辦公樓五層電梯PLC控制系統(tǒng)設計

田軍南 朱新獎 黃重謙

辦公樓五層電梯PLC控制系統(tǒng)設計

田軍南 朱新獎 黃重謙

（廣西科技師范學院，廣西 來賓 546100）

文章以SIEMENS S7-200PLC為控制中心，應用梯形圖作為編程語言，設計了辦公樓五層電梯控制系統(tǒng)。文章首先介紹了電梯控制系統(tǒng)設計要求，其次從硬件、軟件兩個方面對所設計的電梯控制系統(tǒng)進行分析，最后通過聯(lián)機通信調(diào)試對電梯控制系統(tǒng)運行效果進行驗證。結(jié)果表明，所設計的電梯控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)先到先執(zhí)行、順向截車，以及最遠站換向運行等功能，符合電梯運行基本要求。

電梯；控制系統(tǒng)；梯形圖

引言

電梯是在垂直方向上進行運輸?shù)奶厥庠O備[1]。隨著經(jīng)濟與科學技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)以繼電器控制為核心的電梯控制系統(tǒng)由于在安全性、工作方式等方面存在缺陷，已經(jīng)滿足不了人們對于電梯控制系統(tǒng)的基本要求。與電梯繼電器控制系統(tǒng)相比較，基于可編程邏輯控制器（PLC）的電梯控制系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，用戶可以靈活地對程序進行更改和增加擴展來改變系統(tǒng)功能和規(guī)模，方便對電梯控制系統(tǒng)進行安裝和檢修[2]。PLC控制系統(tǒng)在電梯發(fā)展的過程中表現(xiàn)非常優(yōu)越，不管是在安全性還是在舒適平穩(wěn)方面都可以體現(xiàn)出來，PLC有著較高的可靠性和較強的抗干擾性，配套完善，適用于各種場合的電梯建設，與繼電器邏輯控制器相比具有獨特優(yōu)勢[3]。

本文以SIEMENS S7-200PLC為控制中心，應用梯形圖作為編程語言，設計了辦公樓五層電梯控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使電梯運行方式直觀可控，能夠安全可靠地完成電梯信號登記，應用首個信號定向運行，實現(xiàn)同向截車和最遠站換向運行功能[4]。最終經(jīng)過驗證，所設計的系統(tǒng)能夠滿足電梯運行控制基本要求，可以為實際工程中辦公樓電梯的控制系統(tǒng)設計提供一定的參考。

1 電梯控制系統(tǒng)設計要求

1.1 電梯的結(jié)構(gòu)

根據(jù)電梯系統(tǒng)中各部件的功能，可以將電梯劃分為7個相對獨立的系統(tǒng)，分別是曳引系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。由曳引機與曳引繩組成驅(qū)動轎廂運行的系統(tǒng)稱為曳引系統(tǒng)。保證轎廂平穩(wěn)運行的系統(tǒng)稱為導向系統(tǒng)。轎廂則是承載乘客與貨物的組件，是電梯的工作部分。門系統(tǒng)是驅(qū)使轎廂門開關的系統(tǒng)，在電梯運行時必須關閉轎廂門，保護乘客的安全。各類開關元器件和顯示裝置組成電氣系統(tǒng)，對電梯實行操縱和控制。供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)分別起到為電梯運行提供能量和控制整個電梯運行的作用[5-6]。

1.2 控制系統(tǒng)的設計要求

1.2.1 控制系統(tǒng)硬件功能要求

電梯控制系統(tǒng)的硬件包含有供電裝置、PLC控制器、電機、開關電器和指示燈。供電裝置要確保電梯和各電器在額定狀態(tài)下運行。電機應當作為驅(qū)動設備為轎廂與電梯門運行設備提供足夠的功率。按鈕開關要具有自復位功能，結(jié)合控制器實現(xiàn)信號的登記與解除，通過信號登記與解除來控制相應指示燈的亮和滅。應用PLC控制器分析開關電器的輸入信號，結(jié)合控制程序輸出相應的電機啟動信號和指示燈信號，完成電梯控制系統(tǒng)功能。

