V80系列PLC在電梯控制系統中的應用

摘要：可編程控制器（PLC）因其簡單易用、可靠性好和維修方便等優點，在電梯控制領域應用極為廣泛。本文以V80系列PLC為例，分別從電梯控制系統的構成及工作原理、系統PLC配置方案和軟件設計等方面，詳細闡述了PLC在電梯控制系統中應用。

一、前言

電梯控制系統主要由調速部分和邏輯控制部分構成。調速部分的性能對電梯運行時乘客的舒適感有著重要作用，目前，大多選用高性能的變頻器，利用旋轉編碼器測量曳引電機轉速，構成閉環矢量控制系統。通過對變頻器參數的合理設置，不僅使電梯在運行超速和缺相等方面具備了保護功能，而且使電梯的起動、低速運行和停止更加平穩舒適。變頻器自身的起動、停止和電機給定速度選擇則都有邏輯控制部分完成，因此，邏輯控制部分是電梯安全可靠運行的關鍵。

早期的電梯邏輯控制采用繼電器方式，存在故障率較高、可靠性差、接線復雜、通用性差等缺點，因此，繼電器已退出了歷史的舞臺，取而代之的是性能穩定可靠、結構簡單且移植性好的PLC和微機控制系統。微機控制使得電梯控制系統體積減小、節省能源、可靠性提高，尤其是對群控、通訊等復雜電梯控制功能更具優越性，因此，微機控制系統多應用在性能要求較高的高檔客梯中。

但是，目前許多電梯廠商所謂的“微機控制系統”只不過是制造商改型后的電梯專用PLC，從嚴格意義上講，它只是PLC家族中的一種，甚至其編程方式和硬件接口都可以兼容某種型號的PLC。而由于可編程控制器（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、移植性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機接口、維修方便等諸多優點。因此，PLC在電梯控制領域得到了更為廣泛而深入的應用。

V80系列PLC以其可靠性高、運算速度快、產品成本低和電梯專用客制化服務等優點，已在多家電梯廠家中的電梯生產及改造中獲得了應用。本文以一臺4層4站的別墅電梯控制系統為例，闡述了V80系列PLC在電梯控制系統的設計思想和實現方案。


二、電梯控制系統構成

電梯控制系統主要由變頻調速主回路、輸入輸出單元以及PLC單元構成，由如圖1所示，用來完成對電梯曳引電機及開關門機的起動，加減速，停止，運行方向，樓層顯示，層站召喚，轎箱內操作，安全保護等指令信號進行管理和控制功能。

變頻調速主回路由三相交流輸入、變頻調速驅動、曳引機和制動單元構成，變頻器采用日本安川公司矢量控制電梯專用變頻器616G5，其具有良好的低速運行特性，適合在電梯控制系統中應用。三相電源R、S、T經接線端子進入變頻器為其主回路和控制回路供電，輸出端U、V、W接電動機的快速繞組，外接制動單元減少了制動時間，加快制動過程。旋轉編碼器用來檢測電梯的運行速度和運行方向，變頻器將實際速度與變頻器內部的給定速度相比較，從而調節變頻器的輸出頻率及電壓，使電梯的實際速度跟隨變頻器內部的給定速度，達到調節電梯速度的目的。變頻器輸入信號為：上、下行方向指令，零速、爬行、低速、高速、檢修速度等各種速度編碼指令，復位和使能信號。變頻器輸出信號為：（1）變頻器準備就緒信號，在變頻器運轉正常時，通知控制系統變頻器可以正常運行；（2）運行中信號，通知PLC變頻器正在正常輸出；（3）零速信號，當電梯運行速度為零時，此信號輸出有效并通知PLC完成抱閘、停車等動作；（4）故障信號，變頻器出現故障時，此信號輸出有效并通知PLC作出響應，給變頻器斷電。

