办公楼五层电梯PLC控制系统设计

田军南 朱新奖 黄重谦

办公楼五层电梯PLC控制系统设计

田军南 朱新奖 黄重谦

（广西科技师范学院，广西 来宾 546100）

文章以SIEMENS S7-200PLC为控制中心，应用梯形图作为编程语言，设计了办公楼五层电梯控制系统。文章首先介绍了电梯控制系统设计要求，其次从硬件、软件两个方面对所设计的电梯控制系统进行分析，最后通过联机通信调试对电梯控制系统运行效果进行验证。结果表明，所设计的电梯控制系统可以实现先到先执行、顺向截车，以及最远站换向运行等功能，符合电梯运行基本要求。

电梯；控制系统；梯形图

引言

电梯是在垂直方向上进行运输的特殊设备[1]。随着经济与科学技术的不断发展，传统以继电器控制为核心的电梯控制系统由于在安全性、工作方式等方面存在缺陷，已经满足不了人们对于电梯控制系统的基本要求。与电梯继电器控制系统相比较，基于可编程逻辑控制器（PLC）的电梯控制系统采用积木式结构，用户可以灵活地对程序进行更改和增加扩展来改变系统功能和规模，方便对电梯控制系统进行安装和检修[2]。PLC控制系统在电梯发展的过程中表现非常优越，不管是在安全性还是在舒适平稳方面都可以体现出来，PLC有着较高的可靠性和较强的抗干扰性，配套完善，适用于各种场合的电梯建设，与继电器逻辑控制器相比具有独特优势[3]。

本文以SIEMENS S7-200PLC为控制中心，应用梯形图作为编程语言，设计了办公楼五层电梯控制系统。该系统使电梯运行方式直观可控，能够安全可靠地完成电梯信号登记，应用首个信号定向运行，实现同向截车和最远站换向运行功能[4]。最终经过验证，所设计的系统能够满足电梯运行控制基本要求，可以为实际工程中办公楼电梯的控制系统设计提供一定的参考。

1 电梯控制系统设计要求

1.1 电梯的结构

根据电梯系统中各部件的功能，可以将电梯划分为7个相对独立的系统，分别是曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、电气系统、供电系统和控制系统。由曳引机与曳引绳组成驱动轿厢运行的系统称为曳引系统。保证轿厢平稳运行的系统称为导向系统。轿厢则是承载乘客与货物的组件，是电梯的工作部分。门系统是驱使轿厢门开关的系统，在电梯运行时必须关闭轿厢门，保护乘客的安全。各类开关元器件和显示装置组成电气系统，对电梯实行操纵和控制。供电系统和控制系统分别起到为电梯运行提供能量和控制整个电梯运行的作用[5-6]。

1.2 控制系统的设计要求

1.2.1 控制系统硬件功能要求

电梯控制系统的硬件包含有供电装置、PLC控制器、电机、开关电器和指示灯。供电装置要确保电梯和各电器在额定状态下运行。电机应当作为驱动设备为轿厢与电梯门运行设备提供足够的功率。按钮开关要具有自复位功能，结合控制器实现信号的登记与解除，通过信号登记与解除来控制相应指示灯的亮和灭。应用PLC控制器分析开关电器的输入信号，结合控制程序输出相应的电机启动信号和指示灯信号，完成电梯控制系统功能。

1.2.2 电梯运行方案设计要求

电梯运行是由PLC接收内呼叫指令和外呼叫指令进行分析处理，电梯的运行要遵从先到先执行原则、顺向优先执行原则和最远站换向原则，也就是电梯在同一时间段接收不同的信号，会以第一个信号来判断运行方向，对该方向上的呼叫信号逐一完成，再转入下一个运行方向执行任务[7]，且能自动登记电梯的内外呼叫指令启动运行，到达目标层停层，自动或手动开关门。电梯执行完上下任务后若内外无呼叫指令，轿厢应该停靠在当前位置，等待信号呼叫，再作应答[8]。根据电梯控制要求，整体运行流程如图1所示。

图1 电梯控制系统整体运行流程

2 电梯整体硬件部分设计

2.1 电气设备选择分析

本设计从可靠性和经济性上考虑，采用SIEMENS S7-200 CPU222的PLC，其属于小型机，只有6个输出和8个输入，结合整个系统所需的I/O点数，CPU222 I/O口是不能满足系统需求的，此时可以用I/O扩展单元扩充I/O点数[9]。本设计添加223-1PL22-0XA0和223-1PH22-0XA0两个扩展模块。由此组合成PLC控制器，采用AC 220 V转DC 12 V开关电源供电。

