Rockwell PLC在十層電梯控制系統中的應用

自1889年美國奧梯斯升降機公司推出世界第一部以電動機為動力的升降機以來，電梯在驅動方式上經歷了卷筒式驅動、牽引式驅動等歷程，逐漸形成了直流電機拖動和交流電機拖動兩種不同的拖動方式。如今電梯已成為人們進出高層建筑不可或缺的代步工具；而且作為載人工具，人們在運行的平滑性、高速性、準確性、高效性等一系列靜、動態性能方面對它提出了更高的要求。由于早期的電梯繼電器控制方式存在故障率較高、可靠性差、接線復雜、一旦接收完成不易更改等缺點，所以需要開發一種安全、高效的控制方式。可編程控制器（PLC）既保留了繼電器控制系統的簡單易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機接口、維修方便等諸多高品質性能。因此，PLC在電梯控制領域得到了廣泛而深入的應用。

一、電梯控制系統組成

電梯控制系統可分為電力拖動系統和電氣控制系統兩個主要部分。電力拖動系統主要包括電梯垂直方向主拖動電路和轎箱開關電路。二者均采用易于控制的直流電動機作為拖動動力源。主拖動電路采用PWM調試方式，達到了無級調速的目的。而開關門電路上電機僅需一種速度進行運動。電氣控制系統則由眾多呼叫按鈕、傳感器、控制用繼電器、指示燈、LED七段數碼管和控制部分的核心器件（PLD）等組成。PLC集信號采集、信號輸出及邏輯控制于一體，與電梯電力拖動系統一起實現了電梯控制的所有功能。

十層電梯控制系統由呼叫到響應形成一次工作循環，電梯工作過程又可細致分為自檢、正常工作、強制工作等三種工作狀態。電梯在三種工作狀態之間來回切換，構成了完整的電梯工作過程。

（一）電梯的三個工作狀態

1．電梯的自檢狀態

將程序下載到AB公司的MicroLogix1000型PLC后上電，PLC中的程序已開始運行，但因為電梯尚未讀入任何數據，也就無法在收到請求信號后通過固化在PLC中的程序作出響應。為滿足處于響應呼叫就緒狀態這一條件，必須使電梯處于平層狀態已知樓層且電梯門處于關閉狀態。電梯自檢過程的目標為：為先按下啟動按鈕，再按下恢復正常工作按鈕，電梯首先電梯門處于關閉狀態，然后電梯自動向上運行，經過兩個平層點后停止。

2．電梯的正常工作狀態

電梯完成一個呼叫響應的步驟如下：

（1）電梯在檢測到門廳或轎箱的呼叫信號后將此樓層信號與轎箱所在樓層信號比較，通過選向模塊進行運行選向。

（2）電梯通過拖動調速模塊驅動直流電機拖動轎箱運動。轎箱運動速度要經過低速轉變為中速再轉變為高速，并以高速運行至減速點。

（3）當電梯檢測到目標層樓層檢測點產生的減速點信號時，電梯進入減速狀態，由中速變為低速，并以低速運行至平層點停止。

（4）平層后，經過一定延時后開門，直至碰到開關到位行程開關；再經過一定延時后關門，直到碰到關門到位行程開關。電梯控制系統始終實時顯示轎箱所在樓層。

3．電梯強制工作狀態

當電梯的初始位置需要調整或電梯需要檢修時，應設置一種狀態使電梯處于該狀態時不響應正常的呼叫，并能移動到導軌上、下行極限點間的任意位置。控制臺上的消防/檢修按鈕按下后，使電梯立刻停止原來的運行，然后按下強迫上行（下行）按鈕，電梯上行（下行）；一旦放開該按鈕，電梯立刻停止，當處理完畢時可用恢復正常工作按鈕來使電梯跳出強制工作狀態。

（二）電梯控制系統原理框圖

電梯控制系統原理框圖如圖1所示，主要由轎箱內指令電路、門廳呼叫電路、主拖動電機電路、開關門電路、檔層顯示電路、按鈕記憶燈電路、樓層檢測與平層檢測傳感器及PLC電路等組成的。

圖1 電梯控制系統原理框圖

（三）電梯控制系統的硬件組成

電梯控制系統的硬件結構如圖2所示。包括按鈕編碼輸入電路、樓層傳感器檢測電路、發光二極管記憶燈電路、PWM控制直流電機無線調速電路、轎箱開關電路、樓層顯示電路及一些其他輔助電路等。為減少PLC輸入輸出點數，采用編碼的方式將31個呼叫及指層按鈕編碼五位二進制碼輸入PLC。

