基于PLC的老舊小區電梯控制系統設計*

陳麗娜，馬凡琳

(國網平涼供電公司，甘肅 平涼 744000)

0 引 言

隨著我國人口壽命的增長，生育意愿的不斷降低，我國已經進入老齡化社會。在一些老舊社區，往往采用的是步梯設計，大量的老人上下樓十分不便。對老舊矮層樓房進行改造，安裝電梯是必然趨勢[1]。

在我國的傳統電梯技術中，主要采用繼電器控制[2]。線路非常有可能出現開路、短路的電路故障，而且維修和保養非常困難。汪麗群等[3]將電梯運輸能力與乘客需求狀態結合起來，提出一種基于PLC的電梯并聯控制優化設計。曾新紅等[4]運用PLC控制器和WINCC組態軟件，設計了六部十層電梯仿真控制系統。陳鵬飛[5]基于西門子S7-1500、WINCC組態軟件和TIA Portal15.1博圖軟件，針對多部多層電梯實現集群控制功能。使用PLC控制的電梯靈活程度高、穩定性好，變更功能時只需要更改梯形圖語句，不需要重新連接電氣線路。因此，進行基于PLC的電梯控制系統設計具有重要的現實意義[6]。

此次研究詳細分析了電梯的整體結構及其控制邏輯，根據控制邏輯繪制出了邏輯流程圖。隨后分析了電梯的安全策略需求，設計了電梯控制系統方案，給出了基于PLC電梯控制系統整體設計方案，并運用組態王軟件建立了電梯實際運行時的畫面，最終實現了電梯的平穩安全運行。

1 電梯控制系統方案設計

電梯結構及工作原理如圖1所示，電梯控制系統的結構有井道、引導輪、轎廂、曳引電動機、上下限位行程保護開關和平層傳感器。上下限位行程保護開關是為了防止曳引電動機超過額定動作區域繼續工作。一層作為電梯轎廂的基站，當觸發檢修信號后，電梯轎廂返回基站。各種傳感器根據自身工作特性，發揮監控和傳輸信號的作用，控制曳引電動機和門電機啟停[7-8]。

圖1 電梯結構及工作原理圖

圖2 電梯控制流程圖

2 基于PLC電梯控制系統的軟硬件設計

2.1 PLC選型

采用德國西門子公司研發的STEP-7作為編程軟件，采用西門子公司的S7-200系列PLC作為控制器[9-10]。

根據輸入、輸出的數字量來分配I/O點數。根據控制要求，電梯控制系統共使用了33個數字輸入量和30個數字輸出量。選用CPU226為基本單元，其自身的輸入點有24個，輸出點有16個。電梯的輸入信號不是連續的，所以選用數字量擴展單元模塊，型號為EM223，輸入點和輸出點數均為16。電梯控制共計40路輸入量，32路輸出量，輸出類型選擇晶體管輸出。

在系統通訊中，PC機將控制程序傳入PLC中，PLC收到控制程序，內部經過編譯，變為內部存儲器的狀態；PLC將自己的狀態送到PC機中，PC機收集到重要信息，進行實時的監控。

2.2 電梯硬件選擇

(1) 電梯開關門限位開關 開關門限位開關屬于自鎖類型的開關。開門限位開關的類型為行程結束型，觸點類型為常閉，無信號時閉合，有信號時斷開。關門限位開關的類型為撞擊型，一般安裝在電梯轎廂的門框邊緣處，只有轎廂的兩扇門接觸，輕微撞擊，關門限位開關才會產生信號。

(2) 電梯平層感應器 電梯平層感應器采用永磁感應開關，永磁平層感應開關運行穩定，結構簡單，電梯安裝人員容易操作。當轎廂靠近永磁開關，其內部的彈簧片通過磁力吸合，內部電路被導通，將轎廂平層信號傳給PLC。轎廂離開永磁平層感應開關，磁力消失，彈簧片通過彈力被彈開，電路斷開，輸入信號消失。

2.3 電梯電路硬件設計

(1) 主電路設計 在此設計中，電梯的主要服務對象為老人，所以電梯定義為低速電梯(4 m/s)。在計算電梯曳引電動機功率時，考慮的因素有承載重量、電梯的速度等[11]。

