基于PLC的电梯控制系统的设计与仿真

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(甘肃嘉峪关宏丰实业有限责任公司，甘肃 嘉峪关 735100)

0 引 言

随着我国现代社会文明的不断发展，人们物质文化生活水平的不断提高。各地高楼大厦像雨后春笋般地矗立起来，电梯己经成为各高层建筑不可或缺的垂直交通工具，或承担着货物的运输、或担负着人员的交通，己经成为我们工作和生活中的必需设备[1-3]。

由于大部分老式电梯的电气控制系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电气控制系统进行技术改造，以便节约资金。因此，对电梯的控制系统进行研究，提出一条适合国产老式传统电梯的改造技术，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，将具有十分重要的意义[4-5]。针对老式传统电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，论文提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器(PLC)来控制电梯系统[6-7]。并利用GX-DeveloperV 7.0软件对六层电梯控制系统进行了模拟运行调试，并利用简单指令、复杂指令对电梯的控制系统进行仿真运行，给出电梯的仿真结果显示窗口。

1 电梯控制系统的硬件设计

随着工业自动化技术的发展，电梯的控制技术经历了由继电器控制系统向PLC控制系统转变的过程。PLC电梯控制系统和其他类型的电梯控制系统一样，主要由信号控制系统和拖动控制系统两大部分组成。如图1所示为电梯PLC控制系统的总体结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操作盘、厅外呼梯盘、楼层指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为PLC主机，操作盘、呼梯盘、井道及安全保护等信号通过PLC输入接口送入PLC中去，然后通过软件程序控制向拖动系统发出信号，以满足电梯实现起动加速、制动减速和上下方向运行等功能。

系统采用轿厢外召唤，轿厢内按钮控制方式的自动控制形式，电梯由安装在轿厢内的指令按钮进行操作，其操作内容为响应，轿厢内指令依层次指令运行起动电梯，使电梯到达目标层。电梯上行、下行由一台交流电动机来驱动，电动机正转，电梯上升；电动机反转，电梯下降；并可以实现电梯的启动加速、稳定运行、制动减速等调速环节。电梯轿厢门由另一台它励直流电动机驱动，该电动机正转，轿厢门开，电动机反转，轿厢门关，每层电梯都设有呼叫按钮，轿厢内开门按钮，轿厢内关门按钮。电梯的厅门外每层都有楼层位置的数码管显示装置及电梯运行方向指示灯等装置。

图1 电梯PLC控制系统的总体结构图

2 电梯控制系统的软件设计

2.1 软件设计思想及主程序流程图

在电梯控制系统中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，系统中的软件能根据电梯的运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑信号的控制。

电梯控制系统软件大致可分为：电梯开关门及保护和故障显示模块、楼层信号的产生消除和数码管显示模块、外呼信号的产生消除和显示模块、轿厢内选信号的产生及消除与显示模块、电梯的确定上下行方向模块、电梯停层信号的产生和消除模块、电梯停车制动模块、电梯自动运行时启动加速和稳定运行模块等几大模块。楼层信号的产生与消除模块主要是由PLC的比较指令和加减指令读入楼层信息并将该记忆信号存入对应的中间继电器，直到楼层改变为止并用七段数码管显示楼层的位置。电梯的确定上下行方向模块主要是完成电梯在响应呼叫时做出的向上运行还是向下运行的判断。电梯停层信号和制动模块是要求电梯在运行到目标楼层检测点时即进入减速制动状态，而电梯在运行过程中会遇到很多的楼层检测点，只有到目标楼层的检测点时才会发出减速信号，电梯在经过目标楼层检测点时接到这个信号就开始制动减速了。电梯轿厢开关门电路模块和按钮记忆指示灯显示电路模块是为了控制轿厢的开关门和按钮接通之后需要指示的发光二极管电路。将这些模块逐一进行梯形图编程，并按顺序连接在一起就构成总程序。

