基于PLC的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

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(甘肅嘉峪關(guān)宏豐實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

隨著我國(guó)現(xiàn)代社會(huì)文明的不斷發(fā)展，人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高。各地高樓大廈像雨后春筍般地矗立起來(lái)，電梯己經(jīng)成為各高層建筑不可或缺的垂直交通工具，或承擔(dān)著貨物的運(yùn)輸、或擔(dān)負(fù)著人員的交通，己經(jīng)成為我們工作和生活中的必需設(shè)備[1-3]。

由于大部分老式電梯的電氣控制系統(tǒng)可靠性欠佳，用戶尋求對(duì)電梯的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，以便節(jié)約資金。因此，對(duì)電梯的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出一條適合國(guó)產(chǎn)老式傳統(tǒng)電梯的改造技術(shù)，并進(jìn)而提高國(guó)產(chǎn)電梯的技術(shù)水平和質(zhì)量，將具有十分重要的意義[4-5]。針對(duì)老式傳統(tǒng)電梯采用的繼電器邏輯控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作壽命短等缺陷，論文提出采用功能強(qiáng)、故障率低、可靠性高的可編程控制器(PLC)來(lái)控制電梯系統(tǒng)[6-7]。并利用GX-DeveloperV 7.0軟件對(duì)六層電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行了模擬運(yùn)行調(diào)試，并利用簡(jiǎn)單指令、復(fù)雜指令對(duì)電梯的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，給出電梯的仿真結(jié)果顯示窗口。

1 電梯控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，電梯的控制技術(shù)經(jīng)歷了由繼電器控制系統(tǒng)向PLC控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。PLC電梯控制系統(tǒng)和其他類型的電梯控制系統(tǒng)一樣，主要由信號(hào)控制系統(tǒng)和拖動(dòng)控制系統(tǒng)兩大部分組成。如圖1所示為電梯PLC控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，主要硬件包括PLC主機(jī)及擴(kuò)展、機(jī)械系統(tǒng)、轎廂操作盤(pán)、廳外呼梯盤(pán)、樓層指層器、門機(jī)、調(diào)速裝置與主拖動(dòng)系統(tǒng)等。系統(tǒng)控制核心為PLC主機(jī)，操作盤(pán)、呼梯盤(pán)、井道及安全保護(hù)等信號(hào)通過(guò)PLC輸入接口送入PLC中去，然后通過(guò)軟件程序控制向拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，以滿足電梯實(shí)現(xiàn)起動(dòng)加速、制動(dòng)減速和上下方向運(yùn)行等功能。

系統(tǒng)采用轎廂外召喚，轎廂內(nèi)按鈕控制方式的自動(dòng)控制形式，電梯由安裝在轎廂內(nèi)的指令按鈕進(jìn)行操作，其操作內(nèi)容為響應(yīng)，轎廂內(nèi)指令依層次指令運(yùn)行起動(dòng)電梯，使電梯到達(dá)目標(biāo)層。電梯上行、下行由一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，電梯上升；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，電梯下降；并可以實(shí)現(xiàn)電梯的啟動(dòng)加速、穩(wěn)定運(yùn)行、制動(dòng)減速等調(diào)速環(huán)節(jié)。電梯轎廂門由另一臺(tái)它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，轎廂門開(kāi)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，轎廂門關(guān)，每層電梯都設(shè)有呼叫按鈕，轎廂內(nèi)開(kāi)門按鈕，轎廂內(nèi)關(guān)門按鈕。電梯的廳門外每層都有樓層位置的數(shù)碼管顯示裝置及電梯運(yùn)行方向指示燈等裝置。

圖1 電梯PLC控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

2 電梯控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)思想及主程序流程圖

在電梯控制系統(tǒng)中，有大量的邏輯信號(hào)需要處理，這部分工作是由PLC來(lái)完成的，系統(tǒng)中的軟件能根據(jù)電梯的運(yùn)行要求及保護(hù)要求由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯信號(hào)的控制。

