基于PLC的老舊小區(qū)電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳麗娜，馬凡琳

(國網(wǎng)平?jīng)龉╇姽?，甘肅 平?jīng)?744000)

0 引 言

隨著我國人口壽命的增長(zhǎng)，生育意愿的不斷降低，我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)。在一些老舊社區(qū)，往往采用的是步梯設(shè)計(jì)，大量的老人上下樓十分不便。對(duì)老舊矮層樓房進(jìn)行改造，安裝電梯是必然趨勢(shì)[1]。

在我國的傳統(tǒng)電梯技術(shù)中，主要采用繼電器控制[2]。線路非常有可能出現(xiàn)開路、短路的電路故障，而且維修和保養(yǎng)非常困難。汪麗群等[3]將電梯運(yùn)輸能力與乘客需求狀態(tài)結(jié)合起來，提出一種基于PLC的電梯并聯(lián)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)。曾新紅等[4]運(yùn)用PLC控制器和WINCC組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了六部十層電梯仿真控制系統(tǒng)。陳鵬飛[5]基于西門子S7-1500、WINCC組態(tài)軟件和TIA Portal15.1博圖軟件，針對(duì)多部多層電梯實(shí)現(xiàn)集群控制功能。使用PLC控制的電梯靈活程度高、穩(wěn)定性好，變更功能時(shí)只需要更改梯形圖語句，不需要重新連接電氣線路。因此，進(jìn)行基于PLC的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

此次研究詳細(xì)分析了電梯的整體結(jié)構(gòu)及其控制邏輯，根據(jù)控制邏輯繪制出了邏輯流程圖。隨后分析了電梯的安全策略需求，設(shè)計(jì)了電梯控制系統(tǒng)方案，給出了基于PLC電梯控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用組態(tài)王軟件建立了電梯實(shí)際運(yùn)行時(shí)的畫面，最終實(shí)現(xiàn)了電梯的平穩(wěn)安全運(yùn)行。

1 電梯控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電梯結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有井道、引導(dǎo)輪、轎廂、曳引電動(dòng)機(jī)、上下限位行程保護(hù)開關(guān)和平層傳感器。上下限位行程保護(hù)開關(guān)是為了防止曳引電動(dòng)機(jī)超過額定動(dòng)作區(qū)域繼續(xù)工作。一層作為電梯轎廂的基站，當(dāng)觸發(fā)檢修信號(hào)后，電梯轎廂返回基站。各種傳感器根據(jù)自身工作特性，發(fā)揮監(jiān)控和傳輸信號(hào)的作用，控制曳引電動(dòng)機(jī)和門電機(jī)啟停[7-8]。

圖1 電梯結(jié)構(gòu)及工作原理圖

圖2 電梯控制流程圖

2 基于PLC電梯控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型

采用德國西門子公司研發(fā)的STEP-7作為編程軟件，采用西門子公司的S7-200系列PLC作為控制器[9-10]。

根據(jù)輸入、輸出的數(shù)字量來分配I/O點(diǎn)數(shù)。根據(jù)控制要求，電梯控制系統(tǒng)共使用了33個(gè)數(shù)字輸入量和30個(gè)數(shù)字輸出量。選用CPU226為基本單元，其自身的輸入點(diǎn)有24個(gè)，輸出點(diǎn)有16個(gè)。電梯的輸入信號(hào)不是連續(xù)的，所以選用數(shù)字量擴(kuò)展單元模塊，型號(hào)為EM223，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)數(shù)均為16。電梯控制共計(jì)40路輸入量，32路輸出量，輸出類型選擇晶體管輸出。

在系統(tǒng)通訊中，PC機(jī)將控制程序傳入PLC中，PLC收到控制程序，內(nèi)部經(jīng)過編譯，變?yōu)閮?nèi)部存儲(chǔ)器的狀態(tài)；PLC將自己的狀態(tài)送到PC機(jī)中，PC機(jī)收集到重要信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

2.2 電梯硬件選擇

(1) 電梯開關(guān)門限位開關(guān) 開關(guān)門限位開關(guān)屬于自鎖類型的開關(guān)。開門限位開關(guān)的類型為行程結(jié)束型，觸點(diǎn)類型為常閉，無信號(hào)時(shí)閉合，有信號(hào)時(shí)斷開。關(guān)門限位開關(guān)的類型為撞擊型，一般安裝在電梯轎廂的門框邊緣處，只有轎廂的兩扇門接觸，輕微撞擊，關(guān)門限位開關(guān)才會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。

