PLC电梯控制系统设计与组态监控

山东轻工业学院学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＤＯＮＧＩＮＳ３ＴＦＵＩＥＯＦＬＩＧＨｒＩＮＤＩＩ期限Ｙ

Ｖ越．２ｌＮｏ．３

Ｓｅｐ．２００７

文章编号：１００４—４２８０（２（ｍ）０３—００３７—０３

ＰＬＣ电梯控制系统设计与组态监控

郑新志１，樊育１，郑兆生２

（１．山东轻工业学院电子信息与控制工程学院，山东济南２５０３５３；２．山东轻工业学院后勤管理处，山东济南２５０３５３）

摘要：随着计算机控制技术的发展，使用ＰＩＥ及变频器已成为电梯电气系统控制方案的主要选择。通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文简要介绍了系统与上位机的连接，即通过组态王组态软件对电梯的控制系统和运行状况进行全方位实施监控。

关键词：ＰＩＥ控制；变频器；电梯；组态软件

中图分类号：ＴＰ２１６．１文献标识码：Ａ

ＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｅｌｅｖａｔｏｒｓ

ＺＨＥＮＧＸｉｎ．ｚｈｉｌ，ＦＡＮＹｕｌ，ＺＨＥＮＧＺｈａｏ－ｓｈｅｎ９２

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎ西ｎｅｅ她，ＳｈａｎｄｏｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｎ７，Ｊｉｎａｎ２５０３５３，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｅｒｖｉｃｅｓＭａｎａｇｅｍｅｎｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｈａｎｄｏｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｊｉｎａｎ２５０３５３，‰）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｏｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒｂｙｕｓｉｎｇＰＩＥａｎｄｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｎｇｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｓｏｎａｂｌｅｃｈｏｉｃｅａｎｄｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｖｅｌｉｓｒａｉｓｅｄ，ｔｈｅｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅｆｅｅｌｉｎｇｉｎｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒｍｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．ＳｏｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒＣａｌｌａｃｈｉｅｖｅｍｏｒｅｉｄｅａｌｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔ．Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌ－

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Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ＰＩＥｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｎｇｅｒ；ｅｌｅｖａｔｏｒ；ＫｉｎｇＶｉｅｗｓｏｆｔｗａｒｅ

随着科学技术的进步和生活水平的提高，高层建筑日益增多，电梯已经成为人类不可缺少的垂直运输工具。电梯的技术水平和使用量也成为衡量社会现代化程度的标志之一。从１８８９年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力至今已有１００多年的历史，特别是自７０年代中期进入微电子时代以来，自动化控制技术日新月异，诸如模糊逻辑、专家系统、神经网络等智能控制技术也引用到了现代电梯控制中来，实现了电梯交通最优配置和控制，即达到高速、安全、可靠、智能、环保和人性化的目的。

电梯控制技术的发展经历了继电器接触控制、交流双速控制、直流变压调速控制、交流变压变频控制和计算机控制诸阶段。目前，传统的继电器接触系统由于体积大、可靠性低、工作寿命短等缺陷已经被淘汰。基于计算机控制技术的电梯控制系统有单片机、嵌入式系统、工控机、ＰＩＥ等，较为流行的是ＰＩＥ和变频器组合的电梯调速控制系统。

电梯是机电一体化的复杂系统，不仅涉及机械传动，电气控制和土建安装等工程领域，还要考虑快速、可靠、舒适和美学等问题。电梯设计既重视技术的先进性也考虑到普及型电梯的巨大市场。普及型