電梯控制系統(tǒng)軟件大致可分為：電梯開(kāi)關(guān)門及保護(hù)和故障顯示模塊、樓層信號(hào)的產(chǎn)生消除和數(shù)碼管顯示模塊、外呼信號(hào)的產(chǎn)生消除和顯示模塊、轎廂內(nèi)選信號(hào)的產(chǎn)生及消除與顯示模塊、電梯的確定上下行方向模塊、電梯停層信號(hào)的產(chǎn)生和消除模塊、電梯停車制動(dòng)模塊、電梯自動(dòng)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)加速和穩(wěn)定運(yùn)行模塊等幾大模塊。樓層信號(hào)的產(chǎn)生與消除模塊主要是由PLC的比較指令和加減指令讀入樓層信息并將該記憶信號(hào)存入對(duì)應(yīng)的中間繼電器，直到樓層改變?yōu)橹共⒂闷叨螖?shù)碼管顯示樓層的位置。電梯的確定上下行方向模塊主要是完成電梯在響應(yīng)呼叫時(shí)做出的向上運(yùn)行還是向下運(yùn)行的判斷。電梯停層信號(hào)和制動(dòng)模塊是要求電梯在運(yùn)行到目標(biāo)樓層檢測(cè)點(diǎn)時(shí)即進(jìn)入減速制動(dòng)狀態(tài)，而電梯在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到很多的樓層檢測(cè)點(diǎn)，只有到目標(biāo)樓層的檢測(cè)點(diǎn)時(shí)才會(huì)發(fā)出減速信號(hào)，電梯在經(jīng)過(guò)目標(biāo)樓層檢測(cè)點(diǎn)時(shí)接到這個(gè)信號(hào)就開(kāi)始制動(dòng)減速了。電梯轎廂開(kāi)關(guān)門電路模塊和按鈕記憶指示燈顯示電路模塊是為了控制轎廂的開(kāi)關(guān)門和按鈕接通之后需要指示的發(fā)光二極管電路。將這些模塊逐一進(jìn)行梯形圖編程，并按順序連接在一起就構(gòu)成總程序。

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的模塊化編程思想，可以畫(huà)出電梯控制系統(tǒng)的主流程圖如圖2所示。

圖2 電梯控制系統(tǒng)的主流程圖

2.2 三菱PLC的I/O設(shè)計(jì)及機(jī)型的選擇

根據(jù)系統(tǒng)需要控制的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，設(shè)備大約有36個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，36個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行控制，所以選用常用的整體式三菱FX-ZN系列PLC作為主控制器。故設(shè)計(jì)中選擇PLC的型號(hào)為FX-ZN-80MR，其輸入輸出節(jié)點(diǎn)各為40個(gè)。

2.3 電梯部分環(huán)節(jié)梯形圖軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 樓層位置的數(shù)碼管顯示環(huán)節(jié)

樓層的具體位置可由七段數(shù)碼管顯示，并且PLC的輸出端直接可與七段數(shù)碼管連接，無(wú)需外部硬件譯碼器，由PLC的軟件程序直接驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管用來(lái)顯示樓層位置。在七段顯示電路中，PLC的輸出端子Y34}-Y37信號(hào)就可以控制數(shù)碼管相對(duì)應(yīng)區(qū)段的亮或滅，以組成相應(yīng)的字形，來(lái)表示當(dāng)前電梯所處的樓層位置。其程序如圖3所示。

圖3 電梯樓層位置的顯示梯形圖

2.3.2 電梯關(guān)門環(huán)節(jié)

電梯的關(guān)門環(huán)節(jié)主要由以下五部分組成，將五種情況的梯形圖程序進(jìn)行并聯(lián)，就得到關(guān)門環(huán)節(jié)總的梯形圖，其總程序梯形圖如圖4所示。

(1)電梯停用時(shí)的關(guān)門。

(2)電梯在停站時(shí)的提前關(guān)門。

(3)電梯的自動(dòng)關(guān)門。

(4)電梯門被夾或電梯超重時(shí)禁止關(guān)門。

(5)電梯在檢修狀態(tài)下的關(guān)門。

圖4 電梯關(guān)門環(huán)節(jié)梯形圖

2.3.3 轎廂內(nèi)選層的產(chǎn)生、消除與顯示環(huán)節(jié)

