6ES7515-2UM01-0AB0型号介绍

1  引言
        当前我国电梯行业主流的电气控制、驱动系统方案有两大类：专用微机控制板+变频器与通用plc+变频器。
        专用微机控制板由若干生产厂家提供；其功能由各自厂家统一配置，客户不可编程；不同客户配置变频器需要大量选型配置工作和长期磨合过程，调试复杂；功能修改和调整(如通讯协议)都需要电脑控制板厂家开发和主导，客户难以自主开发电梯功能；调度、控制上细节问题难以随时调整；相应电梯产品维保市场的竞争较为复杂；安装接线较多。
        通用plc+变频器的系统虽然可编程，但通用plc基本上没有电梯专用的操作界面设计和调试工具；常见品牌的plc程序防护强度低，极易被恶意破解和破坏；通用plc编程开发平台又没有专门面向电梯行业，导致程序开发难度高和维护性较差；安装接线很多，驱动配套调试复杂。
        艾默生ecs3100系统突破了上述两种系统的局限：新驱动-控制一体化设计，安装调试方便；具有可编程能力，可为客户提供优化开发的平台，客户从而可优化产品功能、加强服务竞争力；提供合乎电梯行业惯例的操作界面调试工具；系统加密、专用和可维护性确保了电梯维保的可持续性，保障了安全，客户可牢牢掌握自主知识产权；专门配置的高性能电梯变频驱动单元，集成了艾默生在电梯行业应用上的核心技术，完美地结合在一起，性能卓越。整体系统经过严格地开发测试，稳定可靠。

2  ecs3100系统设计
        如图1所示，ecs3100系统由控制器、pwm控制板、变频器驱动部分组成。控制器与pwm控制板通过配套的扁平电缆、普通双绞线各1根连接，而pwm板与变频器驱动部分通过2根配套的扁平电缆连接。通常安装时将2块电路板置于上方，驱动部分置于下方，并保证通风。如图1-2所示为安装实例。其它方式的安装也可以另行设计，相应的配套连接电缆的长度可调整。

图1  控制器、pwm控制板和变频器驱动部分的连接

2.1 i/o和其它输入输出
        ecs3100输入输出接线简便，具有高可靠、抗干扰的特性。具体体现在以下三点。
        (1) ecs3100系统的数字i/o点都控制器上。有30个普通数字输入点(24vdc)，4个220v高压数字输入点，6个晶体管数字输出点，10个继电器输出点，可满足直梯应用的要求。
        (2)  pwm板上拥有2个模拟量输入、1个模拟量输出、编码器接口等。
        (3)  ecs3100系统的pwm板(变频器)与控制器之间有内部输入输出总线，通过扁平电缆连接，无须接线。
        由于有内部输入输出总线，以往专用微机板或plc与变频器的接线都得到简化。通过编程软件可以很方便地对内部输入输出总线进行端子功能定义。i/o实例如图2所示。

 图2  i/o实例图

2.2 集成操作界面
        操作界面如图3所示。分别为控制器板上的小键盘和手持操作器。

图3  小键盘和手持操作器

        小键盘包括3个led数码管、3个指示灯及4个按键，如表1所示。小键盘用于显示楼层数据、运行方向、故障代码，也可进行其它规定的调试操作。小键盘的显示和操作有三种模式：正常模式，人工控制模式0和人工控制模式1。

