基于PLC的电梯控制系统设计分析

2016年第11期125基于PLC的电梯控制系统设计分析黄丽晶（福建水利电力职业技术学院，福建永安366000）摘要为了让乘客可以用到更舒适、更安全、更环保的电梯，对电梯的研究还是很有必要的。PLC控制克服了继电器控制电梯的很多缺点，有着编程容易、灵活性好、扩展性能好、抗干扰能力强等优点，被应用于电梯控制系统的设置。本文研究的是七层电梯的PLC控制系统，主要是利用PLC的逻辑开关控制功能，通过PLC来控制电梯的开关门、楼层显示、轿内与厅外的召唤登记与消除、定向、超载报警、起动加速和制动停车等模块。这些都要通过分析电梯的性能要求，来确定输入输出口，进而选出合适的PLC型号，再分配I/O口，并且就前面所述的模块功能以获得相应的梯形图，最后再进行程序的调试和仿真，实现了应用PLC控制电梯系统的目的。关键词：PLC；电梯；控制系统；硬件设计；软件设计；调试AnalysisofElevatorControlSystemDesignbasedonPLCHuangLijing(FujianCollegeofWaterConservancyandElectricPower,Yongan,Fujian366000)AbstractInordertoletthepassengerscanusemorecomfortable,safer,moreenvironmentallyfriendlyelevator,thestudyoftheelevatorisverynecessary.PLCcontrolovercomesmanydisadvantagesofrelaycontrol,ithaseasyprogramming,goodflexibility,goodextensionperformance,stronganti-interferenceability,etc.Thispaperstudiesthesevenlayersofelevator'sPLCcontrolsystem,themainideaistheuseofPLClogicalswitchcontrolfunction,throughthePLCtocontroltheelevatordoorsandfloordisplay,carinsideandoutsidethehallcallregistrationwithelimination,directional,overloadalarmandstartaccelerationandbrakingparkingmodule.Theseallneedtothroughtheanalysisoftheperformancerequirementsoftheelevatortodeterminetheinputandoutput,thenchoosetheappropriatemodelsofPLC，anddistributetheI/Oport,astheearlierdescribeaboutmodulefunctioncandrawthecorrespondingladderdiagram.Finally,debuggingandsimulationoftheproceduresinvolved.achievedthepurposeofcontrollinganelevatorsystembasedonPLC.Keywords：PLC;elevator;controlsystem;hardwaredesign;softwaredesign;debugging随着经济的发展，人们生活水平的提高，加之为了提高土地资源的利用率，现在的建筑物都在往高层发展，显然自从出现电梯之后，高楼大厦就开始呈现出离不开电梯的现象了[1]。目前，电梯已广泛应用于人们的生活中，它带给人们极大的方便，发挥着至关重要的作用，如汽车等交通工具一般不可或缺，而电梯的承载量、起停的舒适感和控制方式等也在不断地改进，因此对电梯的研究已经显得很有必要了。