基于西门子PLC的电梯控制系统的设计

欧阳敏

(湖南软件职业学院，湖南湘潭 411100)

0 引言

电梯是人们生活、工作中常用的运输载具，具有重要的货运和人员运输功能。而大多数老式电梯由继电器控制，继电器存在易发故障、可靠性不好等一系列缺点。老式电梯适用的继电器控制控制触点多，故障率高、成本高。相较于继电器，PLC使用软件编程来实现电梯控制，接线简便且故障率低，因此，电梯逻辑控制已被PLC控制所取代。随着微电子技术，计算机技术和自动控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的应用更加广泛，电梯驱动技术已经演变为电压调节、频率调节模式。

随着电子技术的迅速进步和应用，PLC以其出色的可靠性和强大的抗干扰能力受到公众认可。PLC可以显著提高电梯系统的可靠性和控制效率，因此成为当前最常用的控制模式。同时，用于常规继电器控制系统的技术改造非常方便。针对使用西门子PLC的电梯控制系统设计进行探讨，讨论如何使用PLC实现电梯控制，对于促进我国电梯业的发展非常重要。

1 电梯控制基本要求

电梯控制系统主要满足以下控制要求。

(1)电梯有两种模式：强制运行和自动运行。(2)自动定向：如果电梯轿厢中控制面板的选层方向与电梯的方向不同，则电梯必须能够根据指令自动确定行进方向，电梯完成所有前进指令后应该能够自动改变方向并响应相反方向的信号。(3)呼叫记忆：电梯在行驶过程中需要记住呼叫信号，在与运行方向相匹配的前进方向停下轿厢，先记住与电梯运行方向不匹配的呼叫指令，然后电梯向后移动时执行指令。(4)电梯内部选择信号、外部呼叫信号、运行方向和电梯楼层位置均装有指示灯。(5)达到楼层后，电梯能够自动/手动开关门。如果有障碍物，电梯门将自动打开。在正常情况下，电梯将自动停止3～5s，然后自动关闭。当按下门关闭按钮时，门将立即关闭。(6)电梯运行时，前门和轿厢门均无法打开。如果在达到楼层后打开轿厢门，电梯将不会移动。(7)电梯有各种防护措施[1]。

图1 基于PLC的电梯控制系统硬件结构

2 系统机械结构组成

(1)主体结构。如图1所示，主要组件为安全防护系统、电气控制系统、电力驱动系统、配重系统、轿厢系统，门控制系统、导向系统、牵引系统、各种指示灯、各种按钮、PLC等。

此次设计的电梯控制系统采用了基于PLC的控制模式，是以信号控制和拖动速度控制为核心的PLC集中控制方案。从图1可知，系统核心组件是PLC。 PLC的CPU模块从输入模块接收电梯的运行状态信号、安全保护信号、电梯停车信号，门机控制系统信号、电梯呼叫信号等。由CPU模块处理后转换成控制信号。

(2)牵引系统。对于所有电梯，首先要考虑的是安全。对于电梯控制系统，牵引系统的设计必须更加全面科学，因为牵引系统对安全性有直接影响。电梯在运行时会受到许多因素的影响，例如轿厢的方向、位置和负载。无论电梯的运行状态如何，都需要确保电梯始终具有足够的驱动力。结合相关研究数据，电梯的牵引条件如下：电梯的牵引系数必须大于或等于磨损影响系数×加速度系数×最大静态张力的比值。

(3)配重系统。显然，重量补偿装置是配重系统中的核心组件。为了获得最佳的平衡效果，必须准确计算电梯轿厢的自身重量和轿厢的额定负载，包括满载和空载的电梯，以最大程度地减少牵引装置的消耗，有效避免钢丝绳打滑。此外，配重应合理设计。否则，将难以调整，这将对电梯的有效性及其整体性能产生重大影响，并且很容易导致蹲底或冲顶事故。

(4)安全保护装置。主要用于安全保护，例如缓冲器、限速器。如万一发生轿厢掉落或电梯超速等危险情况，安全保护装置必须能够及时执行必要的保护功能完成保护动作，以免造成财产损失或人身伤害。安全装置的主要功能是在发生事故时确保轿厢停留在导轨上并切断电源。

(5)变频调速装置。为了电梯能够平稳运行，在电动机速度调节过程中，电动机必须始终保持恒定的最大转矩状态，即相对恒定的磁通量。从而确保过载能力总是恒定的。

3 基于PLC的电梯控制程序设计

3.1 电梯控制模式

电梯控制模式可分为两种状态：强制运行和自动运行[2]。如需检修电梯，可以按下“检修”按钮以强制电梯运行。此时，电梯将不会响应正常的呼叫信号，但可以使用手动门打开/关闭按钮打开和关闭电梯，并且可以使用“手动向上按钮”和“手动向下按钮”使电梯顺着导轨自由地上下移动。仅在电梯位于每层时，“手动开/关按钮”和“手动开/关按钮”才能开启轿厢门。检修工作结束后，电梯即可恢复自主运行。当电梯正常运行时，如果检测到轿厢中有一个内部选择按钮，或者有外部呼叫信号时就会根据内部选择按钮的记录来确定轿厢的行进方向。通过调节变频速度，电梯从低速开始运行。当检测到将达到某层时，电梯控制系统浆执行减速和制动操作实现平稳停车，大大提高了电梯的舒适度。达到楼层时，门开，知道碰到限位开关，开门结束。如果在设定的延迟时间内未检测到轿门开/关按钮信号，则轿门将自动关闭。电梯的运行过程遵循前向优先响应和反向拦截的原理，持续进行一层启动，另一层停止的运行过程。