        正常模式用于显示电梯状态数据，而人工控制模式0和人工控制模式1均用于调试。

        手持操作器包括4个led数码管、5个指示灯及9个按键，如表2所示。手持操作器主要用于在电梯调试时查询和编辑参数；调试时还能显示楼层数据、运行方向、故障信息，以及进行呼梯、开关门等操作。手持操作器兼容小键盘的功能。手持操作器的显示和操作有五种模式：正常模式，编辑模式、人工控制模式0、人工控制模式1、电动机调谐模式。正常模式用于查询参数数据和显示电梯状态，而编辑模式和2种人工控制模式均用于调试。
        这两种操作界面是可编程和可配置的。其功能为：
        (1) 通过手持操作器可以对全部控制器、变频驱动参数进行设置。
        (2) 提供开放的控制器参数组，用户可自行定义各组参数功能，并且均可用于编程。
        (3) 故障显示代码、记录时间、记录内容可编程、可配置。
        (4) 楼层显示符号可编程、可配置。
        (5) 调试模式可用于开关门、呼梯操作。
        (6) 操作密码有3级(查询密码、调试密码、高密码)，为不同级别的工作人员配置；延时无操作，退出相应状态。
        (7) 元件参数掉电后均保存。
        通过上述功能，实现了电梯的调试操作、运行显示功能，界面简洁，使用方便。
2.3 系统外围接口
        ecs3100系统外围连接can通讯的设备，包括外呼板、指令板、并联梯、**板。其它通讯联接设备包括编程、调试时所连接的编程器、手持操作器等。变频器(pwm板)与控制器通过comm1口连接，如图4所示。

图4  通讯连接示意图

        (1) can通讯接口：共有2个can通讯接口。应用方法：采用can指令：canxmt发送、canrcv接收、canmxmt多帧发送指令，用于对外围设备进行数据发送、确认、响应等操作；采用can口帧接收中断功能，及时处理外呼板等设备发来的数据帧通讯。can0口用于外呼板、轿厢指令板、显示板等外围设备的通讯。由于是自由协议通讯口，可适用于不同厂家及客户自定义协议的can总线外围设备。
        (2) 并梯、**并梯、**通讯采用can1口，应用协议可自行定义，是自由口通讯。通讯时控制器的元件地址均可选择用于数据传输，完全适用于并梯、**功能。**功能可选择艾默生**设备。
        (3) 远程监控。标准的通讯口和协议，可用于对电梯的远程监控、故障报警。
2.4 应用程序开发平台
        采用艾默生controlstar电梯控制器专用编程软件进行电梯应用程序设计。图5为软件界面。

图5  controlstar电梯控制器专用编程软件界面

        controlstar电梯控制器专用编程软件的功能特点是：全中文窗口图形界面——该软件具有友好的全中文窗口图形界面，采用独立图形对象树形目录管理用户工程，如主程序、子程序、中断子程序、系统块、数据块等等，并拥有易用的快捷输入、操作方式。
        (1) 强大的3种标准编程语言平台——梯形图、顺序功能图、语句表，3种语言程序可直接相互切换；
        (2) 适应多种编码器。
        (3) 丰富的中断、通讯、高速计数、实时时钟等资源——直接帮助用户解决此类应用问题，可靠易用。
        (4) 大量方便灵活的开发调试工具——为客户提供开发和调试中需要的诸如加密、程序文件导入导出、监控调试、在线修改、元件和文件注释、时钟设置等等操作。
        (5) 方便有效的在线帮助系统——集成了在线帮助系统，直接辅助客户的编程，通过1个f1键可以直接查询当前光标所选任何对象的帮助信息。
        (6) 远程通讯——具有远程通讯等功能。
2.5 变频驱动性能
        电梯运行主模式为给定停车请求的距离控制模式(简称距离控制)，还可以配置为多段速等其它模式。采用高性能的优化的电梯专用变频器，达到以下性能：
        (1) 闭环矢量同步、异步驱动，优异的性能——可靠性、过载能力、环境适应性、电磁兼容性、舒适性。
        (2) 适应多种编码器。
        (3) 距离控制直接停靠。
        (4) 智能化生成加减速曲线和运行。
        (5) 电机自动参数辨识，井道学习。
        (6) 内置抱闸控制、接触器控制、可编程输入输出端子功能、反馈信号安全功能。
        (7) 人性化交互式时序控制策略。

