基于PLC的電梯控制系統的設計與仿真

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(甘肅嘉峪關宏豐實業有限責任公司，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

隨著我國現代社會文明的不斷發展，人們物質文化生活水平的不斷提高。各地高樓大廈像雨后春筍般地矗立起來，電梯己經成為各高層建筑不可或缺的垂直交通工具，或承擔著貨物的運輸、或擔負著人員的交通，己經成為我們工作和生活中的必需設備[1-3]。

由于大部分老式電梯的電氣控制系統可靠性欠佳，用戶尋求對電梯的電氣控制系統進行技術改造，以便節約資金。因此，對電梯的控制系統進行研究，提出一條適合國產老式傳統電梯的改造技術，并進而提高國產電梯的技術水平和質量，將具有十分重要的意義[4-5]。針對老式傳統電梯采用的繼電器邏輯控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作壽命短等缺陷，論文提出采用功能強、故障率低、可靠性高的可編程控制器(PLC)來控制電梯系統[6-7]。并利用GX-DeveloperV 7.0軟件對六層電梯控制系統進行了模擬運行調試，并利用簡單指令、復雜指令對電梯的控制系統進行仿真運行，給出電梯的仿真結果顯示窗口。

1 電梯控制系統的硬件設計

隨著工業自動化技術的發展，電梯的控制技術經歷了由繼電器控制系統向PLC控制系統轉變的過程。PLC電梯控制系統和其他類型的電梯控制系統一樣，主要由信號控制系統和拖動控制系統兩大部分組成。如圖1所示為電梯PLC控制系統的總體結構圖，主要硬件包括PLC主機及擴展、機械系統、轎廂操作盤、廳外呼梯盤、樓層指層器、門機、調速裝置與主拖動系統等。系統控制核心為PLC主機，操作盤、呼梯盤、井道及安全保護等信號通過PLC輸入接口送入PLC中去，然后通過軟件程序控制向拖動系統發出信號，以滿足電梯實現起動加速、制動減速和上下方向運行等功能。

系統采用轎廂外召喚，轎廂內按鈕控制方式的自動控制形式，電梯由安裝在轎廂內的指令按鈕進行操作，其操作內容為響應，轎廂內指令依層次指令運行起動電梯，使電梯到達目標層。電梯上行、下行由一臺交流電動機來驅動，電動機正轉，電梯上升；電動機反轉，電梯下降；并可以實現電梯的啟動加速、穩定運行、制動減速等調速環節。電梯轎廂門由另一臺它勵直流電動機驅動，該電動機正轉，轎廂門開，電動機反轉，轎廂門關，每層電梯都設有呼叫按鈕，轎廂內開門按鈕，轎廂內關門按鈕。電梯的廳門外每層都有樓層位置的數碼管顯示裝置及電梯運行方向指示燈等裝置。

圖1 電梯PLC控制系統的總體結構圖

2 電梯控制系統的軟件設計

2.1 軟件設計思想及主程序流程圖

在電梯控制系統中，有大量的邏輯信號需要處理，這部分工作是由PLC來完成的，系統中的軟件能根據電梯的運行要求及保護要求由PLC來實現邏輯信號的控制。

電梯控制系統軟件大致可分為：電梯開關門及保護和故障顯示模塊、樓層信號的產生消除和數碼管顯示模塊、外呼信號的產生消除和顯示模塊、轎廂內選信號的產生及消除與顯示模塊、電梯的確定上下行方向模塊、電梯停層信號的產生和消除模塊、電梯停車制動模塊、電梯自動運行時啟動加速和穩定運行模塊等幾大模塊。樓層信號的產生與消除模塊主要是由PLC的比較指令和加減指令讀入樓層信息并將該記憶信號存入對應的中間繼電器，直到樓層改變為止并用七段數碼管顯示樓層的位置。電梯的確定上下行方向模塊主要是完成電梯在響應呼叫時做出的向上運行還是向下運行的判斷。電梯停層信號和制動模塊是要求電梯在運行到目標樓層檢測點時即進入減速制動狀態，而電梯在運行過程中會遇到很多的樓層檢測點，只有到目標樓層的檢測點時才會發出減速信號，電梯在經過目標樓層檢測點時接到這個信號就開始制動減速了。電梯轎廂開關門電路模塊和按鈕記憶指示燈顯示電路模塊是為了控制轎廂的開關門和按鈕接通之后需要指示的發光二極管電路。將這些模塊逐一進行梯形圖編程，并按順序連接在一起就構成總程序。