收稿日期：２００７—０１—１０

作者简介：郑新志（１９５ｌ一），男，山东省淄博市人，山东轻工业学院电子信息与控制工程学院副教授，大学本科，主要研究方向：ＰＬｃ、变频器及工业网络的研究及应用．

　万方数据３８山东轻工业学院学报第２ｌ卷

电梯的特征是电梯配置满足最低使用要求，价格比较低廉，故障率低，可靠性高，经久耐用。显然，ＰＩＥ和变频器组合的电梯控制系统符合这一特点。

电梯的电气系统由控制和拖动两部分组成。现在分别介绍其设计思想、设计过程以及本设计的一些特点。本设计是以ＰＩＥ、变频器为传动控制的中枢，光电旋转编码器进行速度反馈和位置检测，组态王组态软件则对电梯的控制系统和运行状况进行全方位实时监控。

１电梯控制系统设计

可编程序控制器（Ｐｒｏ耐ｌｅＩ－００ｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ简称Ｐ比）是以微处理器为核心，综合了计算机控制、自动化、通讯网络等技术的一种通用的工业控制装置。ＰＬＣ电梯控制系统有如下的特点：１、ＰＬＣ是基于工业环境下设计的控制装置，环境适应性强，可靠性高；２、ＰＩＥ最常用的编程语言是梯形图语言，编程语言形象、直观，编程简单，便于广大现场工程技术人员掌握。３、ＰＬＣ控制系统的体积小，重量轻，便于安装，维修方便。４、ＰＬＣ具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能，可以方便的实时监视系统的运行状态。５、现代ＰＬＣ具有传统控制系统无法比拟的远程数据传送、交换、控制和监视的网络通讯功能。

１．１系统结构和控制器选型

电梯的ＰＩＥ控制系统的结构如图１所示，主要硬件包括：可编程控制器ＰＬＣ、变频器、光电旋转编码器、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、门机及其他电气元件等。

图１系统结构图

本设计根据楼层和控制要求可选西门子Ｓ７—２００或Ｓ７—３００系列ＰＬＣ。ｓ７—２００系列属于小型可编程序控制器，但也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。由于ｓ７—２００比Ｓ７—３００价格低廉很多，因此ｓ７—２００系列ＰＩＥ是满足控制要求前提下的首选。Ｉ／０点数是ＰＩＥ的一项重要指标，合理选择Ｉ／Ｏ点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资降低。

可供本系统选择的ＰＩＥ配置有：主机ＣＰＵ２２６、ＥＭ２２３数字量扩展、ＥＭ２３５模拟量模块、ＥＭ２５３位置控制模块、连接以太网的ＣＰ２４３通讯模块等。

１．２系统软件设计

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制，其主要由主控制器、操纵装置，位置显示装置，平层装置等组成。根据电梯的运行规律和控制要求，在编写电梯的ＰＬＣ程序时，采用了模块化的编程思想，其程序主要包括以下几个模块：电梯的启动程序、呼叫信号程序（包括轿内指令及厅门指令）、楼层显示程序、开关门程序、电梯选向程序、电梯换速程序、报警程序等。本设计采用集选控制方式，此外电梯还可构成有司机／无司机控制、消防运行、并联运行、检修运行等。

楼层计数采用相对计数方式。运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应Ｎ层电梯分别存人Ｎ个内存单元。脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测程序，通过实时检测确保系统正常运行。１．３控制程序实现的功能

轿内指令功能：由司机或乘客在轿内控制电梯的运行方向和到达任一层。

厅外呼梯功能：由乘客在厅外呼唤电梯前往该层，最低层和最高层分别只有上呼和下呼功能，中间层同时具有上呼下呼功能。

减速平层功能：电梯到达目的层前的某一位置时，能自动地使电梯开始减速，当到达目的层站平面时，能自动使电梯停止。

选层、定向功能：当电梯接受的若干个轿内、厅外指令时，能根据电梯的目前状态选择最合理地运行方向及停靠层站。

指示功能：能在各层厅站及轿箱内指示电梯当前所处位置，能在某按钮信号被响应时消去其记忆。同时这些楼层信号还要在其他的逻辑控制环节中起某些控制作用，以保证电梯的可靠运行。