圖3為曳引電動機的主回路，電感和電阻為串入電動機定子回路的一部分。

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圖3 曳引電動機主回路

曳引電動機由外部380 V，電壓頻率為50 Hz的三相交流電源L1、L2、L3三根相線供電使用。QB1為總電源的開關，作用是控制整套電梯設備電源的通斷。交流接觸器的主觸點QA1負責曳引電動機的正轉，QA2負責反轉；QA3為電梯的高速運行接觸器，QA4為低速制動運行接觸器。當曳引電動機開始正反轉的時候，QA1與QA2任選其一與QA3閉合，曳引電動機開始平穩加速，經過通電延時繼電器的作用，QA5閉合，電阻和電感被短路，電動機開始高速運行。若PLC發出停車信號，QA3斷開，QA4閉合，曳引電動機開始減速制動；在通電延時器的影響下，QA6-QA8依次閉合與斷開，轎廂進入一、二、三級制動，實現平穩停車。

M2是門電機。DC模塊分別與一根火線和一根零線相連，二者為相電壓，經DC模塊后，轉為24V的直流電壓供門電機使用。門電機控制轎廂門的打開與關閉。QA9為開門交流接觸器的主觸點，QA10為關門接觸器，QA11為關門制動接觸器。FA為熔斷器，當門電機發生短路故障時，電流將會異常大，熔斷器中的保險絲將會快速融化，將電路切斷。BB3為熱繼電器，對24V門電機實行過載保護。熱繼電器可避免電機長時間超負荷運行。門電動機主回路見圖4。

圖4 門電動機主回路

(2) 控制回路設計 曳引電動機控制回路如圖5所示。TC為控制變壓器，可將兩根火線間380V的線電壓轉變為220V的交流電壓。BB1與BB2是熱繼電器的輔助常閉觸點，當曳引電動機長時間超負荷運行后，熱繼電器動作，常閉觸點得到電信號后斷開，使控制回路失效。若PLC的輸出點Q2.6發出指令，中間繼電器的常開觸點KF1得到電信號后，產生動作常開觸點閉合，交流接觸器的KF1、KF3線圈有信號，在主回路中主觸點KF1、KF3閉合。通電延時器的線圈KF6開始延時0.5 s，經過延時后常開觸點KF6閉合，線圈QA5得到信號，主觸點閉合，電梯的速度加快。曳引電動機反方向轉動與正轉的控制回路相似，常開主觸點QA1斷開QA2閉合，通過改變電動機任意兩相的相序實現反轉。電動機正反轉的控制回路采用互鎖的設計，使其二者在任意時刻都不可能同時導通。PLC的輸出點Q3.0發出停車靠站指令，中間繼電器常開觸點KF3閉合，交流接觸器QA4、QA6的線圈得電，在主回路中閉合，電動機開始進入一級制動階段。常閉觸點KF3斷開，在主回路中常開觸點QA5與QA3斷開，電動機加速過程結束。通電延時器的線圈KF7開始延時0.6 s，經過延時后，常閉輔助觸點QA7斷開使得交流接觸器的主觸點QA6斷開，常開觸點KF7閉合使得交流接觸器的主觸點QA7閉合，電動機進入二級制動階段。同理，經過0.6 s后曳引電機進入三級制動階段，當三級制動結束后，電動機停止工作，抱閘停車，轎廂實現制動停層。

圖5 曳引電動機控制回路

門電機的控制回路與曳引電機類似。通過通電延時器的作用，轎廂門即將關閉時切換控制回路進行制動，以定子回路串入電阻的方式實現定子調壓調速。門電機控制回路如圖6所示。

圖6 門電機控制回路

2.4 轎廂門的控制程序設計

完整的轎廂門控制系統包括轎廂內門、轎廂外門、24V直流門電機、開關門限位開關，夾人檢測傳感器等。

(1) 開門程序設計 轎廂門的開啟時間以及打開程度都有極高的標準。當轎廂的頂部觸碰到樓層的平層限位開關，平層限位開關將信號傳到PLC中，PLC判斷該層是否具備停車條件。若具備停車條件，則曳引電機的主回路切換到制動部分，轎廂進入一級制動環節。通過時間繼電器的延時作用，轎廂進入二、三級制動。當三級制動結束后，曳引電動機抱閘停車，轎廂停靠在外廳門處，門電機工作，轎廂打開。PLC執行完任務后，轎廂停靠在某層，電梯運行指令消除，進入休眠模式。若該樓層外廳有上、下行請求指令，PLC立即響應信號，轎廂開門。