根據軟件設計的模塊化編程思想，可以畫出電梯控制系統的主流程圖如圖2所示。

圖2 電梯控制系統的主流程圖

2.2 三菱PLC的I/O設計及機型的選擇

根據系統需要控制的開關量信號，設備大約有36個輸入節點，36個輸出節點需進行控制，所以選用常用的整體式三菱FX-ZN系列PLC作為主控制器。故設計中選擇PLC的型號為FX-ZN-80MR，其輸入輸出節點各為40個。

2.3 電梯部分環節梯形圖軟件設計

2.3.1 樓層位置的數碼管顯示環節

樓層的具體位置可由七段數碼管顯示，并且PLC的輸出端直接可與七段數碼管連接，無需外部硬件譯碼器，由PLC的軟件程序直接驅動七段數碼管用來顯示樓層位置。在七段顯示電路中，PLC的輸出端子Y34}-Y37信號就可以控制數碼管相對應區段的亮或滅，以組成相應的字形，來表示當前電梯所處的樓層位置。其程序如圖3所示。

圖3 電梯樓層位置的顯示梯形圖

2.3.2 電梯關門環節

電梯的關門環節主要由以下五部分組成，將五種情況的梯形圖程序進行并聯，就得到關門環節總的梯形圖，其總程序梯形圖如圖4所示。

(1)電梯停用時的關門。

(2)電梯在停站時的提前關門。

(3)電梯的自動關門。

(4)電梯門被夾或電梯超重時禁止關門。

(5)電梯在檢修狀態下的關門。

圖4 電梯關門環節梯形圖

2.3.3 轎廂內選層的產生、消除與顯示環節

電梯在運行過程中司機或乘客可通過對轎廂內一層至六層內選層按鈕(X14～X21)的操作，選擇自己欲去的樓層。如果電梯內選層按鈕被按下后，相對應的內選樓層按鈕下的指示燈會點亮(Y14～Y21)。當電梯運行至所選擇的樓層位置后，電梯的轎廂內選樓層信號應當被消除，相對應的指示燈也應熄滅。下圖給出電梯的一層至四層的轎廂內選信號的產生與消除環節，其程序梯形圖如圖5所示。

圖5 電梯一層至四層轎廂內選信號梯形圖

3 電梯運行的模擬調試及仿真

3.1 GX-Simulator 6.0軟件簡介

三菱全系列PLC仿真調試軟件GX simulator 6.0：首先，仿真軟件的功能就是將編寫好的程序在電腦中虛擬運行，如果沒有編好的程序，是無法進行仿真的。所以，在安裝仿真軟件GX Simulator 6.0之前，必須先安裝編程軟件GX Developer 7.0，并且版本要互相兼容。其次，安裝好編程軟件和仿真軟件后，在桌面或者開始菜單中并沒有出現仿真軟件的圖標。因為仿真軟件被集成到編程軟件GX Developer 7.0中了，其實這個PLC仿真軟件相當于編程軟件的一個插件。

程序編程結束后需進行程序的調試仿真。即可進行梯形圖的調試仿真。如圖6所示為PLC梯形圖仿真控制窗口，可控制仿真程序的停止與運行等。

選中PLC梯形圖仿真控制窗口工具欄的菜單啟動(s)中下拉菜單的繼電器內存監視，則出現了DEVICE MEMORY MONITOR浮動窗口，在此窗口中的軟元件中點擊X和Y，就會出現仿真浮動窗口，如圖7所示。圖7中的輸入信號X按電梯的運行規律人為設置，在輸出信號Y中就會有相應的輸出。下圖中X為深色陰影時，表示輸入動作，即對應PLC中的輸入指示燈亮；Y為深色陰影時，表示此時電梯有輸出信號，即PLC中的輸出指示燈亮。并且還可以對照PLC控制的I/0分配表驗證。

