張巖，胡開(kāi)明，李躍忠,2

（1.東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西南昌，330013；2.江西省新能源工藝與工程技術(shù)研究中心，江西南昌，330013）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，現(xiàn)代建筑都向高層化發(fā)展，電梯成為高層建筑不可缺少的垂直方向的交通工具，電梯的重要性尤為突出[1]。這也對(duì)電梯的調(diào)速精度、調(diào)速范圍等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求，要求功能變化靈活，編程簡(jiǎn)單，故障少，噪音低，維修保養(yǎng)方便，節(jié)能省工，抗干擾能力強(qiáng)，控制箱占地面積少，電梯得到了快速發(fā)展。目前電梯控制主要使用可編程控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)，除了需要滿足基本的載客運(yùn)貨功能，還需要在保證安全和穩(wěn)定的前提下，自動(dòng)地、智能地制定最優(yōu)的響應(yīng)策略、運(yùn)行速度等[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電梯門會(huì)根據(jù)當(dāng)前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號(hào)、選層信號(hào)及光幕信號(hào)狀態(tài)等，合理的進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。例如：當(dāng)門未全關(guān)時(shí)，如有光幕信號(hào)，須優(yōu)先響應(yīng)，保持電梯門打開(kāi)；當(dāng)電梯平層開(kāi)門后，延時(shí)關(guān)閉，且此時(shí)間可修改；在持續(xù)按住開(kāi)門按鈕時(shí)，電梯門延時(shí)關(guān)閉功能失效。根據(jù)電梯主電路完成按時(shí)間原則的啟動(dòng)、停止過(guò)程，當(dāng)電梯平層時(shí)，需要依時(shí)間原則依次觸發(fā)三級(jí)制動(dòng)減速，待平層后，切斷上行、下行接觸器，抱閘停車，圖1是設(shè)計(jì)的電梯電氣圖。

圖1 電梯電氣圖

2 可編程邏輯控制器

2.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC），實(shí)質(zhì)上是一種專門用于工控的計(jì)算機(jī)，與微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)基本相同，該數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制自動(dòng)化環(huán)境[3]。PLC主要由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口（I/O模塊）、通信接口、電源等部分組成，如圖2所示。

圖2 可編程控制器的基本組成

其中，電源模塊將外部連接的交流或直流電源轉(zhuǎn)化成內(nèi)部需要的工作電源，并為外部輸入元件提供24V直流電源。CPU是一塊包含了控制器、運(yùn)算器和寄存器等電路的數(shù)字芯片，地址總線和控制總線將之與存儲(chǔ)器的I/O模塊連接。中央處理器作為PLC的控制中樞，通過(guò)對(duì)用戶程序進(jìn)行邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算處理來(lái)控制協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)，直接反應(yīng)了PLC的性能[4]。輸入輸出模塊是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁，即接收外控設(shè)備傳來(lái)的信號(hào)，再將CPU處理完的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)返送回去，驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行工作。當(dāng)輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠使用時(shí)，可以用I/O擴(kuò)展單元來(lái)擴(kuò)充開(kāi)關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的I/O端子。存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體電路，分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩種，分別存放PLC的系統(tǒng)程序和用戶程序。

2.2 PLC的功能特點(diǎn)

可編程邏輯控制器的運(yùn)行，是通過(guò)CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段的過(guò)程。先以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，然后按照先上后下、先左后右的順序掃描用戶程序（梯形圖）進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最后刷新所有輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)，經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。

PLC作為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的大腦，芯片集成度高，帶有保護(hù)電路及自診斷功能，編程大多數(shù)采用直觀而簡(jiǎn)單的梯形圖，使用方便極易掌握，用戶可以靈活地改變控制系統(tǒng)的功能和規(guī)模，適用于任何控制系統(tǒng)，內(nèi)置不同的模塊可以與不同的器件直接連接，具有輸入/輸出功能模塊齊全、安裝方便、組態(tài)靈活、編程容易、運(yùn)行速度快、可靠性高等特點(diǎn)，與繼電器邏輯控制器相比具有先天的綜合優(yōu)勢(shì)[5]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主要器件