輸入輸出單元為PLC的I/O接口部分，主要由廳外呼叫、轎箱內選層、樓層及方向指示、開關門、井道內的上下平層、上下強迫換速開關、門鎖、安全保護繼電器、檢修、消防、泊梯、稱重等單元構成。輸入單元為：（1）廳外呼叫單元，用來對各層站的廳外召喚信號進行登記、記憶和消除，而且兼有無司機狀態的“本層廳外開門”功能，全集選方式的呼梯信號為2N-2個（N為層站數），下集選方式的呼梯信號為N個；（2）轎箱內選層單元，負責對預選樓層指令的登記、消除和指示，呼梯信號數為電梯停站層數N；（3）開關門按鈕，輸入PLC控制轎門的開閉（廳門也同時動作）；（4）上下平層裝置，用來保證電梯轎箱在各層停靠時準確平層，通常設置在轎頂，電梯轎箱上行接近預選層站時，上平層感應器限進入遮磁板，電梯仍繼續慢速運行，當下平層感應器再進入遮磁板時，上行接觸器線圈失電，制動器抱閘停車；（5）上下限強迫換速開關，用于保護電梯的高速運行安全，避免電梯出現沖頂或蹲底事故，當電梯到達上下端站時，裝在轎廂邊的上下限強迫換速開關打板，信號輸入PLC，PLC發出換速信號強迫電梯減速運行到平層位置；（6）門鎖裝置（或轎門和廳門聯鎖保護裝置），轎門閉合和各廳門閉合上鎖是電梯正常起動運行的前提；（7）安全回路，通常包括轎內急停開關、轎頂內急停開關、安全鉗開關、限速器斷繩開關、限速器超速開關、底坑急停開關、相序保護繼電器、上下限極限開關等；（8）檢修、消防和泊梯，檢修、消防和泊梯為電梯的三種運行方式，檢修運行為電梯檢修時的慢速運行方式，消防運行有消防返回基站和消防員專用兩種運行狀態，泊梯狀態，消除內選和外呼信號，自動返回泊梯層、關門并斷電；（9）稱重單元，用來檢測轎廂負荷，判斷電梯處于欠載、滿載或超載狀態，然后輸出數字信號給PLC，根據負載情況進行起動力矩補償，使電梯運行平穩。輸出單元為：（1）樓層及方向指示單元，包括電梯上下行方向指示燈、層樓指示燈以及報站鐘等，目前的方向及層樓指示燈主要有七段碼顯示方式和點陣顯示方式，本系統為七段碼顯示方式；（2）開關門單元，用于控制電梯的廳門和轎門的打開和關閉，在自動定向完成或電梯平穩停靠后，PLC給出相關指令，由變頻門機完成開關門動作。

PLC單元為電梯控制系統的核心部分，由PLC提供變頻器的運行方向和速度指令，使變頻器根據電梯需要的速度曲線調節運行方向和速度。通過PLC的合理編程，實現自動平層、自動開關門、自動掌握停站時間、內外呼信號的登記與消除、順向截梯及自動換向等集選控制功能。



三、 PLC的I/O接口配置

PLC選用深圳市矩形科技有限公司的V80系列，PLC的輸入輸出點數可根據需要配置，并可根據用戶的要求增加并聯功能。以編制一臺4層4站的電梯為例，先根據控制要求計算所需要的I/O接口點數，其中輸入點數為32，輸出點數為24。選用V80系列PLC的一個CPU單元M40DR和一個擴展單元E16DR來完成電梯控制系統的邏輯控制。

1、輸入接口：

四、工作過程

電梯控制系統由呼叫到響應形成一次工作循環，電梯工作過程可分為自檢、正常運行、強制運行等三種工作狀態，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。

1．電梯的自檢狀態

PLC后上電，電梯運行進入自檢狀態，檢測項目為：

（1） 供電電壓正常。

（2） 各控制回路電源電壓正常。

（3） 相序正確，相序繼電器吸合，安全回路中各開關接觸良好，急停繼電器可靠吸合。

（4） 關門到位后，各廳門門鎖和轎門門鎖觸點吸合正常，保證門鎖繼電器可靠吸合。

（5） 開、關門回路正常。

（6） 電梯制動器動作正常可靠。

（7） 井道中各開關位置正確，動作可靠。

（8） 上、下限位開關，上、下極限開關位置正確，動作可靠。

（9） 變頻器處于正常工作狀態，準備就緒信號輸出有效。

（10） PLC處于正常工作狀態，其運行模式開關處于RUN狀態。

在以上條件都得到滿足后，電梯才可以進入正常運行狀態，否則，無法進行正常運行。



2．電梯的正常運行狀態

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召喚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）電梯開始起動，通過變頻器驅動電機拖動轎箱運動。轎箱運動速度由低速轉變為中速再轉變為高速，并以高速運行至目標層。

