基于PLC 的4 層電梯的控制系統(tǒng)仿真設(shè)計

張玉梅，王 瑞

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041）

1 研究背景

隨著現(xiàn)代生活水平的日益提高，農(nóng)村地區(qū)居住水平有很大的提高。許多農(nóng)村地區(qū)興建了很多小洋樓。樓房大多數(shù)是只有步梯設(shè)計，而農(nóng)村以老人兒童居多，因此農(nóng)村自建房安裝電梯也是一個必然趨勢。電梯的控制設(shè)計有很多種方案，早期采用繼電器控制和單片機(jī)控制是使用比較多的方法。眾所周知，繼電器工作和單片機(jī)控制方式的可靠性低，故障率高，維護(hù)也極其不便[1]。因此，現(xiàn)在已經(jīng)在逐步淘汰中。而且電梯作為自動化控制領(lǐng)域的一部分備受關(guān)注，其安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性是在設(shè)計電梯時追求的方向。而電梯采用PLC 控制的方案有比較大的優(yōu)勢：可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，另外針對不同的客戶需求，不需要改變硬件接線，只需改變PLC 的梯形圖程序就可以滿足。所以基于PLC 控制的電梯系統(tǒng)有很大的適用范圍。

2 系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)村自建房以3 層或4 層居多，結(jié)合控制要求和使用場景，這里采用4 層的電梯控制系統(tǒng)。PLC 采用SIMATIC S7-200 SMART 可編程控制器。

西門子PLC 系列的S7-200 SMART 是西門子PLC S7-200 的加強(qiáng)版，與S7-200 相比，它在性能、硬件配置和軟件組態(tài)方面都有提高，也得到了用戶的廣泛認(rèn)可。標(biāo)準(zhǔn)型的基本模塊I/O 點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)60 點(diǎn)，I/O能力最大可擴(kuò)展至256 點(diǎn)，可以不采用西門子公司的專用下載電纜，使用普通網(wǎng)線輕松實(shí)現(xiàn)程序的下載和調(diào)試，成本低廉，通信極其方便[2]。

系統(tǒng)的具體設(shè)計方案如下：設(shè)計4 層電梯控制系統(tǒng)共需要16 個輸入端口和23 個輸出端口，由于西門子SIMATIC S7-200 SMART可編程控制器有24個輸入端口和16 個輸出端口，標(biāo)準(zhǔn)型作為可擴(kuò)展CPU 模塊，加一個擴(kuò)展模塊，用于七段發(fā)光二極管的接線?？蓾M足I/O 規(guī)模有較大需求，邏輯控制較為復(fù)雜的應(yīng)用。所以運(yùn)用SIMATIC S7-200 SMART 型PLC，此PLC 能夠很好地滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.1 電梯硬件設(shè)計方案

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計的原理要求，控制設(shè)計的主體部分，包含電梯轎廂的升降控制和呼叫系統(tǒng)的設(shè)計[3]、電梯平層和開關(guān)門控制設(shè)計以及樓層顯示、報警呼叫等。具體方案如下。

電梯進(jìn)入剛開始運(yùn)行狀態(tài)時，電梯轎廂會在第一層，這時電梯屬于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，接收任何樓層的按鈕呼叫。

總電梯層數(shù)為4 層，每層標(biāo)號為相應(yīng)的數(shù)字1～4，轎廂內(nèi)有一個帶顯示屏的控制指示盒，顯示屏顯示樓層的數(shù)字，控制盒內(nèi)有4 個樓層的呼叫按鈕。在電梯井里每一層都配有一個行程開關(guān)。當(dāng)轎廂在上升或下降的過程中碰到行程開關(guān)時，會給PLC 輸入相應(yīng)的樓層信號。另外，在每個樓層的電梯門外，會有相應(yīng)的樓層顯示，同時也要配置上行或下行的呼叫按鈕，最底層只需有上行按鈕，頂層只需有下行按鈕。

外呼：電梯外隨機(jī)呼叫電梯，電梯按先到先得、順序同向優(yōu)先響應(yīng)的規(guī)則上升或下降，到達(dá)指定樓層，自動開門，暫停5 s，然后自動關(guān)門，如遇強(qiáng)制開門，再順延5 s 自動關(guān)門。如果乘客進(jìn)入廂內(nèi)沒有任何操作，在電梯門關(guān)好后，控制系統(tǒng)會響應(yīng)樓層的外呼信號。

內(nèi)呼：乘客在轎廂內(nèi)，可以按目標(biāo)樓層按鈕，電梯根據(jù)方向判斷進(jìn)行升降。當(dāng)按下內(nèi)層呼叫按鈕時，被按樓層的燈會亮，電梯控制系統(tǒng)會比較呼叫樓層和所停樓層，判斷是輸出上升或下降的信號，轎廂到達(dá)相應(yīng)樓層后，這個樓層的燈才會滅。為安全起見，若電梯門沒有關(guān)上，曳引電機(jī)不能運(yùn)行。即使在轎廂運(yùn)行過程中，電梯門沒關(guān)上，任何時候曳引電機(jī)要即刻停止運(yùn)行。

轎廂內(nèi)的控制盒內(nèi)一定要配置一個緊急呼叫按鈕，在電梯運(yùn)行不正常時，乘客隨時可以按下緊急按鈕求救。增加一個報警鈴，以便周圍的人員及時施救。

2.2 I/O 分配設(shè)計

輸入信號包含內(nèi)呼按鈕、外呼按鈕和行程開關(guān)等。輸出信號包含電梯上升下降、電梯門的開關(guān)外，還有電梯內(nèi)外的指示燈及報警鈴等。具體的I/O 分配如表1所示。

