基于PLC六层电梯控制系统的设计
Six-layer Elevator Control System Based on
PLC
基于PLC六层电梯控制系统的设计
摘要：随着城市的发展，人们的住房也越来越趋向于高层建筑，电梯的控制尤为重要。本课题是以PLC为核心的六层电梯控制系统的设计，选用了西门子S7-200型的PLC。本文将电梯控制系统分为逻辑控制和速度控制系统两个部分来完成，通过PLC处理旋转编码器输出的脉冲信号来控制变频器以实现电梯的上下行和变速自动控制。用西门子编程软件来进行编程并通过仿真调试来达到控制要求，从而使电梯的运行舒适并且安全。
关键词：电梯；PLC；变频器
The design of six-layer elevator control system based on PLC
Abstract: With the development of the city, more and more people tend to be high-rise housing construction. So the elevator is particularly important now. This issue is the design of six-layer elevator control system based on PLC and here is a selection of Siemens S7-200. To complete the design, this paper has been divided into the elevator control system logic and speed control system. This elevator control system use PLC to deal with pulse signal come from rotary encoder, and then the frequency converter has been controlled to realize uplink or downlink and speed changing. Programming with the Siemens programming software and reaching the requirements by simulation and debugging. Thus it can make the operation of the elevator comfortable and safe.
Keywords: elevator；PLC；frequency converter
目录
1 绪论 (1)
1.1 电梯的发展 (1)
1.2 课题的主要内容 (1)
1.3 电梯的控制要求 (1)
2 电梯控制系统的硬件设计 (2)
2.1 电梯控制系统主电路和控制电路设计 (3)
2.2 I/O端口设计和PLC的选型 (4)
2.3 旋转编码器的选型 (8)
2.4 变频器的选型 (8)
3 电梯控制系统的软件设计 (9)
3.1 电梯的工作流程图 (9)
3.2 梯形图 (10)
4 电梯的模拟调试 (27)
结论 (32)
致谢.......................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献. (33)
1 绪论
1.1 电梯的发展
现代电梯的发展要从1889年美国奥梯斯公司以电动机作为动力而设计制造出了一个实实在在的升降电梯开始。其中第一台自动扶梯出现在1900年。而到了1949年，群控电梯开始出现并得到应用。到了1955年出现了开始出现了小型计算机(真空管)控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的性能得到很大的提高，使得电梯的拖动系统得到很大的简化。从1976年开始微处理机开始用于电梯的控制，使电梯的电气控制更加方便更加能满足人们不断变化的需求。电梯从此进入了一个新的发展时期。
