基于PLC的电梯控制系统的设计与研究

1 引言
电梯作为现代建筑的重要设施，不仅方便了人们的日常生活，还提高了人们的工作效率。电梯控制系统是电梯系统的关键，是保证了电梯运行平稳性和可靠性，是决定了电梯技术水平的差距。电梯控制技术随着计算机技术、现代电子技术以及控制理论的不停发展也在迅速发展，新的技术不断出现和成功应用，推动了电梯技术的不断发展。
基板控制器和PLC控制器是目前电梯控制系统中通常采用的控制方式。基板控制器的信号控制单元是微机，将单片机作为控制系统的核心，执行逻辑控制、运算、通信等功能，电梯控制系统由这些模块构成。PLC控制器则将微机用可编程逻辑控制器代替，以此来实现对输入输出信号的控制，其控制系统的核心是微处理器，从而使用PLC控制器也可以用来实现逻辑控制、运算、通信等功能，并且比基板控制器更加高效和稳定，处理的内容也更多。本文采用高性能的西门子PLC的S7-300系列及其配套的数字接口模块、电源模块、扩展模块等来完成
电梯控制系统的设计。
2 电梯控制系统的功能
采用基板控制器或PLC控制，电梯控制系统的功能基本上是一致的：
（1）电梯轿厢的升降由电动机来控制，并在各个楼层设置开关。
（2）当所有轿厢指令执行完毕后电梯控制系统没有收到任何层的外部呼叫电梯信号时，轿厢应该能自动关闭电梯门，并按照程序中已经设定好的时间（一般为3秒）自动关闭电梯轿厢内的照明设备与通风设备。
（3）在某层的外部呼梯按钮被按下后，当电梯在该停靠等待时时，电梯应能立即自动开门。
（4）如果有多个选择楼层的指令同时输入电梯内，那么电梯应在运行时根据输入指令的顺序自动停靠打开电梯门。
（5）在电梯运行过程中应能记住各个楼层外的呼叫电梯指令，并自动逐一停靠应答符合运行方向的呼叫电梯指令。
（6）在电梯门关闭后如果电梯未启动，此时如果想打开电梯门，则按下电梯按键盘上的开关，电梯门将打开。
3 电梯控制系统的设计
本文所设计的电梯控制系统包括硬件和软件两部分。
3.1 控制分析
根据控制要求，电梯运动流程如图1-1。
（1）假设电梯在任意一层停靠。
（2）当某个楼层有呼梯信号输入电梯控制系统时，呼梯信号被电梯响应，到达该楼层后，打开电梯门，电梯门打开3秒之后自动关闭电梯门。
（3）当有呼梯信号从电梯轿厢内输入电梯控制系统时，该呼梯信号被电梯响应，当电梯在该楼层停靠时，自动打开电梯门，开门3秒后自动关闭电梯门。
（4）电梯在升（降）过程中，对任何反向的外部呼梯信号都不响应，但是当反向的外部呼梯信号输入前均无其他内、外部的呼梯信号时，电梯对该外部呼梯信号产生响应。
（5）当电梯停靠在一楼时，如果向下外部呼梯信号在其余楼层都有产生，电梯最先响应顶层楼层呼梯信号。
（6）电梯在运行时，如果有同方向的外部呼梯信号，则响应同方向的外部呼梯信号。
（7）电梯在运行或者未停靠时，电梯不响应开、关门按钮的输入信号，当电梯停止运行或者已经停靠时，开、关门按钮才起作用。