表1 I/O 分配及說明表

3 軟件設(shè)計

3.1 電梯運(yùn)行的程序設(shè)計

電梯要實(shí)現(xiàn)電梯的上下行功能以及到達(dá)平層后進(jìn)行開關(guān)門控制?？刂葡到y(tǒng)一上電后，轎廂會停止在一樓，屬于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)。如果有門廳外呼叫信號，PLC控制系統(tǒng)會將目標(biāo)樓層和所停樓層進(jìn)行比較，然后再控制轎廂上行或者下行。轎廂到了目標(biāo)樓層后，確保完成平層后打開電梯門，延時5 s 后再關(guān)閉電梯門。完成這次任務(wù)后，轎廂會停止在此樓層，等待下一次呼叫信號，然后再進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)，周而復(fù)始。電梯的程序控制流程如圖1 所示。

圖1 電梯控制流程圖

3.2 電梯PLC 軟件編程

PLC 程序的編程用STEP 7-Micro/WIN SMART 編程軟件，它是西門子公司為S7-200 SMART 開發(fā)的編程軟件，編程特別方便，可以在Windows XP SP3/Windows10 中運(yùn)行。編程的時候主要分2 個模塊進(jìn)行。

3.2.1 上行下行程序

電梯的主要功能是曳引電機(jī)牽引轎廂上升或下降，實(shí)際上是曳引電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。PLC 根據(jù)樓層信號和內(nèi)外呼叫信號進(jìn)行比較，來控制轎廂的上升或下降[4]。

優(yōu)先響應(yīng)內(nèi)選信號，如果是外選順向呼叫，則是無條件地響應(yīng)，反向呼叫則要按遠(yuǎn)程反向原則處理。

在這里采用比較指令將呼叫層樓層信號和轎廂所在層信號進(jìn)行比較，從而確定是上升還是下降，即曳引電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。每個樓層所在信號由行程開關(guān)控制，由行程開關(guān)將樓層信號傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器里。電梯上行的程序如圖2 所示。

圖2 電梯上行梯形圖

3.2.2 開關(guān)門程序

電梯的開關(guān)門程序如圖3 所示，電梯運(yùn)行到相應(yīng)的目標(biāo)樓層后，會自動將電梯門打開。若有需要或有異常，也可手動按開門按鈕將電梯門再打開。電梯門延遲時間設(shè)置為5 s，這樣開門狀態(tài)延時5 s 后，會自動關(guān)門，反之亦然。

圖3 電梯開關(guān)門部分梯形圖

在這延遲時間內(nèi)，如果不想等待。也可以手動操作，提前關(guān)閉電梯門。

4 仿真調(diào)試

設(shè)計好電路后，充分利用宇龍仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計和編程。先選擇相應(yīng)的元器件，接好主電路和PLC接口電路后，進(jìn)行編程調(diào)試。整個監(jiān)控界面設(shè)計和實(shí)際的比較接近。仿真系統(tǒng)的監(jiān)控界面有電梯轎廂、內(nèi)外呼叫按鈕，電梯上行顯示、下行顯示及樓層顯示，另外還有開關(guān)門按鈕等。利用仿真軟件時，要將所有的輸入輸出信號和三維仿真系統(tǒng)里面的信號對應(yīng)好，并進(jìn)行一一綁定，才能達(dá)到直觀運(yùn)行的效果。初始界面的仿真如圖4 所示。

圖4 初始界面的仿真圖

根據(jù)前面設(shè)計的工作原理，通過仿真可以檢查內(nèi)外呼叫功能是否正常、能不能順利開關(guān)門等。通過模仿運(yùn)行狀態(tài)，按下電梯的每一個按鈕來觀察電梯的上下行情況和開關(guān)門情況。

電梯呼叫系統(tǒng)中的外呼系統(tǒng)和內(nèi)呼系統(tǒng)可在控制箱內(nèi)完成操作。通過仿真，可將全部的情況調(diào)試一遍[5]。當(dāng)電梯處于某個樓層時，首先第一步，調(diào)試能否實(shí)現(xiàn)另外樓層的外呼功能，到目標(biāo)樓層后，門全部開啟，延時5 s 后會自動關(guān)門。然后第二步，調(diào)試內(nèi)呼功能。第三步，調(diào)試內(nèi)呼和外呼都有的情況，要滿足同向優(yōu)先響應(yīng)的原則，反向則暫不響應(yīng)。電梯轎廂內(nèi)有顯示屏?xí)?shí)時顯示電梯處于哪一層，便于乘客了解。開門狀態(tài)的仿真如圖5 所示。

圖5 開門狀態(tài)的仿真圖

5 結(jié)束語

設(shè)計的這個4 層電梯的PLC 控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電梯運(yùn)行的多項(xiàng)基本功能，包括樓層顯示、內(nèi)外呼叫系統(tǒng)、電梯的上下行功能降控制、自動開關(guān)電梯門等。使用STEP-7 軟件對電梯軟件系統(tǒng)進(jìn)行編程，完整地實(shí)現(xiàn)了電梯的各項(xiàng)控制功能。并用宇龍仿真軟件進(jìn)行三維仿真，可以清晰地看到電梯控制系統(tǒng)界面，并按照實(shí)際情況進(jìn)行模擬操作，完全能達(dá)到電梯正常運(yùn)行的要求。因此，本電梯控制系統(tǒng)可以在4 層樓房中實(shí)際運(yùn)行。