基于PLC的集選電梯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】電梯是現(xiàn)代生活中不可或缺的交通運(yùn)輸工具之一。傳統(tǒng)電梯電氣控制系統(tǒng)中，采用繼電器控制系統(tǒng)的電梯，接線復(fù)雜，可靠性較低、查找和排除故障困難，針對(duì)這些問(wèn)題，介紹了一種采用西門(mén)子S7-200 PLC作為控制器的電梯電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電梯的集選控制?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電梯的高度自動(dòng)控制，可進(jìn)行無(wú)司機(jī)駕駛、具有自動(dòng)平層、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)、轎內(nèi)主令登記、廳外召喚登記、自動(dòng)停層、順向截梯、反向不停等功能；另外，還具有自動(dòng)控制停站時(shí)間、自動(dòng)應(yīng)召、換向后應(yīng)答反向的廳外召喚等功能，能夠?qū)d門(mén)外上下召喚信號(hào)、轎廂內(nèi)主令信號(hào)及各種專(zhuān)用信號(hào)進(jìn)行綜合分析判斷后，智能決定轎廂運(yùn)行方式。電梯控制系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)的方法，在保證電梯正常運(yùn)行的前提下，不僅提高了檢查維修的方便性以及可操作性，同時(shí)可減少人為操作的失誤。

【關(guān)鍵詞】電梯 PLC 集選 電氣控制

一、前言

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，高層建筑和智能化建筑的不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)電梯的要求越來(lái)越高，普通電梯往往不能滿(mǎn)足建筑物內(nèi)的交通需要，這時(shí)通常需要合理安裝多臺(tái)電梯來(lái)緩解電梯運(yùn)行的壓力，樓層越高，電梯的臺(tái)數(shù)越多，但從成本、空間、管理以及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮不可能無(wú)限制增多電梯的臺(tái)數(shù)，只能利用已有的電梯，實(shí)現(xiàn)電梯高效的、節(jié)能的運(yùn)行，這就要求很好的判斷實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)度，因此就出現(xiàn)了電梯集選控制系統(tǒng)。集選電梯可以實(shí)現(xiàn)將廳外上下召喚信號(hào)、轎廂內(nèi)主令信號(hào)和其他各種專(zhuān)用信號(hào)加以綜合分析判斷后，自動(dòng)決定轎廂運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)需司機(jī)手動(dòng)控制。集選電梯一般設(shè)有“有/無(wú)司機(jī)”操縱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可根據(jù)使用需要靈活選擇，如人流高峰或特殊需要時(shí)，可轉(zhuǎn)換為有司機(jī)操縱，從而成為信號(hào)控制電梯。在其他情況下作正常行駛時(shí)，轉(zhuǎn)為無(wú)司機(jī)操縱，即為集選電梯。

二、電梯工作原理

電梯的控制方式可分為很多種，比如信號(hào)控制電梯的電氣控制系統(tǒng)，轎內(nèi)按鈕開(kāi)關(guān)、自動(dòng)平層、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)電梯電氣控制系統(tǒng)，集選電氣控制系統(tǒng)等等，這里主要介紹無(wú)司機(jī)操作的集選控制電梯，集選電梯可以分為上集選電梯和下集選電梯，下集選電梯即在其它層設(shè)有向上與向下的兩個(gè)召喚按鈕，集選電梯轎廂控制箱設(shè)有與停站數(shù)相等的相應(yīng)的指令按鈕，當(dāng)有乘客摁下指令按鈕時(shí)，指令被登記，經(jīng)過(guò)PLC控制，以向下運(yùn)行為優(yōu)先級(jí)向目標(biāo)層靠近，直到目標(biāo)層或者最低/高層為止，然后再運(yùn)行向上指指令。上集選電梯則反之。電梯每到一停站樓層自動(dòng)進(jìn)行減速、換速、平層、開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)等操作。電梯工作原理如圖1所示。

電梯可劃分為八大系統(tǒng)：電力拖動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、轎廂、門(mén)系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。電梯主要由曳引機(jī)、導(dǎo)軌、對(duì)重裝置、安全裝置、信號(hào)操縱系統(tǒng)、轎廂和廳門(mén)等部件組成，它們分別安裝在建筑物的井道或者機(jī)房中。通常采用鋼絲繩摩擦傳動(dòng)，鋼絲繩繞過(guò)曳引輪，兩端分別連接轎廂和平衡重，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曳引輪使轎廂升降。電梯的基本要求有安全可靠、輸送效率高、平層準(zhǔn)確和乘坐舒適等。

三、電梯電氣控制系統(tǒng)

電梯是機(jī)械與電氣相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品，電梯的電氣系統(tǒng)主要由拖動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。電梯電氣控制技術(shù)經(jīng)歷了兩個(gè)階段：繼電器控制階段，可編程控制器控制階段。

