基于PLC的電梯控制系統設計分析

黃麗晶

（福建水利電力職業(yè)技術學院，福建 永安 366000）

基于PLC的電梯控制系統設計分析

黃麗晶

（福建水利電力職業(yè)技術學院，福建 永安 366000）

為了讓乘客可以用到更舒適、更安全、更環(huán)保的電梯，對電梯的研究還是很有必要的。PLC控制克服了繼電器控制電梯的很多缺點，有著編程容易、靈活性好、擴展性能好、抗干擾能力強等優(yōu)點，被應用于電梯控制系統的設置。本文研究的是七層電梯的PLC控制系統，主要是利用PLC的邏輯開關控制功能，通過PLC來控制電梯的開關門、樓層顯示、轎內與廳外的召喚登記與消除、定向、超載報警、起動加速和制動停車等模塊。這些都要通過分析電梯的性能要求，來確定輸入輸出口，進而選出合適的PLC型號，再分配I/O口，并且就前面所述的模塊功能以獲得相應的梯形圖，最后再進行程序的調試和仿真，實現了應用PLC控制電梯系統的目的。

PLC；電梯；控制系統；硬件設計；軟件設計；調試

隨著經濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，加之為了提高土地資源的利用率，現在的建筑物都在往高層發(fā)展，顯然自從出現電梯之后，高樓大廈就開始呈現出離不開電梯的現象了[1]。目前，電梯已廣泛應用于人們的生活中，它帶給人們極大的方便，發(fā)揮著至關重要的作用，如汽車等交通工具一般不可或缺，而電梯的承載量、起停的舒適感和控制方式等也在不斷地改進，因此對電梯的研究已經顯得很有必要了。

在我國發(fā)展初期，大部分電梯的電氣部分采用繼電器控制，不僅接線復雜，容易發(fā)生故障，維修困難，而且它的控制電路需使用大量的控制電器，這都要人工布線、焊接與組裝等，若工藝要求改變的話，控制電路也應該改變，這樣耗時又費力[2]。

在繼電器控制系統中，畢竟器件的老化、脫焊、觸點電弧等現象不可避免，這就降低了系統的可靠性，加上系統擴展性差，技術難以提升，而且電磁機構的觸點動作速度比較慢，其機械與電磁慣性大，使得控制精度會降低，同時系統結構龐大，能耗較大，其機械動作時噪聲也大，這樣就不太符合我國的環(huán)保要求了。

鑒于以上不足，本文選取PLC作為控制系統，其克服了繼電器控制系統的很多明顯的缺點，比如PLC采用大規(guī)模集成電路，大部分是軟繼電器，其可靠性明顯高很多，而且擴展靈活，通用性強，且微處理器控制，實時性好[3]。因此隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，PLC在工業(yè)控制領域上的應用也越來越廣泛，所以研究PLC應用于電梯有著重大的意義。

1 電梯的主要參數和PLC的特點

電梯的主要參數有轎廂尺寸、額定載重量、轎廂形式、開門寬度、曳引方式、額定速度、停層站數、井道高度等。

電梯是機電一體化的產品，它的機械部分就像人的軀體，電氣部分類似于人的神經，而控制部分則相當于人的大腦，各部分通過彼此密切相關的連接而必不可少，才能保證電梯的可靠運行。

電梯從空間上可劃分為機房部分、轎廂部分、井道部分和層站部分，熟稱四大空間。而電梯的八大系統則是曳引系統、電力拖動系統、導向系統、重量平衡系統、門系統、轎廂系統、電氣控制系統和安全保護系統。其電梯的總體結構圖如圖1所示[1]。

圖1 電梯總體結構圖

可編程控制器的優(yōu)越性主要蘊含有以下方面[4]：

1）靈活性和通用性強：繼電器控制系統的控制電路需要使用大量的控制電器，而且需要人工布線和焊接等來完成電路的連接，若工藝要求改變一點，控制電路就必須跟著改變，這樣耗時又費力。在PLC控制系統中，若控制功能要求改變，則只需要修改它的程序，其外部接線的改動極少，甚至可以不必改動。

2）編程語言簡單易學：PLC采用梯形圖邏輯編程，它的語言直觀易懂，不要求使用者要精通計算機方面的復雜的軟硬件知識，只要有了通常的繼電器梯形圖，就可方便地寫出PLC程序。