图6  距离控制运行速度曲线图

        图6为距离控制运行速度曲线图。由此可见距离控制运行时，加减速曲线是自动切换的，实现高效率的运行，能够动态而充分地响应内外呼梯指令。
2.6 程序防破解保护
        ecs3100可通过3类手段对用户程序、数据进行加密和保护，并提供2类防破解功能；
        (1) 强大的程序密码保护功能——程序有监控、上下载密码等多重保护，以及子程序文件加密保护功能。这些密码可设置为高达8位ascii字符的任意组合。
        (2) 加密程序包直接下载功能——用户程序可以编译生成为加密用户程序包，并提供加密用户程序包直接下载安装功能。向控制器下载加密用户程序包、或替换升级程序时，调试人员只能进行程序包下载操作而不能打开程序包查看程序内容，因此既能完成电梯功能调试工作，又无须担心没有足够授权的人员会接触到程序内容。
        (3) 保存功能——程序、数据、故障记录可保存于系统中，安全可靠，不受掉电影响。
        (4) 防破解功能1——通过加密专用编程协议、错误密码锁死机制、禁止格式化等功能来防止非授权人员恶意破解和破坏电梯功能。
        (5) 防破解功能2——禁止上载程序功能，设置后可禁止一切非授权上载。
2.7 系统开发调试方法
        电梯控制系统设计工作分为五个步骤。
        (1) 根据客户需求来选择电梯运行的模式，即变频器的运行模式。电梯正常运行可选距离控制运行模式和多段速运行模式。
        (2) 根据实际设计电梯内外输入输出信号电路。注意i/o的分配。控制器与变频器通过内部输入输出总线进行信号交互。
        (3) 设计电梯通讯系统，分配通讯口。有三点设计要做：
        ● 内外召通讯，通常用can总线，确定通讯协议是关键；
        ● 并联或**功能，通常也采用can总线，确定通讯协议；
        ● 变频器-控制器的内部通讯接口，采用comm1口。这是固定做法，只需要连线即可。
        (4) 做好井道信号设计。井道信号包括有：平层开关信号、强迫减速信号等、上下限位开关、上下极限开关、安全检测信号、门回路检测信号等等。必须参照国家和各企业标准进行设计。
        (5) 用户程序设计和调试。按照上述步骤确定的输入输出设计、利用ecs3100提供的软硬件编程资源、根据驱动时序模型和控制模型来开发用户程序；利用编程软件的调试工具进行用户程序调试；开发调试好故障记录功能；通过编程软件设置全部缺省参数。
2.8 电梯电气安装调试过程
        电梯电气安装调试过程分为六个步骤(供参考)。检查轿厢、井道信号时，还需要做好相应的操作和安全保障，参照电梯行业规范、标准和国家法规的要求。
        (1) 通电前检查。根据作业流程，检查所有的电气元件、线路、设备和容量配置；检查控制器电源、外部i/o，检查驱动输入输出接线。检查完毕，要确保所有的安装接线和配置完全正确。
        (2) 通电检查。确认系统电源工作正常、所有的i/o动作准确无误。
        (3) 电动机参数自学习和其它参数调整。有2方面工作要做：
        ● 进行电动机参数自学习；
        ● 通过操作面板修改参数。
        (4) 慢车试运行。进行慢车试运行。采用检修运行模式。可以适当修改驱动参数，以达到更低速度。通过慢车试运行检查各种信号和动作是否正确。
        (5) 井道自学习。电梯具有井道信号自学习功能。在自学习运行中，电梯会根据实际的井道信号时序等记录相关信号和井道距离数据，并保存在相应的存储器中。初次安装电梯或维修井道信号装置后必须进行自学习。
        (6) 快车调试。通过快车调试，进一步调整称重补偿、运行舒适感、外围设备功能等。
2.9 优化的sfc程序设计语言
        艾默生controlstar电梯控制器专用编程软件提供优化的sfc设计平台，符合iec61131-3标准。所提供的开发调试工具、元件十分丰富易用，还有电梯行业的特定需求解决方案支持。采用sfc程序设计语言，用户程序开发过程变成了一种规范的标准化过程；也为系统维护、改进提供了更为便利的工具。与普通梯型图、语句表语言相比，采用sfc程序设计语言设计系统，能够大大**用户程序的可读性、可描述性、可调试性、可维护性，从而极大地缩短开发周期。图7所示为采用sfc程序设计语言开发的直梯用户程序示例图。

