基于PLC的三层电梯控制系统设计

基于PLC的三层电梯控制系统设计

李嘉庆   刘艳芳

山东协和学院   250109 

专业：机械电子工程  17852951027

摘要：高层建筑的首要设施就是电梯，其智能性、稳定性和安全性是电梯应用的主要衡量标准。电梯主要驱动由电机控制，使用牵引绳将梯箱提送到人们选择的楼层，其楼层的精确定位是由限位开关和位置控制器件完成。利用PLC的逻辑特性、过程特性、计时计数、网络通讯等能力设计，不仅能解决安全问题，还能通过PLC精确定位和控制实现电梯的楼层控制需求，并通过人机界面的动态仿真，更加方便维护人员对设备的管理，提高控制系统运行的稳定性。

关键词：PLC；电梯控制；精确定位；人机界面

0. 引言

现在的电梯市场随着房地产市场快速发展而出现前所未有的发展机遇，虽然目前我国的电梯设备依然以国外进口为主，但是通过现代智能控制单元的普及和大量应用，我国自主开发的电梯设备不管是工艺质量，还是系统设计上都已经和国外电梯企业研发的设备没有差别。根据国家标准要求，超过六层的建筑都必须按照电梯，有些公司单位或物流仓储，为了更好服务工作人员或运输人员，对于2层或3层的楼层也会装上电梯，甚至有些小型电梯开始进入家庭中，安装在挑高复式或别墅中，大大提高家庭装修的风格和档次。

1. 控制系统设计方案
   1. 控制要求

电梯能够精确到达位置，采用编码器采集电机运动圈数作为楼层高度进行控制，当电机转动到一定圈数表示电梯已经到达位置，结束上行或下行动作，准备延时打开门和关闭门。电梯门开关则由限位开关进行安全限位控制，同时电梯上下运行也通过限位开关作为安全保护作用，防止电梯运行超限造成危险。本设计为三层电梯控制系统，其编程控制器采用PLC完成，内部和外部操作按钮和传感器通过输入端口反馈给PLC，再由其输出端口将控制信号输出给执行电机，并控制电机正反装，电梯门开关则由小功率直流电机完成控制。

1.2方案设计

本设计选用西门子公司的S7-1200控制器及三相笼型异步电动机。触摸屏是一种上位机软件，可以通过不同的通讯协议与PLC建立通讯，常用的有串口RS232和TCP通讯。为了保证触摸屏与PLC之间更好的监控效果，选用西门子精简KTP1200触摸屏。

西门子精简KTP1200触摸屏配置了12寸TFT显示屏，包含按键和触摸操作，它与1200PLC通过TCP网口建立通讯。

2. 系统硬件设计
   1. 电路设计

三层电梯控制系统执行机构由三相交流电机完成，其中三相异步电机动力配电中必须引入三相电电源。由一根火线和零线构成220V交流电，24V直流电源将220V交流电转换成24V直流电，为PLC、传感器和其他元件提供工作电流。

2.2PLC外部端子接线

西门子1200PLC输入端由控制按钮、故障信号和感应器三部分组成，输出端则由指示灯和继电信号两部分组成。PLC输出端一般都会通过中间继电器作为信号中转，在结合控制线路图中继电器触点触发交流接触线圈电路。

2.3PLC I/O地址分配表

根据三层电梯控制系统设计逻辑，输入端分为启停按钮、操作按钮和限位传感器三部分组成，输出端由执行电机和指示灯两部分组成。

3. 系统软件设计

西门子1200是通过博途软件进行组态、编程和调试，TIA博途软件内包含多种西门子型号，可以满足不同系统的各种需求。三层电梯系统选择西门子1215CPU，在设计程序前，首先应对设备组态进行配置。首先打开博途编程软件创建新工程，在新建工程中添加新设备，选择CPU1215C中的DC/DC/DC，再在选项中选择订单号为6ES7215-1AG40-0XB00。

3.1功能程序设计

程序包括主程序、开关电梯门、楼层停靠、内部呼叫、上次层记录、上下控制、外部呼叫等。以楼层停靠为例，楼层停靠是通过平层信号判断电梯到达目的位置，平层信号则是通过电机运转圈数表示目的楼层高度判断到达位置，其电机运转圈数通过编码器采集电机运转数据反馈给PLC。如当内部1楼呼叫指示或一层外呼上行指示触发后，电梯开始执行（如果就在该楼层，则电梯不动作），到达位置后平层信号为TRUE，输出停靠等待。

4. 系统组态及仿真测试
   1. 硬件组态

西门子触摸屏的工程创建与PLC程序语言都是在博途软件上完成。西门子设备添加种类分为控制器、HMI、PC系统、驱动四部分，其中HMI即为触摸屏，通过HMI列表选择对应款式下型号的控制面板。

在选择HMI时，在窗口右侧会显示订单号和版本号，版本号可以修改，正常选择默认。HMI画面中的每一个元素的反应都是通过变量完成，如按钮操作，通过触摸软体按钮，触发对应控制变量输出。HMI中的变量与PLC中的变量通过名称、数据类型、连接方式、PLC名称、PLC变量、访问模式和采集周期创建。

在设计按钮时，需要设置按钮事件和按钮对接的变量。按钮的功能可以在编辑位中选择取反或置位等方式。指示灯方式很多，当PLC中输出某种位逻辑时，可以根据需求设置显示的颜色。如运行指示灯，当触发变量为FALSE状态时显示红色，而TRUE状态时显示绿色，可以向实体指示灯一样，进行状态显示。有些画面中为了显示出物体的真实性，会直接把部分现场事物照片添加进画面中，可以通过元素中图形域接口添加所需要的图片。

4.2仿真测试

三层电梯控制系统仿真画面分为按钮操作、状态指示、动态仿真和楼层号显示四个方面。在进行仿真测试时，通过上行和下行对电梯升降、状态指示、楼层号变化，以及电机转动四个方面进行验证。

当按下2楼上行按钮时，升降电机开始转动，当前电梯停靠在1楼，该过程表示电梯正在向上运行。

5. 总结

机界面是现代自控系统标配功能，西门子KTP700 Basic触摸屏的工程设计与程序设计同样在博途软件完成。人机工程的创建规则与仿真运行是本章内容的主要部分，工程创建分为添加设备、建立通讯、建立HMI变量表、画面设计，其中画面设计是整个工程的技术核心。对与仿真画面和程序验证可通过博途软件内部通讯执行模拟测试，主要对程序运行逻辑、画面元素显示效果、动态仿真进行验证，程序运行逻辑分为上行、下行、内部操控、外部操控、多任务执行五个方面进行实时检验。工程测试是对三层电梯控制系统的逻辑验证，确保工程上线后能够在测试阶段规避问题，保证工程的快速和稳定上线。

参考文献

[1] 卢欣欣.基于PLC的电梯群控设计[J].现代工业经济和信息化.2023.1.30:23-45

[2] 商龙伟.PLC对电梯自动化控制的探析[J].中国设备工程.2021.3.10:28-32 

注：本文系2024届毕业设计