基于西門子PLC的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計

歐陽敏

(湖南軟件職業(yè)學(xué)院，湖南湘潭 411100)

0 引言

電梯是人們生活、工作中常用的運輸載具，具有重要的貨運和人員運輸功能。而大多數(shù)老式電梯由繼電器控制，繼電器存在易發(fā)故障、可靠性不好等一系列缺點。老式電梯適用的繼電器控制控制觸點多，故障率高、成本高。相較于繼電器，PLC使用軟件編程來實現(xiàn)電梯控制，接線簡便且故障率低，因此，電梯邏輯控制已被PLC控制所取代。隨著微電子技術(shù)，計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，電梯驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)演變?yōu)殡妷赫{(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)模式。

隨著電子技術(shù)的迅速進步和應(yīng)用，PLC以其出色的可靠性和強大的抗干擾能力受到公眾認可。PLC可以顯著提高電梯系統(tǒng)的可靠性和控制效率，因此成為當(dāng)前最常用的控制模式。同時，用于常規(guī)繼電器控制系統(tǒng)的技術(shù)改造非常方便。針對使用西門子PLC的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計進行探討，討論如何使用PLC實現(xiàn)電梯控制，對于促進我國電梯業(yè)的發(fā)展非常重要。

1 電梯控制基本要求

電梯控制系統(tǒng)主要滿足以下控制要求。

(1)電梯有兩種模式：強制運行和自動運行。(2)自動定向：如果電梯轎廂中控制面板的選層方向與電梯的方向不同，則電梯必須能夠根據(jù)指令自動確定行進方向，電梯完成所有前進指令后應(yīng)該能夠自動改變方向并響應(yīng)相反方向的信號。(3)呼叫記憶：電梯在行駛過程中需要記住呼叫信號，在與運行方向相匹配的前進方向停下轎廂，先記住與電梯運行方向不匹配的呼叫指令，然后電梯向后移動時執(zhí)行指令。(4)電梯內(nèi)部選擇信號、外部呼叫信號、運行方向和電梯樓層位置均裝有指示燈。(5)達到樓層后，電梯能夠自動/手動開關(guān)門。如果有障礙物，電梯門將自動打開。在正常情況下，電梯將自動停止3～5s，然后自動關(guān)閉。當(dāng)按下門關(guān)閉按鈕時，門將立即關(guān)閉。(6)電梯運行時，前門和轎廂門均無法打開。如果在達到樓層后打開轎廂門，電梯將不會移動。(7)電梯有各種防護措施[1]。

圖1 基于PLC的電梯控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)組成

(1)主體結(jié)構(gòu)。如圖1所示，主要組件為安全防護系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、電力驅(qū)動系統(tǒng)、配重系統(tǒng)、轎廂系統(tǒng)，門控制系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、各種指示燈、各種按鈕、PLC等。

此次設(shè)計的電梯控制系統(tǒng)采用了基于PLC的控制模式，是以信號控制和拖動速度控制為核心的PLC集中控制方案。從圖1可知，系統(tǒng)核心組件是PLC。 PLC的CPU模塊從輸入模塊接收電梯的運行狀態(tài)信號、安全保護信號、電梯停車信號，門機控制系統(tǒng)信號、電梯呼叫信號等。由CPU模塊處理后轉(zhuǎn)換成控制信號。

(2)牽引系統(tǒng)。對于所有電梯，首先要考慮的是安全。對于電梯控制系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)的設(shè)計必須更加全面科學(xué)，因為牽引系統(tǒng)對安全性有直接影響。電梯在運行時會受到許多因素的影響，例如轎廂的方向、位置和負載。無論電梯的運行狀態(tài)如何，都需要確保電梯始終具有足夠的驅(qū)動力。結(jié)合相關(guān)研究數(shù)據(jù)，電梯的牽引條件如下：電梯的牽引系數(shù)必須大于或等于磨損影響系數(shù)×加速度系數(shù)×最大靜態(tài)張力的比值。

