基于S7

基于S7-1200PLC的电梯监控系统设计*

张 静

(苏州工业园区职业技术学院 机电工程系，江苏 苏州 215123)

摘 要：针对目前大多数电梯设备缺乏运行监控功能，提出了一种基于S7-1200PLC的可编程序控制器及PROFINET工业以太网的电梯监控系统设计方案，详细阐述了监控系统的硬件组态、软件编程及运行监控界面设计。实践证明,该系统运行稳定可靠，可显著提高电梯运行维护工作效率，对于电梯控制系统改造具有实用参考价值。

关键词：S7-1200PLC；PROFINET工业以太网；电梯运行监控

随着我国城市建设的飞速发展，高层建筑对电梯的需求量日趋增长，电梯设备运行维护工作面临更多挑战。传统的电梯控制系统普遍缺乏设备运行自动监控等功能，存在设备运行出现故障而无法及时发现处理的缺陷，电梯远程监控技术正是基于此原因而出现的，是电梯管理、维护和确保电梯安全运行的需要，是及时发现故障并排除的必要手段[1]。本文以居民小区多层住宅的6层电梯监控为例，综合应用西门子S7-1200PLC、PROFINET工业以太网及WINCC组态技术, 提出了实现集中运营维护的电梯远程监控系统的设计方案，通过物业中心设置的上位机计算机可实时监控分布于各单元的每台电梯的运行状况,及时发出故障报警信息,帮助电梯维保人员及时排除故障，提高运行维护工作效率，保证电梯安全可靠运行。

1 S7-1200PLC及PROFINET简介

S7-1200PLC是西门子公司的新一代控制器，具有集成PROFINET接口、强大的工艺功能和灵活扩展性等特点，可为各种工艺任务提供简单的通信和有效的解决方案。PROFINET是一种基于工业以太网和IT标准的现场总线通信模式，广泛应用于自动化控制领域，其遵循IEEE802.3标准。工业以太网和局域网均采用TCP/IP协议，可直接与局域网计算机互连，便于共享网络中数据，可用IE浏览器访问终端数据。 S7-1200CPU集成的PROFINET接口,基于TCP/IP通信标准,具有自动交叉网线功能的RJ45连接器,可提供10/100 Mbit/s的数据传输速率,并通过开放式用户通信和分布式I/O指令，与其他CPU、HMI、上位机PC及使用标准TCP通信协议的设备建立通信网络,无需额外的通信模块。

2 小区电梯监控系统方案

本设计以小区4幢楼的12部6层电梯监控为案例, 以S7-1200PLC为核心控制器,运用PROFINET通信技术，建立从现场层到管理层的工业控制网络，设计基于工业以太网总线结构的电梯远程监控系统。系统中信息管理层主要是由上位监控计算机PC组成，利用WinCC组态软件设计与底层设备交互的人机界面，PLC与上位监控计算机之间的通信采用工业以太网[2]。

电梯远程监控系统框图如图1所示。通过1台工业交换机及IT标准网络通信线路，将2台上位机PC及分布于各单元的12台电梯PLC控制器集成连接至以太网主干线上，上位机通过网络与电梯的现场控制器PLC建立通信，设备维护人员通过上位机进行远程操作，达到对远程电梯控制器进行实时监控与操作的目的[3]。在物业管理中心设置的2台上位机计算机分别用于电梯运行监控及设备维护，每台计算机上监控4幢楼的4个站点，每个站点可同时监控3台电梯的运行状态数据和故障报警信息,从而实现电梯运行的远程监控。

图1 电梯远程监控系统框图

PROFINET工业以太网采用IT标准的RJ45接口易于组网，因此本设计方案在保留现有电梯控制系统的外围资源基础上，只对PLC控制器进行改造设计及接线，即将原PLC更换为S7-1200PLC，并通过控制程序及WINCC监控界面设计实现监控系统的设计及运行调试，借助小区现有标准网络通信线路加以局部改造，可快速搭建PROFINET工业以太网专用通信线路，大大降低了网络布线施工成本及改造工作量。

3 电梯监控系统硬件组态

西门子TIA博途全集成自动化平台是工业自动化领域新一代工程设计软件，其将所有自动化任务整合在一个工程设计环境下，是适用于硬件和网络组态、编程、系统诊断的通用工程平台，借助此平台可高效实现自动化系统开发与调试。本设计应用博途“SIMATIC STEP 7 Professinal V13”工程设计软件平台，实现电梯远程监控系统的网络硬件组态、软件设计及WinCC监控界面组态等一体化设计。

3.1 S7-1200工业以太网组态

S7-1200作为PROFINET控制器，其网络通信配置完成后即可通信。以监控系统中1个站点设计为例，首先，在TIA软件中建立电梯监控系统项目，添加1台上位机PC-System_1和3台PLC(PLC_1、PLC_2和PLC_3)，选择2台CPU1215C(内置2个PROFINET接口)和1台CPU1214C(内置1个PROFINET接口),通过PC的CP IE通信模块及PLC内置的PROFINET接口建立网络拓扑连接及IP地址配置，可快速建立从现场控制层到监控管理层的工业以太网(见图2)。

