基于PLC 的4 层电梯的控制系统仿真设计

张玉梅，王 瑞

（广东职业技术学院，广东 佛山 528041）

1 研究背景

随着现代生活水平的日益提高，农村地区居住水平有很大的提高。许多农村地区兴建了很多小洋楼。楼房大多数是只有步梯设计，而农村以老人儿童居多，因此农村自建房安装电梯也是一个必然趋势。电梯的控制设计有很多种方案，早期采用继电器控制和单片机控制是使用比较多的方法。众所周知，继电器工作和单片机控制方式的可靠性低，故障率高，维护也极其不便[1]。因此，现在已经在逐步淘汰中。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。而电梯采用PLC 控制的方案有比较大的优势：可靠性高，稳定性强，另外针对不同的客户需求，不需要改变硬件接线，只需改变PLC 的梯形图程序就可以满足。所以基于PLC 控制的电梯系统有很大的适用范围。

2 系统设计

农村自建房以3 层或4 层居多，结合控制要求和使用场景，这里采用4 层的电梯控制系统。PLC 采用SIMATIC S7-200 SMART 可编程控制器。

西门子PLC 系列的S7-200 SMART 是西门子PLC S7-200 的加强版，与S7-200 相比，它在性能、硬件配置和软件组态方面都有提高，也得到了用户的广泛认可。标准型的基本模块I/O 点数最大可达60 点，I/O能力最大可扩展至256 点，可以不采用西门子公司的专用下载电缆，使用普通网线轻松实现程序的下载和调试，成本低廉，通信极其方便[2]。

系统的具体设计方案如下：设计4 层电梯控制系统共需要16 个输入端口和23 个输出端口，由于西门子SIMATIC S7-200 SMART可编程控制器有24个输入端口和16 个输出端口，标准型作为可扩展CPU 模块，加一个扩展模块，用于七段发光二极管的接线。可满足I/O 规模有较大需求，逻辑控制较为复杂的应用。所以运用SIMATIC S7-200 SMART 型PLC，此PLC 能够很好地满足系统的设计要求。

2.1 电梯硬件设计方案

根据上述系统设计的原理要求，控制设计的主体部分，包含电梯轿厢的升降控制和呼叫系统的设计[3]、电梯平层和开关门控制设计以及楼层显示、报警呼叫等。具体方案如下。

电梯进入刚开始运行状态时，电梯轿厢会在第一层，这时电梯属于准备运行状态，接收任何楼层的按钮呼叫。

总电梯层数为4 层，每层标号为相应的数字1～4，轿厢内有一个带显示屏的控制指示盒，显示屏显示楼层的数字，控制盒内有4 个楼层的呼叫按钮。在电梯井里每一层都配有一个行程开关。当轿厢在上升或下降的过程中碰到行程开关时，会给PLC 输入相应的楼层信号。另外，在每个楼层的电梯门外，会有相应的楼层显示，同时也要配置上行或下行的呼叫按钮，最底层只需有上行按钮，顶层只需有下行按钮。

外呼：电梯外随机呼叫电梯，电梯按先到先得、顺序同向优先响应的规则上升或下降，到达指定楼层，自动开门，暂停5 s，然后自动关门，如遇强制开门，再顺延5 s 自动关门。如果乘客进入厢内没有任何操作，在电梯门关好后，控制系统会响应楼层的外呼信号。

内呼：乘客在轿厢内，可以按目标楼层按钮，电梯根据方向判断进行升降。当按下内层呼叫按钮时，被按楼层的灯会亮，电梯控制系统会比较呼叫楼层和所停楼层，判断是输出上升或下降的信号，轿厢到达相应楼层后，这个楼层的灯才会灭。为安全起见，若电梯门没有关上，曳引电机不能运行。即使在轿厢运行过程中，电梯门没关上，任何时候曳引电机要即刻停止运行。