由于早期的电梯在进行电气控制时存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、以及程序不易更改等缺点，这就要求我们能够开发出一款安全、高效的控制系统。由于可编程控制器(PLC)不但操作简单且易懂，并且可靠性高、控制精度高、控制程序也易于改变，在维修和保养方面也比较方便。
1.2 课题的主要内容
PLC以其性能的优势在电梯业得到广泛运用。本课题的主要内容是研究基于PLC的电梯自动控制系统。课题的内容主要分为：(1)对电梯系统及可编程控制器(PLC)进行比较全面的介绍，进而对电梯控制系统的特点和电梯的分类进行简要的介绍。(2)确定了系统的总体结构，而电梯的信号控制由PLC 来实现。(3)对可编程控制器(PLC)和其他电气元件进行型号的选择。然后完成I/O 点数分配与PLC 的连接。(4)在分析了电梯系统的工作过程，设计出了流程图，并进行系统的软件开发。设计电梯控制系统的程序（梯形图），对程序进行模拟调试。1.3 电梯的控制要求
本控制系统中电梯每一层都有楼层显示灯，且每一个楼厅都有输入召唤按钮。电梯控制系统需要对外界的呼叫信号和当时电梯的运行状态进行综合分析，然后再确定电梯的下一个工作状态。在这里，基于PLC的电梯控制系统需要达到的控制要求有：
(1)电梯通电后，对电梯进行初始化，电梯下行直至到一层。
(2)当有外呼信号时，电梯响应该呼叫信号，等到达该楼层时，电梯停止并打开电梯门，之后延时2秒后再自动关门。
(3)当有内呼信号时，电梯响呼叫信号，等到达该楼层时，电梯停止并打开电梯门，同样要延时2秒后再自动关门。
(4)可以通过指示灯来显示电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号以及电梯轿厢外的呼唤信号。
(5)电梯可以正确判断电梯的行使方向，并通过发出响应的指示信号来提示
乘客。
(6)电梯应具有最远反向外呼响应功能。例如当电梯在一楼，而在三层有向下外呼请求，且同时在四楼层和六层有向下外呼请求时，则电梯会先去六楼响应四层的向下外呼请求信号再返回到一楼。
(7)在电梯不在平层时，轿厢门和厅门不能打开，同样在电梯处于开门状态时是不能行走的。在电梯平层或电梯停止运行后，按开门按钮可使门打开，开门完全后延迟2秒关门。
(8)电梯在正常运行时对呼叫信号进具有记忆功能。
(9)在电梯的运行过程中完成电梯的加速和减速过程。
2 电梯控制系统的硬件设计
PLC是电梯构成的核心，其输入端包括旋转编码器带来的变速信号、外呼电梯输入信号、内呼电梯输入信号、开关门输入。而PLC的输出端包括内呼信号指示、外乎信号指示、运行方向指示、楼层指示、开关门控制以及通过控制变频器来控制电机运转。在系统的控制过程中通过对PLC输入内呼信号、外呼信号、开关门信号、加减速信号，PLC在处理过这些输入信号后会相应的发出内呼信号指示信号、外呼信号指示信号、运行方向指示信号、楼层指示信号、开关门控制信号以及控制变频器的加、减速信号和稳速信号。比如旋转编码器将减速点信号传递给PLC后，PLC会在减速点处控制变频器进行减速处理。具体的系统控制结构图如图2.1。
图2.1 系统控制结构图
2.1 电梯控制系统主电路和控制电路设计
为了完成电梯的控制要求，实现拽引电机的正反转和门电机的正反转，需要设计好电梯控制系统的主电路和控制电路。在电梯控制系统的主电路中当拽引电机正转时电梯下降，当拽引电机反转时电梯上升。而当门电机正转时电梯开门，当门电机反转时电梯关门。具体的电气控制系统主电路图如图2.2。
图2.2 电气控制系统主电路图
电梯的控制过程中，电梯的运行需要做到以下几点(1)电梯下降时必须做到电梯没有开门且电梯也没有达到下限位。且在一层到位时，电梯不再能继续下降。当电梯进行复位动作时，在关门到位的前提下电梯才能下降。(2)在电梯上升的过程中必须要做到电梯不能处于下降状态且不能到达上限位。在电梯的上升过程中电梯六层到位时电梯不能继续上升。除此之外在电梯进行复位动作和电梯处于开门状态时电梯不能进行下降动作。(3)在电梯内、外呼到层的情况下或者内呼开门时电梯进行开门动作，且在电梯进行复位动作或者出于关门状态时电梯停止开门动作。(4)电梯进行关门动作是在电梯开门后由定时器定时两秒自动关门。除此之外，手动复位或者有内呼关门指令情况下同样进行关门动作。当然在电梯关门到位或者电梯处于开门状态时电梯不能进行关门动作。系统的控制电路图如图2.3。