3）抗干擾能力強，可靠性高：繼電器控制系統中，因為器件的老化、觸點電弧及脫焊等現象是不可避免的，從而大大降低了系統的可靠性。在PLC控制系統中，主要模件都采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，而且都是由無觸點的半導體電路來完成大量的開關動作，加之PLC在硬件和軟件方面用了較好的防護措施，從而使其可靠性更高，抗干擾能力也更強。

4）PLC與外部設備的連接簡單而且使用方便。

5）PLC具有完善的功能與較強的擴展能力，而且體積小、重量輕并且易于機電一體化。

對于整體式PLC，其所有部件都裝在同一個機殼內，組成框圖如圖2所示[4-6]。

圖2 整體式PLC組成框圖

2 基于PLC的電梯設計

2.1 硬件設計

1）主電路設計

交流雙速電梯的主電路圖如圖3所示，電源由開關SQ0引入，經上升接觸器KM1和下降接觸器KM2來控制雙速籠型異步電動機的正反轉，從而用以實現電梯的上下行控制。正常工作即電梯上升或下降時由高速運行接觸器KM3接通快速繞組，定子串聯阻抗起動，再經過延時，就由起動加速接觸器KM5來短接起動阻抗，從而達到額定速度進入穩(wěn)速運行的階段。采用降壓起動可以減小起動電流對電網的沖擊，減少電動機的起動加速度，從而增加了電梯起動的舒適感。

當電梯收到停車的命令后，KM3應該斷電釋放，由低速運行接觸器KM4接通慢速繞組，經過延時分別由減速制動接觸器KM6、KM7和KM8短接阻抗，從而起到電梯停車前制動減速的作用，這樣不僅增加了停車制動時的舒適感，而且使停車更為準確。電梯到平層位置時，所有接觸器都斷開，抱閘抱死，使電梯停止運行。

2）門機、抱閘、門鎖和安全運行電路的設計

其電路圖如圖4所示，門機電路中，M2為他勵直流電動機，由開門接觸器 KM9和關門接觸器KM10來控制M2的正反轉，KM9閉合時，電阻R1與M2的電樞并聯，電流從電動機電樞的左端流向右端，從而使電動機正轉實現開門，由開門調速開關SQ8將R1短接，得以實現開門調速（減速）；KM10閉合時，電阻R2與M2的電樞并聯，電流從電動機電樞的右端流向左端，從而使電動機反轉實現關門，并由關門調速開關SQ9、SQ10和R2一起來實現關門調速。

圖3 交流雙速電梯的主電路

圖4 門機、抱閘、門鎖和安全運行電路的設計

在電梯上、下行的運行中時，KM1或KM2將會閉合一個，從而使制動線圈YB得電，抱閘松開，電動機能夠正常運轉。當電梯要停止時，KM1和KM2斷開，YB將失電，抱閘將電動機閘住而實現停車。

SQ11—SQ17表示 1—7樓廳門鎖開關，SQ18表示轎門關閉到位開關，只有將所有的廳和轎門開關串聯在一起，從而控制電梯門鎖繼電器KA1，實現只有當全部門正常關閉后電梯才能實現上升和下降的控制。

安全運行電路是將安全窗開關 SQ1、安全鉗開關SQ2、限速器開關SQ3和轎內急停開關SQ4以及熱繼電器觸點FR1和FR2串聯在一起構成，是電梯中最重要的電路。最后用KA2的觸點來控制電源的接入與否，這樣可以保證在多種緊急情況下能夠立即停車，從而確保了電梯的安全運行。

如圖5中M2用的是他勵直流電動機，直流電動機的調速性能好，起動力矩大，比較容易實現電梯的開關門，就像關門要由快到慢，直流比較容易調節(jié)它的速度，而且直流的制動回路比較簡單。

圖5 他勵直流電動機

3）電梯的電氣控制原理分析

電梯的電氣控制原理如圖6所示，它由曳引電動機、門電機、PLC和其他電氣元件構成，本控制系統主要是采用歐姆龍CP1H系列的PLC來實現電梯的運行控制，PLC接收來自現場的廳外與轎內的呼叫、樓層、位置和安全等信號，再實現對樓層的顯示、電梯的開關門、呼梯顯示和電梯的升降等功能。

圖6 電梯的控制系統原理圖

本小節(jié)的硬件設計是保證電梯能夠正常運行的重要條件，通過電動機的正反轉來控制電梯的上升與下降，還有電梯的開關門也要由電動機的正反轉來控制，而且為了滿足電梯起動和停車的舒適感，還采用了降壓起動和分級制動減速的方法，同時為了使電梯能夠安全運行，還設計了門鎖和安全運行電路。