電梯在運(yùn)行過(guò)程中司機(jī)或乘客可通過(guò)對(duì)轎廂內(nèi)一層至六層內(nèi)選層按鈕(X14～X21)的操作，選擇自己欲去的樓層。如果電梯內(nèi)選層按鈕被按下后，相對(duì)應(yīng)的內(nèi)選樓層按鈕下的指示燈會(huì)點(diǎn)亮(Y14～Y21)。當(dāng)電梯運(yùn)行至所選擇的樓層位置后，電梯的轎廂內(nèi)選樓層信號(hào)應(yīng)當(dāng)被消除，相對(duì)應(yīng)的指示燈也應(yīng)熄滅。下圖給出電梯的一層至四層的轎廂內(nèi)選信號(hào)的產(chǎn)生與消除環(huán)節(jié)，其程序梯形圖如圖5所示。

圖5 電梯一層至四層轎廂內(nèi)選信號(hào)梯形圖

3 電梯運(yùn)行的模擬調(diào)試及仿真

3.1 GX-Simulator 6.0軟件簡(jiǎn)介

三菱全系列PLC仿真調(diào)試軟件GX simulator 6.0：首先，仿真軟件的功能就是將編寫(xiě)好的程序在電腦中虛擬運(yùn)行，如果沒(méi)有編好的程序，是無(wú)法進(jìn)行仿真的。所以，在安裝仿真軟件GX Simulator 6.0之前，必須先安裝編程軟件GX Developer 7.0，并且版本要互相兼容。其次，安裝好編程軟件和仿真軟件后，在桌面或者開(kāi)始菜單中并沒(méi)有出現(xiàn)仿真軟件的圖標(biāo)。因?yàn)榉抡孳浖患傻骄幊誊浖礼X Developer 7.0中了，其實(shí)這個(gè)PLC仿真軟件相當(dāng)于編程軟件的一個(gè)插件。

程序編程結(jié)束后需進(jìn)行程序的調(diào)試仿真。即可進(jìn)行梯形圖的調(diào)試仿真。如圖6所示為PLC梯形圖仿真控制窗口，可控制仿真程序的停止與運(yùn)行等。

選中PLC梯形圖仿真控制窗口工具欄的菜單啟動(dòng)(s)中下拉菜單的繼電器內(nèi)存監(jiān)視，則出現(xiàn)了DEVICE MEMORY MONITOR浮動(dòng)窗口，在此窗口中的軟元件中點(diǎn)擊X和Y，就會(huì)出現(xiàn)仿真浮動(dòng)窗口，如圖7所示。圖7中的輸入信號(hào)X按電梯的運(yùn)行規(guī)律人為設(shè)置，在輸出信號(hào)Y中就會(huì)有相應(yīng)的輸出。下圖中X為深色陰影時(shí)，表示輸入動(dòng)作，即對(duì)應(yīng)PLC中的輸入指示燈亮；Y為深色陰影時(shí)，表示此時(shí)電梯有輸出信號(hào)，即PLC中的輸出指示燈亮。并且還可以對(duì)照PLC控制的I/0分配表驗(yàn)證。

圖7 仿真結(jié)果顯示窗口

3.2 電梯運(yùn)行時(shí)單指今的仿真

單指令運(yùn)行調(diào)試這是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)試方法，檢查所設(shè)計(jì)的程序在完成其最簡(jiǎn)單的控制功能時(shí)是否會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。若各種調(diào)試無(wú)錯(cuò)誤，則再采用相對(duì)較復(fù)雜的方法進(jìn)行調(diào)試。下面以上行和下行兩種情況為例來(lái)進(jìn)行電梯運(yùn)行時(shí)的單指令仿真。

(1) 當(dāng)電梯安全運(yùn)行繼電器X42接通，并且鎖梯開(kāi)關(guān)X43、自動(dòng)運(yùn)行繼電器X37都將動(dòng)作時(shí)，電梯安全運(yùn)行指示燈Y41、風(fēng)扇Y42、照明燈Y43都亮。在此情況下，利用下置數(shù)開(kāi)關(guān)X35動(dòng)作，使電梯樓層顯示一層，即Y34亮。三層內(nèi)選按鈕X16和五層上行按鈕X31相繼動(dòng)作，使電梯的輸出三層內(nèi)選記憶指示燈Y16及五層上呼指示燈Y31亮。并且經(jīng)過(guò)當(dāng)前電梯所在樓層位置與目標(biāo)層比較得到電梯上行指示燈Y4亮。由于電梯的門鎖繼電器 X36沒(méi)閉合，所以電梯無(wú)法運(yùn)行。其仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 電梯位于一層、三層內(nèi)選、五層上行仿真結(jié)果