图2.3 电气控制系统控制电路图
2.2 I/O端口设计和PLC的选型
电梯控制程序的设计需要先确定电梯控制系统的I/O端口分配。经过计算得知本控制系统中输入端口有35个，输出端口有25个。其输入输出分配表见表2.1。
表2.1 输入输出端口分配表
输入输出
内呼1层I3.5 内呼1层指示Q0.0
内呼2层I3.6 内呼2层指示Q0.1
内呼3层I0.2 内呼3层指示Q0.2
内呼4层I0.3 内呼4层指示Q0.3
内呼5层I0.4 内呼5层指示Q0.4
内呼6层I0.5 内呼6层指示Q0.5
一层外呼上行I0.6 一层外呼上行指示Q0.6
二层外呼下行I0.7 二层外呼下行指示Q0.7
二层外呼上行I1.0 二层外呼上行指示Q1.0
三层外呼下行I1.1 三层外呼下行指示Q1.1
三层外呼上行I1.2 三层外呼上行指示Q1.2
四层外呼下行I1.3 四层外呼下行指示Q1.3
四层外呼上行I1.4 四层外呼上行指示Q1.4
五层外呼下行I1.5 五层外呼下行指示Q1.5
五层外呼上行I1.6 五层外呼上行指示Q1.6
六层外呼下行I1.7 六层外呼下行指示Q1.7
电梯到达1层I2.0 内呼开门指示Q2.0
电梯到达2层I2.1 内呼关门指示Q2.1
电梯到达3层I2.2 电梯上升Q2.2
电梯到达4层I2.3 电梯关门Q2.3
电梯到达5层I2.4 电梯下降Q2.4
电梯到达6层I2.5 电梯开门Q2.5
上限位I2.6 变频器快速运行Q2.6
下限位I2.7 变频器中速运行Q2.7
内呼开门I3.0 变频器慢速运行Q3.0
内呼关门I3.1
开门到位I3.2
关门到位I3.3
手动复位I3.4
编码器高速计数器输入A相I0.0
编码器高速计数器输入B相I0.1
电梯急停按钮I3.7
拽引电机热继电器I4.0
门电机热继电器I4.1
电梯门红外感应I4.2
由于西门子S7-200的PLC(CPU226CN AC/DC/RLY) 拥有24个输入点和16个输出点，且成本较低而通过对PLC输入输出点的计算和对电梯控制功能的分析可知，使用这种PLC外加一个扩展模块EM223可以满足要求。
确定了PLC型号后，对控制系统进行接线。其具体的输入输出接线图见图2.4。
图2.4 输入输出连接图
为了满足电梯的控制要求，首先就需要我们能够确定好使用哪些电气元器件，进而完成元器件的选型，最后来完成电梯的组装和运行。电梯的电器元件表如表2.2，而经过选型后的设备元件表见表2.3。
表2.2电气元件表
元件符号原件名称及作用（对应
的I/O端口）
元件符号
原件名称及作用（对应的
I/O端口）
KM1 电梯下降接触器（Q2.4）SB10 二楼外呼上行按钮（I1.0）KM2 电梯上升接触器（Q2.2）SB11 三楼外呼下行按钮（I1.1）KM3 电梯开门接触器（Q2.5）SB12 三楼外呼上行按钮（I1.2）KM4 电梯关门接触器（Q2.3）SB13 四楼外呼下行按钮（I1.3）SQ1 开门到位开关（I3.2）SB14 四楼外呼上行按钮（I1.4）SQ2 关门到位开关（I3.3）SB15 五楼外呼下行按钮（I1.5）SQ3 下限位开关（I2.7）SB16 五楼外呼下行按钮（I1.6）SQ4 上限位开关（I2.6）SB17 六楼外呼上行按钮（I1.7）
SQ5 电梯到达一层限位开关
（I2.0）
SB18 内呼开门按钮（I3.0）
SQ6 电梯到达二层限位开关
（I2.1）
SB19 内呼关门按钮（I3.1）
SQ7 电梯到达三层限位开关
（I2.2）
SB20 电梯急停按钮（I3.7）
SQ8 电梯到达四层限位开关
（I2.3）
HL1-HL6 1-6楼内呼指示灯（Q0.0-Q0.5）
SQ9 电梯到达五层限位开关
（I2.4）
HL7 一层外呼上行指示灯(Q0.6)
