(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 基于PLC的五层电梯控制系统设计
电气工程及其自动化专业来红雨
【摘要】电梯不仅仅是高层建筑里的必备设施，在多层建筑里也是不可缺少的垂直运输工具。据此本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上，针对5层5站电梯，使用西门子200可编程控制器，设计了电梯的控制系统。实现了电梯的指层控制、轿内与各层厅站呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。这种电梯控制系统应用于实际运行的电梯中，运行结果表明：电梯控制系统安全性和可靠性高，日常保养维护和故障检修方便，运行成本低。
【关键词】电梯；控制系统；可编程控制器；西门子200
Design of Five-storey Elevator Control System Based on
PLC
Electrical Engineering and Automation Specialty LAI Hong - yu
Abstract: The elevator is not only the necessary facility in the the multi—layered construction. This article elaborated the elevator structure，the structure and the working principle of the programmable logic controller．Aim at the elevator of 5 storey and 5 stations，I design this elevator control system by the use of S7-200 programmable logic controller. These modules achieve the functions：fingering out the location
of the cabin，registering the instructions from the cabin and the station and the station of elevator follow these instructions，operating elevator and door automatically，and other functions. This elevator control system applies in the actual operating elevator．The operating result indicated：its security and reliability ale Block Diagram），和顺序功能图（SFC，Sequential Function Chart），两种文本语言，即结构化文本（ST，Structured Text）和指令表(IL，Instruction List)。其中梯形图是最早使用的一种PLC语言，也是现在最常用的编程语言。它是由继电气控制系统原理图的基础上演变而来的，它继承了继电气控制系统中的基本工作原理和电器逻辑关系的表达方法，梯形图预计电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别，所以在逻辑控制系统中得到了广泛的使用。它的最大特点就是直观、清晰。
3 电梯控制系统的硬件设计
3.1 电梯硬件框图及控制要求分析
根据论文设计的要求和依据论文要求选择的电气元件，如图3所示：
图3 电梯系统硬件框图
所涉及的电梯模型共有五层，电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；1-5所对应的指示灯表示楼层号，每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向、顺向截梯、反向保号，外呼记忆，自动开关门状态，停梯消
号，自动达层等功能。
分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：
开始时，电梯处于任意一层。
当有外呼梯信号到来时电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。
当有内呼梯信号到来时，电梯应该响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。
在电梯运行过程中电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应，但如果反向呼梯信号前方无其它内、外呼梯信号时，则电梯相应该外呼信号，但不响应三层向下外呼梯信号。同时，如果电梯达到四层，五层没有任何呼梯信号，测电梯可以响应四层向下外呼梯信号。
电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。例如电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。
电梯具有同向截车功能。
电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮可使门打开，按关门按钮可使门关闭。
3.2 可编程控制器的选型
目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达到数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。在设计PLC控制系统时，要选择最适宜的PLC机型，对于系统的控制目标。设计PLC控制系统时，首要的控制目标就是：确保生产的安全可靠，能长期稳定运行，保证产品高质量，提高生产效率，改善信息管理等。如果要求以极高的可靠性为控制目标，构成
