一種基于S7-1200的六部十層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；江蘇科瑞德智控自動(dòng)化科技有限公司，天津 300350)

一、引言

電梯是住宅樓、商場(chǎng)、寫(xiě)字樓等建筑中非常重要的一種承載工具。隨著社會(huì)進(jìn)步和城市化的推進(jìn)，城市的規(guī)模越來(lái)越龐大，樓也越來(lái)越高，這些就導(dǎo)致人們對(duì)于電梯的控制精確度和范圍等有了更高的需求。當(dāng)前，大多數(shù)電梯企業(yè)都使用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行實(shí)況的操控。成熟的控制系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)電梯載客運(yùn)貨的功能，還需要確保安全性能的同時(shí)，采取優(yōu)秀的算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。

本文采用了電梯的相關(guān)群控技術(shù)，選擇了西門(mén)子S7-1200系列的PLC作為整個(gè)電梯的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制核心，充分考慮電梯運(yùn)行方式和效率的要求，設(shè)計(jì)一種六部十層電梯控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)功能的控制和對(duì)其運(yùn)行安全的監(jiān)測(cè)。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基本控制邏輯

(一)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西門(mén)子 S7-1200 型PLC為一種緊湊型、模塊化的可編程邏輯控制器,它相比S7系列其他同等級(jí)的PLC，更具優(yōu)勢(shì)、性能比更好。西門(mén)子S7-1200 PLC所包含的 PID 功能集合了S7系列其他PLC的PID優(yōu)勢(shì),并且在此基礎(chǔ)上增添自己的特色,為PID算法的實(shí)現(xiàn)提供條件。S7-1200還在原來(lái)基礎(chǔ)上增添了許多其他功能,所以本系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1200PLC作為控制核心。

控制系統(tǒng)包含了主控和單控部分。主控部分：計(jì)算機(jī)的PC站和主控的 PLC 控制器用以太網(wǎng)的方式完成通訊連接,而主控的PLC 與各個(gè)電梯的 PLC 通過(guò) Profibus-DP總線進(jìn)行通訊連接。單控部分:各個(gè)電梯的PLC通過(guò) RS-485 總線完成通訊連接。主控部分與單控部分之間的相互協(xié)調(diào)，共同完成控制功能,從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)單梯之間的調(diào)度任務(wù),并確保電梯集群控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

電梯的控制系統(tǒng)主要由西門(mén)子S7-1200系列(CPU 1214C DC/DC/DC)、PM125、電梯每個(gè)樓層的外呼叫按鈕及指示燈、電梯內(nèi)的相關(guān)設(shè)施(轎廂內(nèi)呼按鈕、轎廂選層按鈕、指示燈等)、電梯模型(包括轎廂、曳引機(jī)電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)門(mén)繼電器、上下端站限位繼電器、上下運(yùn)行時(shí)的平層傳感器等)等部分組成。

電梯的控制系統(tǒng)的硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 電梯控制系統(tǒng)硬件框圖

(二)基本控制邏輯

通常電梯的運(yùn)行是由轎廂內(nèi)呼和樓層外呼的按鈕來(lái)進(jìn)行呼叫操作，通過(guò)程序內(nèi)部邏輯控制，使得電梯到達(dá)按鈕選擇的相應(yīng)樓層。電梯在每層的內(nèi)呼和外呼都有相應(yīng)的數(shù)碼管顯示樓層的位置和電梯上行、下行運(yùn)行方向等。電梯平層后，轎廂門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉都是通過(guò)皮帶輪和一臺(tái)相應(yīng)的電機(jī)來(lái)控制，電機(jī)正轉(zhuǎn)控制開(kāi)啟，電機(jī)反轉(zhuǎn)控制關(guān)閉。另外有一臺(tái)曳引電動(dòng)機(jī)來(lái)控制電梯的上行、下行，其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)分別控制著電梯的上升、下降，并且電梯動(dòng)作時(shí)的啟動(dòng)加速、制動(dòng)減速、平穩(wěn)運(yùn)行等動(dòng)作都是由牽引電機(jī)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)電梯基本功能設(shè)計(jì)

依據(jù)在不同的樓層的人們的需要及時(shí)的進(jìn)行相關(guān)處理響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電梯到站后的自動(dòng)平層功能、轎廂的開(kāi)關(guān)門(mén)功能、超過(guò)額度載重后的超載警示功能以及防止沖頂和蹲底的上下限位功能等。功能描述如下：

1.電梯初始化

在上電之后，電梯會(huì)給出一個(gè)初始化的信號(hào)提示，PLC在接收信號(hào)之后，進(jìn)行初始化的工作，并返回準(zhǔn)備就緒信號(hào)以確認(rèn)，同時(shí)也包含了一些必要的用于存儲(chǔ)器復(fù)位的程序。