2.2 軟件設計

通過清點需要接入PLC的信號，可以計算出控制系統所需的輸入點數為40個，輸出點數為38個，所以選擇歐姆龍CP1H系列40點I/O型主機和3臺20點的I/O擴展單元，其I/O擴展配置和I/O點編號如圖7所示[5]。七層電梯的PLC控制輸入輸出端口如圖8所示。

圖7 CP1H系列PLC的I/O擴展配置和I/O點編號

電梯主程序設計主要包括了：開關門控制；樓層信號的顯示；轎內與廳外召喚的登記與消除；電梯的定向；停車信號的產生；制動減速信號的產生；電梯起動加速、穩(wěn)速運行與停車制動環(huán)節(jié)；超載報警等環(huán)節(jié)。

電梯控制的流程圖如圖9所示。

1）開關門控制

電梯開門主要存在著以下幾種情況：檢修開門；重新開門；停層開門；基站開門；呼梯開門。因而設計得到關門控制的梯形圖如圖10所示，其相應的程序見表1（按列看，下文同）。

圖8 七層電梯的PLC控制輸入輸出端口

對于關門主要存在以下幾種情況：檢修關門；自動關門；提前關門。因而關門控制的梯形圖如圖11所示，其程序見表2。

2）樓層信號顯示

當電梯到達某層時，應該顯示出此層是幾樓，才能讓乘客更清楚電梯的位置。若要樓層正確的顯示，首先應由樓層感應器來判斷電梯在哪個范圍屬于哪層，然后利用內部輔助繼電器使相應的七段碼亮。例如觀察比如電梯在一樓，在一樓輔助繼電器20003得電，則七段碼A段和B段會亮，顯示出1的字樣，當電梯不在一樓而上升到二樓時，則20003將失電，七段碼A段和B段會暗，相應的在二樓輔助繼電器20004會得電，進而使七段碼的A、B、D、E和G段會亮，顯示出2的字樣。因篇幅限制，本文只列舉一樓至三樓的程序見表3。

圖9 電梯控制流程圖

圖10 開門控制的電梯圖

表1 開門控制的程序

圖11 關門控制的電梯圖

表2 開門控制的程序

3）轎內與廳外召喚的登記與消除

如圖12左是轎廂內的布局，右是廳外的布局，轎廂內設有急停開關按鈕、檢修時的上行起動按鈕和檢修時的下行起動按鈕，還有手動開門按鈕、手動關門按鈕和1—7樓的內選按鈕；廳外2—6樓都有上呼按鈕和下呼按鈕，1樓有上呼按鈕，7樓有下呼按鈕。轎內1—7這七個按鈕和廳外的上下呼的按鈕只要有被按下，則相應按鈕的指示燈就會亮，當電梯響應其按鈕的指示燈就會滅。此外，轎內和廳外都有樓層顯示和上下行顯示，這樣可以讓乘客更清楚電梯的位置。

表3 一樓至三樓的樓層信號顯示程序

圖12 轎內和廳外的布局

乘客想要去哪個樓層，可以按下內選按鈕，比如乘客在一樓進入電梯，想去三樓，則應該按下三樓的內選按鈕，此時三樓的內選按鈕指示燈會亮，當電梯行駛到三樓時，常閉觸點20005會斷開，從而使三樓內選按鈕的指示燈滅掉即被消除，其一樓至三樓的登記與消除的梯形圖如圖13所示，相應的程序見表4。

4）電梯的定向

電梯在自動運行的情況下，首先得先確定運行方向，才能讓電梯正確的運行。當電梯處于待命的時候，若此時接到了內選和外呼的信號，則應該把電梯的位置和呼叫信號相比較，從而來確定電梯是應該上行還是下行。一旦電梯定向完后，當內選和外呼順向運行還沒完的時候，定向信號不能被消除。在檢修的狀態(tài)下，電梯不需要定向，直接由上行起動和下行起動按鈕來完成。

圖13 一樓至三樓的登記與消除的梯形圖

表4 一樓至三樓的登記與消除的程序

當乘客在四樓時，想去五樓，就按下了四樓廳外的上呼按鈕，此時只有當電梯在四樓以下即電梯不在五、六和七樓時，電梯上行輔助繼電器才會得電，但是為了防止乘客進入轎廂后想去五樓時，在他進入電梯和按下五樓內選這段時間內，由于此時電梯已經在四樓了，電梯上行輔助會馬上失電，如果二樓有外呼的話，電梯會定下行，所以可以通過引入定上行輔助繼電器來使上行繼電器接通時間延長到上行這個動作完成。