1.2.2 電梯運行方案設計要求

電梯運行是由PLC接收內(nèi)呼叫指令和外呼叫指令進行分析處理，電梯的運行要遵從先到先執(zhí)行原則、順向優(yōu)先執(zhí)行原則和最遠站換向原則，也就是電梯在同一時間段接收不同的信號，會以第一個信號來判斷運行方向，對該方向上的呼叫信號逐一完成，再轉(zhuǎn)入下一個運行方向執(zhí)行任務[7]，且能自動登記電梯的內(nèi)外呼叫指令啟動運行，到達目標層停層，自動或手動開關門。電梯執(zhí)行完上下任務后若內(nèi)外無呼叫指令，轎廂應該停靠在當前位置，等待信號呼叫，再作應答[8]。根據(jù)電梯控制要求，整體運行流程如圖1所示。

圖1 電梯控制系統(tǒng)整體運行流程

2 電梯整體硬件部分設計

2.1 電氣設備選擇分析

本設計從可靠性和經(jīng)濟性上考慮，采用SIEMENS S7-200 CPU222的PLC，其屬于小型機，只有6個輸出和8個輸入，結(jié)合整個系統(tǒng)所需的I/O點數(shù)，CPU222 I/O口是不能滿足系統(tǒng)需求的，此時可以用I/O擴展單元擴充I/O點數(shù)[9]。本設計添加223-1PL22-0XA0和223-1PH22-0XA0兩個擴展模塊。由此組合成PLC控制器，采用AC 220 V轉(zhuǎn)DC 12 V開關電源供電。

從轎廂重量和升降速度考慮，曳引機選用型號為68 KTYZ、功率為28 W、轉(zhuǎn)速為40 r/min的永磁同步電機，開關門電機則選用型號為50 KTYZ、功率為6 W、轉(zhuǎn)速為50 r/min的同步電機。整個電梯模型的樓層行程開關和開關門限位開關都是采用歐姆龍型限位自復位微型微動開關。按鈕開關則是采用自復位帶燈按鈕，用作電梯內(nèi)外呼叫按鈕。按鈕燈需要配置1 kΩ限流電阻防止燒壞。樓層位置顯示數(shù)碼管選用共陰極數(shù)碼管，配置1 kΩ的電阻作為數(shù)碼管的限流電阻，電梯上下行顯示采用箭頭型數(shù)碼管配置820 Ω的限流電阻。

2.2 硬件連接案設計

2.2.1 PLC外部設備連接

輸入接口和輸出接口是PLC和設備連接的部分。通過接收PLC外部的輸入信號和發(fā)出控制指令，完成自動控制。輸入接口和輸出接口要具有良好的抗干擾能力，輸出的電壓要滿足設備的需求。電梯系統(tǒng)中PLC的外部設備部分連接原理如圖2所示。

圖2 PLC的外部設備部分連接原理

2.2.2 整體模型設計

根據(jù)電子電路設計原則設計控制面板電路，將所有控制模塊設計為一個整體，整體又以功能區(qū)分為電源區(qū)、主控區(qū)、廂內(nèi)控制區(qū)、樓層控制區(qū)、井道轎廂連接區(qū)五個區(qū)域。各個區(qū)域在控制面板的位置應考慮整體美觀、連接方式和材料損耗等方面，以符合高性價比的設計原則。

井道是轎廂的活動空間，在整個電梯系統(tǒng)中井道內(nèi)除轎廂外應設計有曳引系統(tǒng)、轎廂導向系統(tǒng)和轎廂所在樓層位置確定系統(tǒng)。曳引系統(tǒng)是電梯運行的根本，是電梯的核心部分之一。曳引機設置于井道的頂部并垂直向下固定，驅(qū)動導向輪的正反轉(zhuǎn)以收放曳引繩驅(qū)動電梯運行。轎廂導向系統(tǒng)采用順序控制系統(tǒng)（SCS）箱式光軸滑塊軌道，導向系統(tǒng)是保證轎廂運行平穩(wěn)的裝置，在安裝過程中要保證軌道與轎廂保持垂直，并將軌道組裝在井道兩側(cè)，滑塊安裝在轎廂外部，結(jié)合軌道垂直運行。在轎廂外設置一個碰撞球與行程開關接觸以確定樓層位置，形成樓層位置確定系統(tǒng)。井道與轎廂設計如圖3所示。