图7  sfc语言设计的直梯用户程序示例

3  采用ecs3100一体化系统所带来的效果
        控制器-变频器一体化无缝连接。简化系统的输入输出，一体化的操作界面，安装接线方便，系统更加稳定可靠。系统构成配置方便。具有自由口协议的can通讯等接口，大大方便外围设备的选择配置，以及实现并梯、**功能。远程监控更为便利。高性能电梯专用开发平台。采用友好的全中文可编程软件界面，三种编程语言、子程序管理、在线帮助、现场和远程调试诊断功能，面向电梯用户的工具和接口，方便了用户使用。
        sfc编程语言**了开发和维护工作的规范性，极大地缩短了开发周期。用户程序保护功能完善。通过三种密码(设置高达8位的密码)，加密包功能和加强的防破解功能，既方便使用，又能完全确保客户的核心利益。优异的驱动性能。实用证明采用ecs3100可得到高效率的距离控制模式、舒适地运行过程、易于使用的参数调试功能。

4  结束语
        由于采用了ecs3100系统作为控制核心，达到了工艺要求，可靠性高，编程简便，密码保护功能完善，通讯功能开发而且易用，客户十分满意。ecs3100已经在电梯行业得到了规模应用

地表水厂担当着石家庄市供水任务的半壁江山，只有改造工程成功完成，才能保证地表水厂生产顺利进行。从某种意义上讲，工程的顺利与否是关乎国计民生的大事；同时将为水行业自控系统的改造开辟成功的先河。

　　改造工程选用稳定性、扩充性、**性和兼容性俱佳的罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC产品作为本次改造的主力自控产品。目前改造工程取得了前所未有的成效，开创了多项技术创新先河。在送水泵房实现了变频调速恒压供水的设计要求，在保证供水管网压力恒定的前提下，仅节电一项一年就可以为水厂节约开支约70万元。同时成功地实现了ControlLogix系统与第三方设备的Modbus通讯，特别是远程的两个取水管理站与中控室之间的数据通讯，采用无线Modbus的方式实现ControlLogix系统与第三方设备之间的通讯，成为整个工程的亮点。改造过程中新PLC系统与旧PLC系统（SquareD自控设备）之间的数据交换采用OPC服务器的方式加以实现，这样既保证了整个水厂的日常制水生产不被中断，又为用户节省了采用过渡硬件设备所需要的投资。两套自控系统自始至终保证数据互联互通，在一般的技术改造工程中是很少见的。使用这种技术，可以保证两套系统真正实现无缝割接。

2PLC自动控制系统的组成

(1)系统简介

　　根据水厂生产工艺及管理要求，在系统设计时以原系统的站点结构为依据,保留原有的6个主站、9个子站。6个主站采用ControlLogix系列PLC；9个子站采用CompactLogix系列PLC，厂区内主干网以及主站与子站之间均采用ControlNet冗余网络，上位机及触摸屏均挂在ControlNet冗余网络上。为保证信号的稳定和介质的抗干扰性，在伴有高电压及大电流的区段选用光纤作为网络介质。厂区中控室与岗南取水管理站和黄壁庄取水管理站数据传输采用无线通讯的方式实现。

(2)系统拓扑结构

图1为八水厂自控系统拓扑图。

图1 八水厂自控系统拓扑图

3变频调速恒压供水系统

　　石家庄地表水厂清水泵房配备三台定速泵，三台变频调速泵。送水泵将两个清水池内的水通过两个出水管线输送到供水管网，原则上保持管网压力恒定。原PLC自控系统，由于未成功完成对变频调速泵的PID参数整定，调速泵的泵速未实现自动调节；加之其配泵方案的设计不适合国情，清水泵房的原PLC自控系统实际只完成数据采集功能，主要设备——送水泵一度处于手动状态，使变频调速恒压供水成为泡影。