圖7 仿真結果顯示窗口

3.2 電梯運行時單指今的仿真

單指令運行調試這是一種最簡單的調試方法，檢查所設計的程序在完成其最簡單的控制功能時是否會發生錯誤。若各種調試無錯誤，則再采用相對較復雜的方法進行調試。下面以上行和下行兩種情況為例來進行電梯運行時的單指令仿真。

(1) 當電梯安全運行繼電器X42接通，并且鎖梯開關X43、自動運行繼電器X37都將動作時，電梯安全運行指示燈Y41、風扇Y42、照明燈Y43都亮。在此情況下，利用下置數開關X35動作，使電梯樓層顯示一層，即Y34亮。三層內選按鈕X16和五層上行按鈕X31相繼動作，使電梯的輸出三層內選記憶指示燈Y16及五層上呼指示燈Y31亮。并且經過當前電梯所在樓層位置與目標層比較得到電梯上行指示燈Y4亮。由于電梯的門鎖繼電器 X36沒閉合，所以電梯無法運行。其仿真結果如圖8所示。

圖8 電梯位于一層、三層內選、五層上行仿真結果

(2)當電梯安全運行繼電器X42接通，并且鎖梯開關X43、自動運行繼電器X37都將動作時，電梯安全運行指示燈Y41、風扇Y42、照明燈Y43都亮。在此情況下，利用上置數開關X34動作，使電梯樓層顯示六層，即Y35和Y36同時亮。進而二層內選按鈕X15和四層內選按鈕X17動作;緊接著三層下行按鈕X26、四層上行按鈕X27相繼動作。使電梯的輸出二層、四層內選記憶指示燈Y15, Y17亮;并且三層下呼、四層上呼指示燈Y26, Y27亮。經過當前電梯所在樓層位置與目標層比較得到電梯下行指示燈Y5亮。由于電梯的門鎖繼電器X36沒閉合，所以電梯無法運行。其仿真結果如圖9所示。

3.3 電梯運行時復雜指令的仿真

單指令運行調試之后，再下來就是較復雜指令的調試，以確保程序在多條指令運行時的正確性。電梯的復雜指令運行調試是在無規律呼叫電梯時看電梯的運行狀態是否符合正常邏輯。這種調試最容易發現一些潛在的開始不易發現的問題。

圖9 電梯位于六層、二層內選、四層內選、三層下行、四層上行的仿真結果

例如，電梯轎廂原來停在一層，此時三層內選按鈕、五層下行按鈕相繼動作。此時電梯將向上運行，運行到三層位置時經過制動減速、平層開門、關門等程序后電梯將繼續向五層運行，運行到五層后經過制動減速、平層開門、關門等程序后，二層內選按鈕再動作，電梯又要向下運行，經過四層、三層、二層、最終到達二層關門后電梯處于待命狀態。

通過對電梯控制系統的反復模擬調試和仿真結果的軟元件(X和Y)狀態分析，其仿真結果表明所設計的梯形圖程序正確，符合電梯實際的運行規律，實現了交流雙速電梯的基本功能。

4 結束語

文中僅設計了六層電梯的控制系統，通過軟件的調試和電梯的仿真運行基本實現了電梯的功能。但還存在一些不足之處，例如：設計時未考慮樓層之間電梯運行的自學習功能，電梯的調速系統沒有采用變壓變頻調速技術(VVVF)，由于實際條件的限制，本設計只進行了軟件的調試和電梯的仿真運行，沒有進行外圍硬件的連接和安裝調試。總之，電梯行業是一個不斷發展的事業，電梯控制系統將隨著科技的發展而日趨完善，電梯的性能也將進一步提高。未來的電梯控制系統將具有智能化、小型化、安全化、信息化等特點，更加符合人體運動的生理特性，將為人們的生活與工作提供安全可靠、高效舒適的人性化服務。

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