图2 电梯PROFINET监控网络拓扑组态

所有设备必须选择在相同的子网(PN/IE_1)中，检查设置每台设备的以太网IP地址，保持同一网段中地址的唯一性，设置IP地址如下：PLC-1为 192.168.0.2； PLC-2为192.168.0.1；PLC-3为192.168.0.3；PC-System_1为192.168.0.4。双击“网络连接”检查网络中设备连接状态，若呈现蓝色高亮显示，则表示设备已组网成功。

3.2 上位机PC应用配置

首先，在上位机计算机中安装SIMATIC STEP 7工程设计软件，添加PC系统时选择在“SIMATIC HMI应用软件”中带有“WinCC RT Advanced”功能的PC系统，并将原PC-System_1名称更改为上位机计算机的本地名称(例如，电脑名称IBIS)；其次按照上述监控网络组态的IP地址要求正确设置计算机的通信接口,双击“控制面板”中“设置PG/PC接口”图标,打开设置接口对话框，选择通信通道“”,获得以太网访问路径，并在其自带网卡TCP/IPv4协议属性中更改为“192.168.0.4”固定IP地址(见图3)，从而实现上位机计算机对于电梯PLC控制系统的远程数据访问及系统运行维护。将上述硬件配置信息下载到每台PLC设备中，即可完成1个站点的网络硬件配置。

图3 上位机计算机通信接口及IP地址设置

4 电梯监控系统软件设计

在TIA博途平台下，应用SIMATIC STEP 7 Professinal V13软件完成每台电梯PLC控制程序设计,根据系统设计方案控制要求，采用模块化结构，主要包括自动运行控制和故障检测报警两大模块。电梯控制流程图如图4所示。

图4 电梯控制流程图

4.1 自动运行监控

本方案中电梯控制设有市电运行、应急供电和检修等3种运行模式。在正常情况下，以市电供电的运行模式为主，系统按照电梯通用工作流程响应各类外呼及内选信号，实现轿厢上下行、平层及开关门等自动运行控制。当市电意外停电时，系统自动切换为UPS应急供电，由于UPS的供电容量有限，通常只能保证10～20 min应急供电，因此，在应急供电模式下，主要任务是控制轿厢尽快到达最近的平层状态，开门疏散全体乘客。检修模式则采用手动控制运行方式，便于对电梯设备进行整体检修。

4.2 故障检测报警

本系统应用光幕传感器、超重开关和限速开关等自动检测电梯运行状态，并实时检测曳引电动机及自动门的运行状态、市电供电状态。当发生电动机故障、门故障、超重、超速和市电断电等任意一种状况时，系统即发出报警信号停止运行，并在上位机的WinCC监控界面上实时显示故障报警状态信息，从而实现电梯设备的远程监控及故障诊断维护。

5 上位机监控画面设计

在TIA博途平台下应用SIMATIC WinCC V13 组态软件，完成上位机WinCC监控界面的组态设计，电梯网络监控主要包括：运行准备主页、每个站点3台电梯监控界面、每台电梯监控界面和故障报警信息显示界面等(见图5)。

图5 WinCC电梯运行监控界面

通过上位机的WinCC监控界面，设备管理及维护人员可快速直观地观察电梯运行现场状态。当电梯运行发生故障时，系统实时显示故障状态，自动弹出“故障信息”窗口(见图6)，技术人员可根据故障的具体信息及时排除故障、修复设备，保证电梯安全可靠运行。

图6 “故障信息”窗口

6 结语

本文综合应用S7-1200PLC和工业以太网技术设计电梯运行监控系统，并基于博途工程设计平台,实现了系统硬件及网络组态设计、控制程序及运行监控界面设计。经仿真实验证明,本系统可实现对长期运行电梯设备的集中监控管理，能有效提高电梯运行可靠性及设备维护效率。

参考文献：

[1] 刘维福，叶丽安.电梯运行状态实时远程监控系统研究[J].伺服控制，2006(4)：86-87.

[2] 杨安园，张卜生，王庭有.基于PLC的矿山运输监测控制系统的研究[J].新技术新工艺，2014(2)：70-71.

[3] 吕罗昊，吴光敏，赵建军.基于移动设备的远程智能监控系统的设计与实现[J].新技术新工艺，2016(2)：34-35.

* 江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015A088)

责任编辑 郑练

The Design of Elevator Monitoring System based on S7-1200PLC

ZHANG Jing

(Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology, Suzhou 215123, China)

Abstract：For most of the elevator equipment lack of operational monitoring function defects, a design scheme of elevator monitoring system based on S7-1200PLC controller and PROFINET industrial ethernet is presented. The hardware configuration, software programming and operation monitoring interface design of the monitoring system are described in detail. Practice has proved that the system is stable and reliable operation, greatly improving the elevator operation and maintenance work efficiency. It has certain reference value for the improvement of elevator control system.

Key words：S7-1200 programmable logic controller, PROFINET industrial ethernet, elevator operation monitoring

中图分类号：TP 277

文献标志码：A

作者简介：张静(1963-),女,机电一体化专业主任，高级工程师,主要从事机电一体化系统工程设计与维护、工程教育教学改革等方面的研究。

收稿日期：2017-02-23