箱内操作，安全保护等指令信号进行管理和控制功能。
　　变频调速主回路由三相交流输入、变频调速驱动、曳引机和制动单元构成，变频器采用日本安川公司矢量控制电梯专用变频器616G5，其具有良好的低速运行特性，适合在电梯控制系统中应用。三相电源R、S、T 经接线端子进入变频器为其主回路和控制回路供电，输出端 U、V、W接电动机的快速绕组，外接制动单元减少了制动时间，加快制动过程。旋转编码器用来检测电梯的运行速度和运行方向，变频器将实际速度与变频器内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率及电压，使电梯的实际速度跟随变频器内部的给定速度，达到调节电梯速度的目的。变频器输入信号为：上、下行方向指令，零速、爬行、低速、高速、检修速度等各种速度编码指令，复位和使能信号。变频器输出信号为：（1）变频器准备就绪信号，在变频器运转正常时，通知控制系统变频器可以正常运行；（2）运行中信号，通知PLC 变频器正在正常输出；（3）零速信号，当电梯运行速度为零时，此信号输出有效并通知 PLC完成抱闸、停车等动作；（4）故障信号，变频器出现故障时，此信号输出有效并通知 PLC 作出响应，给变频器断电。
　　输入输出单元为 PLC 的 I/O接口部分，主要由厅外呼叫、轿箱内选层、楼层及方向指示、开关门、井道内的上下平层、上下强迫换速开关、门锁、安全保护继电器、检修、消防、泊梯、称重等单元构成。输入单元为：（1）厅外呼叫单元，用来对各层站的厅外召唤信号进行登记、记忆和消除，兼有无司机状态的“本层厅外开门”功能，全集选方式的呼梯信号为2N-2 个（N 为层站数），下集选方式的呼梯信号为 N个；（2）轿箱内选层单元，负责对预选楼层指令的登记、消除和指示，呼梯信号数为电梯停站层数 N；（3）开关门按钮，输入 PLC控制轿门的开闭（厅门也动作）；（4）上下平层装置，用来保证电梯轿箱在各层停靠时准确平层，通常设置在轿顶，电梯轿箱上行接近预选层站时，上平层感应器限进入遮磁板，电梯仍继续慢速运行，当下平层感应器再进入遮磁板时，上行接触器线圈失电，制动器抱闸停车；（5）上下限强迫换速开关，用于保护电梯的高速运行安全，避免电梯出现冲顶或蹲底事故，当电梯到达上下端站时，装在轿厢边的上下限强迫换速开关打板，信号输入PLC，PLC发出换速信号强迫电梯减速运行到平层位置；（6）门锁装置（或轿门和厅门联锁保护装置），轿门闭合和各厅门闭合上锁是电梯正常起动运行的前提；（7）安全回路，通常包括轿内急停开关、轿顶内急停开关、安全钳开关、限速器断绳开关、限速器超速开关、底坑急停开关、相序保护继电器、上下限极限开关等；（8）检修、消防和泊梯，检修、消防和泊梯为电梯的三种运行方式，检修运行为电梯检修时的慢速运行方式，消防运行有消防返回基站和消防员专用两种运行状态，泊梯状态，消除内选和外呼信号，自动返回泊梯层、关门并断电；（9）称重单元，用来检测轿厢负荷，判断电梯处于欠载、满载或超载状态，输出数字信号给PLC，根据负载情况进行起动力矩补偿，使电梯运行平稳。输出单元为：（1）楼层及方向指示单元，包括电梯上下行方向指示灯、层楼指示灯以及报站钟等，目前的方向及层楼指示灯主要有七段码显示方式和点阵显示方式，本系统为七段码显示方式；（2）开关门单元，用于控制电梯的厅门和轿门的打开和关闭，在自动定向完成或电梯平稳停靠后，PLC给出相关指令，由变频门机完成开关门动作。

PLC 单元为电梯控制系统的核心部分，由 PLC提供变频器的运行方向和速度指令，使变频器根据电梯需要的速度曲线调节运行方向和速度。通过 PLC的合理编程，实现自动平层、自动开关门、自动掌握停站时间、内外呼信号的登记与消除、顺向截梯及自动换向等集选控制功能。
　　三、 PLC 的 I/O 接口配置
　　PLC 选用德维森科技（深圳）有限公司的 V80 系列，PLC的输入输出点数可根据需要配置，并可根据用户的要求增加并联功能。以编制一台 4 层 4 站的电梯为例，先根据控制要求计算所需要的 I/O接口点数，其中输入点数为 32，输出点数为 24。选用 V80 系列 PLC 的一个 CPU 单元 M40DR 和一个扩展单元E16DR 来完成电梯控制系统的逻辑控制。

