基於西門子S7-200PLC的八層電梯控制系統設計

隨著城市建設的不斷發展，高層建築不斷增多，電梯在國民經濟和生活中有著廣泛的應用。電梯作為高層建築中垂直運行的交通工具已於人們的日常生活密不可分。實際上電梯是根據外部呼叫信號以及自身控制規律等運行的，而呼叫時隨機的，電梯實際上是一個人機互動式的控制系統，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足控制要求的，因此，電梯控制系統採用隨機邏輯方式控制。目前電梯的控制普遍採用了兩種方式：一是採用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的採集、運行狀態和功能的設定，實現電梯的自動調度和集選運行功能，拖動控制則由變頻器來完成；第二種是用可編程控制器(PLC)取代微機實現信號集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法並沒有太大區別。國內廠家大多是採用第二種方式，其原因在於生產規模較小，自己設計和製造微機控制裝置成本較高，但PLC可靠性高，程序設計方便靈活，抗干擾能力強、運行穩定等特點，所以現在的電梯控制系統廣泛採用可編程控制器來實現。本設計正是採用西門子S7-200系列PLC控制的。

2 控制電梯的優點

1、在電梯控制中採用PLC，用軟體實現對電梯運行的自動控制，可靠性大大提高。

2、去掉了選層器及大部分繼電器，控制系統結構簡單，外部線路簡化。

3、PLC可實現各種複雜的控制系統，方便地增加或改變控制功能。

4、PLC可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性，並便於檢修。

5、用於群控調配和管理，並提高電梯運行效率。

6、更改控制方案時不需改動硬體接線。

3. VS-616G5型通用變頻器電梯調速系統

通用變頻VS-616G5可直接控制交流非同步電動機的電流，使電動機保持較高的輸出轉矩；它適合用於各種應用場合，可以低速下實現平穩起動並且極其精確地運行，其自動調整功能可使各種電動機達到高性能的控制。VS-616G5將U/F控制、矢量控制、閉環U/F控制、閉環矢量控制四種控制方式融為一體，其中閉環矢量控制是最適合電梯控制要求的。

VS-616G5變頻器用在電梯調速系統中時，必須配PG卡及旋轉編碼器，以供電動機測速及反饋。旋轉編碼器與電動機同軸連接，對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B、兩相脈衝，當 A相脈衝超前B相脈衝90°時，可認為電動機處於正轉狀態。當A相脈衝滯後於B相脈衝90°時可認為電動機處於反轉狀態，旋轉編碼器根據AB相脈衝的相序，可判斷電動機旋轉方向，並根據AB脈衝的頻率測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈衝輸出給PG卡，PG卡再將此反饋信號送給616G5內部，以便進行運算調節。AB兩相脈衝波形圖如圖所示。

VS-616G5用在電梯調速系統中時，還必須配置制動電阻。當電梯減速運行時，電動機處於發電狀態，向變頻器回饋電能。這時同步轉速下降，交-直-交變頻器的直流部分電壓升高，制動電阻的作用就是消耗回饋電能。抑制直流電壓升高。

VS-616G5 在設計中參數設置如表4.2所示：

表  VS-616G5參數設置

變頻器容量及制動電阻參數的計算

變頻器的功率可根據曳引機電機功率、電梯運行速度、電梯載重與配重進行計算。設電梯曳引機電機功率為P₁，電梯運行速度為V，電梯自重為W₁，電梯載重為W₂，配重為W₃，重力加速度為g ，變頻器功率為P。在最大載重下，電梯上升所需要曳引功率為P₂，P₂=[(W₁+W₂+W₃)g+F₁] V，其中F₁＝=(W₁+W₂+W₃)g+σ，為摩擦力，σ可忽略，電動機功率P₁，變頻器功率P應接近電機功率P₂，相對於P₂留有安全裕量，可取P=1.52P₂ 。

（二）制動電阻參數的計算

由於電梯為位能負載，電梯運行過程中產生再生能量，所以變頻器調速裝置應具有制動功能。帶有逆變功能的變頻調速裝置通過逆變器雖然能夠將再生能量回饋電網，但成本太高，採用能耗制動方式通過制動單元將再生能量消耗在制動電阻R_z上，成本較低而且具有良好的使用效果，能耗制動電阻的大小應使制動電流I_z的值不超過變頻器額定電流的一半，即：

式中U_O為額定情況下變頻器的直流母線電壓

制動電阻的功率：

4 電梯控制系統的設計

4.1 信號控制系統

電梯信號控制基本由PLC軟體來實現，電梯信號控制系統如圖5.1所示，輸入到PLC的控制信號有運行方式選擇、運行控制、轎內指令、層站外呼召喚、安全保護信息、旋轉編碼器、開關門、門區和平層信號等。