(3)配重系統(tǒng)。顯然，重量補償裝置是配重系統(tǒng)中的核心組件。為了獲得最佳的平衡效果，必須準(zhǔn)確計算電梯轎廂的自身重量和轎廂的額定負載，包括滿載和空載的電梯，以最大程度地減少牽引裝置的消耗，有效避免鋼絲繩打滑。此外，配重應(yīng)合理設(shè)計。否則，將難以調(diào)整，這將對電梯的有效性及其整體性能產(chǎn)生重大影響，并且很容易導(dǎo)致蹲底或沖頂事故。

(4)安全保護裝置。主要用于安全保護，例如緩沖器、限速器。如萬一發(fā)生轎廂掉落或電梯超速等危險情況，安全保護裝置必須能夠及時執(zhí)行必要的保護功能完成保護動作，以免造成財產(chǎn)損失或人身傷害。安全裝置的主要功能是在發(fā)生事故時確保轎廂停留在導(dǎo)軌上并切斷電源。

(5)變頻調(diào)速裝置。為了電梯能夠平穩(wěn)運行，在電動機速度調(diào)節(jié)過程中，電動機必須始終保持恒定的最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，即相對恒定的磁通量。從而確保過載能力總是恒定的。

3 基于PLC的電梯控制程序設(shè)計

3.1 電梯控制模式

電梯控制模式可分為兩種狀態(tài)：強制運行和自動運行[2]。如需檢修電梯，可以按下“檢修”按鈕以強制電梯運行。此時，電梯將不會響應(yīng)正常的呼叫信號，但可以使用手動門打開/關(guān)閉按鈕打開和關(guān)閉電梯，并且可以使用“手動向上按鈕”和“手動向下按鈕”使電梯順著導(dǎo)軌自由地上下移動。僅在電梯位于每層時，“手動開/關(guān)按鈕”和“手動開/關(guān)按鈕”才能開啟轎廂門。檢修工作結(jié)束后，電梯即可恢復(fù)自主運行。當(dāng)電梯正常運行時，如果檢測到轎廂中有一個內(nèi)部選擇按鈕，或者有外部呼叫信號時就會根據(jù)內(nèi)部選擇按鈕的記錄來確定轎廂的行進方向。通過調(diào)節(jié)變頻速度，電梯從低速開始運行。當(dāng)檢測到將達到某層時，電梯控制系統(tǒng)漿執(zhí)行減速和制動操作實現(xiàn)平穩(wěn)停車，大大提高了電梯的舒適度。達到樓層時，門開，知道碰到限位開關(guān)，開門結(jié)束。如果在設(shè)定的延遲時間內(nèi)未檢測到轎門開/關(guān)按鈕信號，則轎門將自動關(guān)閉。電梯的運行過程遵循前向優(yōu)先響應(yīng)和反向攔截的原理，持續(xù)進行一層啟動，另一層停止的運行過程。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 模塊化編程

電梯控制系統(tǒng)采用集中選擇控制系統(tǒng)。本次設(shè)計使用模塊化編程方法將電梯控制系統(tǒng)的整個軟件設(shè)計分為以下主要模塊：初始化模塊、平層控制模塊、外呼指示燈控制模塊、內(nèi)部指示燈控制模塊、樓層顯示模塊、門開關(guān)控制模塊、電梯上下移動控制模塊等。

3.2.2 系統(tǒng)初始化

上電后必須先初始化控制系統(tǒng)。使用SM0.1初始化脈沖來查看電梯轎廂是否處于關(guān)閉狀態(tài)。如果門關(guān)閉，保持不變。如果門沒有關(guān)閉，請將其設(shè)置為關(guān)閉并驅(qū)動。另外，還需要檢查電梯是否出于平層。為了發(fā)送平層信號，電梯每一層的水平信號必須既是上水平信號又是下水平信號。如果電梯不在平層位置，則平層中間繼電器電位為1。如果電梯處于平層狀態(tài)，保持并復(fù)位中間繼電器。

