基于PLC的智能电梯控制系统仿真设计

张 伟 曾振城

(漳州职业技术学院 福建漳州 363000)

随着自动化在各行业发展，电梯作为降低人力、物力的自动化工具在大型商场、写字楼、办公楼、观景台等场合被应用广泛，而且电梯作为自动化控制领域的一部分备受关注，其安全性、可靠性、经济性是在设计电梯时追求的方向。采用继电器控制和单片机控制是比较老旧的使用方法。但是由于继电器主要利用大量的机械触点和连线来实现各种动作，因此其机械损耗较快，抗干扰性能比较差，使用PLC电梯控制系统，不仅可以提高抗干扰能力，而且使用简单，维护方便[1]。组态在工业控制领域得应用也较为广泛，其采用的面相对象的编程和设计方法，使得更加易于学习和掌握其可视化功能，同时也为电梯控制系统提供了管理层实时监控的方案。

1系统的组成、功能及运行原则

1.1电梯系统的组成

该控制系统主要由PC机、松下PLC、组态软件组成。主要是利用组态软件建立电梯仿真模型，通过RS232串口将上位PC机PLC连接，进行I/O组态连接、数据库组态建立、动画连接和动作脚本编写来实现对电梯控制系统动态仿真。系统框架如图 1所示。

图1 电梯控制系统框图

1.2电梯系统的工作原理

该设计的电梯系统的工作原理如下：

(1)初始时刻，电梯处于1层，电梯接受每个呼叫按钮发出的信号并做出相应响应。

(2)当电梯停在任何一层(例如第4层)，按动该层的向上呼叫按钮或向下呼叫按钮，则电梯发出开门信号，电梯进行开门动作，直至开门行程开关打开，并延迟10s后关门。也可以进行手动实现开关门。如果电梯的轿厢不在第4层，则等电梯轿厢运行至该层后执行以上命令。

(3)当按下内层呼叫按钮时，相应呼叫灯亮，直至电梯轿厢进行楼层判断、轿厢运行至该层后，内部呼叫灯熄灭。

(4)电梯控制系统的每一层在井道内都有一个行程开关，当电梯的轿厢碰到某一层的行程开关时，则说明电梯已抵达该层。

(5)当电梯轿厢抵达某一层后，电梯控制系统除了可以实现自动开/关门功能外，还可以实现手动开/关门功能。为了保证其安全性，电梯在运行期间不可进行开/关门，即有自锁功能。

(6)当电梯的轿厢运行到某一楼层时，该层对应的楼层位灯亮起。直到响应下一楼层，该层指示灯灭，另一层指示灯亮。

(7)电梯轿厢内部有应急呼叫按钮，若电梯出现异常情况下，乘客可按下该按钮，控制中心接收应急信号后对电梯进行故障排查，可进行手动关闭应急灯。

2电梯系统的仿真

根据上文说明的电梯系统的工作原理，本仿真系统主要包括电梯主体和控制装置。其主体包括：呼梯盒、开关门按钮、应急呼叫按钮、轿厢、曳引机等。控制器主要是可编程控制器(PLC)和力控软件[2]。该电梯控制系统共5个楼层，每层都有外呼按钮、楼层显示，电梯上下行显示。轿厢内有内层呼叫按钮，应急呼叫按钮，手动开关门按钮。

2.1电梯的I/0点分配及其意义

(1)外呼信号。除1层只有上呼叫按钮，5层下呼叫按钮外，其他楼层均有上下呼叫按钮。其I/O分配为：从X1到X8。共8个I/O点。

(2)行程开关。电梯每层均有一个行程开关，当电梯到该层，碰到行程开关，该层行程开关打开。1-5层的行程开关的I/O分配为：X9-X13。

(3)内部呼叫按钮。电梯内部有各层的呼叫按钮，当按下目标层按钮，电梯发出该层信号。其1-5层I/O分配分别为：X14、X15、X16、X17、X18。

(4)开关门呼叫按钮。电梯内部有手动开关门按钮。其I/O分配为：X19和X20。

(5)开关门行程开关。电梯轿厢内有一个开门行程开关和一个关门行程开关。其I/0分配为X21、X22。

(6)外部呼叫灯。外部1层上呼灯Y1，外部2层上呼灯Y2，外部2层下呼灯Y3，外部3层上呼灯Y4，外部3层下呼灯Y5，外部4层上呼灯Y6，外部4层下呼灯Y7，外部5层下呼灯Y8。

(7)各层位灯。电梯到达某层时，该行程开关打开，该层位灯亮。其1-5层位灯I/O分配为：Y9、YA、YB、YC、YD。

(8)电梯上升、下降及其指示灯，电梯开关门。其I/O分配为电梯上升YE，电梯下降YF，电梯上升指示灯R20，电梯下降指示灯R21。电梯开门R22，电梯关门R23。