从轿厢重量和升降速度考虑，曳引机选用型号为68 KTYZ、功率为28 W、转速为40 r/min的永磁同步电机，开关门电机则选用型号为50 KTYZ、功率为6 W、转速为50 r/min的同步电机。整个电梯模型的楼层行程开关和开关门限位开关都是采用欧姆龙型限位自复位微型微动开关。按钮开关则是采用自复位带灯按钮，用作电梯内外呼叫按钮。按钮灯需要配置1 kΩ限流电阻防止烧坏。楼层位置显示数码管选用共阴极数码管，配置1 kΩ的电阻作为数码管的限流电阻，电梯上下行显示采用箭头型数码管配置820 Ω的限流电阻。

2.2 硬件连接案设计

2.2.1 PLC外部设备连接

输入接口和输出接口是PLC和设备连接的部分。通过接收PLC外部的输入信号和发出控制指令，完成自动控制。输入接口和输出接口要具有良好的抗干扰能力，输出的电压要满足设备的需求。电梯系统中PLC的外部设备部分连接原理如图2所示。

图2 PLC的外部设备部分连接原理

2.2.2 整体模型设计

根据电子电路设计原则设计控制面板电路，将所有控制模块设计为一个整体，整体又以功能区分为电源区、主控区、厢内控制区、楼层控制区、井道轿厢连接区五个区域。各个区域在控制面板的位置应考虑整体美观、连接方式和材料损耗等方面，以符合高性价比的设计原则。

井道是轿厢的活动空间，在整个电梯系统中井道内除轿厢外应设计有曳引系统、轿厢导向系统和轿厢所在楼层位置确定系统。曳引系统是电梯运行的根本，是电梯的核心部分之一。曳引机设置于井道的顶部并垂直向下固定，驱动导向轮的正反转以收放曳引绳驱动电梯运行。轿厢导向系统采用顺序控制系统（SCS）箱式光轴滑块轨道，导向系统是保证轿厢运行平稳的装置，在安装过程中要保证轨道与轿厢保持垂直，并将轨道组装在井道两侧，滑块安装在轿厢外部，结合轨道垂直运行。在轿厢外设置一个碰撞球与行程开关接触以确定楼层位置，形成楼层位置确定系统。井道与轿厢设计如图3所示。

图3 井道与轿厢设计

轿厢内主要是门系统的设计，轿门设置在轿厢入口处，由轿厢顶部的开关门机来驱动。配合限位开关来控制门的开启和关闭，组成自动开关的门系统[10]。当开关门电机工作时，通过限位挡片拖动轿厢门运动，到达一定位置时触发限位开关，形成开关门到位状态。这就是门系统的运作方式。

3 PLC控制系统软件部分设计

3.1 S7-200 PLC编程软件简单介绍

STEP7-Micro/WIN软件是S7-200 PLC唯一编程软件，在编程过程中除文件的建立与保存外，其他常用的部分有指令树、编译与上传下载、实时监控和程序编辑器。PLC程序设计的基本顺序为：新建文件—选择CPU型号—编辑程序—保存—编译与上传—调试实时监控—完成编辑。

3.2 PLC程序中I/O点定义

I/O点数代表着输入输出的信号个数，一般的电梯系统会有内外呼叫信号输入和行程开关输入，驱动电机的信号输出和相关的显示输出。根据电梯的基本信息可以分析控制系统的输入与输出点数。具体输入输出功能说明见电梯程序符号地址分配情况表（表1）。

表1 电梯程序符号地址分配情况

3.3 PLC程序设计

在程序设计时，为避免出现程序复杂交错、难以编写等问题，程序应使用模块化设计。由此建立主程序与子程序的模块程序，应用梯形图编程更好地解读相应的问题。在五层电梯控制系统PLC程序设计中，有主程序与上电复位设计、上下行判断程序设计、电梯位置与显示程序设计、内外呼叫程序设计、停层程序设计、开关门程序设计。

主程序采用初始脉冲SM0.1作为系统复位。上电复位程序的设计主要是预防在测试过程中出现故障断电后，当系统通电时发生的未知运动而造成的危险事故。上电复位程序如图4所示。

图4 上电复位程序

当电梯有呼叫信号产生时，首先应当判断电梯的运行方向是上行还是下行，对呼叫信号楼层与轿厢所在楼层进行比较，通过楼层位置辅助继电器对输入信号的屏蔽来实现判断，图5为当电梯位置处于三楼时的上行判断程序，若一楼、二楼和三楼呼叫，电梯所在层数大于或等于呼叫层数，电梯所在三层辅助继电器M3.3处于得电状态，应用其常闭触点来屏蔽一至三层的呼叫信号，使上行辅助继电器M10.0不能得电，上行呼叫失败。在四楼和五楼呼叫时，电梯所在层数小于呼叫层数时，三层辅助继电器得电并不影响上行辅助继电器得电，所以电梯判断为上行。下行判断程序与上行判断程序设计刚好相反。要注意的是，当电梯门未关好时电梯不能运行，电梯有其他信号要求停层时，常闭触点断开，电梯也不能运行。

