基于PLC电梯控制系统设计

1 概述
如今，城市化进程处于快速发展阶段，城市内高楼大厦林立。其中电梯在高楼大厦中承担着通向每层楼宇的重要运输工具，发挥着越来越重要的作用。随着社会的发展，传统的电梯控制系统已经不能满足人们的需求。目前，用可编程控制器控制的方法，可以使得电梯系统具有更高的可靠性，而且程序设计方便灵活，抗干扰能力强，可以完成更复杂的控制任务。随着PLC 技术的不断创新下，新型的PLC 技术可以借助可编程控制仪器完成不同类型电梯控制系统的管理和作业。
2 电梯与PLC 的概述
2.1 电梯的基本构造。电梯是由多个机电配件组成的大型运输工具。电梯的硬件配置和电气等同于人体的躯干和神经一样，而其中的电梯系统控制部分则类同于人脑的功能一样操控着系统的全部活动行为。成熟的机电统一技术使得电梯成为展示现代化科学技术的典型产品。电梯的基础框架为八大系统和四大空间。八大系统涵盖了：轿厢、电气控制系统、门系统、曳引系统、电力拖动系统、安全保护系统及导向系统。四大空间则涵盖以下：轿厢部分、层站部分、机房部分与井道部分。本设计具体功能希望控制系统可以实现下面的功能：按照电梯构造内轿厢的位置和务乘人员的目的楼层等综合确定轿厢的运行方向，以便实现轿厢平层缓慢减速的效果。首先明确轿厢的欲停楼层；除外，依照楼层的呼叫，完成一体化的顺路停车和自动开关门的程序；电梯内部构造的轿厢外部和内部必须配备显示电梯楼层数和运作方向的信号指示灯。为此关于电梯的内部构造及各个系统的功能等的数据，要求设计人员烂熟于心，掌握这些功能之后通过编写相应的程序来实现上述功能。
2.2 PLC 的基本结构。从广义上讲，PLC 是一种计算机系统，它的硬件结构与一般计算机的结构是类似的，但为了在复杂的工业环境中使用，为了更好地实现扩充和接线等操作及维护，PLC 系统结构有异于普通的计算机组成结构，相较于普通的计算机而言本计算机要求拥有更强适合控制系统要求的编程语言、更为强大的工业输出、输入接口，更高的抗干扰能力。所以PLC 是由软硬件系统构成的用于工业控制的专用计算机，详细的结构框图如图1 所示。

图1 PLC 的结构框图
2.3 PLC 的工作原理。PLC 控制强调的是选择循环扫描技术以串行的模式完成线圈扫描工作。唯有线圈通电/断电时，线圈成功被扫描后触点有且只有一条指令。上述的PLC控制模型能够克服因继电器控制所致的时序失配和触点竞争的问题。所以，在执行用户程序任务时，其处理的输入信号不再随现场信号的变化而随之变化，而是按照输出信号状态寄存器的输出信号而做出动态的变化。实际输出信号是在输出任务完成的最后结果。PLC 周期性的输入、输出处理方式对一般控制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以采用智能输入、输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离的方式解决。PLC 通电后，就在系统程序的监控下，循环往复地根据固定顺序完成系统内部的各个任务的查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。PLC 采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了可靠性。扫描周期强调的是PLC 执行一次输入到输出的总时长。具体工作流程为：依次按顺序对不同输入点进行扫描，继而再依次按顺序扫描用户活动中的各个指令，系统依据输入状态及指令内容开展逻辑运算处理，最终得出最后的逻辑运算结果，而输出状态寄存器则负责向不同输出点发出输出信号的过程。在监视器中设定一个扫描周期的最大参数值，监视出实际参数值是否超出规定数值，降低任务死循环所致的系统故障。