（3）當電梯檢測到目標層減速點后，電梯進入減速狀態，由高速變為低速，并以低速運行至平層點停止。

（4）平層后，經過一定延時開門，直至碰到開門到位行程開關；再經過一定延時后關門，直到安全觸板開關動作。



3．電梯強制運行狀態

（1）檢修運行

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。檢修時，打開檢修開關，PLC程序進入檢修模式，電梯以檢修速度運行。按住強迫上（下）行按鈕，這時上（下）行繼電器吸合，同時抱閘打開，變頻器收到方向信號后，電梯啟動并以檢修速度運行。

（2）消防運行

消防返回狀態： 火災時，設在大廳的消防開關合上后，消除內選和外呼信號，電梯向下返回消防層站，在返回消防層站的過程中，電梯不應答任何內選和外呼信號。

消防員專用狀態：到達消防層后，電梯進入消防員專用狀態，每次只應答一個內選，且只有一直按住內選按鈕，直到關好門后此內選信號才被登記。此狀態下，外呼信號不登記。

（3）泊梯

泊梯開關閉合，進入泊梯狀態。若電梯不在泊梯層，則消除內選和外呼信號，自動返回泊梯層，然后關門，斷開電源繼電器和變頻器電源接觸器，變頻器斷電，進入泊梯狀態。

五、 控制系統軟件設計

1．軟件流程

圖2 PLC控制電梯工作流程圖

2．模塊化編程

電梯控制系統是集選式控制方式，適合采用模塊化編程方法，下面介紹幾個模塊的梯形圖程序：

（1）電梯自檢模塊：安全回路中各開關接觸良好，安全回路信號（10001）輸入，安全繼電器（01169）閉合。當電梯開關門完成（01037），關門到位（01155）輸出為ON，且處于非強制狀態時，如果變頻器無故障輸入（10013），則電梯允許（01038）正常運行。

（2）電梯開關門模塊： 安全繼電器（01069）線圈接通時，有開門信號（10011）或有安全觸板動作脈沖輸入，在進入平層區1秒（02015）后，驅動門機開門，開門繼電器接通；在開門到位信號（10012）或開門到位5秒后，關門繼電器輸出。

（3）平層檢測和強迫減速模塊：當電梯檢測到上、下平層感應器（10009和10010）的輸入信號時，表明電梯已經進入平層區。當電梯上行轎廂碰到上強迫換速開關（10006）時，上強迫換速開關動作，電梯由快速被強迫換速為慢速，并判斷電梯的實際運行樓層（40400）是否運行到最頂層（＃00008）；當電梯下行轎廂碰到下強迫換速開關（10007）時，下強迫換速開關動作，電梯由快速被強迫換速為慢速，并判斷電梯是否運行到最底層（＃00001）。

（4）樓層召喚燈指示模塊：當有樓層召喚登記（如01001）或已有該樓層召喚燈輸出（如00009）時，如果實際運行樓層（40400）不等于召喚樓層，則該樓層召喚燈輸出顯示亮；如果實際運行樓層（40400）不等于召喚樓層，則該樓層召喚燈輸出熄滅。

六、結束語

本文以深圳市矩形科技有限公司生產的V80系列PLC為例，闡述了PLC在電梯控制系統中的應用，分別描述了電梯控制系統的構成及工作原理，并給出了PLC的I/O接口配置及其軟件設計流程和梯形圖的編寫。

通過V80系列PLC在某型號電梯控制系統的現場應用，在廣大電梯使用客戶中獲得了良好的評價，并得到了多家生產廠家對該系列PLC質量和性能的認可，該電梯控制系統只需要稍加改進即可應用于更高性能要求的電梯中。這一切都表明該系列PLC不僅可以滿足電梯對高可靠性的實際需求，而且在控制水平和性能完全可以替代進口的同類產品，并將突破電梯領域應用到更為廣泛的行業，未來前景將更為廣闊。