(2) 電梯平層感應(yīng)器 電梯平層感應(yīng)器采用永磁感應(yīng)開關(guān)，永磁平層感應(yīng)開關(guān)運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電梯安裝人員容易操作。當(dāng)轎廂靠近永磁開關(guān)，其內(nèi)部的彈簧片通過磁力吸合，內(nèi)部電路被導(dǎo)通，將轎廂平層信號(hào)傳給PLC。轎廂離開永磁平層感應(yīng)開關(guān)，磁力消失，彈簧片通過彈力被彈開，電路斷開，輸入信號(hào)消失。

2.3 電梯電路硬件設(shè)計(jì)

(1) 主電路設(shè)計(jì) 在此設(shè)計(jì)中，電梯的主要服務(wù)對(duì)象為老人，所以電梯定義為低速電梯(4 m/s)。在計(jì)算電梯曳引電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，考慮的因素有承載重量、電梯的速度等[11]。

圖3為曳引電動(dòng)機(jī)的主回路，電感和電阻為串入電動(dòng)機(jī)定子回路的一部分。

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圖3 曳引電動(dòng)機(jī)主回路

曳引電動(dòng)機(jī)由外部380 V，電壓頻率為50 Hz的三相交流電源L1、L2、L3三根相線供電使用。QB1為總電源的開關(guān)，作用是控制整套電梯設(shè)備電源的通斷。交流接觸器的主觸點(diǎn)QA1負(fù)責(zé)曳引電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)，QA2負(fù)責(zé)反轉(zhuǎn)；QA3為電梯的高速運(yùn)行接觸器，QA4為低速制動(dòng)運(yùn)行接觸器。當(dāng)曳引電動(dòng)機(jī)開始正反轉(zhuǎn)的時(shí)候，QA1與QA2任選其一與QA3閉合，曳引電動(dòng)機(jī)開始平穩(wěn)加速，經(jīng)過通電延時(shí)繼電器的作用，QA5閉合，電阻和電感被短路，電動(dòng)機(jī)開始高速運(yùn)行。若PLC發(fā)出停車信號(hào)，QA3斷開，QA4閉合，曳引電動(dòng)機(jī)開始減速制動(dòng)；在通電延時(shí)器的影響下，QA6-QA8依次閉合與斷開，轎廂進(jìn)入一、二、三級(jí)制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停車。

M2是門電機(jī)。DC模塊分別與一根火線和一根零線相連，二者為相電壓，經(jīng)DC模塊后，轉(zhuǎn)為24V的直流電壓供門電機(jī)使用。門電機(jī)控制轎廂門的打開與關(guān)閉。QA9為開門交流接觸器的主觸點(diǎn)，QA10為關(guān)門接觸器，QA11為關(guān)門制動(dòng)接觸器。FA為熔斷器，當(dāng)門電機(jī)發(fā)生短路故障時(shí)，電流將會(huì)異常大，熔斷器中的保險(xiǎn)絲將會(huì)快速融化，將電路切斷。BB3為熱繼電器，對(duì)24V門電機(jī)實(shí)行過載保護(hù)。熱繼電器可避免電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行。門電動(dòng)機(jī)主回路見圖4。

圖4 門電動(dòng)機(jī)主回路

(2) 控制回路設(shè)計(jì) 曳引電動(dòng)機(jī)控制回路如圖5所示。TC為控制變壓器，可將兩根火線間380V的線電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?20V的交流電壓。BB1與BB2是熱繼電器的輔助常閉觸點(diǎn)，當(dāng)曳引電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行后，熱繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)得到電信號(hào)后斷開，使控制回路失效。若PLC的輸出點(diǎn)Q2.6發(fā)出指令，中間繼電器的常開觸點(diǎn)KF1得到電信號(hào)后，產(chǎn)生動(dòng)作常開觸點(diǎn)閉合，交流接觸器的KF1、KF3線圈有信號(hào)，在主回路中主觸點(diǎn)KF1、KF3閉合。通電延時(shí)器的線圈KF6開始延時(shí)0.5 s，經(jīng)過延時(shí)后常開觸點(diǎn)KF6閉合，線圈QA5得到信號(hào)，主觸點(diǎn)閉合，電梯的速度加快。曳引電動(dòng)機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)與正轉(zhuǎn)的控制回路相似，常開主觸點(diǎn)QA1斷開QA2閉合，通過改變電動(dòng)機(jī)任意兩相的相序?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制回路采用互鎖的設(shè)計(jì)，使其二者在任意時(shí)刻都不可能同時(shí)導(dǎo)通。PLC的輸出點(diǎn)Q3.0發(fā)出停車靠站指令，中間繼電器常開觸點(diǎn)KF3閉合，交流接觸器QA4、QA6的線圈得電，在主回路中閉合，電動(dòng)機(jī)開始進(jìn)入一級(jí)制動(dòng)階段。常閉觸點(diǎn)KF3斷開，在主回路中常開觸點(diǎn)QA5與QA3斷開，電動(dòng)機(jī)加速過程結(jié)束。通電延時(shí)器的線圈KF7開始延時(shí)0.6 s，經(jīng)過延時(shí)后，常閉輔助觸點(diǎn)QA7斷開使得交流接觸器的主觸點(diǎn)QA6斷開，常開觸點(diǎn)KF7閉合使得交流接觸器的主觸點(diǎn)QA7閉合，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入二級(jí)制動(dòng)階段。同理，經(jīng)過0.6 s后曳引電機(jī)進(jìn)入三級(jí)制動(dòng)階段，當(dāng)三級(jí)制動(dòng)結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)停止工作，抱閘停車，轎廂實(shí)現(xiàn)制動(dòng)停層。

