基于PLC的办公楼电梯控制系统设计

[15]对电梯的选型、布置原则、调试、故障诊断和维修等方面作了简要的介绍，并对自动扶梯，液压梯，杂物梯，自动人行道作了简要的分析和介绍。总而言之，PLC是一种具有可编程性、实时性、易于维护性、灵活性、兼容性和扩展性等诸多优点的高性能可编程控制装置，在工作过程中呈现出良好的稳定性、高可靠性和高抗干扰性，从而使其在机械、生产、过程等各个领域得到了广泛的应用，并在电力、交通、化工等多个领域得到了广泛的应用，在电力、交通、化工等多个行业中使用PLC控制系统，能够提高生产效率，减少人为干预，保证工业运行的安全性，从而达到降低成本，增强竞争能力，达到可持续发展的目的。PLC硬件系统是保障其正常工作的基础，同时还是它的核心组成，它是将很多关键的硬件设备有机地组合在一起，其具体的硬件系统结构如图3.1所示。图3.1PLC硬件系统结构示意图它的核心是CPU、内存、输入/输出、电源、I/O扩展、外设等可编程序控制器有两种基本工作方式：一种是停机状态，在这种状态下，PLC不再对所联接的其他系统进行控制；第二种方式为工作方式，即PLC接收输入的信号，执行内部的程序，实现对相应的装置的控制。PLC的工作方式就是一个由采集输入、用户程序执行和输出更新三个核心步骤组成的连续循环过程。如图3.2所示。图3.2PLC的工作原理示意图3.1.2PLC的选型目前PLC市面上品牌众多，主要分为日系、韩系、美系和德系，日系主要包括三菱、欧姆龙等品牌；韩系主要以LS为主；美系主要以莫迪康、罗克韦尔为准；而德系主要以工业巨头西门子为主。这些品牌中，德国西门子的市场占有率最高，功能最强，自1994年西门子推出具有跨时代意义的西门子S-200系列PLC之后，其便稳稳占据PLC领域的头把交椅，后来又陆续推出了西门子S7-200SMART、S7-1200、S7-1500等系列，均畅销全球且供不应求，其市场占有率高的原因除了功能强大之外，还有编程简单、故障率低等优势，十分符合工业使用的要求，所以本次选用西门子系列的PLC。由于西门子200系列已经停产，所以本设计使用西门子目前主流的1200系列小型PLC，其实物图如图3.3所示其相关参数如下表3.1所示图3.3PLC实物图表3.1西门子1200CPLC参数项目参数供电电压DC24V输入点14个数字量输入点输出点10个数字量输出点通讯接口2个以太网接口，1个RS485接口模拟量输入2路0-10V模拟量输入模拟量输出2路0-20ma模拟量输出拓展IO数量284工作存储器125KB装载存储器4MB位存储器8192字节布尔运算速度0.08微秒/指令数学运算速度0.08微秒/指令3.1.3其他硬件选型（1）曳引电机选型1）伺服电机：又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而下降。2）步进电机：通俗一点讲就是当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。直流电机：输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机。本设计选用YTW20永磁同步无齿轮曳引电机具有悬挂比大，自重轻的特点。（2）变频器选型1）电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。2）电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。本设计选用三菱E740变频器相较于FR-E700系列的其他变频器，E740变频器以高性价比和可靠性著称，适合需要精确控制与节能的中小型自动化系统。（3）压力传感器选型测超重。1）金属应变片式：结构简单、成本比较低，一般应用于工业压力测量。