基于PLC和变频器技术的现代电梯控制系统设计*

沈意平，宾光富，王送来

(湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室，湖南湘潭 411201)

0 引言

电梯包括机械传动和电气控制两部分，其安全性、可靠性、舒适性和快速停站准确性要求很高。随着生活水平和工业生产水平的不断提高，电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性要求也越来越高，尤其需要开展电梯的节能性设计［1］。可编程控制器PLC是一种以微处理器为核心实现数字控制的专用计算机，国内外广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输等各个行业。PLC控制器具有可靠性高、适用性广、抗干扰性强、体积小、重量轻、能耗低等特点，而且易于与计算机通讯、具备高速计数与位控等优异性能，因此它不仅能提供良好的调速性能，而且能节约运行成本［2］。通过采用PLC和变频器联合控制方式，设计了电梯控制系统硬件和软件，利用组态软件进行了仿真实验。仿真结果表明，设计的控制系统能够满足安全性、可靠性和稳定性等基本要求，有利于实现电梯运行的高效性和舒适性。

1 电梯控制系统硬件设计

为满足电梯运行安全、可靠的运输需求，电梯控制系统需具有以下基本控制性能需求［3］。

(1)电梯位置的确定与显示

轿厢及门厅中需设有电梯楼层标识，以便乘客实时看到电梯运行的楼层位置。电梯运行时，需提供准确的楼层位置信息，以准确实现电梯制动等控制需求。

(2)轿厢内的运行指令及门厅的召唤信号

轿厢内乘客按下的电梯运行的目的楼层为内选信号，需要被记忆并亮灯显示;门厅内候乘人员按下的上行或下行按钮为外呼信号，也需要记忆并亮灯显示上行或下行，并在召唤得到满足时能自动取消。

(3)电梯自动运行时的信号响应

电梯上行时，遇到上层有上行呼号信号则在该层停下电梯，停车时取消该层上行信号并关闭对应的显示灯，电梯门开。电梯上行时对下行的召唤信号不处理，下行时则对上行的如唤信号不处理。电梯停止时，可手动按钮控制开门、关门，也可等到开/关门定时时间完成后自动关门。

(4)轿厢的启动及运行

电梯必须要等轿厢上行或下行方向确定、轿厢和门层门都关好才能启动运行。电梯开门过程中电梯必须停止运行，电梯运行要求先加速运行，后稳定运行。

(5)轿厢的平层停车

轿厢运行后需在平层状态才停车开门，平层是指电梯轿厢的底面与门厅的“地平面”相平齐，通常要求相差不得超过5 mm。平层停车过程要求电梯先减速后制动，这样能够保证平层停车的准确性，同时也能带给乘客极大的舒适感。

(6)安全防护措施

电梯运行要求采取多重安全防护措施，包括钢丝绳断裂、冲顶与墩底、轿厢内人员的跌落等保护，还应配有消防、紧急求救、逃生等多项措施。

(7)特殊的性能指标

在现代生活过程中，为了满足电梯乘客的舒适度，要求电梯电机具有良好的加减速曲线控制能力。电梯还需要根据轿厢内重量变化对平层进行控制，这需要电梯电机具有高精确度的平层控制能力。笔者采用日本安川公司的Varispeed F7系列变频器和三菱FX2n－80MR型PLC开发电梯运行控制系统，其硬件系统工作原理如图1所示。其中，电梯的位置信号由旋转编码器提供，电梯的调速部分采用高性能的矢量控制变频器，利用光电编码器测量曳引电机的转速，构成变换矢量控制系统(PG)。电路的逻辑部分由PLC来实现，PLC接受并显示来自现场的召唤和位置等信号，且控制门电机实现电梯开关门动作。

图1 系统硬件工作原理图

根据系统硬件工作原理，设计的电梯控制线路主要包括轿内指令与厅门召唤线路、指层线路、定向平层线路、启动线路、平层线路、拖动线路。这些线路之间的关系如图2所示。

图2 电梯运行控制线路图

2 电梯控制系统软件设计

根据硬件设计要求，以三菱公司生产的FX2n系列PLC作为主机进行控制系统软件设计［4］。该型PLC能够实现自动开关门、自动平层、轿内和门厅信号指示、电梯安全运行保护等功能。设计电梯开关门控制、电梯到站指示、门厅召唤指示，电梯启动和运行方向选择，电梯运行及速度变换等来完成电梯整个系统的电气控制，其基本结构如图3所示。