在我国发展初期，大部分电梯的电气部分采用继电器控制，不仅接线复杂，容易发生故障，维修困难，而且它的控制电路需使用大量的控制电器，这都要人工布线、焊接与组装等，若工艺要求改变的话，控制电路也应该改变，这样耗时又费力[2]。在继电器控制系统中，毕竟器件的老化、脱焊、触点电弧等现象不可避免，这就降低了系统的可靠性，加上系统扩展性差，技术难以提升，而且电磁机构的触点动作速度比较慢，其机械与电磁惯性大，使得控制精度会降低，同时系统结构庞大，能耗较大，其机械动作时噪声也大，这样就不太符合我国的环保要求了。鉴于以上不足，本文选取PLC作为控制系统，ChaoXing2016年第11期126其克服了继电器控制系统的很多明显的缺点，比如PLC采用大规模集成电路，大部分是软继电器，其可靠性明显高很多，而且扩展灵活，通用性强，且微处理器控制，实时性好[3]。因此随着微电子和计算机技术的发展，PLC在工业控制领域上的应用也越来越广泛，所以研究PLC应用于电梯有着重大的意义。1电梯的主要参数和PLC的特点电梯的主要参数有轿厢尺寸、额定载重量、轿厢形式、开门宽度、曳引方式、额定速度、停层站数、井道高度等。电梯是机电一体化的产品，它的机械部分就像人的躯体，电气部分类似于人的神经，而控制部分则相当于人的大脑，各部分通过彼此密切相关的连接而必不可少，才能保证电梯的可靠运行。电梯从空间上可划分为机房部分、轿厢部分、井道部分和层站部分，熟称四大空间。而电梯的八大系统则是曳引系统、电力拖动系统、导向系统、重量平衡系统、门系统、轿厢系统、电气控制系统和安全保护系统。其电梯的总体结构图如图1所示[1]。图1电梯总体结构图可编程控制器的优越性主要蕴含有以下方面[4]：1）灵活性和通用性强：继电器控制系统的控制电路需要使用大量的控制电器，而且需要人工布线和焊接等来完成电路的连接，若工艺要求改变一点，控制电路就必须跟着改变，这样耗时又费力。在PLC控制系统中，若控制功能要求改变，则只需要修改它的程序，其外部接线的改动极少，甚至可以不必改动。2）编程语言简单易学：PLC采用梯形图逻辑编程，它的语言直观易懂，不要求使用者要精通计算机方面的复杂的软硬件知识，只要有了通常的继电器梯形图，就可方便地写出PLC程序。3）抗干扰能力强，可靠性高：继电器控制系统中，因为器件的老化、触点电弧及脱焊等现象是不可避免的，从而大大降低了系统的可靠性。在PLC控制系统中，主要模件都采用大规模和超大规模集成电路，而且都是由无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，加之PLC在硬件和软件方面用了较好的防护措施，从而使其可靠性更高，抗干扰能力也更强。4）PLC与外部设备的连接简单而且使用方便。5）PLC具有完善的功能与较强的扩展能力，而且体积小、重量轻并且易于机电一体化。对于整体式PLC，其所有部件都装在同一个机壳内，组成框图如图2所示[4-6]。2基于PLC的电梯设计2.1硬件设计1）主电路设计交流双速电梯的主电路图如图3所示，电源由开关SQ0引入，经上升接触器KM1和下降接触器KM2来控制双速笼型异步电动机的正反转，从而用以实现电梯的上下行控制。正常工作即电梯上升或下降时由高速运行接触器KM3接通快速绕组，定子图2整体式PLC组成框图ChaoXing2016年第11期127图3交流双速电梯的主电路串联阻抗起动，再经过延时，就由起动加速接触器KM5来短接起动阻抗，从而达到额定速度进入稳速运行的阶段。采用降压起动可以减小起动电流对电网的冲击，减少电动机的起动加速度，从而增加了电梯起动的舒适感。当电梯收到停车的命令后，KM3应该断电释放，由低速运行接触器KM4接通慢速绕组，经过延时分别由减速制动接触器KM6、KM7和KM8短接阻抗，从而起到电梯停车前制动减速的作用，这样不仅增加了停车制动时的舒适感，而且使停车更为准确。电梯到平层位置时，所有接触器都断开，抱闸抱死，使电梯停止运行。