5）停車信號的產生

在停車制動前，必須先確定停車信號，即確定電梯將要在哪層停下，這可通過樓層位置信息和呼叫信息來判斷。如當電梯定上行時二樓有上呼狀態(tài)或者電梯定下行時二樓有下呼狀態(tài)，又或者有二樓內選狀態(tài)時，此時應該產生二樓停車觸發(fā)的信號，當電梯行駛到二樓（由樓層感應器判斷）時就要產生二樓停車信號，從而可以使電梯開始減速停車。

6）制動減速信號的產生

電梯在平層之前要先減速再制動，才能使電梯平層更準確，且電梯也不會突然停車，這讓乘客感覺更舒適，如圖14所示，上平層感應器7和下平層感應器8一般裝載轎廂的頂部，隔磁鐵板9一般安裝在井道壁上。電梯上行時，上平層感應器先插入隔磁鐵板，若有停車信號，則此時應該發(fā)出制動減速信號，使電梯開始減速，當下平層感應器插入隔磁鐵板時，電梯應該抱閘停車，并自動開門；電梯下行時，下平層感應器先插入隔磁鐵板，如有停車信號，則此時應該發(fā)出制動減速信號，使電梯開始減速，當上平層感應器插入隔磁鐵板時，電梯應該抱閘停車，并自動開門。

圖14 電梯平面示意圖

7）電梯起動加速、穩(wěn)速運行與停車制動環(huán)節(jié)

只有當電梯的運行方向確定了，即上行或下行，并確保電梯門已經關好了，才可以開始起動電梯，進入起動加速環(huán)節(jié)，經過延時后短接阻抗，從而達到額定速度進入穩(wěn)速運行的階段。

因此，電梯運行前應先確定下上下行接觸器的接通與斷開情況，從而使電梯實現上下行或停車，所以要先設計好上下行接觸器的程序。當產生制動信號后，停層輔助繼電器就會得電，主要是利用停層輔助繼電器來計算停層時間（包含制動時間），當定時結束時，停層輔助繼電器也會失電，所以停層輔助繼電器保證了電梯在制動開始到平層后自動關門這段時間里，使電梯在上（下）行時，下（上）平層感應器插入隔磁鐵板，上（下）行接觸器KM1（KM2）會斷開，從而使電梯抱閘停車，并實現自動開門的功能。同時，當定時結束時，電梯會自動關門，常閉停層輔助觸點也會閉合，如果此時確保門已關上，則上行接觸器KM1或下行接觸器KM2將接通，使電梯實現繼續(xù)上行或下行的動作。在檢修的狀態(tài)下，可以直接通過轎廂內的上下行起動按鈕來實現電梯的上下行功能。但是為了防止電梯超過頂層平層后能停止向上運行，應設置個上行限位，將其常閉觸點接入上下行的控制程序中，從而確保了電梯行駛的安全性，類似地，為了防止電梯超過底層平層后能停止向下運動，應設置個下行限位。

8）報警系統

根據電梯的實際運行能力，預先設置電梯的額定載重量，利用重力傳感器來判斷是否超載。當超過額定載重量時，重力傳感器的模擬開關就會閉合，從而使超載報警燈點亮，發(fā)出報警信號。

3 程序調試

本文研究的是七層電梯的PLC控制系統，將上面 2.2各部分的梯形圖拼在一起就可以得到電梯PLC控制系統的梯形圖總圖，其中PLC采用的是歐姆龍的CP1H系列，由于實驗室的實驗臺輸入輸出口有限，所以我主要是利用CX-Simulator仿真軟件，先在此軟件設置好要仿真的PLC型號即CP1H，然后連接運行，再打開CX-Programmer軟件，把畫好的梯形圖載進去，選好PLC型號為CP1H，最后只要點擊在線模擬即可，若想要哪個開關接通或斷開，可以直接右擊此開關設置其為 on或 off，然后就可以觀察到哪條線路通了，哪個繼電器得電之類的。