2)电阻式压力传感器：高稳定性、低功耗，应用于微小压力测量。3)压阻式传感器：高灵敏度、快速响应，应用于工业自动化、汽车电子、医疗设备等。本设计主要目的是为了检测电梯重量情况，所以选用MPM288SA型压力传感器,较其他传感器价格低性价比高。3.2电气原理图曳引电机及门电机接线图如图3.4所示图3.4电机接线图图3.4电机接线图轿厢电动机的接线原理：与常规的控制（交流接触器）模式相比，利用变频器对轿厢的操作进行更加的平稳和平稳，在电梯收到一个替换指令向上移动时，PLC输出Q5.1低速、Q2.0正转信号，轿厢开始向上移动，在2秒中之后，Q5.1关闭低速Q5.0开始高速，以高速接近目标层，接近目标层后，上平层信号触发Q5.0高速关闭，启动Q5.1低速使轿厢低速靠近平层，当下平层信号触发，关闭Q5.1低速信号以及Q2.0正转信号，轿厢停稳到达目标层。开关门电机接线原理：当升降机抵达目的地楼层时，PLC输出Q5.2开始高速运转和Q2.2正向旋转的信号。当电梯开启时，与开启的门接触，Q5.2和Q2.2停止输出，7秒之后，PLC触发Q5.2、Q2.3反转关门，关门到位信号收到后，停止Q5.2、Q2.3输出。曳引电机接线图如图3.5所示图3.5电梯上下行主电路图图3.5电梯上下行主电路图曳引电机驱动主线路图：PLC输出Q2.0，交流接触器KM1线圈得电，辅助触点闭合，电机正转上行；PLC输出Q2.1，交流接触器KM2线圈得电，辅助触点闭合，电机正反转下行；KM1与KM2互锁保护。传统电路（交流接触器）开关门电机驱动接线图如图3.6所示图3.6电梯门电路图图3.6电梯门电路图开关门电机驱动接线图：PLC输出Q2.4，交流接触器KA1线圈得电，辅助触点闭合，交流接触器KM5线圈得电，电机正转开门；交流接触器KA2线圈得电，辅助触点闭合，交流接触器KM6线圈得电，电机反转关门；KM1与KM2互锁保护。3.3PLC的I/O图及接线图在与WinCC通信时，为了便于模拟调试和提高读取和写入的速度，把全部的输入/输出变量都放在数据库模块中，在数据库模块中，输入变量放在DB43中，输出变量放在DB44中，如表3.2所示表3.2部分输入输出地址分配输入变量地址输出变量地址一号梯1层内呼M1200.41号梯上行指示M1224.2一号梯2层内呼M1200.52号梯上行指示M1224.3一号梯3层内呼M1200.61号梯下行指示M1224.4一号梯4层内呼M1200.72号梯下行指示M1224.5一号梯5层内呼M1201.01号轿厢电机MD20一号梯6层内呼M1201.12号轿厢电机MD30一号梯7层内呼M1201.41号梯1层显示M7.3一号梯8层内呼M1201.51号梯2层显示M7.4一号梯9层内呼M1201.61号梯3层显示M7.5一号梯10层内呼M1201.71号梯4层显示M7.6一号梯11层内呼M1202.01号梯5层显示M7.8一号梯12层内呼M1202.11号梯6层显示M8.0一号梯13层内呼M1202.21号梯7层显示M8.1一号梯14层内呼M1202.31号梯8层显示M8.2一号梯15层内呼M1202.41号梯9层显示M8.31层外呼上M1211.01号梯10层显示M8.42层外呼上M1211.11号梯11层显示M8.53层外呼上M1211.21号梯12层显示M8.64层外呼上M1211.31号梯13层显示M8.75层外呼上M1211.41号梯14层显示M9.06层外呼上M1211.51号梯15层显示M9.17层外呼上M1211.62号梯1层显示M9.28层外呼上M1211.72号梯2层显示M9.39层外呼上M1212.02号梯3层显示M9.410层外呼上M1212.12号梯4层显示M9.511层外呼上M1212.22号梯5层显示M9.612层外呼上M1212