基于PLC的電梯控制系統(tǒng)

張淑坤

（新鄉(xiāng)市技師學(xué)院 新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

機(jī)械制造及其自動(dòng)化是一門研究機(jī)械制造理論、制造技術(shù)、自動(dòng)化制造系統(tǒng)和先進(jìn)制造模式的學(xué)科。PLC（可編程序控制器）作為新一代工業(yè)控制器，以其高可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，成為當(dāng)前自動(dòng)化控制的熱點(diǎn)之一。電梯作為一種垂直方向上的交通工具，廣泛地進(jìn)入了賓館、倉庫、住宅等場合。早期安裝的電梯多為繼電器控制方式，其最大缺點(diǎn)是故障率較高，可靠性差。PLC在電梯控制中得到了日益廣泛的應(yīng)用，是電梯由傳統(tǒng)的繼電器控制方式發(fā)展為自動(dòng)化控制的一個(gè)重要方向，是改造在用電梯符合國情的有效途徑。

1 電梯的構(gòu)造及控制要求

電梯是一種特殊的起重運(yùn)輸設(shè)備，由轎廂及配重、拖動(dòng)電機(jī)及減速傳動(dòng)機(jī)械、井道及井道設(shè)備、召喚系統(tǒng)及安全裝置構(gòu)成。如圖1所示，可見電梯的轎廂及配重分系在鋼絲繩的兩端，鋼絲繩跨掛在曳引輪上，曳引輪經(jīng)減速機(jī)構(gòu)由電機(jī)拖動(dòng)，形成轎廂的上下運(yùn)動(dòng)。

實(shí)際中，電梯服務(wù)的對象是許多乘客，乘客乘坐電梯的目的地是不完全一樣的，而且每一個(gè)乘客呼叫電梯的時(shí)間有前有后。因此，對電梯的控制有很多要求：電梯位置的確定與顯示、轎廂內(nèi)的運(yùn)行命令及門廳的召喚信號、電梯自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的信號響應(yīng)、安全保護(hù)、以及對控制信號的響應(yīng)。在上下流程中，遵守的主要原則是“內(nèi)呼優(yōu)先，上行上優(yōu)先，下行下優(yōu)先”，上行流程與下行流程相對稱。

圖1 電梯拖動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

用PLC組成的控制系統(tǒng)，省掉了接口電路的制作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可靠性高。PLC是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制的專用計(jì)算機(jī)，實(shí)質(zhì)上屬于計(jì)算機(jī)控制方式。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、編程簡單、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。直接將電梯的內(nèi)外呼梯信號、層位檢測信號、限位信號、開門關(guān)門信號等開關(guān)量接到PLC的開關(guān)量輸入端，PLC提供的24 V直流電源可作為指示燈的電源，用PLC的輸出點(diǎn)直接控制變頻器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停和多段速控制等，系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

3 調(diào)速系統(tǒng)

由三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n=（1-s）60f/p可知，只要連續(xù)改變f，就可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。但變頻調(diào)速時(shí)要注意變頻與調(diào)壓的配合，通常分基頻以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速。變頻器主要由三相變頻整流電路、逆變電路和控制電路組成。其中，控制電路的決定了變頻器性能的優(yōu)劣，包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾部分，主要作用是將檢測電路得到的各種信號送至運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的門極驅(qū)動(dòng)信號，并對變頻器以及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。

電梯的曳引電機(jī)為鼠籠型三相交流異步電機(jī)；為提高乘坐舒適性，選用變頻器來進(jìn)行調(diào)速控制。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）變頻器的容量選擇：變頻器的容量可根據(jù)曳引電機(jī)功率、電梯運(yùn)行速度、電梯載重與配重進(jìn)行選取。設(shè)電梯曳引電機(jī)功率為P1，電梯運(yùn)行速度為V，電梯自重為W1，電梯載重為W2，重力加速度為g，則：P1=K2V[（W1+W2）g+F1]；F1=K1（W1+W2）g