圖5 曳引電動(dòng)機(jī)控制回路

門電機(jī)的控制回路與曳引電機(jī)類似。通過通電延時(shí)器的作用，轎廂門即將關(guān)閉時(shí)切換控制回路進(jìn)行制動(dòng)，以定子回路串入電阻的方式實(shí)現(xiàn)定子調(diào)壓調(diào)速。門電機(jī)控制回路如圖6所示。

圖6 門電機(jī)控制回路

2.4 轎廂門的控制程序設(shè)計(jì)

完整的轎廂門控制系統(tǒng)包括轎廂內(nèi)門、轎廂外門、24V直流門電機(jī)、開關(guān)門限位開關(guān)，夾人檢測(cè)傳感器等。

(1) 開門程序設(shè)計(jì) 轎廂門的開啟時(shí)間以及打開程度都有極高的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)轎廂的頂部觸碰到樓層的平層限位開關(guān)，平層限位開關(guān)將信號(hào)傳到PLC中，PLC判斷該層是否具備停車條件。若具備停車條件，則曳引電機(jī)的主回路切換到制動(dòng)部分，轎廂進(jìn)入一級(jí)制動(dòng)環(huán)節(jié)。通過時(shí)間繼電器的延時(shí)作用，轎廂進(jìn)入二、三級(jí)制動(dòng)。當(dāng)三級(jí)制動(dòng)結(jié)束后，曳引電動(dòng)機(jī)抱閘停車，轎廂停靠在外廳門處，門電機(jī)工作，轎廂打開。PLC執(zhí)行完任務(wù)后，轎廂?？吭谀硨?，電梯運(yùn)行指令消除，進(jìn)入休眠模式。若該樓層外廳有上、下行請(qǐng)求指令，PLC立即響應(yīng)信號(hào)，轎廂開門。

(2) 關(guān)門程序設(shè)計(jì) 轎廂門在關(guān)閉時(shí)夾到人或轎廂過載等問題都會(huì)導(dǎo)致電梯關(guān)門中斷[12]。若無意外情況且乘梯人員進(jìn)入電梯后無操作，PLC內(nèi)部的定時(shí)器T38計(jì)夠5 s后自動(dòng)關(guān)門。正常情況下，若在關(guān)門期間按動(dòng)轎廂內(nèi)開門按鈕，門電機(jī)應(yīng)該立即響應(yīng)，從反轉(zhuǎn)變?yōu)檎D(zhuǎn)；轎廂處于完全打開的狀態(tài)時(shí)，按動(dòng)關(guān)門按鈕，門電機(jī)響應(yīng)反轉(zhuǎn)，轎廂關(guān)門。

2.5 內(nèi)呼及外呼指令應(yīng)用設(shè)計(jì)

(1) 內(nèi)選指令設(shè)計(jì) 轎廂內(nèi)選指令流程如圖7所示。轎廂內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)，按鈕對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。PLC中獲得輸入信號(hào)并判斷，控制曳引電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)轎廂到達(dá)指定樓層時(shí)，對(duì)應(yīng)樓層的限位開關(guān)動(dòng)作，指示燈熄滅，轎廂靠站停車。