根据软件设计的模块化编程思想，可以画出电梯控制系统的主流程图如图2所示。

图2 电梯控制系统的主流程图

2.2 三菱PLC的I/O设计及机型的选择

根据系统需要控制的开关量信号，设备大约有36个输入节点，36个输出节点需进行控制，所以选用常用的整体式三菱FX-ZN系列PLC作为主控制器。故设计中选择PLC的型号为FX-ZN-80MR，其输入输出节点各为40个。

2.3 电梯部分环节梯形图软件设计

2.3.1 楼层位置的数码管显示环节

楼层的具体位置可由七段数码管显示，并且PLC的输出端直接可与七段数码管连接，无需外部硬件译码器，由PLC的软件程序直接驱动七段数码管用来显示楼层位置。在七段显示电路中，PLC的输出端子Y34}-Y37信号就可以控制数码管相对应区段的亮或灭，以组成相应的字形，来表示当前电梯所处的楼层位置。其程序如图3所示。

图3 电梯楼层位置的显示梯形图

2.3.2 电梯关门环节

电梯的关门环节主要由以下五部分组成，将五种情况的梯形图程序进行并联，就得到关门环节总的梯形图，其总程序梯形图如图4所示。

(1)电梯停用时的关门。

(2)电梯在停站时的提前关门。

(3)电梯的自动关门。

(4)电梯门被夹或电梯超重时禁止关门。

(5)电梯在检修状态下的关门。

图4 电梯关门环节梯形图

2.3.3 轿厢内选层的产生、消除与显示环节

电梯在运行过程中司机或乘客可通过对轿厢内一层至六层内选层按钮(X14～X21)的操作，选择自己欲去的楼层。如果电梯内选层按钮被按下后，相对应的内选楼层按钮下的指示灯会点亮(Y14～Y21)。当电梯运行至所选择的楼层位置后，电梯的轿厢内选楼层信号应当被消除，相对应的指示灯也应熄灭。下图给出电梯的一层至四层的轿厢内选信号的产生与消除环节，其程序梯形图如图5所示。

图5 电梯一层至四层轿厢内选信号梯形图

3 电梯运行的模拟调试及仿真

3.1 GX-Simulator 6.0软件简介

三菱全系列PLC仿真调试软件GX simulator 6.0：首先，仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的。所以，在安装仿真软件GX Simulator 6.0之前，必须先安装编程软件GX Developer 7.0，并且版本要互相兼容。其次，安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有出现仿真软件的图标。因为仿真软件被集成到编程软件GX Developer 7.0中了，其实这个PLC仿真软件相当于编程软件的一个插件。

程序编程结束后需进行程序的调试仿真。即可进行梯形图的调试仿真。如图6所示为PLC梯形图仿真控制窗口，可控制仿真程序的停止与运行等。

选中PLC梯形图仿真控制窗口工具栏的菜单启动(s)中下拉菜单的继电器内存监视，则出现了DEVICE MEMORY MONITOR浮动窗口，在此窗口中的软元件中点击X和Y，就会出现仿真浮动窗口，如图7所示。图7中的输入信号X按电梯的运行规律人为设置，在输出信号Y中就会有相应的输出。下图中X为深色阴影时，表示输入动作，即对应PLC中的输入指示灯亮；Y为深色阴影时，表示此时电梯有输出信号，即PLC中的输出指示灯亮。并且还可以对照PLC控制的I/0分配表验证。

图7 仿真结果显示窗口

3.2 电梯运行时单指今的仿真

单指令运行调试这是一种最简单的调试方法，检查所设计的程序在完成其最简单的控制功能时是否会发生错误。若各种调试无错误，则再采用相对较复杂的方法进行调试。下面以上行和下行两种情况为例来进行电梯运行时的单指令仿真。