圖3 井道與轎廂設計

轎廂內(nèi)主要是門系統(tǒng)的設計，轎門設置在轎廂入口處，由轎廂頂部的開關門機來驅(qū)動。配合限位開關來控制門的開啟和關閉，組成自動開關的門系統(tǒng)[10]。當開關門電機工作時，通過限位擋片拖動轎廂門運動，到達一定位置時觸發(fā)限位開關，形成開關門到位狀態(tài)。這就是門系統(tǒng)的運作方式。

3 PLC控制系統(tǒng)軟件部分設計

3.1 S7-200 PLC編程軟件簡單介紹

STEP7-Micro/WIN軟件是S7-200 PLC唯一編程軟件，在編程過程中除文件的建立與保存外，其他常用的部分有指令樹、編譯與上傳下載、實時監(jiān)控和程序編輯器。PLC程序設計的基本順序為：新建文件—選擇CPU型號—編輯程序—保存—編譯與上傳—調(diào)試實時監(jiān)控—完成編輯。

3.2 PLC程序中I/O點定義

I/O點數(shù)代表著輸入輸出的信號個數(shù)，一般的電梯系統(tǒng)會有內(nèi)外呼叫信號輸入和行程開關輸入，驅(qū)動電機的信號輸出和相關的顯示輸出。根據(jù)電梯的基本信息可以分析控制系統(tǒng)的輸入與輸出點數(shù)。具體輸入輸出功能說明見電梯程序符號地址分配情況表（表1）。

表1 電梯程序符號地址分配情況

3.3 PLC程序設計

在程序設計時，為避免出現(xiàn)程序復雜交錯、難以編寫等問題，程序應使用模塊化設計。由此建立主程序與子程序的模塊程序，應用梯形圖編程更好地解讀相應的問題。在五層電梯控制系統(tǒng)PLC程序設計中，有主程序與上電復位設計、上下行判斷程序設計、電梯位置與顯示程序設計、內(nèi)外呼叫程序設計、停層程序設計、開關門程序設計。

主程序采用初始脈沖SM0.1作為系統(tǒng)復位。上電復位程序的設計主要是預防在測試過程中出現(xiàn)故障斷電后，當系統(tǒng)通電時發(fā)生的未知運動而造成的危險事故。上電復位程序如圖4所示。

圖4 上電復位程序

當電梯有呼叫信號產(chǎn)生時，首先應當判斷電梯的運行方向是上行還是下行，對呼叫信號樓層與轎廂所在樓層進行比較，通過樓層位置輔助繼電器對輸入信號的屏蔽來實現(xiàn)判斷，圖5為當電梯位置處于三樓時的上行判斷程序，若一樓、二樓和三樓呼叫，電梯所在層數(shù)大于或等于呼叫層數(shù)，電梯所在三層輔助繼電器M3.3處于得電狀態(tài)，應用其常閉觸點來屏蔽一至三層的呼叫信號，使上行輔助繼電器M10.0不能得電，上行呼叫失敗。在四樓和五樓呼叫時，電梯所在層數(shù)小于呼叫層數(shù)時，三層輔助繼電器得電并不影響上行輔助繼電器得電，所以電梯判斷為上行。下行判斷程序與上行判斷程序設計剛好相反。要注意的是，當電梯門未關好時電梯不能運行，電梯有其他信號要求停層時，常閉觸點斷開，電梯也不能運行。

圖5 上行判斷程序

樓層顯示是由位置碰撞球是否與行程開關碰撞來確定的，由輔助繼電器M3.2控制樓層顯示數(shù)碼管，以二層為例，若要改變數(shù)碼管顯示值，首先要改變繼電器M3.2，一層或三層的行程開關必須動作，也就是轎廂運行到一層或三層時數(shù)碼管顯示值才會出現(xiàn)變化。二層樓層位置程序如圖6所示。

圖6 二層樓層位置程序

五層電梯應設有5個內(nèi)呼叫按鈕對應著每個樓層和4個上呼叫按鈕和4個下呼叫按鈕，并且每個按鈕有對應的指示燈，當按下目標層內(nèi)呼叫按鈕后，對應的指示燈長亮，該信號被登記，如圖7所示，下行輔助繼電器M10.1的作用在于當電梯在下行過程中恰好處于該層時保證上呼信號的登記。當電梯運行到目標層，該層行程開關動作響應該信號后，指示燈才隨之熄滅，對應的信號解除。

