基于S7-1200的人流密集型電梯群控研究

任梁杰，李慧，吳棋龍，李志遠(yuǎn)

（贛南科技學(xué)院，江西贛州，341000）

1 課題研究背景

隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，電梯的使用和一個(gè)國家的現(xiàn)代化建設(shè)有著密切的關(guān)系，一個(gè)國家的現(xiàn)代化程度的判斷取決于城市高樓大廈建設(shè)的數(shù)量，伴隨著高樓的增加，使用電梯的數(shù)量也會(huì)增加，電梯是高層建筑中的重要裝置。樓層的高度的增加促進(jìn)著電梯性能的提升，例如，精確調(diào)整電梯的速度，讓乘客有更好的體驗(yàn)以及優(yōu)化電梯的運(yùn)行方式讓其更加節(jié)能，在電梯乘坐高峰期期間盡可能減少人們不必要的等待時(shí)間。我國發(fā)展的速度舉世矚目，國內(nèi)電梯的使用數(shù)量激增，優(yōu)化電梯的控制方式，是節(jié)約能源的一種方式，同時(shí)也是為達(dá)到國家減少碳排放量的目標(biāo)做出努力。

電梯的安全可靠性、如何減少能量消耗、提高電梯的運(yùn)行效率、在上下班高峰期減少乘客侯梯時(shí)間、合理調(diào)派電梯防止電梯滿載超重、準(zhǔn)確監(jiān)視電梯各項(xiàng)參數(shù)，解決安全隱患等問題都是電梯生產(chǎn)廠家以及工程研究人員所關(guān)注的熱點(diǎn)問題，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用的廣泛運(yùn)用，PLC的出現(xiàn)為解決相關(guān)問題提供了更簡(jiǎn)便的方法。

2 電梯控制系統(tǒng)硬件介紹

2.1 電梯硬件介紹

當(dāng)前電梯有著一套復(fù)雜的設(shè)備來聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，如：曳引機(jī)、導(dǎo)軌、轎廂、安全系統(tǒng)等等。根據(jù)本課題研究的目前最常見的升降式電梯，此類電梯結(jié)構(gòu)劃分有如下幾個(gè)部分：

圖1 六部十層電梯模型

（1）機(jī)房部分：包括曳引減速機(jī)、曳引輪、多級(jí)減速器等；

（2）控制柜部分：包括運(yùn)行總電源、PLC控制器、接線裝置等；

（3）井道部分：包括導(dǎo)軌、對(duì)重裝置、極限開關(guān)、平層感應(yīng)器、隨行電纜等；

（4）門廳部分：包括各層廳門、各層上下呼梯按鈕、樓層顯示數(shù)碼管;

（5）轎廂部分：此部分是乘梯人所處的空間，所包括的裝置眾多主要有轎廂、開/關(guān)門到位開關(guān)、轎廂照明風(fēng)扇、轎廂內(nèi)樓層按鈕、緊急通訊裝置等。[1]

2.2 系統(tǒng)控制器選型

該控制系統(tǒng)選用西門子SIMATIC S7-1200系列PLC作為控制器，被控對(duì)象為電梯仿真軟件。如圖3所示，在整個(gè)控制系統(tǒng)中，PLC通過以太網(wǎng)與工程師站相連接，通過PROFIBUS與電梯仿真軟件相連接。[2]

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3 運(yùn)行控制邏輯圖

3 電梯控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)所使用的編程軟件選擇西門子公司出品的TIA Portal V15.1，編程使用的語言為L(zhǎng)AD語言。TIA Portal V15.1支持在線仿真和監(jiān)視以及現(xiàn)場(chǎng)修改程序等功能，在TIA Portal中可進(jìn)行模塊化編程，所用到的模塊有OB塊、FB塊、FC塊、DB塊，其中OB塊為循環(huán)啟動(dòng)執(zhí)行塊，F(xiàn)B與FC都為函數(shù)編程塊，DB為數(shù)據(jù)塊。

程序基本工作流程：程序由初始化、樓層計(jì)數(shù)、呼梯信號(hào)登記、開關(guān)門控制、運(yùn)行控制、集選控制、樓層顯示、空閑狀態(tài)處理、電梯故障保護(hù)、電梯三級(jí)制動(dòng)功能組成。電梯得電后，執(zhí)行初始化程序，當(dāng)電梯初始化完成后，執(zhí)行樓層顯示程序和運(yùn)行保護(hù)程序。完成初始化、樓層顯示和運(yùn)行保護(hù)后執(zhí)行電梯運(yùn)行控制程序，然后在電梯運(yùn)行時(shí)執(zhí)行三級(jí)制動(dòng)和開關(guān)門程序。