2）门机、抱闸、门锁和安全运行电路的设计其电路图如图4所示，门机电路中，M2为他励直流电动机，由开门接触器KM9和关门接触器KM10来控制M2的正反转，KM9闭合时，电阻R1与M2的电枢并联，电流从电动机电枢的左端流向右端，从而使电动机正转实现开门，由开门调速开关SQ8将R1短接，得以实现开门调速（减速）；KM10闭合时，电阻R2与M2的电枢并联，电流从电动机电枢的右端流向左端，从而使电动机反转实现关门，并由关门调速开关SQ9、SQ10和R2一起来实现关门调速。图4门机、抱闸、门锁和安全运行电路的设计在电梯上、下行的运行中时，KM1或KM2将会闭合一个，从而使制动线圈YB得电，抱闸松开，电动机能够正常运转。当电梯要停止时，KM1和KM2断开，YB将失电，抱闸将电动机闸住而实现停车。SQ11—SQ17表示1—7楼厅门锁开关，SQ18表示轿门关闭到位开关，只有将所有的厅和轿门开关串联在一起，从而控制电梯门锁继电器KA1，实现只有当全部门正常关闭后电梯才能实现上升和下降的控制。安全运行电路是将安全窗开关SQ1、安全钳开关SQ2、限速器开关SQ3和轿内急停开关SQ4以及热继电器触点FR1和FR2串联在一起构成，是电梯中最重要的电路。最后用KA2的触点来控制电源的接入与否，这样可以保证在多种紧急情况下能够立即停车，从而确保了电梯的安全运行。如图5中M2用的是他励直流电动机，直流电动机的调速性能好，起动力矩大，比较容易实现电梯的开关门，就像关门要由快到慢，直流比较容易调节它的速度，而且直流的制动回路比较简单。图5他励直流电动机3）电梯的电气控制原理分析电梯的电气控制原理如图6所示，它由曳引电ChaoXing2016年第11期128动机、门电机、PLC和其他电气元件构成，本控制系统主要是采用欧姆龙CP1H系列的PLC来实现电梯的运行控制，PLC接收来自现场的厅外与轿内的呼叫、楼层、位置和安全等信号，再实现对楼层的显示、电梯的开关门、呼梯显示和电梯的升降等功能。图6电梯的控制系统原理图本小节的硬件设计是保证电梯能够正常运行的重要条件，通过电动机的正反转来控制电梯的上升与下降，还有电梯的开关门也要由电动机的正反转来控制，而且为了满足电梯起动和停车的舒适感，还采用了降压起动和分级制动减速的方法，同时为了使电梯能够安全运行，还设计了门锁和安全运行电路。2.2软件设计通过清点需要接入PLC的信号，可以计算出控制系统所需的输入点数为40个，输出点数为38个，所以选择欧姆龙CP1H系列40点I/O型主机和3台20点的I/O扩展单元，其I/O扩展配置和I/O点编号如图7所示[5]。七层电梯的PLC控制输入输出端口如图8所示。图7CP1H系列PLC的I/O扩展配置和I/O点编号电梯主程序设计主要包括了：开关门控制；楼层信号的显示；轿内与厅外召唤的登记与消除；电梯的定向；停车信号的产生；制动减速信号的产生；电梯起动加速、稳速运行与停车制动环节；超载报警等环节。电梯控制的流程图如图9所示。1）开关门控制电梯开门主要存在着以下几种情况：检修开门；重新开门；停层开门；基站开门；呼梯开门。因而设计得到关门控制的梯形图如图10所示，其相应的程序见表1（按列看，下文同）。图8七层电梯的PLC控制输入输出端口对于关门主要存在以下几种情况：检修关门；自动关门；提前关门。因而关门控制的梯形图如图11所示，其程序见表2。2）楼层信号显示当电梯到达某层时，应该显示出此层是几楼，才能让乘客更清楚电梯的位置。若要楼层正确的显示，首先应由楼层感应器来判断电梯在哪个范围属于哪层，然后利用内部辅助继电器使相应的七段码亮。例如观察比如电梯在一楼，在一楼辅助继电器20003得电，则七段码A段和B段会亮，显示出1的字样，当电梯不在一楼而上升到二楼时，则20003将失电，七段码A段和B段会暗，相应的在二楼辅助继电器20004会得电，进而使七段码的A、B、D、E和G段会亮，显示出2的字样。因篇幅限制，本文只列举一楼至三楼的程序见表3。ChaoXing2016年第11期130图11关门控