保护功能：当电梯出现异常情况如超速、断绳、越限、运行中开门、过载等现象时，控制电梯停车或不能开动，同时将信息传到控制室并有声光报警。１．４电梯运行方式

运行控制方式采用集选控制，微处理器将轿厢

　万方数据第３期郑新志，等：ＰＩＥ电梯控制系统设计与组态监控３９

内指令与厅外召唤等各种信号集中进行综合分析处理的高度自动控制功能。它能对轿厢指令、厅外召唤登记，停站延时自动关门起动运行，同向逐一应答，自动平层自动开门，顺向截梯，自动换向反向应答，能自动应召服务。只在下行时具有集选功能，因此厅外只设下行召唤按钮，上行不能截梯。

２电梯的电力拖动系统设计

电梯的电力拖动系统对电梯的启动加速，稳速运行，制动减速起着控制作用。驱动系统的优劣直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘座的舒适性等指标。虽然直流电动机、永磁同步无齿轮的电机具有调速性能好，调速范围大，平稳、舒适的特点，但维护工作量较大，造价高。

８０年代初，ｗⅦ变频变压系统控制的电梯问世。它采用交流电动机驱动，却可以达到直流电动机的水平，目前控制速度已达６ｍ／ｓ。变压变频调速控制电梯速度调节平滑，获得十分良好的乘坐舒适感，并且能降低电动机的起制动电流，与其他类型交流调速系统相比运行效率高、节能效果显著，是目前流行的电梯电力拖动系统。

调速传动部分采用西门子公司矢量控制变频器ＭＭ４４０，该系列变频器具有结构紧凑，运转可靠，性能优良等特点，尤其是其良好的低速运行特性更适合于电梯上的应用。连在电梯电机轴头的旋转编码器用来检测电梯的运行速度和运行方向，编码器和变频器之间用屏蔽电缆相连，该电缆连接于变频器反馈模块，电梯运行时编码器将电梯的实际运行速度反馈给变频器，变频器将实际速度与变频器内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率及电压，使电梯的实际速度跟随变频器内部的给定速

度，达到调节电梯速度的目的。为提高控制精度，本设计选用的是西门子Ｅ６８２慨Ｃ系列、９００Ｐ／Ｒ以上的旋转编码器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联结的旋转编码器，产生ａ、ｂ两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时．利用脉冲计数构成速度闭环

变频器运行时要求的输入信号为：上、下行方向指令，零速、爬行、低速、高速、检修速度等各种速度指令和外部故障信号（常闭点）。

变频器输出信号为：（１）变频器准备就绪信号：此信号在变频器运转正常时输出，其常开闭合，通知控制系统变频器可以正常运行。（２）零速信号：当电梯运行速度为零时，此信号输出有效。电梯开始运行后，此信号断开。在每个运行过程结束时此信号通知控制系统，控制系统根据此信号完成抱闸、停车等动作。（３）故障信号：变频器正常时此信号无输出，当变频器出现故障时，此信号输出，通知控制系统，控制系统作出响应，给变频器断电。

电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度口和加速度变化率Ｐ的大小，过大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。同时，为保证电梯的运行效率，ａ、Ｐ的值不宜过小。能保证ｏ、Ｐ最佳取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲线。本设计采用的ＭＭｄｄＯ变频器就具有Ｓ曲线加速时间设定功能，故将加速时问和Ｓ曲线加速时间配合调整，即可获得理想的抛物线一直线综合速度起动曲线，如图２所示。

图２电梯理想运行曲线

３电梯控制系统组态监控设计

随着现代网络技术的发展，实时监控，人机交换得到了飞速的发展。现代的控制系统与以往的最大区别就是交互性越来越高，传统的控制方式需要很多工作人员分布在现场，而现在只需一名工作人员坐在控制室计算机前便可对整个控制系统进行全方位的监控。工业自动化组态软件的发展为实现系统的监视、控制与管理等功能带来了极大的方便。组态监控比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。