.32号梯6层显示M9.713层外呼上M1212.42号梯7层显示M10.014层外呼上M1212.52号梯8层显示M10.115层外呼上M1212.62号梯9层显示M10.21层外呼下M1212.72号梯10层显示M10.3续表3.2部分输入输出地址分配输入变量地址输出变量地址2层外呼下M1213.02号梯11层显示M10.43层外呼下M1213.12号梯12层显示M10.54层外呼下M1213.22号梯13层显示M10.65层外呼下M1213.32号梯14层显示M10.76层外呼下M1213.42号梯15层显示M11.07层外呼下M1213.51号梯AM1230.48层外呼下M1213.61号梯BM1230.59层外呼下M1213.71号梯CM1230.610层外呼下M1214.01号梯DM1230.711层外呼下M1214.11号梯EM1260.012层外呼下M1214.21号梯FM1260.113层外呼下M1214.31号梯GM1260.214层外呼下15层外呼下2号梯1层内呼2号梯2层内呼2号梯3层内呼2号梯4层内呼2号梯5层内呼2号梯6层内呼2号梯7层内呼2号梯8层内呼2号梯9层内呼2号梯10层内呼2号梯11层内呼2号梯12层内呼2号梯13层内呼2号梯14层内呼2号梯15层内呼1号梯开门2号梯开门1号梯关门2号梯关门M1214.4M1214.5M1214.7M1215.0M1215.1M1215.2M1215.3M1215.4M1215.5M1215.6M1215.7M1216.0M1216.1M1216.2M1216.3M1216.4M1216.5M1216.6M1216.7M1217.0M1217.12号梯A2号梯B2号梯C2号梯D2号梯E2号梯F2号梯GM1260.3M1260.4M1260.5M1260.6M1260.7M1270.1M1270.2PLC外部接线图，如图3.7所示图3.7PLC外部接线图

4控制系统软件设计4.1初始化与待载休眠电梯在每一次重新上电时，电梯首先会以高速运行到顶楼，在电梯达到顶楼时，上行继电器会断开，下行继电器运行，电梯以相同的速度反向运行到底楼，此时初始化完成，电梯会在没有响应时进行省电模式同时关闭电梯内部的灯光。电梯每一次重新上电之后，都要对其进行初始化，在当前的设计中，在按下自动运行按钮之后，首先是由上往下，然后是由上往上的楼层，在与上一层的限制信号相接触时，上触头就会被关闭，而下一层的时候，则会启动下一次的触点，在到达第一层之后，就会完成初始化，然后就会等着呼叫。如图4.1所示。图4.1初始化程序当电梯在运行过程中只要有上下行或开关门操作轿厢内的照明常亮。如图4.2所示。图4.2工作状态下灯的状态到达某一层后，长时间没人呼梯，轿厢内灯熄灭，直至乘客下次呼梯，轿厢灯再次启动，节省能源。如图4.3所示。图4.3休眠状态4.2内外呼登记与复位当乘客按下轿厢内部或外部呼梯按钮时，对两部电梯的相对位置做出判断距离较近的电梯按钮指示灯置位并保持，当运行至目标楼层时，该层内呼或外呼指示灯的登记复位，直到下次有人按下时再动作。如图4.4所示为呼梯登记及消除子流程。图4.4内外呼登记与消除子流程4.2.1内选的记忆与消除若乘客在电梯内部选择3层，电梯到达3层后，电梯内部的3层按钮会取消选中状态。这一过程确保了电梯的准确性和可视性。图4.5内选三层图4.6内选三层登记图4.7到达三层内选消除4.2.2外呼的记忆与消除两部电梯都在运行过程中，若收到电梯外部的指示此时电梯会将接收到的信号存储下来进行判断选择一部同向的电梯进行响应，这部电梯会先将正在执行的指令完成之后来执行外部记忆的指令，当指令执行完毕，楼层到达之后电梯存储下来的信号会自动消除以便于下一次记忆；当一部电梯运行一部电梯空闲时，此时外部有输入信号此时会将信号存储下来之后判断优先响应空闲电梯来执行此指令，当楼层到达之后，会自动消除该指令，以便于下一次记忆。