基于S7-1200的人流密集型电梯群控研究

任梁杰，李慧，吴棋龙，李志远

（赣南科技学院，江西赣州，341000）

1 课题研究背景

随着时代的发展和技术的进步，电梯的使用和一个国家的现代化建设有着密切的关系，一个国家的现代化程度的判断取决于城市高楼大厦建设的数量，伴随着高楼的增加，使用电梯的数量也会增加，电梯是高层建筑中的重要装置。楼层的高度的增加促进着电梯性能的提升，例如，精确调整电梯的速度，让乘客有更好的体验以及优化电梯的运行方式让其更加节能，在电梯乘坐高峰期期间尽可能减少人们不必要的等待时间。我国发展的速度举世瞩目，国内电梯的使用数量激增，优化电梯的控制方式，是节约能源的一种方式，同时也是为达到国家减少碳排放量的目标做出努力。

电梯的安全可靠性、如何减少能量消耗、提高电梯的运行效率、在上下班高峰期减少乘客侯梯时间、合理调派电梯防止电梯满载超重、准确监视电梯各项参数，解决安全隐患等问题都是电梯生产厂家以及工程研究人员所关注的热点问题，随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术运用的广泛运用，PLC的出现为解决相关问题提供了更简便的方法。

2 电梯控制系统硬件介绍

2.1 电梯硬件介绍

当前电梯有着一套复杂的设备来联动运行，如：曳引机、导轨、轿厢、安全系统等等。根据本课题研究的目前最常见的升降式电梯，此类电梯结构划分有如下几个部分：

图1 六部十层电梯模型

（1）机房部分：包括曳引减速机、曳引轮、多级减速器等；

（2）控制柜部分：包括运行总电源、PLC控制器、接线装置等；

（3）井道部分：包括导轨、对重装置、极限开关、平层感应器、随行电缆等；

（4）门厅部分：包括各层厅门、各层上下呼梯按钮、楼层显示数码管;

（5）轿厢部分：此部分是乘梯人所处的空间，所包括的装置众多主要有轿厢、开/关门到位开关、轿厢照明风扇、轿厢内楼层按钮、紧急通讯装置等。[1]

2.2 系统控制器选型

该控制系统选用西门子SIMATIC S7-1200系列PLC作为控制器，被控对象为电梯仿真软件。如图3所示，在整个控制系统中，PLC通过以太网与工程师站相连接，通过PROFIBUS与电梯仿真软件相连接。[2]

图2 系统网络拓扑图

图3 运行控制逻辑图

3 电梯控制系统的程序设计

本次设计所使用的编程软件选择西门子公司出品的TIA Portal V15.1，编程使用的语言为LAD语言。TIA Portal V15.1支持在线仿真和监视以及现场修改程序等功能，在TIA Portal中可进行模块化编程，所用到的模块有OB块、FB块、FC块、DB块，其中OB块为循环启动执行块，FB与FC都为函数编程块，DB为数据块。

程序基本工作流程：程序由初始化、楼层计数、呼梯信号登记、开关门控制、运行控制、集选控制、楼层显示、空闲状态处理、电梯故障保护、电梯三级制动功能组成。电梯得电后，执行初始化程序，当电梯初始化完成后，执行楼层显示程序和运行保护程序。完成初始化、楼层显示和运行保护后执行电梯运行控制程序，然后在电梯运行时执行三级制动和开关门程序。

3.1 初始化

电梯得电信号后，若电梯关门到位则开始电梯初始化，否则进行关门至关门到位。初始化开始，根据管理员设定的楼层与方向，赋值给中间变量 设置电梯当前运行方向和电梯初始化楼层，启动电梯高速接触器，在到达目标楼层且电梯上下平层信号后表示电梯轿厢已停稳，便可以复位电梯高、低速接触器，后给出准备就绪信号，电梯初始化完成。

3.2 楼层计数

以六部十层电梯模型为例：当电梯接触到下端站第一限位开关后，电梯当前楼层=1；当电梯接触到上端站第一限位开关后，电梯当前楼层=11。电梯上行过程中，每当接触到上平层传感器，电梯层数+1；电梯下行过程中，每当接触到下平层传感器，电梯层数-1。

3.3 呼梯信号登记

电梯呼梯信号分为上行呼梯信号、下行呼梯信号、轿内呼梯信号。当乘客按下上行呼梯按钮，该按钮所对应的灯将会被点亮，此时电梯将会登记此信号。若电梯响应该信号并到达该信号所在楼层后，信号取消且对应的灯熄灭。下行呼梯信号和轿内呼梯信号登记同理。

3.4 开关门控制

要实现电梯门的自动开关只需要判断当前电梯是否平层，且此时电梯的上下行接触器应当都是复位阶段，满足了上述条件后，置位电梯开门继电器，此时电梯内外乘客正出入电梯，电梯关门继电器应当始终处于不得电状态。当超过一段时间都没有出现电梯光幕信号，这便代表了已经没有乘客要进出电梯门了，此时电梯关门继电器就可在没有光幕信号的前提下置位。

