基于西門子PLC的電梯控制系統的設計

歐陽敏

(湖南軟件職業學院，湖南湘潭 411100)

0 引言

電梯是人們生活、工作中常用的運輸載具，具有重要的貨運和人員運輸功能。而大多數老式電梯由繼電器控制，繼電器存在易發故障、可靠性不好等一系列缺點。老式電梯適用的繼電器控制控制觸點多，故障率高、成本高。相較于繼電器，PLC使用軟件編程來實現電梯控制，接線簡便且故障率低，因此，電梯邏輯控制已被PLC控制所取代。隨著微電子技術，計算機技術和自動控制技術的飛速發展，交流變頻調速技術的應用更加廣泛，電梯驅動技術已經演變為電壓調節、頻率調節模式。

隨著電子技術的迅速進步和應用，PLC以其出色的可靠性和強大的抗干擾能力受到公眾認可。PLC可以顯著提高電梯系統的可靠性和控制效率，因此成為當前最常用的控制模式。同時，用于常規繼電器控制系統的技術改造非常方便。針對使用西門子PLC的電梯控制系統設計進行探討，討論如何使用PLC實現電梯控制，對于促進我國電梯業的發展非常重要。

1 電梯控制基本要求

電梯控制系統主要滿足以下控制要求。

(1)電梯有兩種模式：強制運行和自動運行。(2)自動定向：如果電梯轎廂中控制面板的選層方向與電梯的方向不同，則電梯必須能夠根據指令自動確定行進方向，電梯完成所有前進指令后應該能夠自動改變方向并響應相反方向的信號。(3)呼叫記憶：電梯在行駛過程中需要記住呼叫信號，在與運行方向相匹配的前進方向停下轎廂，先記住與電梯運行方向不匹配的呼叫指令，然后電梯向后移動時執行指令。(4)電梯內部選擇信號、外部呼叫信號、運行方向和電梯樓層位置均裝有指示燈。(5)達到樓層后，電梯能夠自動/手動開關門。如果有障礙物，電梯門將自動打開。在正常情況下，電梯將自動停止3～5s，然后自動關閉。當按下門關閉按鈕時，門將立即關閉。(6)電梯運行時，前門和轎廂門均無法打開。如果在達到樓層后打開轎廂門，電梯將不會移動。(7)電梯有各種防護措施[1]。

圖1 基于PLC的電梯控制系統硬件結構

2 系統機械結構組成

(1)主體結構。如圖1所示，主要組件為安全防護系統、電氣控制系統、電力驅動系統、配重系統、轎廂系統，門控制系統、導向系統、牽引系統、各種指示燈、各種按鈕、PLC等。

此次設計的電梯控制系統采用了基于PLC的控制模式，是以信號控制和拖動速度控制為核心的PLC集中控制方案。從圖1可知，系統核心組件是PLC。 PLC的CPU模塊從輸入模塊接收電梯的運行狀態信號、安全保護信號、電梯停車信號，門機控制系統信號、電梯呼叫信號等。由CPU模塊處理后轉換成控制信號。

(2)牽引系統。對于所有電梯，首先要考慮的是安全。對于電梯控制系統，牽引系統的設計必須更加全面科學，因為牽引系統對安全性有直接影響。電梯在運行時會受到許多因素的影響，例如轎廂的方向、位置和負載。無論電梯的運行狀態如何，都需要確保電梯始終具有足夠的驅動力。結合相關研究數據，電梯的牽引條件如下：電梯的牽引系數必須大于或等于磨損影響系數×加速度系數×最大靜態張力的比值。

(3)配重系統。顯然，重量補償裝置是配重系統中的核心組件。為了獲得最佳的平衡效果，必須準確計算電梯轎廂的自身重量和轎廂的額定負載，包括滿載和空載的電梯，以最大程度地減少牽引裝置的消耗，有效避免鋼絲繩打滑。此外，配重應合理設計。否則，將難以調整，這將對電梯的有效性及其整體性能產生重大影響，并且很容易導致蹲底或沖頂事故。

(4)安全保護裝置。主要用于安全保護，例如緩沖器、限速器。如萬一發生轎廂掉落或電梯超速等危險情況，安全保護裝置必須能夠及時執行必要的保護功能完成保護動作，以免造成財產損失或人身傷害。安全裝置的主要功能是在發生事故時確保轎廂停留在導軌上并切斷電源。

(5)變頻調速裝置。為了電梯能夠平穩運行，在電動機速度調節過程中，電動機必須始終保持恒定的最大轉矩狀態，即相對恒定的磁通量。從而確保過載能力總是恒定的。

3 基于PLC的電梯控制程序設計

3.1 電梯控制模式

電梯控制模式可分為兩種狀態：強制運行和自動運行[2]。如需檢修電梯，可以按下“檢修”按鈕以強制電梯運行。此時，電梯將不會響應正常的呼叫信號，但可以使用手動門打開/關閉按鈕打開和關閉電梯，并且可以使用“手動向上按鈕”和“手動向下按鈕”使電梯順著導軌自由地上下移動。僅在電梯位于每層時，“手動開/關按鈕”和“手動開/關按鈕”才能開啟轎廂門。檢修工作結束后，電梯即可恢復自主運行。當電梯正常運行時，如果檢測到轎廂中有一個內部選擇按鈕，或者有外部呼叫信號時就會根據內部選擇按鈕的記錄來確定轎廂的行進方向。通過調節變頻速度，電梯從低速開始運行。當檢測到將達到某層時，電梯控制系統漿執行減速和制動操作實現平穩停車，大大提高了電梯的舒適度。達到樓層時，門開，知道碰到限位開關，開門結束。如果在設定的延遲時間內未檢測到轎門開/關按鈕信號，則轎門將自動關閉。電梯的運行過程遵循前向優先響應和反向攔截的原理，持續進行一層啟動，另一層停止的運行過程。