3.1 初始化

電梯得電信號(hào)后，若電梯關(guān)門到位則開始電梯初始化，否則進(jìn)行關(guān)門至關(guān)門到位。初始化開始，根據(jù)管理員設(shè)定的樓層與方向，賦值給中間變量 設(shè)置電梯當(dāng)前運(yùn)行方向和電梯初始化樓層，啟動(dòng)電梯高速接觸器，在到達(dá)目標(biāo)樓層且電梯上下平層信號(hào)后表示電梯轎廂已停穩(wěn)，便可以復(fù)位電梯高、低速接觸器，后給出準(zhǔn)備就緒信號(hào)，電梯初始化完成。

3.2 樓層計(jì)數(shù)

以六部十層電梯模型為例：當(dāng)電梯接觸到下端站第一限位開關(guān)后，電梯當(dāng)前樓層=1；當(dāng)電梯接觸到上端站第一限位開關(guān)后，電梯當(dāng)前樓層=11。電梯上行過程中，每當(dāng)接觸到上平層傳感器，電梯層數(shù)+1；電梯下行過程中，每當(dāng)接觸到下平層傳感器，電梯層數(shù)-1。

3.3 呼梯信號(hào)登記

電梯呼梯信號(hào)分為上行呼梯信號(hào)、下行呼梯信號(hào)、轎內(nèi)呼梯信號(hào)。當(dāng)乘客按下上行呼梯按鈕，該按鈕所對(duì)應(yīng)的燈將會(huì)被點(diǎn)亮，此時(shí)電梯將會(huì)登記此信號(hào)。若電梯響應(yīng)該信號(hào)并到達(dá)該信號(hào)所在樓層后，信號(hào)取消且對(duì)應(yīng)的燈熄滅。下行呼梯信號(hào)和轎內(nèi)呼梯信號(hào)登記同理。

3.4 開關(guān)門控制

要實(shí)現(xiàn)電梯門的自動(dòng)開關(guān)只需要判斷當(dāng)前電梯是否平層，且此時(shí)電梯的上下行接觸器應(yīng)當(dāng)都是復(fù)位階段，滿足了上述條件后，置位電梯開門繼電器，此時(shí)電梯內(nèi)外乘客正出入電梯，電梯關(guān)門繼電器應(yīng)當(dāng)始終處于不得電狀態(tài)。當(dāng)超過一段時(shí)間都沒有出現(xiàn)電梯光幕信號(hào)，這便代表了已經(jīng)沒有乘客要進(jìn)出電梯門了，此時(shí)電梯關(guān)門繼電器就可在沒有光幕信號(hào)的前提下置位。

3.5 運(yùn)行控制

對(duì)于單部電梯而言，若電梯內(nèi)沒有乘客，廳外按鈕樓層大于當(dāng)前樓層便是向上運(yùn)行，反之向下。例如，當(dāng)前電梯停在三層，十層有乘客按下按鈕，那電梯的運(yùn)行方向便是向上。若電梯內(nèi)有乘客時(shí)情況略復(fù)雜，只有當(dāng)電梯當(dāng)前運(yùn)行方向與廳外乘客呼梯方向相同且廳外呼梯樓層大于當(dāng)前樓層時(shí)（上行時(shí)），或廳外呼梯按鈕樓層小于當(dāng)前樓層（下行時(shí)），除此之外的情況都需要電梯運(yùn)送完前一位乘客后再響應(yīng)廳外呼梯按鈕。

3.6 集選控制

多部電梯的控制系統(tǒng)需要判斷是那部電梯來響應(yīng)呼梯信號(hào)，這就需要在單部電梯上加上一個(gè)比較指令，對(duì)每部電梯的當(dāng)前位置進(jìn)行收集，計(jì)算當(dāng)前電梯位置與外呼信號(hào)位置之間的距離，選取距離最小的（即為目標(biāo)樓層差最?。╇娞蓓憫?yīng)廳外呼梯信號(hào)[3]，對(duì)于電梯內(nèi)有乘客的情況也是如此，若以有乘客的電梯同時(shí)滿足單部電梯響應(yīng)呼梯信號(hào)的情況且此部電梯目標(biāo)樓層差最小，則選擇此部電梯響應(yīng)廳外呼梯信號(hào)。

圖4 電梯群控邏輯圖

3.7 樓層顯示

電梯所用樓層數(shù)顯示裝置為七段數(shù)碼管。電梯位于不同樓層，則點(diǎn)亮不同的數(shù)碼管以顯示不同的數(shù)字。

3.8 空閑狀態(tài)處理

為響應(yīng)降低能耗、減少碳排放量的號(hào)召，在電機(jī)待機(jī)時(shí)，轎廂內(nèi)的風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)、照明燈熄滅，待接收到呼梯信號(hào)后所有功能全部恢復(fù)。

3.9 故障保護(hù)