例如，使電梯位于基站(即一層)待命。

2.集選控制

集選控制通俗的來(lái)說(shuō)就是集合所有呼叫信號(hào)，選擇相對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行特定的控制。

例如，電梯在正常運(yùn)行時(shí)，可以接收運(yùn)行的同方向的全部呼叫信號(hào)和轎廂內(nèi)的選層信號(hào)，并通過(guò)判斷完成在其指定的平層的?？抗ぷ?。電梯在完成處理所有的呼叫信號(hào)以及選層信號(hào)之后，?？吭谄渥詈笠淮螆?zhí)行運(yùn)行的樓層進(jìn)行待機(jī)處理。

3.開(kāi)關(guān)門(mén)控制

控制電梯的PLC會(huì)實(shí)時(shí)的綜合電梯的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)信號(hào)，包括電梯門(mén)的開(kāi)關(guān)情況、呼梯的信號(hào)、選層的信號(hào)、光幕的信號(hào)等，對(duì)電梯的轎廂門(mén)進(jìn)行特定的控制。當(dāng)按下呼梯按鈕的時(shí)候，按鈕的指示燈變亮，抵達(dá)目標(biāo)層之后，指示燈滅，轎廂執(zhí)行平層開(kāi)門(mén)動(dòng)作。

例如，當(dāng)電梯門(mén)沒(méi)有完全關(guān)閉的時(shí)候，如果此時(shí)存在光幕信號(hào)，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先處理響應(yīng)，保持其電梯門(mén)的開(kāi)啟狀態(tài)；當(dāng)電梯到達(dá)平層開(kāi)門(mén)之后，對(duì)電梯門(mén)進(jìn)行延時(shí)關(guān)閉處理，且此時(shí)間可是修改的；并且當(dāng)持續(xù)存在開(kāi)門(mén)信號(hào)時(shí)，門(mén)延時(shí)關(guān)閉的功能將會(huì)失效。

4.啟?？刂?/p>

電梯按照相應(yīng)的時(shí)間原則完成啟停動(dòng)作。當(dāng)電梯抵達(dá)相應(yīng)樓層時(shí)，電機(jī)需要根據(jù)時(shí)間原則完成三級(jí)制動(dòng)減速動(dòng)作，等到平層后，切斷上行、下行接觸器，進(jìn)行停車動(dòng)作。

5.運(yùn)行監(jiān)控

當(dāng)電梯正常運(yùn)作時(shí)，一直需要對(duì)當(dāng)前的運(yùn)行的方向、當(dāng)前的樓層(采用七段數(shù)碼管顯示)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控與顯示。當(dāng)沒(méi)有呼叫指令產(chǎn)生的時(shí)候，電梯運(yùn)行方向的指示燈無(wú)指向。

6.錯(cuò)誤指令消除

特別對(duì)可能存在的人為原因的選層信號(hào)的錯(cuò)誤操作進(jìn)行特定的優(yōu)化處理、增加防‘搗亂’功能。

例如：

在臨床腦血管的疾病當(dāng)中，鬧靜脈竇血栓是其中不多見(jiàn)的一種，該病所屬于的范疇為顱內(nèi)血栓[1]。該病的發(fā)病概率雖然比較低，但是病情一旦發(fā)作其情況會(huì)比較危急和兇險(xiǎn)[2]。并且該病在臨床上的表現(xiàn)并不是很明顯，缺乏一定的特異性，因此在臨床上對(duì)于該病的診斷難度比較大，從而會(huì)對(duì)治療造成延緩[3]。本文對(duì)腦靜脈竇血栓形成的相關(guān)臨床以及影像學(xué)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，現(xiàn)得出的結(jié)果報(bào)告如下所示。

(1)當(dāng)電梯抵達(dá)最高層(十層)時(shí)，轎廂內(nèi)原有的所有選層指令將全部被消除；

(2)如果較短時(shí)間里選層按鈕被連續(xù)按下兩次，則該選層被取消；

(3)禁止反向登陸，即：電梯在上行動(dòng)作中，如果電梯運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)三層時(shí)，則三層以下的選層信號(hào)都不被響應(yīng)處理。

7.待載休眠

為了環(huán)保節(jié)能，電梯沒(méi)有接收指令信號(hào)時(shí)或外部登記信號(hào)超過(guò)了一段時(shí)間之后，轎廂內(nèi)的照明和通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)暫時(shí)休眠，在接收到指令信號(hào)或呼叫信號(hào)后，重新上電進(jìn)行工作。