3 电梯控制技术特点
3.1 传统继电器电梯控制特点。传统模式的电梯控制系统由继电器系统及继电器设备组成，维护简易，但是接线线路繁琐且复杂，触点多，极度容易出现消耗过度而磨损或是接触不良的现象。所以，传统模式的电梯控制系统故障次数较多，同时普通的控制电器设备和硬件接线法都很难达成对复杂控制系统功能的控制和操作。当系统控制功能难以发挥出应有的效用时，控制系统故障率高居不下，给电梯的安全事故和故障问题的滋生助长了空间，一旦出现蹲底或冲顶的事故时，电梯内部硬件有可能出现损坏，更甚的是因而出现乘务人员的人身安全事故。
3.2 现代电梯控制系统。本电梯控制系统选择PLC 技术完成对电梯控制系统的软件控制，做到提升电梯控制系统的安全性和可靠性。而选择变频调速技术是因为变频器设备成本低廉、占用空间小、结构单一、体积微小、维护简易等显著优势。SVPWM 技术与SPWM 技术的应用下本电梯控制系统的运行质量及其稳定性能明显得到了改进，同时还具备高精密度、好控制精度、动态良好、安静和快捷等诸多优势。
4 电梯控制系统设计
4.1 电梯的工作原理。电梯工作原理可看作是一种动力电能借助变频调速设备或驱动装置供电完成的曳引设备发动而促使电梯内部轿厢上下运行的活动。
4.2 PLC 电梯控制系统硬件系统。电梯控制系统输入和输出接口数量繁多，为此要求配备多个I/O 扩展模块以便接入。由于电梯控制系统结构较为繁琐和复杂，而采取面向对象的模块化编程法能够满足本系统的完整设计要求。电梯的大型机械设备，其对控制系统的可靠性、稳定性和抗干扰能力要求颇高。本电梯控制系统由于考虑到成本、I/O 扩展能力等的要素后，决定采用SIMATIC S7-300PLC 系列作为本电梯控制系统的核心控制器。同时因为本系统的特性，只执行数字处理任务和无需扩展、一个机架可容下全部模块，没有别的额外任务需要处理等条件下，本设计仅用一台CPU、一个电源模块及分别三个数字量输入和输出模块就构成了电梯控制系统的硬件系统。变频器决定着变频调速系统的品质高低，在该系统中发挥着核心价值。在选定变频器品牌和型号时应当充分参考设备的使用寿命、产品质量、品牌口碑以及实际的变频调速设计方案、应用要求和负载类型等，综合上述要素选出最适宜、质量上乘的变频器，以确保整个变频调速系统的稳定性和可靠性。为此，本篇论文中采用了爱默生牌的TD3100 型号的曳引机变频器作为本电梯设计系统的专用变频器，而门机变频器则是采用了西门牌的MM440 型号的通用变频器。
4.3 PLC 电梯控制系统程序系统。呼梯信号包括内选信号和外呼信号。当乘客在轿厢内按下相应的楼层选择信号时，该楼层的内选指示灯点亮，内选信号被储存。当电梯到达某一层并执行开门程序时，说明轿厢已经到这一楼层并且开门等待乘客离开轿厢，相应的内选信号清除。外呼信号的清除相对要复杂一些。如果电梯运行方向与呼梯信号方向相同，那么呼梯信号可以如常执行；反之若电梯运行方向和呼梯信号相悖则首先要等电梯轿厢到达目的楼层后反向运行时，再响应该呼梯信号。如果电梯在运行过程中，有多个反方向的呼梯信号同时存在，则应先响应最远的呼梯信号。程序中W0.00～W0.03 表示某一楼层该方向为最远呼梯层。以W0.00 为例，该触点置位表示电梯上行过程中二楼为最远呼梯层，前方没有任何呼梯信号。上行和下行的启动、停止逻辑完全一样。
5 结束语
根据电梯的控制原理与功能要求，本论文介绍了电梯控制系统的设计，并在此基础上，进行了控制系统硬件的设计，包括PLC 的选择，电梯轿内、厅外电路的驱动及显示电路设计等等。充分考虑电梯管理系统的控制标准下，融合目前的技术和电梯发展方向进行有针对性的电梯控制系统的编程设计，依据控制标准对目前电梯内部构造予以分析，实现对电梯系统的控制运行。