S7-200PLC在变频调速电梯控制系统中的研究与应用

张绘敏，马殷元，雷 蕾，孟 萍

（兰州交通大学机电技术研究所， 兰州730070）

高层建筑已经成为现代城市标志的今天，电梯作为垂直运输工具，承担着大量的输送任务，其作用在建筑业里至关重要，电梯也成为人们日常生活中不可缺少的工具。对于载重大、速度高的电梯来说，提高运行质量及效率和节约电能是重点要解决的问题。对此，采用PLC作为逻辑控制并结合变频技术是特别适宜于电梯驱动的。

利用变频调速控制技术改造旧电梯，充分利用现代换流技术、矢量变换控制技术和全数字化电子控制技术，对旧电梯电动机转速实现线性控制。采用变频调速改造后的电梯，结构紧凑，噪声低，提高了运行效率，维修简单，故障率低，由于变频调速为无极调速，调速范围宽，因此提高了乘坐的舒适感。根据查询有关资料可知变频调速电梯与交流调压调速电梯相比节能达30%，可以最佳地利用电网的能量，提高功率因数，降低曳引电机容量20%以上，因此变频调速电梯有明显的节能特性。根据电梯控制系统的控制要求，详细介绍了PLC和变频器在电梯控制中的设计方案。

1 控制系统的系统结构

本文采用变频调速控制系统来控制电梯，系统结构框图如图1。系统由轿厢，曳引机构，开关门机构，PLC，变频器及其他电气元件构成。电梯的调速部分选用高性能的矢量控制变频器，利用光电编码器（PG）测量曳引电机的转速，构成闭环矢量控制系统。系统结构框图如图1。

图1 系统结构框图

2 控制系统的工作原理及其控制调度策略

此设计采用模块化的编程思想，根据功能将电梯控制系统划分为相对独立的功能模块，减少了设计的工作量并且便于维护有利于提高系统的维护效率。

电梯运行的控制调度策略是电梯控制系统的核心部分。下面具体介绍一下电梯运行的控制调度策略：运行控制中一次将一个方向上的所有呼叫和目标全部完成后然后掉转运行方向，完成另外一个方向上的所有呼叫和目标，即实现方向优先和顺向截梯。采用设定目标楼层的办法实现这个策略，即电梯向一个目标楼层运行，但这个楼层可以修改。具体策略如下：

（1）修改目标楼层的策略：电梯向上或向下运行时，如果运行到介于当前电梯所处楼层和目标楼层之间的楼层，这个楼层正好也有同方向的呼叫请求时，将目标楼层修改为这个新的楼层。

（2）确定新的目标楼层：如果电梯向上（向下）运行，当它到达某个目标楼层后，则依照以下顺序确定下一个目标楼层：

a.如果只有上升呼叫请求，那么以最低的向上呼叫所在楼层为电梯当前的目标楼层。

b.如果只有下降呼叫请求，那么以最高的向下呼叫所在楼层为电梯当前的目标楼层。

c.如果既有上升请求又有下降请求，那么以最低（最高）的向上（向下）呼叫所在楼层为电梯当前的目标楼层，顺次到达有上升（下降）呼叫请求的目标楼层后，然后以最高（最低）的向下（向上）呼叫所在楼层为电梯当前目标楼层，反方向顺次到达有下降（上升）请求的目标楼层。

d.如果仍然不能确定目标楼层（此时实际上没有任何呼叫和目标），那么电梯无目标，运行暂停。

3 控制系统的总体设计思路

设计PLC电梯控制系统时，首先要对PLC进行选型，采用的是S7-200系列PLC作为控制系统的核心控制器，根据控制系统的输入输出量来选择PLC的型号。然后根据系统的控制功能要求对PLC进行I/O分配，分配后绘制PLC硬件接线图，最后进行软件编程设计。在软件设计中，首先按照功能要求画出流程框图，按照不同的功能编写不同的功能模块。

3.1 系统的硬件设计

3.1.1 PLC的选型及PLC硬件接线图

通过对系统控制要求的分析可知，电梯控制系统信号的输入、输出。以3层电梯控制系统为例，系统共有开关量输入点16点，开关量输出点20点，所以选用的CPU224（14DI/10DO）的PLC，一个输出混合扩展模块EM223（4DI/4DO），还有另一个EM223（8DI/8DO），满足了系统需要的15%～20%的I/O点余量，即开关量输入26点，输出22点。根据控制系统的输入输出的要求，可以确定输入输出点的地址分配表。