8.電梯滿載

當(dāng)電梯處在非并聯(lián)情況下的滿載狀態(tài)時(shí)，只對(duì)本梯內(nèi)呼信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，其他所有的外呼信號(hào)皆不進(jìn)行響應(yīng)；但是當(dāng)電梯在并聯(lián)模式下工作時(shí)，滿載的電梯不對(duì)外呼信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，并且由其它電梯進(jìn)行響應(yīng)。

9.開(kāi)門(mén)異常自動(dòng)選層

當(dāng)電梯因?yàn)槭艿酵饬蛘咂渌收献璧K沒(méi)法使轎門(mén)正常打開(kāi)時(shí)，即超過(guò)一定的時(shí)間沒(méi)有打開(kāi)門(mén)，電梯將會(huì)自動(dòng)選擇就近的樓層?？坎?zhí)行開(kāi)門(mén)動(dòng)作。

例如：

(1)當(dāng)電梯在第5層出現(xiàn)開(kāi)門(mén)的故障時(shí)，電梯將上行并且自動(dòng)選擇到達(dá)6層?？壳议_(kāi)門(mén)；

(2)當(dāng)電梯在第5層出現(xiàn)開(kāi)門(mén)的故障時(shí)，電梯將下行并且自動(dòng)選擇到達(dá)2層?？壳议_(kāi)門(mén)。

(二)單部電梯控制流程

當(dāng)電梯上電啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行初始化操作，電梯停靠在一層待機(jī)；如果有呼梯信號(hào)產(chǎn)生，電梯將會(huì)先判斷目標(biāo)層是不是與本層在同一樓層，如果是在同一層，則電梯會(huì)直接調(diào)用執(zhí)行開(kāi)關(guān)門(mén)程序完成開(kāi)門(mén)、上客、關(guān)門(mén)等動(dòng)作；如不是在同一層，則電梯將會(huì)執(zhí)行上行或下行動(dòng)作，向目標(biāo)層行駛；如果沒(méi)有呼梯信號(hào)存在，則電梯將會(huì)進(jìn)入待機(jī)的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下將會(huì)重新對(duì)內(nèi)選、外呼信號(hào)進(jìn)行接收判斷，并且如果過(guò)了一分鐘還沒(méi)有指示信號(hào)發(fā)出，電梯將關(guān)閉照明系統(tǒng)和排風(fēng)扇進(jìn)入節(jié)能模式。

當(dāng)電梯接收到上行呼叫信號(hào)的時(shí)候，轎廂向上運(yùn)行，如果同時(shí)還存在此樓層的上、下樓層呼叫信號(hào)時(shí)，首先完成當(dāng)前的動(dòng)作。根據(jù)最早登記的指令信號(hào)或者呼叫信號(hào)決定電梯的上行或者下行動(dòng)作。下行動(dòng)作時(shí)的邏輯同上行動(dòng)作。

單部電梯的控制系統(tǒng)的控制流程如圖2?？刂葡到y(tǒng)整體包括如下功能程序：初始化、呼梯信號(hào)、電梯上下行、目標(biāo)層到達(dá)判斷、平層停梯、開(kāi)關(guān)門(mén)控制等程序段。

(三)電梯并聯(lián)控制設(shè)計(jì)

電梯的并聯(lián)控制，通俗來(lái)說(shuō)是多個(gè)電梯共用外部呼叫信號(hào)，并且能依照原先預(yù)設(shè)的調(diào)配原則進(jìn)行自動(dòng)控制某一臺(tái)電梯工作。每臺(tái)電梯的外呼信號(hào)對(duì)所有電梯都有著相同的作用，而內(nèi)選信號(hào)與單獨(dú)電梯的響應(yīng)規(guī)則相同。其最終目的是：將與某一層的電梯的呼叫信號(hào)以及電梯需要運(yùn)行的方向信號(hào)，合理且高效地分給一組電梯中最合適的那個(gè)電梯。電梯并聯(lián)邏輯算法的好壞程度決定了電梯是否能夠高效且安全的運(yùn)行。

下面以兩個(gè)電梯作為例子，介紹并聯(lián)控制的相關(guān)原則以及邏輯：

一是，基站與自由站原則：群控電梯一般設(shè)定一個(gè)電梯為主梯，通常在基站待命，另一個(gè)設(shè)置為自由梯停留在最后?？康南嚓P(guān)樓層。當(dāng)某一層有呼叫信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，自由梯立即執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。

二是，先到先行原則：兩個(gè)電梯先后到達(dá)基站，同時(shí)關(guān)門(mén)等待選層信號(hào)時(shí)，將執(zhí)行先抵達(dá)先運(yùn)行的原則。

三是，自由梯執(zhí)行上行動(dòng)作時(shí)，其上方存在呼叫信號(hào)，則由自由梯去完成，而基梯繼續(xù)留在基站。如果在自由梯的下方有呼叫信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，則基梯進(jìn)行響應(yīng)動(dòng)作。