（一）繼電器控制系統(tǒng)

繼電器控制系統(tǒng)中使用的大部分為常用電氣元件，更換方式簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜。電梯的控制原理簡(jiǎn)明易懂、線路直觀、易于掌握。然而，這種控制方式，系統(tǒng)的觸點(diǎn)繁多，線路復(fù)雜，電器的電磁機(jī)構(gòu)及觸點(diǎn)動(dòng)作較慢、能耗高、機(jī)械動(dòng)作噪音大，而且可靠性差，繼電器通過(guò)觸點(diǎn)斷合進(jìn)行邏輯判斷和運(yùn)算，進(jìn)而控制電梯的運(yùn)行。由于觸點(diǎn)易受電弧損害，壽命短，因而繼電器控制電梯的故障率較高，具有維修工作量大、設(shè)備體積大、動(dòng)作速度慢、控制功能少、接線復(fù)雜、通用性與靈活性較差等缺點(diǎn)。對(duì)不同的層樓和不同的控制方式其原理圖、接線圖等必須重新設(shè)計(jì)和繪制，而且控制系統(tǒng)由許多繼電器和大量的觸點(diǎn)組成、接線復(fù)雜、故障率高。因此采用繼電器的控制方式已逐漸被可靠性高、通用性強(qiáng)的可編程序控制器（PLC）及微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所代替。

（二）可編程控制器控制系統(tǒng)

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種新型的控制器，PLC集成了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以取代繼電器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的自動(dòng)控制，充分體現(xiàn)邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等諸多功能，受到廣大用戶(hù)的歡迎和重視，并視為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一。

PLC主要由以下幾個(gè)部分組成：

主機(jī)：主機(jī)包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序儲(chǔ)存器和用戶(hù)程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。CPU是PLC的核心，它用以運(yùn)行用戶(hù)的程序、監(jiān)控輸入輸出接口狀態(tài)，做出邏輯判斷和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入變量、完成用戶(hù)指令規(guī)定的各種操作，將結(jié)果輸送到輸出端，并與外部設(shè)備的請(qǐng)求以及進(jìn)行各種內(nèi)部判斷。PLC的內(nèi)部存儲(chǔ)器有兩類(lèi)，一類(lèi)是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，主要存放系統(tǒng)管理和程序以及監(jiān)控程序及對(duì)用戶(hù)程序做便已處理程序，系統(tǒng)程序由廠家固定，用戶(hù)不能更改，另一類(lèi)是用戶(hù)程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，主要存放用用戶(hù)編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。

輸入輸出接口：I/O接口是PLC與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。輸入接口接受輸入設(shè)備（如按鈕，傳感器，行程開(kāi)關(guān)）的控制信號(hào)，輸出接口是將主機(jī)經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)通過(guò)功放電路驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備（如接觸器，電磁閥，指示燈）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。I/O接口是PLC的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

電源：PLC的電源是為CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（24V），通常也為輸入設(shè)備提供直流電源。

編程：編程是利用外部設(shè)備，用戶(hù)用來(lái)輸入、檢查、修改、調(diào)試程序或者監(jiān)事PLC的工作情況。通過(guò)專(zhuān)用的PC/PPI電纜將PLC與電腦相連，并利用專(zhuān)用軟件進(jìn)行電腦變成和控制。

外部設(shè)備接口：這些接口可以將打印機(jī)、變頻器等外部設(shè)備與主機(jī)相連，用以完成相應(yīng)操作。

PLC主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1.編程方便，易懂好學(xué)。PLC雖然采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，但許多基本指令類(lèi)似于邏輯代數(shù)的與、或、非運(yùn)算，亦即電氣控制中的觸點(diǎn)串聯(lián)、并聯(lián)等。程序編寫(xiě)采用梯形圖，梯形圖與繼電接觸控制原理圖相似，因而編程語(yǔ)言形象直觀。

2.抗干擾性、可靠性高。PLC的結(jié)構(gòu)采取了許多抗干擾措施，輸入輸出模塊均有光電耦合電路，可極為惡劣的環(huán)境下工作。

3.構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)靈活簡(jiǎn)便。PLC的CPU、輸入輸出模塊和存貯器組合為一體，根據(jù)控制要求可選擇相應(yīng)電路形式的輸入輸出模塊。用于電梯控制時(shí)，可將PLC看作為內(nèi)部由各種繼電器及其觸點(diǎn)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等構(gòu)成的控制裝置。PLC的輸入可直接與交流110V、直流24V等信號(hào)相接，輸出可直接驅(qū)動(dòng)交流220V、直流24V的負(fù)載，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換與光電隔離，因而可方便地構(gòu)成各種控制系統(tǒng)。