3.2 软件设计

3.2.1 模块化编程

电梯控制系统采用集中选择控制系统。本次设计使用模块化编程方法将电梯控制系统的整个软件设计分为以下主要模块：初始化模块、平层控制模块、外呼指示灯控制模块、内部指示灯控制模块、楼层显示模块、门开关控制模块、电梯上下移动控制模块等。

3.2.2 系统初始化

上电后必须先初始化控制系统。使用SM0.1初始化脉冲来查看电梯轿厢是否处于关闭状态。如果门关闭，保持不变。如果门没有关闭，请将其设置为关闭并驱动。另外，还需要检查电梯是否出于平层。为了发送平层信号，电梯每一层的水平信号必须既是上水平信号又是下水平信号。如果电梯不在平层位置，则平层中间继电器电位为1。如果电梯处于平层状态，保持并复位中间继电器。

3.2.3 电梯内部选择和外部呼叫指示灯控制

(1) 内部选择指示灯的控制。电梯轿厢的每一层都有一个内部选择按钮和一个相应的指示灯。当乘客按下所需楼层对应的按钮时，相应楼层上的指示灯将点亮。当轿厢达到相应的楼层并打开门时，指示灯熄灭。

表1 数码管解码真值

(2)外部呼叫指示灯的控制。在2楼和3楼分别有上行呼叫指示和下行呼叫指示。在1楼只有向上呼叫指示，在4楼只有向下呼叫指示。1楼和4楼的指示灯与内部选择指示灯相同。当乘客按下呼叫按钮时，相应的呼叫指示灯将亮起。当一楼或顶层的电梯打开时，呼叫信号消失。相应的指示灯熄灭。为了消除二楼和三楼的指示灯，电梯的行驶方向必须与呼梯方向一致。当电梯到达地面时，您需要关闭呼叫信号。程序的此部分使用呼叫辅助继电器。

3.2.4 电梯位置显示控制

电梯的位置显示在数码管上，并由PLC软件设计进行解码，数码管与PLC输出端连接。数码管解码真值表如表1所示。

PLC输出1表示该段处于打开状态，而输出0表示该段处于关闭状态。可用0来表示字段点亮并显示楼层位置。根据真值表和平层信号，利用七段显示译码指令SEG或传送指令MOV都可设计电梯位置显示控制程序。

3.2.5 电梯门的开/关控制

电梯门在以下三种情况下打开：(1)电梯根据呼叫信号或内部选择信号自动打开门。当电梯自动运行到平层位置时，电梯开始打开门。(2)手动打开门。它由开门按钮控制。(3)呼叫电梯并打开门。电梯到达某个楼层后，如果此时没有人继续使用电梯，则电梯将停在该楼层上[3]。当有人呼叫该楼层的电梯时，电梯将首先打开门。在两种情况下，电梯门都是关闭的。1)电梯自动运行时，门关闭。达到楼层后，电梯将打开门，一段时间后电梯将自动关闭。2)手动关闭门。如果延迟时间尚未到期，则可以使用手动关门按钮预关闭门。S7-200系列CPU226型有两个模拟电位器。通过旋转电位器，可以在PLC的特殊标记存储器中更改SMB28和SMB29的值。可以通过将SMB28或SMB29值用作计时器预设值来以硬件格式更改计时时间[4]。

3.2.6 电梯上下运行显示控制

电梯运行时，首先检查电梯是否处于上升或下降状态。当有人按下电梯的内部选择或外部呼叫按钮时，控制系统会将电梯的位置与内部选择或外部呼出信号进行比较。如果人刚好在电所处的楼层就可以直接打开门，如果高于或低于电梯所处楼层，电梯需要上下运行，当电梯确定方向时，上行中间继电器或下行中间继电器控制电梯上下运行[5]。

4 结语

综上所述，本次设计的电梯控制系统实际应用效果很好，说明基于PLC和变频器的组合使电梯控制系统安全稳定地运行，并降低电梯的能耗。由于时间和实验条件的限制，本文设计的电梯控制系统在某些方面还不够完善，需要进行更深入的研究，需要考虑更有效地选择电梯方向的原则。简而言之，电梯行业是一个不断发展和完善的行业。随着科技的进步，电梯控制系统将越来越完善。将来的电梯控制方法将是同时操作多部电梯的组合控制方法，使电梯运行智能、更舒适。