四、 工作过程
　　电梯完成一个呼叫响应的步骤如下：
　　（1）电梯在检测到门厅或轿箱的召唤信号后将此楼层信号与轿箱所在楼层信号比较，通过选向模块进行运行选向。
　　（2）电梯开始起动，通过变频器驱动电机拖动轿箱运动。轿箱运动速度由低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至目标层。
　　（3）当电梯检测到目标层减速点后，电梯进入减速状态，由高速变为低速，并以低速运行至平层点停止。
　　（4）平层后，经过一定延时开门，直至碰到开门到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到安全触板开关动作。
　　五、 结束语
　　本文以德维森科技（深圳）有限公司生产的 V80 系列 PLC 为例，阐述了 PLC在电梯控制系统中的应用，分别描述了电梯控制系统的构成及工作原理，并给出了 PLC 的 I/O 接口配置。
　　通过 V80 系列 PLC 在某型号电梯控制系统的现场应用，在广大电梯使用客户中获得了良好的评价，并得到了多家生产厂家对该系列PLC 质量和性能的认可，该电梯控制系统只需要稍加改进即可应用于更高性能要求的电梯中。这一切都表明该系列 PLC不仅可以满足电梯对高可靠性的实际需求，在控制水平和性能完全可以替代进口的同类产品，并将突破电梯领域应用到更为广泛的行业，未来前景将更为广阔。

PLC让你满足了吗？
　　自动化行业的历史已经成为工程和技术的发展史，但有时发展似乎并不能满足用户愈来愈多的需求。新的现场设备、更复杂的过程、将数据反馈给企业网络的需求，所有这些要求都可能让一个控制工程师崩溃。
　　随着自动化应用的飞速发展，不少曾经被视为强大和面向未来的系统已逐渐被淘汰。甚至于一些运行多年先进的控制系统，仍受着当时的设计和制造能力所限。

历史一览
　　过去的自动化系统一般都是为特定行业在特定目的下开发的。例如，可编程逻辑控制器（PLC）初是为取代控制和监测离散机器及设备的机械继电器而开发，如灌装厂的开关控制。这些继电器本质上就是开关，或开或关，PLC内部的梯形逻辑编程用于模拟原来继电器的功能。
　　对于一个大量离散应用的系统，中心控制器的任务是系统地读取所有输入/输出（I/O）点的状态，处理逻辑，反馈给I/O输出，并快速地不断反复这程。PLC速度无疑很快。

输入模拟量
　　作为对比，许多复杂的过程如炼油、污水处理往往使用较少的开/关数字量信号。这些过程涉及大量的可变模拟信号如温度、压力、变量泵等。不同类型的系统—集散控制系统（DCS），就是为了适应这些应用而开发的。
　　在DCS中，读、写及逻辑处理都不是集中在中心控制器，而是分散到一些被控装置附近的小型智能单元中。中心控制器提供集中管理。
　　分布式智能对于过程控制是必不可少的，因为模拟信号和逻辑对处理能力有更大的需求。例如，将电信号转换成摄氏温度涉及复杂的数学公式。一个单一的控制器无法处理所有这些模拟任务；若分工进行，非常大的系统也能顺畅运行。

当代的挑战
　　如今的自动化应用已不再被狭义地界定。离散控制和过程控制都需要涉及到任务中。我们可以看到这一趋势，大型DCS生产商的新产品中包含混合系统，如Emerson的DeltaV®及ABB的Freelance®。
　　控制工程师花费大量的时间开发和运行的离散系统现在可能需要在增加过程控制。由于PLC系统和DCS架构的差异，从PLC方向发展的混合系统将面临一些问题。

过程控制的替代
　　对PLC系统新增过程控制会涉及成本、集成、系统性能等问题。一个完整的DCS由于尺寸、费用以及系统学习的复杂性很难进行调整。对于企业中中小型的过程控制，如药品、食品及饮料行业或水、污水处理等应用，一个完整的DCS有些浪费。
　　使用新的混合系统可能意味着放弃一个现有的良好运行的系统。地，将DCS与你的现有系统集成又很困难，因为这些系统是私有的。处于制造和市场的目的，一般这些系统被设计成封闭系统。
　　基于PC的过程控制是一种可能性，操作系统的可靠性和工业应用对硬件的要求仍存有疑虑。而集成也可能较困难，涉及工程时间和费用问题。
　　如何简单地使用PLC的过程控制及离散制造？新的PLC提供模拟量功能，PLC制造商为了满足过程控制的需要，近新增了功能。
　　基于PC控制和PLC系统都缺少分布式智能，而这一智能恰恰是DCS的优势。任何大量的模拟量逻辑将减缓扫描次数，增加网络负荷，逆向地影响系统能力。对于模拟量设备，减少扫描次数还尚能接受，但对运行数字量控制的PLC则无法负担延缓下来的关键数字量响应时间。