根据输入输出点的地址分配表，可以很容易地绘制出PLC的硬件接线图，如图2。

图2 PLC硬件接线图

3.1.2 变频器的选择和配置

为降低电梯成本，节约用电，并且能够保证电梯按理想的给定速度曲线运行以改善电梯运行的舒适感，本系统采用VS-616G5型全数字变频器。

VS-616G5型全数字变频器必须配二次仪表及光电编码器，以供电机测速和反馈。光电编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。光电编码器输出A、B两相脉冲，A、B脉冲相序可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲频率测电动机转速。光电编码器将此脉冲输出给二次仪表， 二次仪表再将此反馈信号送给变频器内部，进行运算调节，所以光电编码器和二次仪表实现了闭环运行。同时必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电梯处于发电状态，向变频器回馈电能，这时同步转速下降，变频器的直流部分电压升高，制动电阻的作用就是消耗回馈电能，抑制直流电压升高。

电梯的工作特点是频繁的起动和制动，为了满足舒适感提高运输效率及准确平层，就要求电梯能平稳的加速和减速，因此电梯的速度给定曲线是关键的环节。当PLC完成定向后，向变频器发出方向使能和速度信号，变频器依据设定的速度及加速度启动电动机，达到最大速度后匀速运行，接近目标层时，PLC发出低速信号，此时变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度，变频器在加减速的过程中，以设定的优化曲线减速，收到平层信号后立即停止。电梯的起制动速度曲线设计由两段抛物线（S曲线）和一段直线构成，616G5变频器就具有将加速时间和S曲线加速时间配合调整的功能，即可获得了较为理想的起动/制动曲线。

3.2 系统的软件设计

本系统的控制程序按功能分为7部分，分别为厅外召唤和轿厢请求、轿门开关、指层、定向、选层、换速、平层停车和楼层显示。PLC控制功能流程图如图3。通过对部分功能流程图的设计来分析各个基本功能模块的设计过程。

图3 PLC控制功能流程图

3.2.1 厅外召唤和轿厢请求

在正常运行的情况下，当有轿厢请求或厅外召唤时，电梯以此为目标在楼层间运行，运行的过程中判断是否有其他楼层的按钮被按下，自动记忆各种呼叫信号，在电梯到达某层停车时，自动消除顺向呼叫信号，保存反向呼叫信号。

3.2.2 楼层显示

PLC输出端直接与七段数码管连接，无需外部硬件译码器，由PLC软件进行七段译码，直接驱动数码管显示层楼数。当电梯停在某层上时，显示当前楼层的数字号。当电梯运行到楼层中间时，就需要借助延时程序。电梯离开某层楼时，用一个中间继电器来保持它的上一状态，轿厢显示为保持上一状态的楼层。当轿厢运行到任一其它楼层，中间继电器失电，此时轿厢显示为即将到达的最近的楼层。

3.2.3 定向、换速与选层控制

当电梯处于底层或者顶层时，运行只有一个方向：上升或者下降。电梯的上升和下降是通过电机的正反转来控制的。如果停留在中间层，通过PLC的运算将电梯当前位置与目标楼层进行比较，自动选择电梯的运动方向。电梯在运行时是通过电梯运行控制调度策略来控制电梯，当电梯接到多个轿内或厅外指令时，自动选择合理的停靠层站。在到达目标楼层前，应该提前一定的距离开始降低速度，实现换速功能。

3.2.4 轿厢的平层与停车

轿厢运行后需要确定在哪一层站停车，平层即是指停车时轿厢的底与门厅地面应相平齐，一般都有平层误差规定，即两个平面相差不能超过5mm。平层停车需要在轿厢底与停车楼层相平之前就开始，必须经过换速过程，先是减速，然后才开始制动，减小冲击，提高平层的准确性以及乘客的舒适感。

3.2.5 开关门

电梯运行过程中即使按下开门按钮，电梯门也不会打开，同样如果电梯门没有完全关闭，电梯也不进行上下运行，以此保证乘客的安全。开关门设计流程图如图4。

4 结束语

本文利用通用变频器和PLC实现对电梯的控制，通过合理的设备选型和软件设计，提高了电梯运行的可靠性，改善了电梯运行的舒适感，并节约了电能，可以满足客户对电梯控制系统进行改造的要求，避免了旧系统诸多缺点，达到了预定的设计目的。系统软件部分易于扩展，从几层的小型电梯到几十层的大型电梯都适用。

图4 开关门流程图

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