(2) 關門程序設計 轎廂門在關閉時夾到人或轎廂過載等問題都會導致電梯關門中斷[12]。若無意外情況且乘梯人員進入電梯后無操作，PLC內部的定時器T38計夠5 s后自動關門。正常情況下，若在關門期間按動轎廂內開門按鈕，門電機應該立即響應，從反轉變為正轉；轎廂處于完全打開的狀態時，按動關門按鈕，門電機響應反轉，轎廂關門。

2.5 內呼及外呼指令應用設計

(1) 內選指令設計 轎廂內選指令流程如圖7所示。轎廂內部觸發信號，按鈕對應的指示燈點亮。PLC中獲得輸入信號并判斷，控制曳引電動機正反轉。當轎廂到達指定樓層時，對應樓層的限位開關動作，指示燈熄滅，轎廂靠站停車。

圖7 內選指令流程圖

(2) 外選指令設計 在電梯的控制系統中，外呼請求是電梯系統運行的開始。若曳引電動機正在正方向轉動，電梯的轎廂向上行駛時，轎廂上方的樓層有乘梯人員按動上行按鈕，觸發上行信號，外廳的上行指示燈點亮，PLC中收到上呼指令并存儲。待轎廂行駛至該樓層靠站停車，PLC將會清除該樓層的上呼指令，對應的上行指示燈熄滅。乘客進梯后，繼續上行，直到行駛至內外選指令的最高層。假如上行指令在轎廂的下方，即使外廳的上行指示燈點亮，曳引電動機也不會立即響應停止正轉。PLC中將會記憶該信號，電梯執行完此次上行任務后，曳引電動機反方向轉動，返回該樓層，重新執行上行任務。下呼指令與上呼指令的設計原理相同。

2.6 電梯集選程序設計

在一套完善的電梯系統中，轎廂定向運行設計不可或缺。轎廂正常運行時，定向運動的方向是根據外廳的上下呼信號以及轎內的樓層按鍵來確定的。控制系統一旦確定方向，則反方向的請求信號將會暫時被忽略。轎廂在上下行的過程中，經過沒有內呼及上下呼信號的樓層時，電梯不會靠層停車。電梯靠層停車時，相應樓層信號燈熄滅。

2.7 電梯停層靠站設計

轎廂在行駛的過程中，停車指令要遠遠優先于其他指令。在轎廂的停車過程中，需要經歷三個不同程度的制動。轎廂觸發目標樓層的限位開關后，限位開關作為輸入設備，將數字量信號傳遞給邏輯控制器，輸出設備是中間繼電器。交流曳引電動機通過定子調壓調速的方法實現轉速的緩慢下降，最后交流接觸器的觸點斷開，電動機停止工作[13]。

2.8 程序仿真

利用仿真軟件對程序進行調試，可以實時的觀察到各個I/O端口及位存儲器變量的變化情況。不僅利于調試修改程序，而且免去了PC機與PLC接線的麻煩。將STEP-7編程軟件中的程序以AWL文件格式導入到仿真軟件中。設置完成后，程序仿真界面如圖8所示。

圖8 程序仿真界面

3 組態軟件設計

根據梯形圖及設計需求， 采用組態王軟件進行上位機界面的設計[14-15]，繪制的六層電梯模擬仿真界面如圖9所示。

圖9 六層電梯模擬仿真界面

建立好組態界面后，需要在數據庫中的數據詞典進行變量定義。根據組態界面中對象的需求來進行變量的具體設置。在此工程中，建立的所有變量類型分為兩大類：內存整型、I/O離散型。表1為部分內存整型變量，表2為I/O離散變量。

表1 內存整型變量

表2 I/O離散型變量

定義好所有變量后，需要進行動畫的連接。在組態王的開發界面內，畫面是靜止的。將組態界面中的各種元素與變量相關聯，方可使畫面動起來。基于PLC的電梯控制系統實際調試畫面如圖10所示。

圖10 電梯控制系統實際調試圖

4 結 語

研究分析了電梯的結構和工作原理，提出了電梯控制系統方案。設計了門電機和曳引電動機的主回路、控制回路。使用STEP-7軟件對電梯系統進行編程，實現了開關門控制、內外呼控制以及三級制動控制功能。運用組態王軟件，建立了電梯控制系統界面，并模擬其實際運行時的場景，實現了電梯平穩安全運行。