DCS系统集散控制能源

PLC系统负荷
　　作为过程控制的系统，若您必须在PLC系统和分布式智能中做出选择，如何拥有两者好的功能呢？若能对您的PLC系统进行增负荷，您将怎么办？
　　这里就是方法—对您的现有PLC系统新增远程智能I/O。

EtherNet/IP™通讯协议
　　如同DCS，PLC也曾是封闭和私有的系统。现在许多类似系统—比如Allen-Bradley®、ControlLogix® 和CompactLogix®PLC—使用一个由以太网和EtherNet/IP（由A-B和开发的工业协议，当前已被开放设备供应商协会采纳支持）组成的常见通讯平台。
　　EtherNet/IP的主要优势在于它提供了一个在不同产品厂商间广泛使用的标准通讯通道。使用EtherNet/IP协议的PLC更易于与其他设备进行通讯。这种互用性将给您带来更多的选择。
作为一个控制工程师能使用支持EtherNet/IP的硬件和软件如Allen-BradleyCompactLogix、ControlLogixPLC和RSLogix，为了特定目的需要选择其他厂商的I/O。

新选择
　　PLC系统按种类不包括分布式控制。当你深刻意识到新增模拟I/O时，你必须为你的过程I/O增加新的梯形逻辑图。额外的逻辑和I/O点将消耗掉系统开销，增加的网络负荷和扫描次数的降低会影响整体系统性能。
　　一个令人激动的选择—EtherNet/IP出现了，它能够扩大带I/O点的PLC系统。你可以选择对PLC系统增加DCS的分布式智能。
　　Opto 22的SNAP I/O™能扩大A-B ControlLogix或CompactLogix系统—或者另一个使用EtherNet/IP的PLC系统—只需这么做：提供远程智能I/O卸载许多I/O功能，尤其是大部分过程控制应用中涉及迟钝的模拟信号处理。远程I/O处理类似功能如模拟量梯度设定、热电偶线性化、标定、PID回路控制，PLC能继续正常工作而几乎不受影响。

无需编程的方案
　　在PLC系统中，许多远程I/O通过总线耦合进行通讯。过去，在I/O层放入智能处理器意味着购买另一个PLC并使用梯形逻辑或学习新的语言对其进行编程。两者都需要开发时间和费用。
      Opto 22的SNAPI/O，其优势之一也在于无需编程。所有I/O智能功能内置入I/O，其设备叫做智能处理器。智能处理器提供通讯，如总线耦合，也提供自动I/O处理。当I/O配置完成后，智能处理器马上开始处理。其与A-BPLC兼容的SNAP I/O由ODVA认证支持EtherNet/IP协议。

内置远程I/O功能
　　在过程控制应用方面，以下SNAPI/O的内置模拟量功能尤其有用：
　　PID回路控制（每个智能处理器拥有多达96个回路）
　　小和大值
　　模拟量标定
　　校准
　　求和
　　工程单位换算
　　热电偶线性化
　　温度转换
　　看门狗定时
　　输出锁存
　　SNAP I/O在相同的I/O地板上提供串口和数字量功能：
　　多重串行设备控制（RS 232/485）
　　输入闭锁
　　数字量过滤
　　积分运算
　　高速计数
　　看门狗定时
　　脉冲发生
　　脉冲测量
　　时间比例输出
　　频率和时间测量
　　在远程I/O中新增以上功能，无需编程也不会对整体系统造成影响，这种能力可以对您的系统增负，并能在新的过程控制任务上获得成功。

1、基于PC的软PLC控制系统的发展现状

1.1 IEC 61131-3国际编程标准

IEC61131的制订是软PLC技术发展的一个重要基础。为了规范工业控制领域的编程语言，20世纪90年代初，IEC（国际电工委员会）颁布了IEC61131。该标准工业PC/软PLC控制共分八个部分，依次包括：基本概念、硬件装置和测试、编程语言标准、用户指南、通信服务规范、现场总线通信（未公布）、模糊控制语言和编程实施方针。其中IEC61131-3是PLC编程语言标准，它详细地说明了句法、语义和5种编程语言：指令表（Instruction），结构化文本（StructuredText），顺序功能图（Sequential Function Diagram），梯形图（LadderDiagram），功能块图（Function BlockDiagram）。在这五种编程语言中，指令表工业PC/软PLC控制和结构化文本是文本语言，易于实现一些复杂的算法；顺序功能图、梯形图和功能块图是图形语言，它们则擅长处理逻辑控制。该标准还允许在同一项目中，使用多种语言进行混合编程，支持POU（程序组织单元）的重复使用，为工业PC/软PLC控制不同知识背景的编程人员提供了方便。