四是，當(dāng)自由梯執(zhí)行下行動(dòng)作時(shí)，其上方存在呼叫信號(hào)，則另一部基梯進(jìn)行響應(yīng)動(dòng)作。但如果自由梯的下方出現(xiàn)向上的呼叫信號(hào)時(shí)，自由梯進(jìn)行響應(yīng)。

五是，如果自由梯在運(yùn)行過(guò)程中其他樓層的外呼叫信號(hào)很多，并且在基站的 基梯沒(méi)有運(yùn)行條件，經(jīng)過(guò)30s到60s后，檢測(cè)到召喚信號(hào)沒(méi)有消失，則通過(guò)利用延誤時(shí)間繼電器讓基梯進(jìn)行響應(yīng)工作。

六是，如果有一個(gè)電梯發(fā)生故障或兩臺(tái)電梯控制器之間發(fā)生通信問(wèn)題，則另外一個(gè)電梯將會(huì)自行的進(jìn)入單梯獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。

七是，如果有一個(gè)電梯處在檢修的狀態(tài)，另外一個(gè)電梯將會(huì)自行的進(jìn)入單梯獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。

(四)多部電梯控制流程

本設(shè)計(jì)針對(duì)六部電梯群控系統(tǒng)在滿足單部電梯控制的基本邏輯要求之下，根據(jù)電梯距離計(jì)算來(lái)進(jìn)行運(yùn)行邏輯判斷。自動(dòng)判斷與外呼樓層最近并且運(yùn)行方向一致的電梯位置，則驅(qū)使該臺(tái)電梯優(yōu)先對(duì)這個(gè)外呼信號(hào)進(jìn)行相關(guān)響應(yīng)。

電梯在開(kāi)始上電后首先執(zhí)行初始化動(dòng)作，完成之后，六部電梯會(huì)根據(jù)所接收的信號(hào)信息開(kāi)始計(jì)算距離數(shù)據(jù)，接著把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC相關(guān)的存儲(chǔ)器中完成比較操作，距離更近的電梯，其響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)更高。因?yàn)殡娞菘偣矠槭畬?，如果在六層的位置進(jìn)行上行，按下七上按鈕，因?yàn)槭峭环较?，所以距離+1；如果按下七下按鈕，則默認(rèn)電梯到達(dá)最遠(yuǎn)端之后返回七下的位置，所以距離+7。

對(duì)于某一乘梯信號(hào)(外呼信號(hào))，當(dāng)同時(shí)存在兩部及以上的電梯距離最短且相等時(shí)，則依據(jù)各電梯內(nèi)呼信號(hào)的多少進(jìn)行比較判斷，選擇呼梯信號(hào)相對(duì)少的電梯對(duì)該外呼信號(hào)進(jìn)行相關(guān)響應(yīng)。假如比較結(jié)果仍然是相同的，則選擇PLC站點(diǎn)號(hào)小的電梯進(jìn)行相關(guān)響應(yīng)。

按照這種算法，六部電梯分別將實(shí)時(shí)的距離存儲(chǔ)到PLC寄存器中，然后根據(jù)相應(yīng)程序進(jìn)行控制。

多部電梯群控設(shè)計(jì)流程如圖3。

圖2 單部電梯的控制流程

圖3 多部電梯群控設(shè)計(jì)流程

四、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用西門(mén)子 S7-1200型 PLC作為電梯控制系統(tǒng)的主控單元，使用博途軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，并編制相應(yīng)程序。從節(jié)約能耗，提升效率，降低污染等方面考慮，對(duì)六部電梯的控制系統(tǒng)專門(mén)進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，并使用EES仿真軟件進(jìn)行仿真、調(diào)試。經(jīng)過(guò)仿真和調(diào)試,本控制系統(tǒng)的乘客乘梯時(shí)長(zhǎng)和候梯時(shí)長(zhǎng)、電梯的運(yùn)行總路程等性能指標(biāo)均得以優(yōu)化改進(jìn)。本系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于乘客的候梯時(shí)間采用就近響應(yīng)的算法,不僅減少了電梯響應(yīng)時(shí)運(yùn)行的距離長(zhǎng)度,而且縮短了其運(yùn)行的時(shí)間,通過(guò)這種方式大大減少電梯工作時(shí)的能耗、降低電梯的運(yùn)行成本。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)較高自動(dòng)化水平的同時(shí)，不僅能夠確保電梯可靠的運(yùn)行,還能保證其用最少的能耗在最短時(shí)間里使乘客到達(dá)其各自的目標(biāo)樓層,大大提高了其經(jīng)濟(jì)效益。