4.2 電梯控制系統實現的功能

（1）開始時，電梯處於任意一層。

（2）當有外呼電梯信號到來時，轎廂響應該呼梯信號，達到該樓層時，轎廂停止運行，轎廂門打開，當沒有人員進出時，延時5秒后自動關門，或者按關門按鈕關門。

（3）當有內呼電梯信號到來是，轎廂響應該呼梯信號，達到該樓層時，轎廂停止運行，轎廂門打開，當沒有人員進出時，延時5秒后自動關門，或者按關門按鈕關門。

（4）在電梯轎廂運行過程中，即轎廂上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼信號均不響應，但如果反方向外呼梯信號前方再無其他內、外呼梯信號時，則電梯響應該外呼梯信號。

（5）電梯具有最遠反向外呼梯功能。

（6）電梯未平層或運行時，開門按鈕和關門按鈕均不起作用。平層且電梯轎廂停止運行后，按開門按鈕轎廂開門，按關門按鈕轎廂關門。

4.3 速度控制及平層控制

電梯作為一種載人工具，在位勢負載狀態下，除要求安全可靠外，還要求運行平穩，乘坐舒適，停靠準確，電梯的運行曲線如圖 5.2所示。但在現場調試時，應使爬行段儘可能短，並要求在各種負載下都大於零為標準來調整減速起始點。

隨著科技的發展，人們對電梯的要求不斷提高：不僅速度更快、提升高度更高，還要佔地少和運營成本低。同時還不能絲毫損失乘客舒適性。乘坐舒適必然要求平穩啟動和連續加速已經柔和制動和準確抵達目的位置，要做到這些的關鍵是準確發出減速信號和平層信號，在接近層樓面時按距離精確自動矯正速度給定曲線。採用變頻器調速雙閉環控制可基本滿足要求。利用旋轉編碼器在構成速度閉環的同時，也可構成位置閉環控制。

旋轉編碼器的輸出一般為A和A、B和B兩對差動信號，可用於位置和速度測量，A和A、B和B四個方波被引入PG卡，經辨向和乘以倍率后，變成代表位移的測量脈衝，將其引入PLC高速計數端，進行位置控制。本系統採用相對計數方式進行位置測量。運行前通過編程方式將各信號，如換速點位置、平層點位置等所對應的脈衝數，分別存入相應的內存單元，在電梯運行過程中，通過旋轉編碼器檢測、軟體實時計算以下信號:電梯所在層樓位置、換速點位置、平層點位置，從而進行樓層計數、發出換速信號和平層信號。

電梯運行中位移的計算如下:H=SI 式中S: 脈衝當量 I: 累計脈衝數 H: 電梯位移 S=πλD/Pρ 式中D:曳引輪直徑ρ: PG卡的分頻比 λ:減速器的減速比 P:旋轉編碼器每轉對應的脈衝數

本系統中λ=1/32
D=580mm N_ed =1450r/min  P=1024  ρ=1/18

設樓層的高度為4m，則各樓層平層點的脈衝數為:1樓為0;2樓為4000;3樓為8000;4樓為12000，5樓為16000，6樓為20000，7樓為24000，8樓為28000.

設換速點距樓層為1.6米，則各樓層換速點的脈衝數為: 上升: 1樓至2樓為2400，2樓至3樓為6400，3樓至4樓為10400，4樓至5樓14400，5樓至6樓18400，6樓至7樓22400，7樓至8樓26400；下降: 8樓至7樓25600，7樓至6樓21600，6樓至5樓17600，5樓至4樓13600，4樓至3樓為9600，3樓至2樓為5600，2樓至1樓為1600。

4.4 I/O點數的分配

I/O點數分配如圖5.3示：

I/O 點數分配圖

4.5 系統電路原理圖

系統電路原理圖如圖：

系統電路原理圖

5.1 各環節設計方法

一、開關門環節

（一）開門環節

(1) 呼梯開門：電梯在某層站待命時，若有人在該層站呼梯則電梯首先開門；電梯在運行過程中，有外呼梯信號時，若順向運行則電梯停層開門，逆行不停層。

（2）自動運行停層時的開門：電梯在停層時，至平層位置，M3.0接通，電梯開門。

（3）關門過程中重新開門：關門過程中重新開門時，按開門按鈕（I0.4）重開；當電梯關門時有東西夾在門上，使I4.4接通，門重開；當電梯超載時，使I4.3接通，門重開。

