基于西門子S7-200CN 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(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(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(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，西門子吸取了兩種控制方式的優(yōu)點，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(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。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(yīng)用

4.1 硬件實現(xiàn)

具有AS-Interface總線功能的西門子S7-200CNPLC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(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S7-200CNPLC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，機房僅只有一個執(zhí)行器即調(diào)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(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現(xiàn)了強弱電分開，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

本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？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(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?？梢?，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I/O點數(shù)量不能滿足要求時，必須通過擴(kuò)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(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(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，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。

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(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（插MPI卡）為站點，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)控即可實現(xiàn)。

　　Communication中將Local Modem和Remote Modem設(shè)定為相同的型號（否則無法對LocalModem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現(xiàn)。