PLC冗余控制系统，这时要从能够完成冗余控制的PLC型号中进行选择；如果以改善信息管理为控制目标，要首先考虑通信能力。另一个方面就是要对PLC的硬件配置的考虑，可以从CPU的能力、IO系统、指令系统、响应速度或其它考虑。综合考虑后，本设计选择了西门子公司生产的S7-200型机。如图4所示：
图4 西门子 S7-200
3.3 交流双速电梯的主电路
图中M1为电梯专用型双速笼型异步电动机；KM1、KM2为电动机正、反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速或者低速运行；KM5为启动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动接触器，用以调整电梯制动时的加速度；L
1
、
L 2与R
1
、R
2
为串入电动机定子电路中的电抗和电阻，当KM1或者KM2与
KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行启动，延时后KM5通电吸合，切
除R
1、L
1
，电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯接收到停层指令
后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电机转为低速接法，接入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6-KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感；至平层位置时，接触全部断电释放，抱闸抱死，电梯停止运行。如图5所示：
图5 电梯拖动电路电路图
3.4 门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路
图6为电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路。门电动机为他励直流电动机，可由KM9、KM10控制其正反转。KM9接通时，电阻R2与电动机电枢并联，电流由电枢左端流向右端，电动机正转实现开门，压下SQ8时，R2部分被短接，实现开门调速。KM10接通时，电动机将反转，实现关门，并由SQ9、SQ10与R3一起实现关门调速。
当电梯上下运行时，抱闸应打开，其线圈应通电。电梯停止运行时，抱闸应抱死，其线圈应断电。将所有厅、轿门开关串联在一起，控制门锁继电器KA1，实现全部门关闭后电梯才能运行的控制。将安全窗开关、安全钳开关、限速器开关、轿内急停开关、上下强迫停止开关、基站开关梯开关以及热继电器触点FR1、FR2串联在一起，构成安全回路，控制安全运行继电器KA2，用KA2的触点控制PLC的RUN口，只有当该KA2吸合时，才允许PLC处于运行状态。这样可以节省PLC的输入口，又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。如图6所示：
图6 门机、抱闸、门锁及安全运行电路
3.5 电梯的主要电气设备
（1）牵引电动机
齿轮牵引机为电梯的提升机构。主要由驱动电动机，电磁制动器（也称电器包闸），减速器牵引轮组成。
（2）自动门机
用来完成电梯的开门与关门。电梯的门分为厅门（每层站一个）与轿门（只有一个）。只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门，轿门全部关闭
后才允许启动运行。
（3）层楼指示灯
层楼指示灯也叫层显，安装在每层站厅门的上方和轿厢内轿门的上方，用以指示电梯的运行方向及电梯所处的位置。过去常由低压灯泡构成，现多由LED组成，且与呼梯盒做成一体结构。
（4）呼梯盒
用以产生呼叫信号。常安装在厅门外，离地面一米左右的墙壁上。基站与底站只有一只按钮，中间层站由上呼叫与下呼叫两个按钮组成。
（5）操纵箱
操纵箱安装在轿箱内，供乘客对电梯发布动作命令。其上面设有与电梯层站数相同的内选层按钮。
（6）平层及开门装置
该装置由平层感应器及楼层感应器组成。上行时，上磁铁板先触发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号，电动机停转，抱闸抱死。下行时，下磁铁板出发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号。
（7）轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。
位置检测方法主要有如下几种：
（1）用干簧管磁感应器或其它位置开关。这种方法直观、简单，但
由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。
（2）利用稳态磁保开关。这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。
由于本文是五层电梯的控制故选用感应器检测轿厢位置，如图7所示：
图7 电梯的平层、停层装置示意图
3.6 输入输出设计
为了便于对电梯的工作原理及PLC系统进行分析，现列出电梯所用电器元件表，电梯的电器元件表如表1所示：
表1 五层五站电梯电器元件表
元件符号名称及作用元件符号名称及作用KM1 上行接触器SQ5 基站开关
KM2 下行接触器SQ6 开门到位开关
KM3 高速接触器SQ7 关门到位开关
KM4 低速接触器SQ8 开门调整开关
KM5 启动接触器SQ9、SQ10 关门调整开关
KM6-KM8 制动接触器SQ11-SQ15 1-5楼厅门锁开关KM9 开门接触器SQ16 轿门关闭到位开关KM10 关门接触器SQ17 上限位开关
SQ18 下限位开关HL13 4楼上呼记忆灯
SQ19 上行强迫停止开关HL14 4楼下呼记忆灯
SQ20 下行强迫停止开关HL15 5楼下呼记忆灯
SB1 开门按钮SA1 运行状态选择钥匙开关SB2 关门按钮SA2 基站开关梯钥匙开关SB3 上行启动按钮SQ1 安全窗开关
SB4 下行启动按钮SQ2 安全钳开关
SB5-SB9 1-5楼轿厢内选按钮SQ3 限速器开关