式中K1為摩擦系數(shù)，K2為可靠系數(shù)。確定曳引電機(jī)功率后，根據(jù)變額器額定電流大于電動(dòng)機(jī)最大工作電流原則選定變頻器的容量。

（2）制動(dòng)電阻：制動(dòng)電阻消耗回饋電能，并抑制直流電壓升高。當(dāng)電梯減速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器回饋電能。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速下降，交—直—交變頻器的直流部分電壓升高，為了能消耗回饋電能，并抑制直流電壓升高，必須配置制動(dòng)電阻。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)的主流程

用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)可以把主要精力用于軟件編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。現(xiàn)在市面上的各種PLC都有比較強(qiáng)的軟件功能，尤其是各類功能指令，其功能更為豐富。三菱FX系列用以替代繼電器、接觸器控制系統(tǒng)，基本邏輯指令有20條，可以直接進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、傳送比較、移位循環(huán)等，以及外部I/O指令，編程的靈活性毫不比單片機(jī)遜色，由于采用梯形圖編程，程序的編制、檢查、調(diào)試極為方便，SFC的使用更使得各種聯(lián)鎖、分支、選擇等易于實(shí)現(xiàn)，大大減輕了程序編制的工作量，縮短了控制系統(tǒng)的研制開發(fā)時(shí)間。圖4給出了用PLC實(shí)現(xiàn)的電梯控制系統(tǒng)的主程序流程。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

4.2 梯形圖的設(shè)計(jì)

（1）電梯轎廂內(nèi)部控制的PLC編程設(shè)計(jì)。電梯內(nèi)部的3個(gè)呼叫按鈕所指定的是電梯的運(yùn)行目標(biāo)。因此在電梯未達(dá)到指定目標(biāo)時(shí)，該層呼叫燈應(yīng)一直顯示（為綠），因此輸出時(shí)就應(yīng)該使用保持繼電器。另外，當(dāng)電梯達(dá)到指定樓層時(shí)，呼叫燈應(yīng)該滅掉，即保持繼電器斷開。以第1層內(nèi)呼叫燈為例，所得程序如圖5所示。

（2）電梯轎廂內(nèi)樓層顯示器PLC控制程序設(shè)計(jì)。樓層顯示器是以電梯是否碰到行程開關(guān)決定的。顯示器同樣有保持特性。另外要替換某一顯示器的值，需要電梯接觸到其上層或下層的行程開關(guān)。以第2層為例，如圖6所示。

圖5 第1層呼叫燈控制程序

圖6 第2層樓層顯示器控制程序

（3）電梯外部操作與顯示的PLC程序設(shè)計(jì)。電梯外部呼叫與內(nèi)部呼叫是類似的。一個(gè)呼叫燈的接通對應(yīng)于相應(yīng)的外部呼叫接通，其關(guān)閉條件為相應(yīng)行程開關(guān)閉合，相應(yīng)升降指示燈閉合。另外，外部呼叫同樣有保持性，故也應(yīng)使用保持繼電器作為輸出。需要指出的是第1層、第3層的呼叫是單向的，故其關(guān)閉條件也相應(yīng)變?yōu)樾谐涕_關(guān)閉合“AND”電梯升降斷開，如圖7、圖8所示。下呼叫與上呼叫類似，不同之處在于關(guān)閉條件中的Y012（上升指示）應(yīng)換為Y011（下降指示）。

圖7 第2層外部呼叫

圖8 第1層、第3層外部呼叫

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用PLC和變頻器來實(shí)現(xiàn)電梯的控制，以PLC為控制平臺，變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速的模型電梯系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用了三菱FX0S可編程控制器編寫的1個(gè)3層電梯的控制系統(tǒng)，F(xiàn)X0S的功能簡單實(shí)用，性價(jià)比高，很好的實(shí)現(xiàn)了對電梯的控制。

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