(9)内部各层呼叫灯。当按下内部各层呼叫按钮时，内部的各层对应的呼叫灯亮，电梯运行到呼叫层，触碰行程开关，灯熄灭[3]。其1-5层的I/O分配为，内部第1层呼叫灯：RE、内部第2层呼叫灯：RF，内部第3层呼叫灯：R10，内部第4层呼叫灯：R11，内部第5层呼叫灯：R12。其I/O分配共46个，其注释如表1所示。

2.2系统工作流程图

电梯控制系统主要实现的功能是电梯的上下运行和电梯的开关门。该电梯控制仿真系统在开始上电后进行初始化，电梯轿厢停在第一楼层，然后等待呼叫信号，当有某一楼层呼叫时，电梯轿厢先进行判断呼叫的方向，再根据呼叫方向运行。轿厢到达目标层后延时开门，待开门行程打开后，延时关门，也可以进行手动开关门。之后根据乘客按下内呼叫按钮，轿厢到达目标层后继续进行以上的开关门动作。该电梯控制系统的流程如图2所示。

图2 电梯控制系统流程图

3组态监控界面设计

组态软件是一个集成人机界面和监控管理系统的工业控制的上位软件。组态软件可以与可编程控制器、智能模块、电力设备、远程数据采集装置等通讯[4]。可使现场信息实时传到控制室，操作人员和管理人员不需深入现场就可以获得实时和历史参数[5]。组态软件资源丰富，功能强大，使用方便，在工业控制中得到广泛应用[6]。可编程控制器(PLC)和组态软件的结合可以组成应用较为广泛的控制系统，组态中强大的数据采集和过程控制与PLC灵活的编程方法符合电梯系统控制的发展趋势[7]。利用组态软件进行电梯系统控制主要包括设备配置、图形监控界面的设计、数据库变量的构建、动画连接、动作脚本编写、运行调试等过程。

3.1变量设置及数据库的构造

设备配置就是完成组态与可编程控制器(PLC)之间的通讯。该控制系统的在I/O设备组态中选择松下PLC，串口选择FP系列串口。

数据是用来表述系统控制对象属性，在力控实时数据库中，一个点对应一个客观世界中的可被测量或控制的对象[8]。力控实时数据库可以提供一些预定义的标准点参数，如模拟I/O点、数字I/O点，同时用户也可以依据控制系统需求，进行建立自定义点类型[9]。

用户对点的引用实际上是对该点的某一具体参数进行引用，该控制系统利用24个点组态结合PLC的I/O地址对电梯进行控制，其数据组态如图3所示。

图3 数据库组态图

3.2 监控界面设计

监控界面设计用于模拟工业现场和工控设备[10]。该系统的图形监控界面设计包括电梯井道、电梯轿厢、外呼叫盒、内呼叫盒，电梯上下行显示、楼层显示、层位灯、开关门按钮等。利用组态的工具箱、图库，位图插入等手段，在画电梯门时利用图形颜色填充功能，用水平填充功能来实现电梯的开关门，电梯的开关门用一个间接变量(over.pv)的加减来实现。电梯的开门由右向左打开，电梯的关门由左向右关上，组态监控界面设计如图4。

图4 组态监控界面图

4系统运行与调试

根据前面设计的工作原理，通过运行程序控制组态监控界面，检查呼梯功能与开关门功能。通过按下电梯各个按钮，察看电梯的上下行、开关门，报警情况。通过调试，可以实现电梯系统的自动控制，且组态控制界面运行正常。

电梯呼叫系统分为内部呼叫系统和外部系统，内部呼叫系统有五个层位按键和开关门按键，应急呼叫和解除呼叫按键；外部呼叫系统中，每层都有两个按键，分别为上、下。通过仿真，当电梯处于3楼时，5楼有人按电梯下行键，电梯上行到5层时，层位灯先亮，电梯自动开门，当电梯门全部开启，延时10s后会自动关门，同时也可以通过人工进行关门。人工按内部按键，电梯按指令运行，如果在运行过程中，有遇到顺延需求时，电梯会按顺序开关门。应急灯主要用于当电梯出现故障状态时，可以通过按键报警，不仅报警灯会亮起，同时还会蜂鸣。电梯每一层门口上均有显示屏，通过和PLC楼层接口同信，会实时显示电梯处于哪一层，便于外部等候人员把握时间。如图5～图13所示。

图5 电梯开门动作图

图7 应急报警灯亮图

图8 解除应急报警图

图9 电梯到达4层图

图10 电梯在3层开门图

图11 电梯在3层关门图

图12 电梯上升过程图

图13 电梯下降过程图

5结论

该电梯控制系统基于PLC软件编程及组态软件控制下实现了电梯控制系统的基本功能，既发挥了PLC的高可靠性、高稳定性及编程模块化优势，同时也发挥了力控软件的数据采集和过程控制两大功能。这种结合提高电梯系统控制系统的高效性、安全性、经济性，但在功能设计和程序设计上仍有进一步优化的空间。