图5 上行判断程序

楼层显示是由位置碰撞球是否与行程开关碰撞来确定的，由辅助继电器M3.2控制楼层显示数码管，以二层为例，若要改变数码管显示值，首先要改变继电器M3.2，一层或三层的行程开关必须动作，也就是轿厢运行到一层或三层时数码管显示值才会出现变化。二层楼层位置程序如图6所示。

图6 二层楼层位置程序

五层电梯应设有5个内呼叫按钮对应着每个楼层和4个上呼叫按钮和4个下呼叫按钮，并且每个按钮有对应的指示灯，当按下目标层内呼叫按钮后，对应的指示灯长亮，该信号被登记，如图7所示，下行辅助继电器M10.1的作用在于当电梯在下行过程中恰好处于该层时保证上呼信号的登记。当电梯运行到目标层，该层行程开关动作响应该信号后，指示灯才随之熄灭，对应的信号解除。

图7 二层外部上呼叫按钮与指示灯程序

电梯停层需要先将目标层信号进行登记，当电梯到达目标层与该层的行程开关接触时，触发行程开关后，电梯停层。由于一层和五层为边界层，电梯运行至这两层时必须停层。其余三层的停层信号登记和解除方式相同。以第三层为例（见图8），若三层外上呼叫信号产生，M0.2接通，此时电梯若为上行，上行辅助继电器常开触点M10.0通电闭合，停层信号M22.1被登记。若电梯为下行，三层以下无信号产生，停层信号M22.1直接被登记，三层以下有信号产生则根据电梯运行不换向原则运行至信号产生楼层，完成后登记停层信号M22.1。电梯如果在运行期间只是经过三层，停层信号会被T40保持，从而使信号不会被解除。

图8 三层停层信息登记与解除程序

当电梯到达目标层时，该层位置行程开关动作辅助继电器得电，电梯停层。同时利用电梯停层后启动时间继电器T40，延时2 s后复位消除该停层信息。

开关门程序可以进行手动或自动开关门。在主程序设计时应注意电梯在运行过程中电梯门是不能打开的。当电梯在某层停稳后，可以按下电梯内部开关门按钮，手动控制电梯门的开启与关闭。电梯到达目标层停层之后，自动开门辅助继电器得电接通，实现自动开关门。当电梯停靠在每一层时，当层的外呼按钮主动呼叫，电梯开门。在电梯开门到位后，通过时间继电器延时4 s后自动关门。

完成电梯模型的建设和程序编辑后，对系统进行联机调试。S7-200 PLC编程软件是通过PPI（通讯协议）与CPU（中央处理器）通信，采用黄色二代电缆驱动，在通信之前需要安装电缆驱动软件。一一解决调试过程中遇到的问题，最终完成电梯的PLC控制系统设计。

4 结束语

本设计以SIEMENS S7-200PLC为控制器，应用梯形图作为编程语言，从电梯整体硬件设计与电梯控制要求对PLC控制系统软件程序进行分析，并通过联机通信调试设计了一部五层电梯的控制系统。最终经过验证表明，所设计的控制系统可使电梯运行方式直观可控，可以安全可靠地完成电梯信号登记，并能通过首个信号定向运行，实现同向截车和最远站换向运行的功能，能够满足电梯运行基本要求。本系统可以为实际工程中办公楼电梯的控制系统设计提供一定的参考。

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Design of PLC Control System for Elevators on the Fifth Floor of an Office Building

The article uses SIEMENS S7-200 PLC as the control center and trapezoidal diagram as the programming language to design an elevator control system for the fifth floor of an office building. The article first introduces the design requirements of the elevator control system, then analyzes the designed elevator control system from both hardware and software aspects. Finally, the operation effect of the elevator control system is verified through Online communication debugging. The results show that the designed elevator control system can achieve functions such as first come, first execution, forward cutting, and reversing operation at the farthest station, which meets the basic requirements of elevator operation.

elevators; control system; ladder diagram

TU85; TP273

A

1008-1151(2023)11-0008-05

2023-02-27

2021年度广西高等教育本科教学改革工程重点项目“基于OBE理念的电气控制与PLC课程项目式教学改革探索与实践”（2021JGZ169）；2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“电动车线控转向路感控制系统及其稳定性研究”（2021KY0851）。

田军南（1992－），男，广西科技师范学院讲师，研究方向为智能控制技术、高等教育与教学。

黄重谦（1973－），男，广西科技师范学院副教授，研究方向为工业自动化控制系统、可再生资源利用。