3.5 运行控制

对于单部电梯而言，若电梯内没有乘客，厅外按钮楼层大于当前楼层便是向上运行，反之向下。例如，当前电梯停在三层，十层有乘客按下按钮，那电梯的运行方向便是向上。若电梯内有乘客时情况略复杂，只有当电梯当前运行方向与厅外乘客呼梯方向相同且厅外呼梯楼层大于当前楼层时（上行时），或厅外呼梯按钮楼层小于当前楼层（下行时），除此之外的情况都需要电梯运送完前一位乘客后再响应厅外呼梯按钮。

3.6 集选控制

多部电梯的控制系统需要判断是那部电梯来响应呼梯信号，这就需要在单部电梯上加上一个比较指令，对每部电梯的当前位置进行收集，计算当前电梯位置与外呼信号位置之间的距离，选取距离最小的（即为目标楼层差最小）电梯响应厅外呼梯信号[3]，对于电梯内有乘客的情况也是如此，若以有乘客的电梯同时满足单部电梯响应呼梯信号的情况且此部电梯目标楼层差最小，则选择此部电梯响应厅外呼梯信号。

图4 电梯群控逻辑图

3.7 楼层显示

电梯所用楼层数显示装置为七段数码管。电梯位于不同楼层，则点亮不同的数码管以显示不同的数字。

3.8 空闲状态处理

为响应降低能耗、减少碳排放量的号召，在电机待机时，轿厢内的风扇停止转动、照明灯熄灭，待接收到呼梯信号后所有功能全部恢复。

3.9 故障保护

为了确保乘客能够安全的乘坐电梯，在对常见的故障出现时，制定相应的安全策略，当有异常状况出现时，能够正确的反馈至监控设施中，以便后续的检查维修或施救活动。实现大部分运行异常状态检测都较为简单，下面是具体功能描述：

（1）超载保护

电梯开门等待乘客进入电梯过程中，电梯内部的重力传感器始终检测梯内乘客的载重量，当梯内乘客的总重量大于或等于电梯载重量的极限值时，超重指示灯闪烁，报警铃响起，电梯无法运行。当超重信号消失后，电梯内故障灯熄灭，警报声消失，电梯关门继电器启动，电梯自动关门，待关门到位后，电机启动，电梯继续运行前往下一个目标楼层。

（2）超限保护

在接收到自动运行信号后，电梯遇到故障向下运行时越过了1楼（向上运行时越过了10楼），检测到下端站第1限位（上端站第1限位）后电梯依次开始三级、二级、一级制动，检测到下端第2限位（上端第2限位）后，电梯计数清零（电梯计数赋值11），上行接触器（下行接触器）启动，电梯开始上行（下行），接收呼梯指令，前往目标楼层。

（3）开关门保护

开门保护：在电梯开门持续一段时间后没有接收到开门到位信号，电梯的关门继电器强制启动，电梯自动关门，待关门到位后，电梯重新开始开门动作；如果开门后正常接收到开门到位信号后，电梯按照正常的关门程序执行，待执行完关门程序后继续执行控制中心分配的下一个指令。

关门保护：电梯内的关门继电器启动，接收到关门到位信号后，电梯继续运行，执行控制中心分派的下一指令。如果长时间未得到关门到位信号反馈，电梯重新回到开门状态，电梯停止运行，同时故障指示灯亮起，警报铃响起，提示乘客电梯出现异常情况，等待维修。

图5 电梯PLC控制系统硬件图

4 总结

设计六部十层电梯控制的过程中，通过查阅有关于PLC的专业书籍和有关电梯的发展历史，深入了解到传统继电器在电梯控制方面于PLC技术相比存在较大的局限性，PLC在自动控制邻域的作用是传统继电器无法比拟的，PLC控制技术加快了工业领域自动化进程，促进了全球经济的发展，在查阅资料的过程中，学习如何正确获取和正确使用资料是至关重要的一步。通过本次设计，PLC技术的应用设计本课题的控制系统，是将所学知识原理用于实处的一次难得的机会。

本次电梯控制系统的硬件设计是基于西门子S7-1200系列，使用的编程软件、仿真软件、实时监控系统都是西门子公司出品，通过这些软件相互结合使用能够证明设计是否符合目标要求。S7-1200的模块化让使用者更加方便，设计在可根据控制系统的要求自行选择需要扩展的模块种类和个数。PLC控制提高了电梯的控制水平，如换速的精确度。PLC程序设计实现了电梯开关门、楼层计数、平层信号、换速信号等的数字控制，取代了传统电梯的位置检测装置，提高了电梯运行的可靠程度以及安全性。本次电梯控制系统具有先进、安全可靠、降低能耗等特点。通过仿真和实时监控证明，本次设计的电梯控制系统达到了预期的目标要求。