圖7 內(nèi)選指令流程圖

(2) 外選指令設(shè)計(jì) 在電梯的控制系統(tǒng)中，外呼請(qǐng)求是電梯系統(tǒng)運(yùn)行的開始。若曳引電動(dòng)機(jī)正在正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電梯的轎廂向上行駛時(shí)，轎廂上方的樓層有乘梯人員按動(dòng)上行按鈕，觸發(fā)上行信號(hào)，外廳的上行指示燈點(diǎn)亮，PLC中收到上呼指令并存儲(chǔ)。待轎廂行駛至該樓層靠站停車，PLC將會(huì)清除該樓層的上呼指令，對(duì)應(yīng)的上行指示燈熄滅。乘客進(jìn)梯后，繼續(xù)上行，直到行駛至內(nèi)外選指令的最高層。假如上行指令在轎廂的下方，即使外廳的上行指示燈點(diǎn)亮，曳引電動(dòng)機(jī)也不會(huì)立即響應(yīng)停止正轉(zhuǎn)。PLC中將會(huì)記憶該信號(hào)，電梯執(zhí)行完此次上行任務(wù)后，曳引電動(dòng)機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，返回該樓層，重新執(zhí)行上行任務(wù)。下呼指令與上呼指令的設(shè)計(jì)原理相同。

2.6 電梯集選程序設(shè)計(jì)

在一套完善的電梯系統(tǒng)中，轎廂定向運(yùn)行設(shè)計(jì)不可或缺。轎廂正常運(yùn)行時(shí)，定向運(yùn)動(dòng)的方向是根據(jù)外廳的上下呼信號(hào)以及轎內(nèi)的樓層按鍵來確定的?？刂葡到y(tǒng)一旦確定方向，則反方向的請(qǐng)求信號(hào)將會(huì)暫時(shí)被忽略。轎廂在上下行的過程中，經(jīng)過沒有內(nèi)呼及上下呼信號(hào)的樓層時(shí)，電梯不會(huì)靠層停車。電梯靠層停車時(shí)，相應(yīng)樓層信號(hào)燈熄滅。

2.7 電梯停層靠站設(shè)計(jì)

轎廂在行駛的過程中，停車指令要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)先于其他指令。在轎廂的停車過程中，需要經(jīng)歷三個(gè)不同程度的制動(dòng)。轎廂觸發(fā)目標(biāo)樓層的限位開關(guān)后，限位開關(guān)作為輸入設(shè)備，將數(shù)字量信號(hào)傳遞給邏輯控制器，輸出設(shè)備是中間繼電器。交流曳引電動(dòng)機(jī)通過定子調(diào)壓調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的緩慢下降，最后交流接觸器的觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)停止工作[13]。

2.8 程序仿真

利用仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，可以實(shí)時(shí)的觀察到各個(gè)I/O端口及位存儲(chǔ)器變量的變化情況。不僅利于調(diào)試修改程序，而且免去了PC機(jī)與PLC接線的麻煩。將STEP-7編程軟件中的程序以AWL文件格式導(dǎo)入到仿真軟件中。設(shè)置完成后，程序仿真界面如圖8所示。

圖8 程序仿真界面

3 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)梯形圖及設(shè)計(jì)需求， 采用組態(tài)王軟件進(jìn)行上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)[14-15]，繪制的六層電梯模擬仿真界面如圖9所示。

圖9 六層電梯模擬仿真界面

建立好組態(tài)界面后，需要在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)詞典進(jìn)行變量定義。根據(jù)組態(tài)界面中對(duì)象的需求來進(jìn)行變量的具體設(shè)置。在此工程中，建立的所有變量類型分為兩大類：內(nèi)存整型、I/O離散型。表1為部分內(nèi)存整型變量，表2為I/O離散變量。

表1 內(nèi)存整型變量

表2 I/O離散型變量

定義好所有變量后，需要進(jìn)行動(dòng)畫的連接。在組態(tài)王的開發(fā)界面內(nèi)，畫面是靜止的。將組態(tài)界面中的各種元素與變量相關(guān)聯(lián)，方可使畫面動(dòng)起來?；赑LC的電梯控制系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試畫面如圖10所示。

圖10 電梯控制系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試圖

4 結(jié) 語

研究分析了電梯的結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了電梯控制系統(tǒng)方案。設(shè)計(jì)了門電機(jī)和曳引電動(dòng)機(jī)的主回路、控制回路。使用STEP-7軟件對(duì)電梯系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)門控制、內(nèi)外呼控制以及三級(jí)制動(dòng)控制功能。運(yùn)用組態(tài)王軟件，建立了電梯控制系統(tǒng)界面，并模擬其實(shí)際運(yùn)行時(shí)的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了電梯平穩(wěn)安全運(yùn)行。