轿厢内的控制盒内一定要配置一个紧急呼叫按钮，在电梯运行不正常时，乘客随时可以按下紧急按钮求救。增加一个报警铃，以便周围的人员及时施救。

2.2 I/O 分配设计

输入信号包含内呼按钮、外呼按钮和行程开关等。输出信号包含电梯上升下降、电梯门的开关外，还有电梯内外的指示灯及报警铃等。具体的I/O 分配如表1所示。

表1 I/O 分配及说明表

3 软件设计

3.1 电梯运行的程序设计

电梯要实现电梯的上下行功能以及到达平层后进行开关门控制。控制系统一上电后，轿厢会停止在一楼，属于准备运行状态。如果有门厅外呼叫信号，PLC控制系统会将目标楼层和所停楼层进行比较，然后再控制轿厢上行或者下行。轿厢到了目标楼层后，确保完成平层后打开电梯门，延时5 s 后再关闭电梯门。完成这次任务后，轿厢会停止在此楼层，等待下一次呼叫信号，然后再进行相应响应，周而复始。电梯的程序控制流程如图1 所示。

图1 电梯控制流程图

3.2 电梯PLC 软件编程

PLC 程序的编程用STEP 7-Micro/WIN SMART 编程软件，它是西门子公司为S7-200 SMART 开发的编程软件，编程特别方便，可以在Windows XP SP3/Windows10 中运行。编程的时候主要分2 个模块进行。

3.2.1 上行下行程序

电梯的主要功能是曳引电机牵引轿厢上升或下降，实际上是曳引电机的正反转。PLC 根据楼层信号和内外呼叫信号进行比较，来控制轿厢的上升或下降[4]。

优先响应内选信号，如果是外选顺向呼叫，则是无条件地响应，反向呼叫则要按远程反向原则处理。

在这里采用比较指令将呼叫层楼层信号和轿厢所在层信号进行比较，从而确定是上升还是下降，即曳引电机是正转还是反转。每个楼层所在信号由行程开关控制，由行程开关将楼层信号传送到相应的数据寄存器里。电梯上行的程序如图2 所示。

图2 电梯上行梯形图

3.2.2 开关门程序

电梯的开关门程序如图3 所示，电梯运行到相应的目标楼层后，会自动将电梯门打开。若有需要或有异常，也可手动按开门按钮将电梯门再打开。电梯门延迟时间设置为5 s，这样开门状态延时5 s 后，会自动关门，反之亦然。

图3 电梯开关门部分梯形图

在这延迟时间内，如果不想等待。也可以手动操作，提前关闭电梯门。

4 仿真调试

设计好电路后，充分利用宇龙仿真软件进行仿真设计和编程。先选择相应的元器件，接好主电路和PLC接口电路后，进行编程调试。整个监控界面设计和实际的比较接近。仿真系统的监控界面有电梯轿厢、内外呼叫按钮，电梯上行显示、下行显示及楼层显示，另外还有开关门按钮等。利用仿真软件时，要将所有的输入输出信号和三维仿真系统里面的信号对应好，并进行一一绑定，才能达到直观运行的效果。初始界面的仿真如图4 所示。

图4 初始界面的仿真图

根据前面设计的工作原理，通过仿真可以检查内外呼叫功能是否正常、能不能顺利开关门等。通过模仿运行状态，按下电梯的每一个按钮来观察电梯的上下行情况和开关门情况。

电梯呼叫系统中的外呼系统和内呼系统可在控制箱内完成操作。通过仿真，可将全部的情况调试一遍[5]。当电梯处于某个楼层时，首先第一步，调试能否实现另外楼层的外呼功能，到目标楼层后，门全部开启，延时5 s 后会自动关门。然后第二步，调试内呼功能。第三步，调试内呼和外呼都有的情况，要满足同向优先响应的原则，反向则暂不响应。电梯轿厢内有显示屏会实时显示电梯处于哪一层，便于乘客了解。开门状态的仿真如图5 所示。

图5 开门状态的仿真图

5 结束语

设计的这个4 层电梯的PLC 控制系统能够实现电梯运行的多项基本功能，包括楼层显示、内外呼叫系统、电梯的上下行功能降控制、自动开关电梯门等。使用STEP-7 软件对电梯软件系统进行编程，完整地实现了电梯的各项控制功能。并用宇龙仿真软件进行三维仿真，可以清晰地看到电梯控制系统界面，并按照实际情况进行模拟操作，完全能达到电梯正常运行的要求。因此，本电梯控制系统可以在4 层楼房中实际运行。