图1 电梯运动流程图
3.2 电梯控制系统的硬件设计
电梯控制系统的硬件电路开发包括3部分：输入接口电路、输出接口电路和PLC系统，本文以五个楼层的电梯控制系统为例进行设计。
（1）输入接口电路设计。本文共设计24个输入端口。
①外部呼梯按钮输入端口设计。一层和顶层只设置上或下外部呼梯输入端口，其余层设置两个外部呼梯输入端口，共需要2N-2个输入端口，所以需要设计8个输入端口。
②电梯轿厢内输入端口设计。电梯轿厢内的输入信号包括两部分：楼层选择信号和开关门信号。楼层选择信号输入端口等于楼层数，即共5个输入端口。电梯轿厢内应设有开、关门按钮，需要2个输入端口。所以，电梯轿厢内共设计N+2即7个输入端口。
③电梯轿厢位置信号输入端口设计。电梯轿厢停靠楼层门洞地点安装有4个传感器产生，电梯不停靠在该层为开，当电梯停靠时为关。另外，还有一组开关门限位传感器。所以，总共需要6个输入端口。
④电梯井位置输入端口设计。在电梯井的上部和底部分别设置防止电梯轿厢过冲的位置开关传感器产生，所以，总共需要4个输入端口。
⑤电梯超速输入端口设计。为了防止电梯超速，总共需要
1个输入端口。
（2）输出接口电路设计。本文共设计19个输出端口。
①呼梯信号输出端口设计。呼梯信号包括内呼梯信号和外呼梯信号。内呼梯信号输入端口有5个，接收轿厢内的呼梯信号，完成指令后，消失该信号。外呼梯信号有8个输出端口，表示外呼梯指令被接受，并在该指令完成后，使信号消失。
②运行输出端口设计。电梯轿厢的上、下行指令信号和电梯的上、下行时的指令信号，共4个输出端口。
③开关门信号输出端口设计，共需2个输出端口。
3.3 电梯控制系统软件的设计
本文采用1个S7-300PLC控制器、1个电源模块、2个输入模块和2个输出模块。
（1）输入输出端口的地址分配。

表1 输入端口的地址分配表

表2 输出端口的地址分配表
（2）轿厢门开关程序。
轿厢门开关包括三个过程：开门、停止开门和关门三个过程。
第一，电梯开门，信号来自楼层的呼梯指令和轿厢内信号指令。
①轿厢在一楼层时，一楼层内、外呼梯上行信号。
②轿厢在四楼层时，四楼层内、外呼梯下行信号。
③轿厢在其余楼层时，楼层内、外呼梯上、下行信号。
④轿厢到达指定楼层并开门按钮被按。
第二，停止开门。
当开门动作完成后，让开门的动作停止，开门程序完成。
①开门按钮没有被按的同时按了关门按钮。
②关门输出置位，并且开门按钮没有按。
③开门限位到达，此时开门动作自动停止。
第三，关门。
开门结束后要将电梯门关上，此时有三种情况，分别是：
①经过3S的延时后，开始关门，达到关门限位后，结束关门，可以设置定时器（TIM001）。
②按下关门按钮。
③当关门动作未结束时如果有门电机开的信号或按了开门按钮，则取消关门。
（3）自动选向程序。该程序用辅助寄存器（AR）来表示电梯上行与下行部分，当上行条件或下行条件被满足时触发，开始执行上、下行程序。
第一，上行。
电梯上行条件包括：
①下行条件不满足。
②电梯停靠在一楼层时，电梯都上行；五楼时，都不上行。
③电梯停靠在其余楼层时，有楼层上行外呼梯信号和轿厢上行内呼梯信号。
第二，下行。
①上行条件不满足。
②电梯停靠在一楼层时，电梯都不下行；五楼时，都下行。
③电梯停靠在其余楼层时，有楼层下行外呼梯信号和轿厢下行内呼梯信号。
（4）呼梯软件设计。
第一，轿厢内呼梯信号。
①当轿厢在一楼层时，轿厢内按下呼梯按键后，将置位相应的内呼梯信号。
②一楼层和五楼层只能向上或者向下，楼道外的呼梯按钮被按下后，相应的外呼指令将会置位，要取消置位，电梯必须到达相应的楼层。
③其余楼层可以均可以向上或者向下，要取消外呼置位必须在电梯运行与外呼方向一致时。
4 结语
本文通过分析得出PLC电梯控制系统的优点是：系统的端口的兼容性好、信号模拟能力强、信号检测能力强、系统的逻辑功能强以及系统的通信功能强。