為了確保乘客能夠安全的乘坐電梯，在對(duì)常見的故障出現(xiàn)時(shí)，制定相應(yīng)的安全策略，當(dāng)有異常狀況出現(xiàn)時(shí)，能夠正確的反饋至監(jiān)控設(shè)施中，以便后續(xù)的檢查維修或施救活動(dòng)。實(shí)現(xiàn)大部分運(yùn)行異常狀態(tài)檢測(cè)都較為簡(jiǎn)單，下面是具體功能描述：

（1）超載保護(hù)

電梯開門等待乘客進(jìn)入電梯過程中，電梯內(nèi)部的重力傳感器始終檢測(cè)梯內(nèi)乘客的載重量，當(dāng)梯內(nèi)乘客的總重量大于或等于電梯載重量的極限值時(shí)，超重指示燈閃爍，報(bào)警鈴響起，電梯無法運(yùn)行。當(dāng)超重信號(hào)消失后，電梯內(nèi)故障燈熄滅，警報(bào)聲消失，電梯關(guān)門繼電器啟動(dòng)，電梯自動(dòng)關(guān)門，待關(guān)門到位后，電機(jī)啟動(dòng)，電梯繼續(xù)運(yùn)行前往下一個(gè)目標(biāo)樓層。

（2）超限保護(hù)

在接收到自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)后，電梯遇到故障向下運(yùn)行時(shí)越過了1樓（向上運(yùn)行時(shí)越過了10樓），檢測(cè)到下端站第1限位（上端站第1限位）后電梯依次開始三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)制動(dòng)，檢測(cè)到下端第2限位（上端第2限位）后，電梯計(jì)數(shù)清零（電梯計(jì)數(shù)賦值11），上行接觸器（下行接觸器）啟動(dòng)，電梯開始上行（下行），接收呼梯指令，前往目標(biāo)樓層。

（3）開關(guān)門保護(hù)

開門保護(hù)：在電梯開門持續(xù)一段時(shí)間后沒有接收到開門到位信號(hào)，電梯的關(guān)門繼電器強(qiáng)制啟動(dòng)，電梯自動(dòng)關(guān)門，待關(guān)門到位后，電梯重新開始開門動(dòng)作；如果開門后正常接收到開門到位信號(hào)后，電梯按照正常的關(guān)門程序執(zhí)行，待執(zhí)行完關(guān)門程序后繼續(xù)執(zhí)行控制中心分配的下一個(gè)指令。

關(guān)門保護(hù)：電梯內(nèi)的關(guān)門繼電器啟動(dòng)，接收到關(guān)門到位信號(hào)后，電梯繼續(xù)運(yùn)行，執(zhí)行控制中心分派的下一指令。如果長(zhǎng)時(shí)間未得到關(guān)門到位信號(hào)反饋，電梯重新回到開門狀態(tài)，電梯停止運(yùn)行，同時(shí)故障指示燈亮起，警報(bào)鈴響起，提示乘客電梯出現(xiàn)異常情況，等待維修。

圖5 電梯PLC控制系統(tǒng)硬件圖

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)六部十層電梯控制的過程中，通過查閱有關(guān)于PLC的專業(yè)書籍和有關(guān)電梯的發(fā)展歷史，深入了解到傳統(tǒng)繼電器在電梯控制方面于PLC技術(shù)相比存在較大的局限性，PLC在自動(dòng)控制鄰域的作用是傳統(tǒng)繼電器無法比擬的，PLC控制技術(shù)加快了工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化進(jìn)程，促進(jìn)了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在查閱資料的過程中，學(xué)習(xí)如何正確獲取和正確使用資料是至關(guān)重要的一步。通過本次設(shè)計(jì)，PLC技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)本課題的控制系統(tǒng)，是將所學(xué)知識(shí)原理用于實(shí)處的一次難得的機(jī)會(huì)。

本次電梯控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是基于西門子S7-1200系列，使用的編程軟件、仿真軟件、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)都是西門子公司出品，通過這些軟件相互結(jié)合使用能夠證明設(shè)計(jì)是否符合目標(biāo)要求。S7-1200的模塊化讓使用者更加方便，設(shè)計(jì)在可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求自行選擇需要擴(kuò)展的模塊種類和個(gè)數(shù)。PLC控制提高了電梯的控制水平，如換速的精確度。PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電梯開關(guān)門、樓層計(jì)數(shù)、平層信號(hào)、換速信號(hào)等的數(shù)字控制，取代了傳統(tǒng)電梯的位置檢測(cè)裝置，提高了電梯運(yùn)行的可靠程度以及安全性。本次電梯控制系統(tǒng)具有先進(jìn)、安全可靠、降低能耗等特點(diǎn)。通過仿真和實(shí)時(shí)監(jiān)控證明，本次設(shè)計(jì)的電梯控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)要求。