下面將介紹兩種代表性的呼梯情況，進而驗證出電梯的運行情況是符合設計要求的：

1）順向截梯，反向不停：電梯在二樓，若廳外同時有三樓下呼和四樓上呼信號，則電梯從二樓上行時，不會在三樓停下，應該在四樓停下。其程序仿真情況如下：

電梯在二樓，則二樓感應器會閉合，使在二樓輔助繼電器得電，從而使樓層顯示為 2，在廳外按下三樓下呼按鈕和四樓上呼按鈕時，相應的指示燈也會亮，從而確定了電梯為上行，即按下三樓下呼和四樓上呼按鈕后，定上行輔助繼電器得電，電梯顯示上行，在門確保關上的情況下，上行接觸器KM1會閉合，并由KM3和KM5實現起動加速，從而實現電梯的上行動作，同時四樓停車觸發(fā)繼電器得電，而三樓停車觸發(fā)繼電器只有在下行的時候才會得電，當電梯上行到四樓時，停層信號繼電器得電，當上平層感應器插入隔磁鐵板時，制動信號繼電器得電，開始進入制動減速階段，當下平層感應器插入隔磁鐵板時，電梯將抱閘停車，然后自動停層開門，最終實現在四樓停車，響應四樓上呼的信號，經延時后，電梯會自動關門，常閉停層輔助觸點會接通，使電梯繼續(xù)實現上行或下行。類似的當電梯下行時，才會響應三樓下呼的信號。

2）電梯在一樓，若廳外同時有三樓下呼信號和五樓下呼信號，則電梯應該先到五樓，再下行到三樓。其程序仿真情況如下：

電梯在一樓，樓層顯示就會顯示 1，當按下三樓下呼信號和五樓下呼信號時，電梯定上行輔助繼電器將得電，在門確保關上的情況下，上行接觸器KM1會閉合，并由KM3和KM5實現起動加速，從而實現電梯上行的情況，當電梯到達三樓時，三樓感應器使在三樓輔助繼電器得電，但是還有五樓下呼信號，使電梯定上行輔助繼電器還是處于得電狀態(tài)，所以在三樓電梯不會停車，當電梯到達五樓時，五樓感應器使定上行輔助繼電器失電，由于三樓下呼信號還在，所以定下行輔助繼電器會得電，使電梯定下行，接著五樓停車觸發(fā)繼電器會得電，進而會產生五樓停車觸發(fā)信號，使停層信號繼電器得電，當上平層感應器插入隔磁鐵板時，制動信號繼電器得電，停層輔助繼電器也得電，定時器開始計時，停層時間（包含了制動時間）定時器TIM000得電，使電梯進入制動減速階段，通過三級的制動減速，使電梯停車更舒適，當下平層感應器插入隔磁鐵板時，電梯將抱閘停車，然后自動開門，實現在五樓停車，經過延時后，電梯會自動關門，常閉停層輔助觸點會接通，使電梯繼續(xù)實現上行或下行。類似的當電梯下行時，三樓的下呼信號才會響應。

4 結論

本文主要研究了PLC應用于電梯的控制系統，克服了繼電器控制的很多缺點。采用PLC來實現電梯的自動開/關門、樓層顯示、轎內和廳外的登記與消除、自動定向、起動和停車、檢修運行與安全保護等功能，并且通過PLC來控制雙速籠型異步電動機和門電機正反轉，使電梯可以高效可靠地運行。實現了電梯的PLC控制，達到了預想的目的，為實際的工程實踐提供了新的思路和手段。

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Analysis of Elevator Control System Design based on PLC

Huang Lijing
(Fujian College of Water Conservancy and Electric Power,Yongan,Fujian 366000)

In order to let the passengers can use more comfortable,safer,more environmentally friendly elevator,the study of the elevator is very necessary.PLC control overcomes many disadvantages of relay control,it has easy programming,good flexibility,good extension performance,strong anti-interference ability,etc.This paper studies the seven layers of elevator's PLC control system,the main idea is the use of PLC logical switch control function,through the PLC to control the elevator doors and floor display,car inside and outside the hall call registration with elimination,directional,overload alarm and start acceleration and braking parking module.These all need to through the analysis of the performance requirements of the elevator to determine the input and output,then choose the appropriate models of PLC，and distribute the I/O port,as the earlier describe about module function can draw the corresponding ladder diagram.Finally,debugging and simulation of the procedures involved.achieved the purpose of controlling an elevator system based on PLC.

PLC;elevator;control system;hardware design;software design;debugging

黃麗晶（1987-），女，福建仙游人，漢族，教師，主要從事電氣自動化類專業(yè)的教學與研究工作。