圖7 二層外部上呼叫按鈕與指示燈程序

電梯停層需要先將目標層信號進行登記，當電梯到達目標層與該層的行程開關接觸時，觸發(fā)行程開關后，電梯停層。由于一層和五層為邊界層，電梯運行至這兩層時必須停層。其余三層的停層信號登記和解除方式相同。以第三層為例（見圖8），若三層外上呼叫信號產(chǎn)生，M0.2接通，此時電梯若為上行，上行輔助繼電器常開觸點M10.0通電閉合，停層信號M22.1被登記。若電梯為下行，三層以下無信號產(chǎn)生，停層信號M22.1直接被登記，三層以下有信號產(chǎn)生則根據(jù)電梯運行不換向原則運行至信號產(chǎn)生樓層，完成后登記停層信號M22.1。電梯如果在運行期間只是經(jīng)過三層，停層信號會被T40保持，從而使信號不會被解除。

圖8 三層停層信息登記與解除程序

當電梯到達目標層時，該層位置行程開關動作輔助繼電器得電，電梯停層。同時利用電梯停層后啟動時間繼電器T40，延時2 s后復位消除該停層信息。

開關門程序可以進行手動或自動開關門。在主程序設計時應注意電梯在運行過程中電梯門是不能打開的。當電梯在某層停穩(wěn)后，可以按下電梯內(nèi)部開關門按鈕，手動控制電梯門的開啟與關閉。電梯到達目標層停層之后，自動開門輔助繼電器得電接通，實現(xiàn)自動開關門。當電梯停靠在每一層時，當層的外呼按鈕主動呼叫，電梯開門。在電梯開門到位后，通過時間繼電器延時4 s后自動關門。

完成電梯模型的建設和程序編輯后，對系統(tǒng)進行聯(lián)機調(diào)試。S7-200 PLC編程軟件是通過PPI（通訊協(xié)議）與CPU（中央處理器）通信，采用黃色二代電纜驅(qū)動，在通信之前需要安裝電纜驅(qū)動軟件。一一解決調(diào)試過程中遇到的問題，最終完成電梯的PLC控制系統(tǒng)設計。

4 結(jié)束語

本設計以SIEMENS S7-200PLC為控制器，應用梯形圖作為編程語言，從電梯整體硬件設計與電梯控制要求對PLC控制系統(tǒng)軟件程序進行分析，并通過聯(lián)機通信調(diào)試設計了一部五層電梯的控制系統(tǒng)。最終經(jīng)過驗證表明，所設計的控制系統(tǒng)可使電梯運行方式直觀可控，可以安全可靠地完成電梯信號登記，并能通過首個信號定向運行，實現(xiàn)同向截車和最遠站換向運行的功能，能夠滿足電梯運行基本要求。本系統(tǒng)可以為實際工程中辦公樓電梯的控制系統(tǒng)設計提供一定的參考。

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Design of PLC Control System for Elevators on the Fifth Floor of an Office Building

The article uses SIEMENS S7-200 PLC as the control center and trapezoidal diagram as the programming language to design an elevator control system for the fifth floor of an office building. The article first introduces the design requirements of the elevator control system, then analyzes the designed elevator control system from both hardware and software aspects. Finally, the operation effect of the elevator control system is verified through Online communication debugging. The results show that the designed elevator control system can achieve functions such as first come, first execution, forward cutting, and reversing operation at the farthest station, which meets the basic requirements of elevator operation.

elevators; control system; ladder diagram

TU85; TP273

A

1008-1151(2023)11-0008-05

2023-02-27

2021年度廣西高等教育本科教學改革工程重點項目“基于OBE理念的電氣控制與PLC課程項目式教學改革探索與實踐”（2021JGZ169）；2021年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“電動車線控轉(zhuǎn)向路感控制系統(tǒng)及其穩(wěn)定性研究”（2021KY0851）。

田軍南（1992－），男，廣西科技師范學院講師，研究方向為智能控制技術、高等教育與教學。

黃重謙（1973－），男，廣西科技師范學院副教授，研究方向為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、可再生資源利用。