1.2 基于PC的软PLC控制系统的发展现状

目前，国外许多工业PC/软PLC控制工业控制系统开发商正在发展基于PC的控制系统，推出了符合IEC61131-3标准的产品。在上常见的控制产品有：法国CJInternational公司的ISaGRAF，德国KW公司的MULTIPROG，BECKHOFF公司的TWinCAT以及SOFTPLC公司的SoftPLC等。作为典型的基于PC的控制系统，西门子工业PC/软PLC控制公司的WinAC在国内得到了广泛的应用。

1.3 基于PC的软PLC控制系统的优点

软PLC基于PC机，建立在PC机的软、硬件平台之上，具有PC机的优点和PLC的特性。

*具有良好的开放性。全面支持bbbbbbs、Linux等操作系统，通过OPC或DDE等通信方式易于与第三方的产品集成运行。其硬件结构不再封闭，用户工业PC/软PLC控制可以选择不同的I/O模块来满足自己的要求。
*具有广泛的兼容性。软PLC的技术是基于IEC61131-3标准的，用户在掌握了标准语言后，开发比较容易。由于该标准继承了传统PLC的编程方式，不同知识背景的工程人员容易接受和使用。
*可以节省投资。与传统的PLC解决方案相比，基于PC的软PLC由于其良好的开放性和兼容性，可以大大减少设备投资和系统的集成费用。
*性价比日益提高。PC处理器的速度工业PC/软PLC控制日益提高，充分利用CPU的超强速度容易实现数据处理、多回路调节和多任务。

基于以上原因，许多学者就软PLC控制系统的实现方案作了相应的探讨，在此，笔者设计了一种基于工业PC的软PLC控制系统。

2、基于工业PC的软PLC控制系统的实现

2.1 系统的硬件结构搭建

该软PLC控制系统的硬件平台选用的是凌华PACK-610工业计算机，I/O板卡分别选用的是研华公司的PCI-1710，PCL-720和中泰公司的PC6311。在工业PC中可以驱动多块板卡，根据被控对象而定。系统结构如图1。

图1 系统结构图

2.2 软PLC系统的软件实现

该软PLC系统由编程系统和运行系统构成。编程系统用来完成PLC应用程序的开发，运行系统负责对整个系统的管理和对应用程序的执行。由于工业PC/软PLC控制编程系统和运行系统运行于同一台工控机，两者之间的通信采用了动态连接库（DLL）函数的方法实现数据交换。系统整体框图如图2。

图2 软PLC系统框图

（1）编程系统

按照IEC61131-3的标准，编程系统工业PC/软PLC控制中提供了对整个工程的管理、资源配置和POU（程序组织单元）的编辑调试功能。POU包括程序、功能块和函数，其中程序可以调用程序、功能块和函数；功能块可以调用功能块和函数；函数可以互相调用。

工程管理功能提供了整个工程所需文件的管理，在这个工程中可以用五种语言编程来实现控制功能。POU编辑功能包含两个窗口：一个是工业PC/软PLC控制变量定义窗口，在此用户可以声明POU所需的元素，这些变量包含局部变量、外部变量，用户还可以声明相应的功能块和函数的名称。一个窗口则是程序的编辑窗口，用户在此可以编辑图形语言的程序和文本语言的程序。在编程系统中还可以嵌入复杂的控制算法，如智能PID算法等。

调试工具栏包含编译和调试功能：编译功能是将用户创建的图形或者文本程序编译成运行系统可以执行的目标代码，也提供了语法语义的检查功能。就调试功能而言，用户可以下载程序，可以在线仿真和调试。

（2）运行系统

运行系统的主要功能有三个：与编程系统的通信、目标代码的执行和各种I/O硬件的驱动。

为了便于软件的日后维护和升级，将运行工业PC/软PLC控制系统和编程系统分开，以便于移植到不同的硬件平台。两者的通信依靠动态连接库提供的函数，以下是动态连接库提供的函数：

PlcNetInitialize（）； // 通信初始化
PlcNetShutDown（）； // 关闭通信
PlcNetSendData（）；// 接收数据
PlcNetRecData（）；// 发送数据
PlcNetGetRxStatus（）；// 得到通信就绪信号