1-4楼上行外呼按钮SQ4 轿内急停开关1SB1-
4SB1
2-5楼下行外呼按钮1KR 1楼感应器2SB2-
5SB2
1HL-5HL 1-5层层楼指示灯2KR 2楼感应器
6HL-7HL 上行、下行指示灯3KR 3楼感应器
HL6、HL7 操纵箱上下行指示记忆灯4KR 4楼感应器HL8 1楼上呼记忆灯5KR 5楼感应器
HL9 2楼上呼记忆灯6KR 上平层感应器
HL10 2楼下呼记忆灯7KR 下平层感应器
HL11 3楼上呼记忆灯SQ 电源开关
HL12 3楼下呼记忆灯SB0 极限开关
3.7 楼层位置显示功能
在电梯运行过程中需要显示电梯运行的位置，还要满足对电梯进行相应的操作需求，如图8、图9所示：
图8 轿厢内控制屏示意图
A段B段C段D段E段F段G段一楼0 1 1 0 0 0 0 二楼 1 1 0 1 1 0 1 三楼 1 1 1 1 0 0 1 四楼 1 1 1 0 0 0 1 五楼 1 0 1 1 0 1 1
图9 LED数码管显示层楼示意图
3.8 设计流程图
程序的基本控制流程如图10所示（其中不包括检修及司机开关电梯环节，只是电梯运行的基本流程图）：
图10 PLC系统总体设计流程图
4 电梯控制系统的软件设计
由电梯运动流程图可以看出电梯的运动控制中最需要关注的主要部分是：开关轿厢门的控制，电梯的自动选向，轿厢的内呼和楼层外呼指示。将各部分分为单独的模块分别进行编程，绘制梯形图，不仅条理清晰，提高编程效率，而且能更为方便的进行程序的调试。在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，系统软件根据运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑控制。
4.1 电梯的自检状态
在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC 来完成的，系统软件根据运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑控制。
PLC上电后，PLC中的程序己开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态已知楼层且电梯门处于关闭状态。电梯自检过程的目标为:先按下启动按钮，在PLC的第一个扫描周期，检查电梯是否平层，若电梯为平层，则保持，若电梯未平层，则通过置位使中间继电器置1，进而使电梯下行直至平层是中间继电器复位为止。
4.2 电梯的正常工作状态
电梯完成一个呼叫响应的步骤如下:
⑴电梯在检测到门厅或轿厢的呼叫信号后将此楼层信号与轿厢所在的楼层信号比较，通过选向模块进行选向。
⑵电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿厢运动。轿厢运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。
⑶当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速度变为低速，并以低速运行到平层点停止。
⑷平层后，电梯开门，直到碰到开门到位行程开关;再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿厢所在楼层。
4.3 电梯开关门控制
1）电梯的开门控制
（1）投入运行前的开门：将开关梯钥匙插入SA2内，如图11所示，旋至开梯位置，则中间继电器KA2得电吸合，其动合触点KA2(1-2)闭合，接通PLC电源，使PLC处于运行状态。
（2）电梯检修时开门：在检修状态下，开关门均为手动状态，由关门按钮SB1、开门按钮SB2实施开门与关门。
（3）电梯自动运行时停层开门：
电梯停层时，到平层位置，实现电梯开门
（4）电梯关门过程中重新开门：
在电梯关门过程中，若有人或物夹在两门中间，需重新开门，通过开门按钮SB1实施重新开门。
（5）呼梯开门：
电梯到达某层站后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命，若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯要求。
若其他层站有人呼梯，电梯将首先定向，并启动运行，到达呼梯层站时再开门，此时开门是按停层开门处理的。
当电梯自动运行时，KM9不能得电，禁止开门。具体开门程序如图11所示：
图11 开门程序
2）电梯的关门控制
（1）电梯使用后的关门：此时电梯到达基站，司机或乘客离开轿厢，电梯自动关门。司机将开关电梯钥匙插入SA2，旋到关梯位置，使KA2失电释放，PLC停止运行，电梯被关闭。
（2）自动运行时的关门：停站时间继电器T37延时结束时，电梯自动关门；停战时间未到时，可通过关门按钮SB2（I0.4）实现提前关门。超载时电梯不关门，也就不会启动运行。具体电梯关门程序如图12所示：
图12 关门程序
4.4 层楼信号产生与消除
当电梯位于某一层时，指层感应器1KR-5KR,产生该楼层信号，以控制指层灯的状态，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号（上一层或下一层）所取代。当层的层楼继电器是用上层或下层的层楼信号关断的。例如当电梯由4层下降到3层，3楼感应器3KR闭合，使输入继电器I2.3得电，Q1.6得电，3HL得电，指示3层层楼，同时4HL失电，4层层楼指示关断，如图13所示：
图13 楼信号的产生与消除
4.5 内选指令的登记与消除
内选辅助继电器梯形图支路中串接层楼辅助继电器的动断触点。乘客或司机通过操作轿厢的操纵盘上1-5层的选层按钮SB5-SB9，可以选择欲去的楼层。选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯HL1-HL5亮。当电梯到达所选的层楼后，该层楼的层楼辅助继电器得电，其动断触点断开，使该层内选辅助继电器失电，指示灯也熄灭，即内选信号被清除；另
外，停靠在某层后，该层的内选信号不能被登记。如图14所示：