(2)當(dāng)電梯安全運(yùn)行繼電器X42接通，并且鎖梯開(kāi)關(guān)X43、自動(dòng)運(yùn)行繼電器X37都將動(dòng)作時(shí)，電梯安全運(yùn)行指示燈Y41、風(fēng)扇Y42、照明燈Y43都亮。在此情況下，利用上置數(shù)開(kāi)關(guān)X34動(dòng)作，使電梯樓層顯示六層，即Y35和Y36同時(shí)亮。進(jìn)而二層內(nèi)選按鈕X15和四層內(nèi)選按鈕X17動(dòng)作;緊接著三層下行按鈕X26、四層上行按鈕X27相繼動(dòng)作。使電梯的輸出二層、四層內(nèi)選記憶指示燈Y15, Y17亮;并且三層下呼、四層上呼指示燈Y26, Y27亮。經(jīng)過(guò)當(dāng)前電梯所在樓層位置與目標(biāo)層比較得到電梯下行指示燈Y5亮。由于電梯的門鎖繼電器X36沒(méi)閉合，所以電梯無(wú)法運(yùn)行。其仿真結(jié)果如圖9所示。

3.3 電梯運(yùn)行時(shí)復(fù)雜指令的仿真

單指令運(yùn)行調(diào)試之后，再下來(lái)就是較復(fù)雜指令的調(diào)試，以確保程序在多條指令運(yùn)行時(shí)的正確性。電梯的復(fù)雜指令運(yùn)行調(diào)試是在無(wú)規(guī)律呼叫電梯時(shí)看電梯的運(yùn)行狀態(tài)是否符合正常邏輯。這種調(diào)試最容易發(fā)現(xiàn)一些潛在的開(kāi)始不易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

圖9 電梯位于六層、二層內(nèi)選、四層內(nèi)選、三層下行、四層上行的仿真結(jié)果

例如，電梯轎廂原來(lái)停在一層，此時(shí)三層內(nèi)選按鈕、五層下行按鈕相繼動(dòng)作。此時(shí)電梯將向上運(yùn)行，運(yùn)行到三層位置時(shí)經(jīng)過(guò)制動(dòng)減速、平層開(kāi)門、關(guān)門等程序后電梯將繼續(xù)向五層運(yùn)行，運(yùn)行到五層后經(jīng)過(guò)制動(dòng)減速、平層開(kāi)門、關(guān)門等程序后，二層內(nèi)選按鈕再動(dòng)作，電梯又要向下運(yùn)行，經(jīng)過(guò)四層、三層、二層、最終到達(dá)二層關(guān)門后電梯處于待命狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)電梯控制系統(tǒng)的反復(fù)模擬調(diào)試和仿真結(jié)果的軟元件(X和Y)狀態(tài)分析，其仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的梯形圖程序正確，符合電梯實(shí)際的運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了交流雙速電梯的基本功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中僅設(shè)計(jì)了六層電梯的控制系統(tǒng)，通過(guò)軟件的調(diào)試和電梯的仿真運(yùn)行基本實(shí)現(xiàn)了電梯的功能。但還存在一些不足之處，例如：設(shè)計(jì)時(shí)未考慮樓層之間電梯運(yùn)行的自學(xué)習(xí)功能，電梯的調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有采用變壓變頻調(diào)速技術(shù)(VVVF)，由于實(shí)際條件的限制，本設(shè)計(jì)只進(jìn)行了軟件的調(diào)試和電梯的仿真運(yùn)行，沒(méi)有進(jìn)行外圍硬件的連接和安裝調(diào)試。總之，電梯行業(yè)是一個(gè)不斷發(fā)展的事業(yè)，電梯控制系統(tǒng)將隨著科技的發(fā)展而日趨完善，電梯的性能也將進(jìn)一步提高。未來(lái)的電梯控制系統(tǒng)將具有智能化、小型化、安全化、信息化等特點(diǎn)，更加符合人體運(yùn)動(dòng)的生理特性，將為人們的生活與工作提供安全可靠、高效舒適的人性化服務(wù)。

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