　　改造后的清水泵房采用变频调速的运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节调速泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力始终保持在给定值，实现了大限度的节能、节水、节支，并使系统处于可靠的运行状态。恒压供水的实现一方面归功于**合理的工艺设计，根据实际的生产和设备情况重新进行工艺整定，为地表水厂量身定做的配泵方案，使恒压供水、自动配泵终得以实现。另一方面依托ControlLogix系列PLC的强大功能，特别是智能**的PID调节功能，使管网压力的控制精度达到0.5%，远远超过工艺要求，仅高效节能一项直接为地表水厂年节约资金约70万元，带来的隐性效益更是不可估量。

4ControlLogix系统与第三方产品的Modbus通讯

　　由于配电室的中压配电柜控制和数据传输系统选用SEPAM2000，该设备使用Modbus协议，通过SY/NET协议转换器SPE4连接到原有的PLC自控系统。显然在新系统投入使用之后，SPE4已经失去存在的意义了。在这里需要特别提出针对配电室的改造思路。在去掉SPE4之后，SEPAM2000的数据在出口端是使用Modbus协议的。ControlLogix系列PLC有第三方的通讯模块MVI56-MCM来支持对Modbus网络的通讯。我们所要做的工作是在新PLC系统中通过MVI56-MCM模块实现新PLC系统与SEPAM2000的通讯。与使用MODBUS协议的其余第三方设备的通讯与此类似。

　　这种数据流动方式如下图2所示：

图2 数据流动方式

5ControlLogix系统中的无线通讯设计

　　由于岗南水库取水管理站和黄壁庄水库取水管理站的自控系统相对独立，相当于水厂控制系统的两块飞地。水厂中控室只要求实时掌握管理站的运行情况，并没有在系统内向管理站下达任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水厂自控系统的影响，新系统投运后采用无线通讯的方式将管理站内的现场数据传输到水厂控制系统。

　　岗南水库取水管理站的自控系统不在改造范围之内，使用MOTOROLA公司的MOSCAD系列RTU来完成现场设备的监控和数据传输工作，上位软件选用PCSOFT公司的WIZCON组态软件，使用的是MDLC通讯协议。如何通过无线通讯的方式实现ControlLogix系统与第三方设备的互联互通，是工程设计、实施中的一个难点。

　　根据岗南水库、黄壁庄水库和地表水厂之间的特殊的地理、地形情况，在三方组成的无线通讯网络中，黄壁庄水库取水管理站设计为主站，地表水厂中控室为1号从站，岗南水库取水管理站为2号从站。由黄壁庄水库取水管理站读取岗南水库取水管理站的数据，会同自身的数据一同写到地表水厂中控室。无线通讯网络各站点之间采用MODBUS通讯协议，各PLC站点的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS232口与无线通讯网络之间进行数据交换。黄壁庄水库取水管理站的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS485口与使用MODBUS协议的第三方设备——**计进行数据通讯。

　　无线通讯网络的拓扑结构如下图3所示：

图3 无线通讯网络的拓扑结构

6新系统与旧系统的软件兼容

　　由于地表厂自控系统的改造工作不能影响整个供水生产的正常进行，因此改造工作应该是分步骤实施的。这种阶段式改造必然导致新系统与原系统长期共存。那么，两套系统的互联互通就是该项目的又一难点。

　　新旧系统的兼容是暂时行为，在总体投资上不应该过分加大，因此我们选用比较经济的软件兼容方式，即使用第三方的OPC服务器作为两个系统数据交换的桥梁。新自控系统将已改造站点的数据按照原系统的数据格式写入原自控系统，从而保证原自控系统的显示完整。为了完成这一目的，新自控系统增加OPC服务器，同时原自控系统内的PLC程序将做必要的改动以适应这种运行模式。

　　实现兼容的方式如下图4所示：

图4 实现兼容的方式

7结束语

　　ControlLogix系统在石家庄地表水厂运行稳定，以其**的技术充分满足了水厂自控系统的要求。变频调速恒压供水的实现展示了PLC的强大功能，与MODBUS第三方产品的通讯和兼容证明了系统的可扩展性和开放性强，进一步扩展了罗克韦尔自动化的PLC应用的空间和灵活性。