基于西门子S7-200PLC电梯控制系统的设计

张岩，胡开明，李跃忠,2

（1.东华理工大学机械与电子工程学院，江西南昌，330013；2.江西省新能源工艺与工程技术研究中心，江西南昌，330013）

0 引言

随着社会经济的高速发展，人们生活水平的不断提高，现代建筑都向高层化发展，电梯成为高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具，电梯的重要性尤为突出[1]。这也对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低，维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少，电梯得到了快速发展。目前电梯控制主要使用可编程控制器（PLC）实现，除了需要满足基本的载客运货功能，还需要在保证安全和稳定的前提下，自动地、智能地制定最优的响应策略、运行速度等[2]。

1 系统总体设计

系统电梯门会根据当前电梯的状态、轿厢门的状态、呼梯信号、选层信号及光幕信号状态等，合理的进行相应的响应。例如：当门未全关时，如有光幕信号，须优先响应，保持电梯门打开；当电梯平层开门后，延时关闭，且此时间可修改；在持续按住开门按钮时，电梯门延时关闭功能失效。根据电梯主电路完成按时间原则的启动、停止过程，当电梯平层时，需要依时间原则依次触发三级制动减速，待平层后，切断上行、下行接触器，抱闸停车，图1是设计的电梯电气图。

图1 电梯电气图

2 可编程逻辑控制器

2.1 PLC的基本结构

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），实质上是一种专门用于工控的计算机，与微型计算机的硬件结构基本相同，该数字运算操作电子系统广泛应用于各种工业控制自动化环境[3]。PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口（I/O模块）、通信接口、电源等部分组成，如图2所示。

图2 可编程控制器的基本组成

其中，电源模块将外部连接的交流或直流电源转化成内部需要的工作电源，并为外部输入元件提供24V直流电源。CPU是一块包含了控制器、运算器和寄存器等电路的数字芯片，地址总线和控制总线将之与存储器的I/O模块连接。中央处理器作为PLC的控制中枢，通过对用户程序进行逻辑和数学运算处理来控制协调整个系统，直接反应了PLC的性能[4]。输入输出模块是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁，即接收外控设备传来的信号，再将CPU处理完的弱电信号转换成电平信号返送回去，驱动设备执行工作。当输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。存储器是用来存储程序和数据的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器两种，分别存放PLC的系统程序和用户程序。

2.2 PLC的功能特点

可编程逻辑控制器的运行，是通过CPU以一定的扫描速度重复执行输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段的过程。先以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，然后按照先上后下、先左后右的顺序扫描用户程序（梯形图）进行逻辑运算，最后刷新所有输出状态和数据，经输出电路驱动外部设备。

PLC作为现代工业自动化的大脑，芯片集成度高，带有保护电路及自诊断功能，编程大多数采用直观而简单的梯形图，使用方便极易掌握，用户可以灵活地改变控制系统的功能和规模，适用于任何控制系统，内置不同的模块可以与不同的器件直接连接，具有输入/输出功能模块齐全、安装方便、组态灵活、编程容易、运行速度快、可靠性高等特点，与继电器逻辑控制器相比具有先天的综合优势[5]。

3 硬件设计

3.1 主要器件

电磁继电器是一种利用电磁铁控制工作电路通断的电子控制器件，主要由电磁铁、衔铁、弹簧、动触点和静触点5个部件组成。当低压控制电路的开关闭合，电流经过电磁铁产生磁场，吸起衔铁，使得高压工作电路闭合工作；当低压控制电路的开关断开，没有电生磁发生，衔铁在弹簧的拉力作用下使工作电路断开停止工作[6]。用低压小电流控制高压大电流，对电路起到了很好的保护作用。

交流接触器一般指工业电中利用线圈通电产生磁力，使触头闭合来控制负载的电器[7]。线圈通电，静铁芯产生磁场吸力，吸合动铁芯，触头系统与动铁芯之间的联动带动了三条动触片同时动作，主触点闭合，辅助常闭触点断开，辅助常开触点闭合，从而接通电源；线圈断电，吸力消失，在弹簧的反作用力下，主触头断开，辅助常闭触点闭合，辅助常开触点断开，从而切断电源。接线示意图如图3所示。

图3 接触器接线示意图

鼠笼式异步电机主要由定子和转子两部分组成，当在定子绕组上加上三相交流电时，在电机中将产生旋转磁场，该磁场的转速由定子电压的频率及电动机极数所决定。磁场旋转时，位于该旋转磁场中的转子导条将切割磁力线，并在转子导条中产生相应的感应电流，而此感应电流又受到旋转磁场的作用而产生电磁力，使转子跟随旋转磁场旋转，输出动能[8]。

3.2 硬件电路

系统运行采用自动方式，即在不断电的情况下可以连续周期性循环运行。图4是PLC的外部接线图。

图4 PLC外部接线图

交流接触器的吸合由电磁继电器的通电来控制，输出Q0.0时继电器K1开始动作，接触器KM1线圈吸合，电机正转，电梯上升；Q0.1时继电器K2开始动作，接触器KM2线圈吸合，电机反转，电梯下降；Q0.2时继电器K3开始动作，接触器KM3线圈吸合，电机正转，电梯开门；Q0.3时继电器K4开始动作，接触器KM4线圈吸合，电机反门，电梯关门。

根据电梯功能要求，选择PLC S7-200、空气开关DZ47-63、交流接触器CJ20-16、电磁继电器HH54P、三相异步电机WDJ24、开关按钮LAY37-11BN、三相交流插座线、轨道、电机插线等器材，搭建如图5所示的实物模型。

图5 实物搭建模型

4 程序设计

4.1 I/O口分配

根据系统设计，需模拟量输入点14个，模拟量输出点4个，对应的I/O分配如表1和表2所示。

表1 系统模拟输入端口分配表

表2 系统模拟输出端口分配表

4.2 主要程序

使用编程软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9可以在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，程序被编译后下载到PLC中运行，下面是一些主要的指令表程序。

5 结束语

针对现代电梯控制的安全可靠性要求，我们使用西门子S7-200PLC作为整个系统的核心器件，在分析电梯实际运行过程后，对电梯运行过程中的信号进行了I/O分配，实现了当乘客在某一平层按下上行或下行按钮，PLC就发出信号，电磁继电器通电使接触器吸合，继而驱动电动机转动，拉动轿厢到乘客所在楼层并开门，接着按下楼层号关门，电机转动使轿厢到达需要到达的楼层开门。整个控制系统实现过程简单高效、安全可靠，相对于其他控制器，PLC控制具有较好的发展前景。