4.PLC的安裝維護(hù)比較方便。PLC本身具有自診斷和故障報(bào)警功能，當(dāng)輸入輸出模塊發(fā)生故障時(shí)，可方便地更換單個(gè)插入模塊。

四、電梯的PLC控制設(shè)計(jì)

（一）電梯硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了實(shí)現(xiàn)電梯的優(yōu)化控制，需要用西門(mén)子STEP 7專(zhuān)業(yè)編程軟件對(duì)電梯控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于電梯控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)人機(jī)交互式的控制系統(tǒng)，因此單純采用順序控制或邏輯控制是不能夠滿(mǎn)足要求的，而應(yīng)該在設(shè)計(jì)中采用隨機(jī)邏輯控制方式。同時(shí)，由于梯形圖之間的相互關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，因此，在電梯控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，主要采用模塊化的編程思想來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（二）凡是電梯電氣控制系統(tǒng)能將各個(gè)層樓廳外的向上和向下召喚信號(hào)與電梯轎廂內(nèi)的指令選層信號(hào)綜合后進(jìn)行集中處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的電梯，均稱(chēng)為集選控制電梯。此類(lèi)電梯將轎內(nèi)外召喚信號(hào)結(jié)合在一起，通過(guò)各種邏輯線路進(jìn)行自動(dòng)控制，集選電梯主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1.廳外上行召喚處理：廳外上行召喚信號(hào)的登記、消號(hào)。

2.廳外下行召喚處理：廳外下行召喚信號(hào)的登記、消號(hào)。

3.轎內(nèi)主令信號(hào)處理：轎內(nèi)主令信號(hào)的登記、消號(hào)。

4層顯：根據(jù)轎廂位置，顯示轎廂所在樓層。

5.自動(dòng)定向：根據(jù)信號(hào)登記先后和優(yōu)先級(jí)確定轎廂的上下運(yùn)行方向。

6.上下行控制：根據(jù)確定的方向，在曳引電機(jī)上實(shí)現(xiàn)上下行。

7.上下方向顯示：指示電梯運(yùn)行的方向。

8.停.層換速控制：判斷出在某樓層需要停層，則提前發(fā)出換速信號(hào)。

9啟動(dòng)、運(yùn)行、慢速：實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，運(yùn)行。在接收到換速信號(hào)時(shí)，進(jìn)行逐級(jí)減速，實(shí)現(xiàn)多級(jí)慢速最終停層。

10.開(kāi)關(guān)門(mén)控制：在轎廂平層后，及時(shí)開(kāi)門(mén)，并延時(shí)關(guān)門(mén)。

11.超載報(bào)警/抱閘輸出：在電梯超載時(shí)，聲光報(bào)警，并開(kāi)門(mén)不啟動(dòng)電梯。在電梯運(yùn)行時(shí)，抱閘線圈帶電松閘。

控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖2所示。集選電梯的PLC控制系統(tǒng)可分為開(kāi)門(mén)系統(tǒng)、關(guān)門(mén)系統(tǒng)、上行系統(tǒng)、下行系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、檢修系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等幾個(gè)部分。

五、結(jié)論

本文介紹了交流電梯的集選電梯電氣控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。在了解電梯的工作原理上，介紹了電梯的電氣控制系統(tǒng)組成，重點(diǎn)介紹了電梯的PLC控制方式。

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們生活質(zhì)量的不斷提高，對(duì)電梯性能的要求也越來(lái)越高。電梯未來(lái)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：智能化：電梯智能群控系統(tǒng)將基于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟硬件資源，如基于專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)圖像監(jiān)控的群控等。將智能控制方法與新興科學(xué)（如最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等）進(jìn)行結(jié)合是未來(lái)智能化電梯的發(fā)展方向。隨著智能建筑的發(fā)展，電梯的智能群控系統(tǒng)將與大樓所有的自動(dòng)化服務(wù)設(shè)備結(jié)合成整體智能系統(tǒng)。超高速：21世紀(jì)將會(huì)發(fā)展多用途、全功能的塔式建筑，超高速電梯繼續(xù)成為研究方向。未來(lái)超高速電梯不僅速度會(huì)大大提高，舒適感也會(huì)有明顯改善。藍(lán)牙技術(shù)的廣泛應(yīng)用：藍(lán)牙技術(shù)是一種全球開(kāi)放、短距無(wú)線通訊技術(shù)規(guī)范。它可通過(guò)短距離無(wú)線通訊把電梯各種電子設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)。這種技術(shù)將減少電梯的安裝周期和費(fèi)用，提高電梯的可靠性和控制精度，有利于把電梯歸納到大樓管理系統(tǒng)或智能化管理小區(qū)系統(tǒng)中。

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