（4）電梯運行中禁止開門, 電梯檢修時開門均為手動開門，通過開門和關門按鈕進行。

(二) 關門環節

（1）電梯開門後計時，5s后自動關門,計時未到5s時可用關門按鈕（I0.5）提前關門。

（2）檢修時關門不自鎖,電梯超重時禁止關門。

（三）保護及故障顯示環節

（1）電梯在關門過程中因各種原因不能關門到位，電梯會重新開門，開門時間到后又會自動關門，關門不到位又重新開門，如此反覆開、關門，若不及時處理，門很容易損壞。所以在出現這種情況時，用計數器C0計數，當開、關門動作5次時，電梯停止運行，並0、2交替顯示。當電梯關門到位時，對C0複位。

（2）當電梯安全繼電器斷開時，電梯停止運行，且0、1交替顯示。

二、層樓信號產生與消除環節

當電梯位於某一層時，應產生位於該樓層的信號，以控制樓層顯示器顯示樓層所在的位置，離開該層，到達另一層時應顯示新的樓層信號。設計中用VB200存儲樓層信號，當電梯到達各層減速點時，顯示相應樓層的信號。在一樓和八樓分別設置一個強迫開關，用於矯正錯誤顯示，若電梯顯示有誤，只要將電梯開到一樓或八樓就可以顯示正常。

三、 呼梯信號登記、消除、顯示環節

（一）內選信號的登記、消除、顯示
通過對轎廂內操作盤上1樓~8樓選層按鈕的操作，選擇欲去的樓層，選層信號被登記，且選層按鈕下的指示燈亮。當電梯到達所選樓層后，停層信號被消除，指示燈也應熄滅。

（二）外呼信號的登記、消除、顯示

通過對電梯每層廳門處外呼按鈕的操作，選擇要上樓或是要下樓，呼梯信號被登記，且相應外呼按鈕下的指示燈亮。當電梯到達該層時，且電梯的運行方向與呼梯目的方向一致時，呼梯滿足要求，呼梯信號應被消除，不一致時，呼梯不滿足要求，呼梯信號保持。

四、電梯定向環節

電梯的定向即上行和下行。電梯在處於待命狀態下，接收到內選和外呼信號時，將電梯所處的位置與內選信號和外呼信號進行比較，確定是上行或下行，且上行指示和下行指示相應指示，一旦電梯定向，內選信號和外呼信號對電梯進行順向運行要求沒有滿足的情況下，定向信號不能消除。檢修狀態下運行方向直接由上行和下行啟動按鈕確定，不需定向。

五、停層信號產生和消除環節

電梯在停車制動前，應首先確定其停層信號，即確定要停靠的樓層，每一層產生一個停層輔助信號，1樓~8樓的停層輔助分別是M15.0~M15.7。1樓停層條件是電梯下行到1樓，8樓的停層條件是電梯上行至8樓；中間層產生條件是根據電梯的運行方向與外呼信號的位置和內選信號比較后得出。當外呼信號方向與電梯運行方向一致時，產生停層信號，不一致時不產生停層信號，外呼信號被登記；當到達內選信號產生要去的樓層時，產生停層信號。電梯在到達需停層的樓層3s后，消除該層的停層信號。

六、啟動加速、穩定運行、制動環節

（一）啟動加速：電梯啟動的條件是運行方向已確定，門已關好。

（二）穩定運行：電梯在經3s加速后達到快車速度（50Hz），進入穩定運行階段。

（三）停車制動：停層信號產生后，電梯就減速階段，接收到爬行信號，經3s減速后達到爬行速度（6Hz）。當電梯行進至平層位置時，撤去爬行信號並停車制動、自動開門。

（四）檢修時，接通檢修開關I0.3，通過上行啟動和下行啟動按鈕，控制電梯上行或下行，門時候關好不影響電梯的運行，此時電梯只能低速運行。

6.2 梯形圖

6.3 小結

本系統主要以PLC為核心，利用PLC的強大的控制功能，實現對電梯的控制。利用變頻器的良好調速功能，對電梯速度進行矢量控制，因而電梯平穩、舒適。利用梯形圖程序可以很直觀的看出運行過程。利用可編程式控制制器控制電梯，具有接線簡單、編程直觀、擴展容易等優點。當建築的層數增加時，只需改動較少的地方即可。本系統中也有很多不足的地方，如沒涉及到對電梯使用中各種故障所採取的應對措施等。由於本人學習不精，及經驗不足暫時不能完成。文中難免有錯誤的地方，望各位老師指出糾正。 

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