在运行系统的工程中加入动态连接库的导入库文件IPCDrv.lib，这样就可以在运行系统中调用这些库函数了。当程序运行时，即可启动编程系统和运行系统的数据交换。

软PLC运行系统虚拟机是运行系统的核心，也是整个软PLC系统的核心。它一方面负责处理操作系统的服务请求，另一方面对应用程序进行管理工业PC/软PLC控制和执行。程序执行时，为应用程序分配内存，将程序加载到分配好的内存里，在虚拟机中解释并执行编程系统下载的目标代码。该运行系统虚拟机支持IEC61131-3标准规定的100余种函数、功能块和操作符。使用虚拟机技术，可以方便地将运行系统移植到不同的硬件平台。

运行系统的I/O驱动模块直接驱动具体的硬件。为了完成与I/O模块的数据交换，运行系统在内存中开辟了一个段表，称为I/O映象区域。这个I/O映象区域在编程系统和运行系统之间起一个桥梁的作用，其作用是将编程系统定义的某一个地址的物理变量直接映射到段表的某一个地址，并根据这个地址的偏移量来操作具体的硬件。

这个段表分成四段，依次为：段头（header），输入区（bbbbb），输出区（output）和标志区（maker）。段表的段头占用6个字节（byte），从0到5，定义了整个段的长度，输入和输出各占用的字节数等。输入区从6开始，也就是输入区的偏移量（offset）是6，如果将输入的变量值放在输入区的第1个字节（byte），则该变量的地址是7。如果输入区的长度占有2个字节数，则输出区的偏移量是8，这样输出变量工业PC/软PLC控制的地址应该加上偏移量8。标志区（maker）则用来存放中间变量。原理如图3所示。

图3 I/O映象原理图

I/O驱动模块中提供了四个函数，依次为：

LzsEnvInitialize (void)；// 初始化过程
LzsEnvShutDown (void)；// 关闭过程
LzsEnvWriteProcImg ()；// 写过程映象
LzsEnvReadProcImg ()；// 读过程映象

按照上面的原理，以研华板卡PCI-1710为例，为了读写编程系统中定义的三个变量（地址分别为%IX0.5、%IX1.6、%QX0.7）其主要代码如下：

LzsEnvReadProcImg()
{
ptDioReadBit.port = 0; //读输入区的第零个字节
ptDioReadBit.bit = 6; //读输入区第零个字节的第六位，编程系统中的地址为%IX0.5
ptDioReadBit.state = &usState; // 返回值
dwErrCde = DRV_DioReadBit(lDriverHandle,(LPT_DioReadBit)&ptDioReadBit);
*((LZSBYTE*)pProcImgSeg_p+0) = usState;
}

写过程映象，也按照上面的方法。整个系统在VisualC++6.0环境下开发，目前，已对多个试验对象实现成功控制。

3、应用实例

按照以上的系统构建方案，控制对象既有开关量又有模拟量，分别为五层电梯模型和三容液位水槽。

（1）对于电梯模型的控制而言，主要涉及到开关量信号，故采用梯形图编程语言。以研华公司的PCL-720板卡为I/O硬件，PCL-785B继电器板卡将信号放大，已对五层电梯模型实现控制。部分梯形图程序如图4。

图4 电梯控制梯形图

（2）三容液位水槽是一个强耦合、变结构的复杂被控对象，在此采用了PID算法。由于结构化文本是一种类pascal语言，擅长一些复杂算法和模拟信号的控制，故采用结构化文本语言，以中泰公司的PC6311板卡作为I/O硬件，应用PID算法对三容液位水槽实现成功控制。部分代码如下：

VAR
t : ton;
t_in,t_out : bool;
aoutport0_1 :REAL AT %QX2.0;
ain_1 :REAL AT %IX6.0;
END_VAR
//以上声明了中间变量和输入输出变量
if now_f < 2.0 then
now_control := 4.96;
aoutport0_1 := now_control;
else
if now_f < 2.64 then
now_control := k_p * now_e;
aoutport0_1 := now_control + 1.01;
else
control_error_p := k_p * (now_e - past_e);
control_error_i := k_i * now_e;
control_error_d := k_d * (now_e - 2.0 * past_e +ppast_e);
control_error := control_error_p + control_error_i +control_error_d;
now_control := control_error + past_control + 1.01;
end_if;
end_if;
//以上是PID算法

4、结束语

基于工业PC的软PLC技术具有很大的发展潜力，它具有成本低，开发性好以及维护简单等优点，特别适合于在中小型的控制系统中推广使用。