SQ10 电梯到达六层限位开关
（I2.5）
HL8 二层外呼下行指示灯(Q0.7)
SQ11 电源开关HL9 二层外呼上行指示灯(Q1.0)
SQ12 编码器高速计数器输入A相
（I0.0）
HL10 三层外呼下行指示灯（Q1.1）
SQ13 编码器高速计数器输入B相
（I0.1）
HL11 三层外呼上行指示灯（Q1.2）
SQ14 拽引电机热继电器（I4.0）HL12 四层外呼下行指示灯（Q1.3）SQ15 门电机热继电器（I4.1）HL13 四层外呼上行指示灯（Q1.4）SQ16 电梯门红外感应（I4.2）HL14 五层外呼下行指示灯（Q1.5）
SB1 手动复位按钮（I3.4）HL15 五层外呼上行指示灯（Q1.6）
SB2-SB3 1-2层内呼按钮
（I3.5-I3.6）
HL16 六层外呼下行指示灯（Q1.7）
SB4-SB7 3-6层内呼按钮（I0.2-I0.5）HL17 内呼开门指示灯(Q2.0) SB8 一楼外呼上行按钮（I0.6）HL18 内呼关门指示灯(Q2.1) SB9 二楼外呼下行按钮（I0.7）QF 空气开关
表2.3 设备元件表
器件号名称型号规格数量
M1 拽引电机JXS20-200L,AC380V 1
M2 门电机TN-YTTD250,AC220V 1 KM1-KM4 交流接触器CJX1-9/22,AC220V 4
SB1-SB20 按钮LA38-11D/2094,DC24V 20
SQ1-SQ15 限位开关ZB2-BE101C,DC24V 15
SQ16 红外感应开关TAD-K220BR,AC110V 1 HL1-HL18 指示灯AD11-22/41-8GE,AC220V 18 QF 空气开关5SJ6,AC400V 1 FR1-FR2 热继电器JR15-10,AC380V 2
2.3 旋转编码器的选型
在电梯控制系统中需要将旋转编码器和电动机同轴相连以方便保持电梯运行的稳定性。随着电机的转动，旋转编码器可以产生脉冲信号输出，再经过高速计数器进行脉冲计数。在这里我们采用TRD-J-1024-RZ增量旋转编码器，编码器每转动一周就会产生1024个脉冲。旋转一圈的距离为一米。PLC是通过高速计数器输入的脉冲数来确定电梯减速点。高速计数器记下的脉冲数在减速点的范围内PLC控制变频器进行减速。其中每个楼层的高度为三米，在对减速点的设置中，1到5层各层的下行减速点设置为1到5层各层层底到其上方1米这段距离所对应的脉冲数范围。而2到6层各层的上行减速点设置为2到6层各层底到其下方1米这段距离所对应的脉冲数范围。
2.4 变频器的选型
变频器在这里用来进行交流电机的调速，其控制方式是通过控制电机定子的电流频率来控制电机转速。而整个PLC控制变频器进行调速的过程可以描述为当变频器接收到PLC发出的电梯运行的方向信号后，变频器进行加速运行，在运行一段时间后进行中速运行，当电梯运行到目标层的减速点时，PLC控制变频器进行减速运动，在电梯要到层时切断减速控制，电梯速度为零。通用变频器FR-S540E的主回路采用的是交—直—交的控制方式。这种变频器可以自行设置
速度曲线来实现电梯的精确控制，故在这里我们选择FR-S540E来实现电梯的控制要求。变频器的参数设置包括快速频率、中速频率和慢速频率的设置，除此之外还有加速时间和减速时间的设置。这里将慢速频率设置为5Hz，中速频率设置为20Hz且高速频率设置为30Hz。除此之外，由于调频范围在5Hz到30HZ，故可以将下限频率设置为0Hz，上限频率为40Hz。在加、减速时间的设置上，变频器的加速和减速时间都设置为2秒。在PLC输出方向信号时，变频器开始响应快速频率来控制电机加速运行。在到达目标层的减速点时，PLC输出减速点信号时，变频器响应慢速频率，进而控制电机减速。
其中PLC与变频器的接线示意图如图2.5。
图2.5PLC与变频器的接线示意图
3 电梯控制系统的软件设计
3.1 电梯的工作流程图
根据电梯的控制要求来设计工作流程图，电梯的工作流程图如图3.1。
图3.1 电梯的总体工作流程图
3.2 梯形图
电梯的梯形图是软件设计的核心部分，根据流程图设计的六层电梯梯形图如图3.2。