3.2 軟件設計

3.2.1 模塊化編程

電梯控制系統采用集中選擇控制系統。本次設計使用模塊化編程方法將電梯控制系統的整個軟件設計分為以下主要模塊：初始化模塊、平層控制模塊、外呼指示燈控制模塊、內部指示燈控制模塊、樓層顯示模塊、門開關控制模塊、電梯上下移動控制模塊等。

3.2.2 系統初始化

上電后必須先初始化控制系統。使用SM0.1初始化脈沖來查看電梯轎廂是否處于關閉狀態。如果門關閉，保持不變。如果門沒有關閉，請將其設置為關閉并驅動。另外，還需要檢查電梯是否出于平層。為了發送平層信號，電梯每一層的水平信號必須既是上水平信號又是下水平信號。如果電梯不在平層位置，則平層中間繼電器電位為1。如果電梯處于平層狀態，保持并復位中間繼電器。

3.2.3 電梯內部選擇和外部呼叫指示燈控制

(1) 內部選擇指示燈的控制。電梯轎廂的每一層都有一個內部選擇按鈕和一個相應的指示燈。當乘客按下所需樓層對應的按鈕時，相應樓層上的指示燈將點亮。當轎廂達到相應的樓層并打開門時，指示燈熄滅。

表1 數碼管解碼真值

(2)外部呼叫指示燈的控制。在2樓和3樓分別有上行呼叫指示和下行呼叫指示。在1樓只有向上呼叫指示，在4樓只有向下呼叫指示。1樓和4樓的指示燈與內部選擇指示燈相同。當乘客按下呼叫按鈕時，相應的呼叫指示燈將亮起。當一樓或頂層的電梯打開時，呼叫信號消失。相應的指示燈熄滅。為了消除二樓和三樓的指示燈，電梯的行駛方向必須與呼梯方向一致。當電梯到達地面時，您需要關閉呼叫信號。程序的此部分使用呼叫輔助繼電器。

3.2.4 電梯位置顯示控制

電梯的位置顯示在數碼管上，并由PLC軟件設計進行解碼，數碼管與PLC輸出端連接。數碼管解碼真值表如表1所示。

PLC輸出1表示該段處于打開狀態，而輸出0表示該段處于關閉狀態。可用0來表示字段點亮并顯示樓層位置。根據真值表和平層信號，利用七段顯示譯碼指令SEG或傳送指令MOV都可設計電梯位置顯示控制程序。

3.2.5 電梯門的開/關控制

電梯門在以下三種情況下打開：(1)電梯根據呼叫信號或內部選擇信號自動打開門。當電梯自動運行到平層位置時，電梯開始打開門。(2)手動打開門。它由開門按鈕控制。(3)呼叫電梯并打開門。電梯到達某個樓層后，如果此時沒有人繼續使用電梯，則電梯將停在該樓層上[3]。當有人呼叫該樓層的電梯時，電梯將首先打開門。在兩種情況下，電梯門都是關閉的。1)電梯自動運行時，門關閉。達到樓層后，電梯將打開門，一段時間后電梯將自動關閉。2)手動關閉門。如果延遲時間尚未到期，則可以使用手動關門按鈕預關閉門。S7-200系列CPU226型有兩個模擬電位器。通過旋轉電位器，可以在PLC的特殊標記存儲器中更改SMB28和SMB29的值。可以通過將SMB28或SMB29值用作計時器預設值來以硬件格式更改計時時間[4]。

3.2.6 電梯上下運行顯示控制

電梯運行時，首先檢查電梯是否處于上升或下降狀態。當有人按下電梯的內部選擇或外部呼叫按鈕時，控制系統會將電梯的位置與內部選擇或外部呼出信號進行比較。如果人剛好在電所處的樓層就可以直接打開門，如果高于或低于電梯所處樓層，電梯需要上下運行，當電梯確定方向時，上行中間繼電器或下行中間繼電器控制電梯上下運行[5]。

4 結語

綜上所述，本次設計的電梯控制系統實際應用效果很好，說明基于PLC和變頻器的組合使電梯控制系統安全穩定地運行，并降低電梯的能耗。由于時間和實驗條件的限制，本文設計的電梯控制系統在某些方面還不夠完善，需要進行更深入的研究，需要考慮更有效地選擇電梯方向的原則。簡而言之，電梯行業是一個不斷發展和完善的行業。隨著科技的進步，電梯控制系統將越來越完善。將來的電梯控制方法將是同時操作多部電梯的組合控制方法，使電梯運行智能、更舒適。