電磁繼電器是一種利用電磁鐵控制工作電路通斷的電子控制器件，主要由電磁鐵、銜鐵、彈簧、動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)5個(gè)部件組成。當(dāng)?shù)蛪嚎刂齐娐返拈_(kāi)關(guān)閉合，電流經(jīng)過(guò)電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸起銜鐵，使得高壓工作電路閉合工作；當(dāng)?shù)蛪嚎刂齐娐返拈_(kāi)關(guān)斷開(kāi)，沒(méi)有電生磁發(fā)生，銜鐵在彈簧的拉力作用下使工作電路斷開(kāi)停止工作[6]。用低壓小電流控制高壓大電流，對(duì)電路起到了很好的保護(hù)作用。

交流接觸器一般指工業(yè)電中利用線圈通電產(chǎn)生磁力，使觸頭閉合來(lái)控制負(fù)載的電器[7]。線圈通電，靜鐵芯產(chǎn)生磁場(chǎng)吸力，吸合動(dòng)鐵芯，觸頭系統(tǒng)與動(dòng)鐵芯之間的聯(lián)動(dòng)帶動(dòng)了三條動(dòng)觸片同時(shí)動(dòng)作，主觸點(diǎn)閉合，輔助常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，從而接通電源；線圈斷電，吸力消失，在彈簧的反作用力下，主觸頭斷開(kāi)，輔助常閉觸點(diǎn)閉合，輔助常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而切斷電源。接線示意圖如圖3所示。

圖3 接觸器接線示意圖

鼠籠式異步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，當(dāng)在定子繞組上加上三相交流電時(shí)，在電機(jī)中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速由定子電壓的頻率及電動(dòng)機(jī)極數(shù)所決定。磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生電磁力，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，輸出動(dòng)能[8]。

3.2 硬件電路

系統(tǒng)運(yùn)行采用自動(dòng)方式，即在不斷電的情況下可以連續(xù)周期性循環(huán)運(yùn)行。圖4是PLC的外部接線圖。

圖4 PLC外部接線圖

交流接觸器的吸合由電磁繼電器的通電來(lái)控制，輸出Q0.0時(shí)繼電器K1開(kāi)始動(dòng)作，接觸器KM1線圈吸合，電機(jī)正轉(zhuǎn)，電梯上升；Q0.1時(shí)繼電器K2開(kāi)始動(dòng)作，接觸器KM2線圈吸合，電機(jī)反轉(zhuǎn)，電梯下降；Q0.2時(shí)繼電器K3開(kāi)始動(dòng)作，接觸器KM3線圈吸合，電機(jī)正轉(zhuǎn)，電梯開(kāi)門；Q0.3時(shí)繼電器K4開(kāi)始動(dòng)作，接觸器KM4線圈吸合，電機(jī)反門，電梯關(guān)門。

根據(jù)電梯功能要求，選擇PLC S7-200、空氣開(kāi)關(guān)DZ47-63、交流接觸器CJ20-16、電磁繼電器HH54P、三相異步電機(jī)WDJ24、開(kāi)關(guān)按鈕LAY37-11BN、三相交流插座線、軌道、電機(jī)插線等器材，搭建如圖5所示的實(shí)物模型。

圖5 實(shí)物搭建模型

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 I/O口分配

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需模擬量輸入點(diǎn)14個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)4個(gè)，對(duì)應(yīng)的I/O分配如表1和表2所示。

表1 系統(tǒng)模擬輸入端口分配表

表2 系統(tǒng)模擬輸出端口分配表

4.2 主要程序

使用編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9可以在計(jì)算機(jī)上直接生成和編輯梯形圖或指令表程序，程序被編譯后下載到PLC中運(yùn)行，下面是一些主要的指令表程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)代電梯控制的安全可靠性要求，我們使用西門子S7-200PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，在分析電梯實(shí)際運(yùn)行過(guò)程后，對(duì)電梯運(yùn)行過(guò)程中的信號(hào)進(jìn)行了I/O分配，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)乘客在某一平層按下上行或下行按鈕，PLC就發(fā)出信號(hào)，電磁繼電器通電使接觸器吸合，繼而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)轎廂到乘客所在樓層并開(kāi)門，接著按下樓層號(hào)關(guān)門，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使轎廂到達(dá)需要到達(dá)的樓層開(kāi)門。整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單高效、安全可靠，相對(duì)于其他控制器，PLC控制具有較好的發(fā)展前景。