图3 系统设计框图

电梯各楼层的厅外设有召唤箱，起点和终点只需设置一个召唤按钮，中间各楼层设置两个召唤按钮。电梯内部安装设置楼层指令按钮的轿厢操纵盒，乘客按下的目的楼层信号被登记，门厅外乘客的召唤信号也被登记。电梯上行时，登记的目的楼层信号和上行召唤信号逐一执行，直到运行至目的楼层信号登记最高楼层或者下行召唤信号的最高楼层，电梯下行时运行流程相同。电梯控制系统的流程如图4所示。

图4 电梯程序控制流程图

3 电梯控制系统仿真实验

组态软件广泛用于工业自动化系统的控制和管理，能够实现远程监控、数据采集、数据分析、过程控制。北京三维力控科技公司推出的面向方案的HMI/SCADA平台软件基于主流的32位Windows平台，具有多样的I/O驱动接口和TCP/IP网络服务协议，能够方便连接现场的运行设备，实时进行数据存储与处理［5］。笔者采用这种力控监控组态软件设计了电梯控制仿真系统，包括PLC、计算机和组态软件。PLC为控制装置，在组态软件的画面中生成的虚拟电梯为控制对象，可通过计算机屏幕观察虚拟电梯的运行情况。PLC的输入信号可以从PLC的开关输入输出端输入，也可在组态软件的画面中用鼠标点击按钮输入，采用自带RS－232C和RS－422转接电路编程电缆实现与计算机通信。仿真实验的系统结构如图5所示。

该电梯仿真控制对象是指在计算机上运行事先编写好的应用程序，用软件来代替硬件工作，借助于计算机显示来观察控制的过程及结果。以5层电梯控制系统为例，根据图4设计其仿真程序执行流程图，采用组态软件设计的控制系统模型仿真界面如图6所示，其中召唤按钮用增强型开关组成。

图5 电梯控制仿真系统图

图6 电梯控制系统仿真界面

各指示灯用红色圆形图案代表，当对应指示灯的输出端得电，指示灯显示。电梯当前的楼层位置用七段位编码器显示，电梯的上下行的方向用上、下箭头形状的指示灯表示。按下轿厢内的选层按钮或轿厢外的召唤按钮后，对应的指示灯亮，旁边的红色圆形图案显示。当电梯达到指定的楼层时，指示灯灭，红色圆形图案消失。通过组态仿真模拟控制系统的测试结果表明，该控制方案可实现对电梯运行速度的无级调速，能够满足现代电梯运行的基本性能需求，提高电梯运行的可靠性和舒适性，并且还能有效降低电梯的运行成本。

4 结语

基于可编程控制器和变频器相结合的电梯控制系统，采用PLC进行逻辑控制，可方便实现现代电梯的基本控制功能需求。通过PLC与变频器联合完成电梯曳引系统的控制，实现了电梯的无级调速。同时，采用目前较先进的旋转编码器实现电梯位置确认和电梯平层减速控制，利用三菱FX2nPLC特有的高速计数功能，通过PLC与旋转编码器之间的数据通信，实现了电梯的高效控制。笔者采用力控组态软件进行了电梯控制系统仿真实验，结果表明采用PLC与变频器联合方式能够保证电梯运行的安全性和可靠性，节约了电能，从而使电梯的运行成本降低。

［1］ 李 朋，罗 飞，许玉格，等.电梯驱动与能量回馈一体化控制系统设计［J］.自动化仪表，2011，32(11):76－78.

［2］ 乔东凯.可编程控制器和变频器在电梯控制系统中的应用［J］.机械工程与自动化，2007(6):151－152.

［3］ 常国兰.电梯自动控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［4］ 杨青杰.三菱FX系列PLC应用系统设计指南［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［5］ 陈继文，范文利，李彦凤，等.基于PLC的电梯控制仿真系统研究［J］.机械与电子，2008(7):55－57.