本系统采用的组态王是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，能够在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上运行。通过对现场智能设备ＰＬＣ和变频器数据的采集处理，检验电梯ＰＬＣ控制系统的运行情况。利用组态软可完成对画面的设计、动画的连接等工作：用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与Ｉ／Ｏ服务程序的数据交换，通过实时数据库管理从一组现场控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。

（下转第８６页｝

　万方数据山东轻工业学院学报第２２卷

０．０８７ｌ＇ｎｎ＇ｌ，仿真时间０．００４８。

根据针床横移４个针距的距离为８．４６６８Ｉｎｌｎ，滚珠螺杆的螺距为１０ｉｎｉｎ，步进电机的步距角０ｂ＝１．８０９步进电机的轴直径Ｄ＝６．３ｎⅡｎ，可得步进电机在０．５ｓ内转过的设计角度口为：

侈＝鼍萨＝３０４．８。

在０．５ｓ内，步进电机所走过的步数／１，为：

日

ｎ２奇２１６９・３３６

因此步进电机每转一步，针床横移机构的设计平均距离为：

器罴＝ｏ．０５ＩＴｌｌｎ＜０．０８７ｌ／ｌｉｎ

所以在脉冲为２５０Ｈｚ时，步进电机起动失步，应降低起动频率。

图４横移机构位移曲线

试给脉冲／＝２００Ｈｚ，此时Ｔ＝１２５０Ｎ・ｒａｉｎ，ＴＬ＝４６３Ｎ・ｉｎｉｎ，仿真时间ｏ．００５ＳＴ得仿真结果如图５所示，从ＡＤＡＭＳ的后处理模块中可知在／＝２００Ｈｚ起动脉冲频率下针床走过的距离为０．０５ｍｍ，即电机正常起动。

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４结束语

图５横移机构位移曲线

综上可知，运用ＡＤＡＭＳ软件对选针机构和横移机构运动进行动态仿真，可得到以下结论：（１）虚拟样机可以反复仿真试验，能优化横移机构的设计，减少了由于制造物理样机为设计带来的不便；（２）使横移机构的设计更能满足实际控制的要求，缩短了设计周期。

参考文献：

［１】许吕崧．针织工艺与设备［Ｍ］．北京：中国纺织出版社，１９９９．［２］王国强．虚拟样机技术及其在ＡＤＡＭＳ上的实践［Ｍ］．西安：西北工业大学出版社，２００２．

［３］陈立平，张云清．机械系统动力学分析及ＡＤＡＭＳ应用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．

（上接第３９页）

利用组态王软件设计监控系统的主要步骤有：新建一个工程目录和一个工程名称；在设备组态窗口中新建逻辑设备，在本设计中选择西门子ｓ７—２００ＰＬＣ、ＰＰＩ通讯协议、设备地址和通讯口，并正确设置其属性；命名新Ｉ／Ｏ设备名称并优化设备信息。正确设置组态软件中数据变量与ＰＬＣ数据地址的连接，即可实现ＰＬＣ与组态软件的通讯，将ＰＩＥ中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合，使计算机对ＰＬＣ发出的信号有响应。在组态软件的用户窗口中，制作一个动画界面。在界面上设置各个控件的属性，使设置的控件按照真实的情况动作，检验和测试电梯ＰＬＣ控制系统对电梯的运行状态的控制效果。组态王用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面。组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，可以对实时数据进行可视化处理。实践证明，将ＰＬＣ、变频器和组态王软件结合即可达到较好的控制效果又可方便地监控电梯控制系统的工作运行。

参考文献：

［１］李慧升．电梯控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．［２］廖常初．ＰＩＥ编程及应用［Ｍ］，北京：机械工业出版社，２００５．［３］周玮．电梯监控系统的设计与实现［Ｊ］．微型机与应用，２００４（２）：３８—４０．

［４］周美兰．ＰＩＥ电气控制与组态设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２００Ｂ．

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