(1) 当电梯安全运行继电器X42接通，并且锁梯开关X43、自动运行继电器X37都将动作时，电梯安全运行指示灯Y41、风扇Y42、照明灯Y43都亮。在此情况下，利用下置数开关X35动作，使电梯楼层显示一层，即Y34亮。三层内选按钮X16和五层上行按钮X31相继动作，使电梯的输出三层内选记忆指示灯Y16及五层上呼指示灯Y31亮。并且经过当前电梯所在楼层位置与目标层比较得到电梯上行指示灯Y4亮。由于电梯的门锁继电器 X36没闭合，所以电梯无法运行。其仿真结果如图8所示。

图8 电梯位于一层、三层内选、五层上行仿真结果

(2)当电梯安全运行继电器X42接通，并且锁梯开关X43、自动运行继电器X37都将动作时，电梯安全运行指示灯Y41、风扇Y42、照明灯Y43都亮。在此情况下，利用上置数开关X34动作，使电梯楼层显示六层，即Y35和Y36同时亮。进而二层内选按钮X15和四层内选按钮X17动作;紧接着三层下行按钮X26、四层上行按钮X27相继动作。使电梯的输出二层、四层内选记忆指示灯Y15, Y17亮;并且三层下呼、四层上呼指示灯Y26, Y27亮。经过当前电梯所在楼层位置与目标层比较得到电梯下行指示灯Y5亮。由于电梯的门锁继电器X36没闭合，所以电梯无法运行。其仿真结果如图9所示。

3.3 电梯运行时复杂指令的仿真

单指令运行调试之后，再下来就是较复杂指令的调试，以确保程序在多条指令运行时的正确性。电梯的复杂指令运行调试是在无规律呼叫电梯时看电梯的运行状态是否符合正常逻辑。这种调试最容易发现一些潜在的开始不易发现的问题。

图9 电梯位于六层、二层内选、四层内选、三层下行、四层上行的仿真结果

例如，电梯轿厢原来停在一层，此时三层内选按钮、五层下行按钮相继动作。此时电梯将向上运行，运行到三层位置时经过制动减速、平层开门、关门等程序后电梯将继续向五层运行，运行到五层后经过制动减速、平层开门、关门等程序后，二层内选按钮再动作，电梯又要向下运行，经过四层、三层、二层、最终到达二层关门后电梯处于待命状态。

通过对电梯控制系统的反复模拟调试和仿真结果的软元件(X和Y)状态分析，其仿真结果表明所设计的梯形图程序正确，符合电梯实际的运行规律，实现了交流双速电梯的基本功能。

4 结束语

文中仅设计了六层电梯的控制系统，通过软件的调试和电梯的仿真运行基本实现了电梯的功能。但还存在一些不足之处，例如：设计时未考虑楼层之间电梯运行的自学习功能，电梯的调速系统没有采用变压变频调速技术(VVVF)，由于实际条件的限制，本设计只进行了软件的调试和电梯的仿真运行，没有进行外围硬件的连接和安装调试。总之，电梯行业是一个不断发展的事业，电梯控制系统将随着科技的发展而日趋完善，电梯的性能也将进一步提高。未来的电梯控制系统将具有智能化、小型化、安全化、信息化等特点，更加符合人体运动的生理特性，将为人们的生活与工作提供安全可靠、高效舒适的人性化服务。

[1] 周亚军，张 卫.电气控制与PLC原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2008:77-78.

[2] 陈建明.电气控制与PLC应用[M].北京:电子工业出版社，2006: 79-80.

[3] 于棒兰.PLC构成电梯控制系统特性分析[J].洪都科技.2006(1) : 35-39.

[4] 胡学林.可编程控制器原理及应用[M].北京:电子工业出版社，2007:11-12.

[5] 程子华，刘小明.PLC原理与编程实例分析[M].北京:国防工业出版社，2010:15-17.

[6] 李志刚，孙丽萍，刘嘉新.热网监控系统的设计与实现[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[7] 史国生.电气控制与可编程控制器技术(2版)[M].北京:化学工业出版社，2005:105-109.