圖2 電梯控制系統硬件結構框圖

1．系統輸入部分

系統輸入部分分為兩個部分，一是直接輸入到PLC輸入口的開關量信號部分，包括：控制臺上的啟動按鈕、恢復正常工作按鈕、消防/檢修按鈕、強迫上行（下行）按鈕部分以及開關門行程到位開關。二是按鈕編碼輸入信號部分。本系統為十層電梯系統，在轎箱內的選層按鈕和門廳旁的向上、向下呼叫按鈕共有28個之多，采用優先編碼的方法將31個按鈕信號編為五位二進制碼。這里采用四片8位優先編碼器4532和五個四二輸入端或門4072組成32級優先編碼器。

2．系統輸出部分

系統的輸出部分包括發光二極管記憶燈電路、PWM控制調速電路、轎箱開關門電路和七段數碼管樓層顯示電路等。

在PWM控制直流電機無線調速電路中，PWM產生電路接收來自PLC的八位二進制碼，隨著碼值的改變，其輸出的脈沖占空比也相應改變。轎箱開關門電路使用兩個繼電器、兩個行程開關、直流電動機、功率反相器2003等構成控制電路。在七段數碼管樓層顯示電路中，七段數據管不經專用驅動芯片驅動而由PLC提供特定的二進制碼直接輸入。

二、系統的軟件設計

（一）軟件流程

軟件流程圖如圖3和圖4所示。

圖3 電梯控制主程序流程圖

圖4 樓層現實程序流程圖

（二）模塊化編程

本系統是集選式控制系統，控制比較復雜，適合采用模塊化編程方法。首先要將各個輸出信號的屬性分類，模塊與模塊之間的銜接可以用中間寄存位來傳遞信息。如：門廳呼叫電路和轎箱內指層電路均要求讀入按鈕呼叫信號，并保持至呼叫被響應完成為止。將門廳呼叫按鈕、箱內指層按鈕、箱內開關門按鈕、報警按鈕等通過32級優先編碼電路編碼后輸入PLC，在軟件上就形成了讀按鈕編碼電路模塊。

系統軟件大致分為八個模塊：讀按鈕編碼電路模塊、樓層檢測電路模塊、控制七段數碼管顯示樓層電路模塊、電梯選向電路模塊和系統非正常工作狀態及電機調速拖動電路模塊、減速點信號產生電路模塊、電梯轎箱開關門電路模塊和按鈕記憶燈顯示電路模塊。

樓層檢測電路模塊主要是讀入樓層編碼并將該記憶信號存入對應的中間寄存位，直到樓層改變為止。

控制七段數碼管顯示樓層電路模塊主要控制兩片七段數碼管的顯示。

電梯的選向模塊主要是完成電梯在響應呼叫時作出的向上運行還是向下運行的判斷。該模塊有兩個對系統來說特別重要的中間量輸出，即上行中間寄存位和下行中間寄存位。

系統正常工作狀態及電機調速拖動電路模塊將系統初始化過程、強制工作過程及電機調速拖動過程合并為一個模塊。

減速點信號產生電路模塊完成將減速點信號通知系統的任務。電梯在運行到目標樓層檢測點時要進入減速狀態，而電梯在運行過程中會碰到很多的樓層檢測點，只有到目標樓層的檢測點時才會發出減速通知，電梯在經過目標樓層檢測點時接到這個信號就開始減速了。

電梯轎箱開關門電路模塊和按鈕記憶燈顯示電路模塊是為了便于控制組成的模塊，分別控制轎箱的并關門和按鈕接過之后需要記憶顯示的發光二極管電路。

（三）系統調試

電梯系統為模擬實用旅客電梯系統的教學實驗裝置。它能實現實際旅客電梯系統的絕大部分功能，包括：門廳召喚功能、轎箱內選層功能、順向截梯功能、智能呼叫保持功能、電梯自動開關門功能、電梯手動開關門功能、清除無效指令功能、智能初始化功能、消除/檢修功能、樓層顯示功能和電梯平滑變速功能。

雖然本電梯控制系統已能滿足基本的電梯運行要求，但仍有許多需要改進的地方：

1．增加與微機通信的接口，實現聯網控制，多臺電梯的綜合控制由微機完成。
2．優化電梯的選向功能，使之能隨客流量的變化而改變，達到高效運送乘客的目的。
3．增加出現緊急情況時的電梯處理辦法。
4．需輸入密碼才能乘電梯到達特殊檔層功能，且響應該樓層呼叫時不響應其他樓層呼叫。
5．設置電容感應裝置，如關門時仍有乘客進出，則轎門未觸及人體就能自動重新開門。