3.2.3 電梯內(nèi)部選擇和外部呼叫指示燈控制

(1) 內(nèi)部選擇指示燈的控制。電梯轎廂的每一層都有一個內(nèi)部選擇按鈕和一個相應(yīng)的指示燈。當(dāng)乘客按下所需樓層對應(yīng)的按鈕時，相應(yīng)樓層上的指示燈將點亮。當(dāng)轎廂達到相應(yīng)的樓層并打開門時，指示燈熄滅。

表1 數(shù)碼管解碼真值

(2)外部呼叫指示燈的控制。在2樓和3樓分別有上行呼叫指示和下行呼叫指示。在1樓只有向上呼叫指示，在4樓只有向下呼叫指示。1樓和4樓的指示燈與內(nèi)部選擇指示燈相同。當(dāng)乘客按下呼叫按鈕時，相應(yīng)的呼叫指示燈將亮起。當(dāng)一樓或頂層的電梯打開時，呼叫信號消失。相應(yīng)的指示燈熄滅。為了消除二樓和三樓的指示燈，電梯的行駛方向必須與呼梯方向一致。當(dāng)電梯到達地面時，您需要關(guān)閉呼叫信號。程序的此部分使用呼叫輔助繼電器。

3.2.4 電梯位置顯示控制

電梯的位置顯示在數(shù)碼管上，并由PLC軟件設(shè)計進行解碼，數(shù)碼管與PLC輸出端連接。數(shù)碼管解碼真值表如表1所示。

PLC輸出1表示該段處于打開狀態(tài)，而輸出0表示該段處于關(guān)閉狀態(tài)。可用0來表示字段點亮并顯示樓層位置。根據(jù)真值表和平層信號，利用七段顯示譯碼指令SEG或傳送指令MOV都可設(shè)計電梯位置顯示控制程序。

3.2.5 電梯門的開/關(guān)控制

電梯門在以下三種情況下打開：(1)電梯根據(jù)呼叫信號或內(nèi)部選擇信號自動打開門。當(dāng)電梯自動運行到平層位置時，電梯開始打開門。(2)手動打開門。它由開門按鈕控制。(3)呼叫電梯并打開門。電梯到達某個樓層后，如果此時沒有人繼續(xù)使用電梯，則電梯將停在該樓層上[3]。當(dāng)有人呼叫該樓層的電梯時，電梯將首先打開門。在兩種情況下，電梯門都是關(guān)閉的。1)電梯自動運行時，門關(guān)閉。達到樓層后，電梯將打開門，一段時間后電梯將自動關(guān)閉。2)手動關(guān)閉門。如果延遲時間尚未到期，則可以使用手動關(guān)門按鈕預(yù)關(guān)閉門。S7-200系列CPU226型有兩個模擬電位器。通過旋轉(zhuǎn)電位器，可以在PLC的特殊標(biāo)記存儲器中更改SMB28和SMB29的值?？梢酝ㄟ^將SMB28或SMB29值用作計時器預(yù)設(shè)值來以硬件格式更改計時時間[4]。

3.2.6 電梯上下運行顯示控制

電梯運行時，首先檢查電梯是否處于上升或下降狀態(tài)。當(dāng)有人按下電梯的內(nèi)部選擇或外部呼叫按鈕時，控制系統(tǒng)會將電梯的位置與內(nèi)部選擇或外部呼出信號進行比較。如果人剛好在電所處的樓層就可以直接打開門，如果高于或低于電梯所處樓層，電梯需要上下運行，當(dāng)電梯確定方向時，上行中間繼電器或下行中間繼電器控制電梯上下運行[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，本次設(shè)計的電梯控制系統(tǒng)實際應(yīng)用效果很好，說明基于PLC和變頻器的組合使電梯控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行，并降低電梯的能耗。由于時間和實驗條件的限制，本文設(shè)計的電梯控制系統(tǒng)在某些方面還不夠完善，需要進行更深入的研究，需要考慮更有效地選擇電梯方向的原則。簡而言之，電梯行業(yè)是一個不斷發(fā)展和完善的行業(yè)。隨著科技的進步，電梯控制系統(tǒng)將越來越完善。將來的電梯控制方法將是同時操作多部電梯的組合控制方法，使電梯運行智能、更舒適。