下图为电梯上行途中同时接收到四层上下行呼叫，进行记忆和指示灯的情况如图4.8和图4.9所示。图4.8外呼记忆图4.9外呼复位消除4.3换向控制本方案采用顺向响应，逆向忽略的方案进行设计，当两部电梯在同向运行过程中存在同向的输入信号，电梯会将这些输入信号记录下来一次响应执行，当有与电梯运行反向的输入信号的电梯会判断首先完成指令的一部电梯进行响应另一部电梯忽略这些信号；当两部电梯处于不同方向时，同向的电梯会记录同向的信号，忽略反向的信号；当一部电梯运行，一部电梯空闲时，运行电梯同向信号会被该电梯记录下来依次响应，反向信号由另一部电梯记录下来进行响应，如图4.10、4.11所示。图4.10换向控制子流程图4.11换向判断图4.11换向判断4.4开关门程序设计若电梯已抵达旅客所按动的目标楼层，并收到一上平层信号及一下平层信号，则表示该电梯已准确停泊于该目标楼层。在这种情况下，开门和关门过程会进行一系列精密的动作，以保证旅客可以顺利地进出电梯。开门继电器会被置位，这是触发电梯开门动作的关键步骤。在电梯门完全打开之后，系统会保持一段时间的开门状态，以便乘客完成进出动作。当电梯门全部开启后，系统将保留一定的开启时间，方便乘客进入或离开。同时，电梯内部的控制面板会显示当前楼层的信息，以及是否还有其他楼层的呼叫请求。当乘客完成进出动作，并且电梯内部没有进一步的呼叫请求时，关门继电器将被置位，电梯门开始缓缓关闭。在关门过程中，系统会检测门的关闭状态，确保门完全关闭并锁定，以确保电梯的安全运行。在乘客进入和离开后，没有更多的要求，闭合继电器就会启动，而电梯门就会慢慢闭合。当电梯门关上时，该系统将自动侦测到其闭合状况，以保证电梯的安全性。流程图如图4.12所示。图4.12开关门子流程当电梯到达指定的楼层高度时，就会启动电梯的门，让电梯的门自动打开。当电梯门打开后，为了保证有充足的时间，系统会设定5秒钟的延迟，在此之后，电梯门会自动关上。另外，电梯内设有手动开门和关门按键，当电梯停稳后，旅客可凭此快速开门及关门，减少等候时间。下图为电梯门全部打开，经过5秒延迟之后，闭合继电器开始工作，最后，电梯门全部闭合。直到电梯门彻底关上，电梯才能继续前进。如图4.13和4.14所示图4.13开门到位、延时、置位关门图4.14关门到位4.5上下行指示及楼层显示当电梯上升时，如果停在某个层，则相应的常闭接点将被断开。如果在这个时候，有超过那一层楼的要求，电梯就会回应上一次的呼叫，并且发起一次向上的动作，这时，上行接触器就会被启动，而电梯的状态就会被显示出来。反之，若电梯已作好下行的准备，其将转为向下。如图4.15所示。同时，本系统还提供了一种新的、可供选择的、可供选择的楼层显示器。特别是，在电梯上升并且收到上平层信号的情况下，楼层计数器将上升1；与此形成对比的是，当电梯向下移动并收到一个向下的平层信号时，楼层计数会下降1。这种改变将立刻被显示在电梯内部显示屏上以及大厅外面的显示屏，让乘客清楚地了解各楼层的情况。通过这种方式，乘客可以实时地掌握目前的位置及运行方向。图4.15上下行指示子流程电梯是按同向进行响应电梯上行时上行接触器会启动电梯会启动上行指令如图4.16所示。图4.16上行指示当遇到平层信号时，电梯会通过计数器来进行存储楼层数此时来输出给数码管。如图4.17所示。图4.17楼层计数4.6换速及停层控制电梯在运行过程中，当即将到达下一层楼层时，电梯会由高速状态转换为低速状态并且在到达指定楼层后精确停车，判断是否到达指定楼层，确认到达指定楼层之后，上行接触器与低速继电器会断开，电梯开门。如图4.18所示为换速控制子流程图。图4.18换速控制子流程4.7电梯安全防护4.7.1超重防护本设计电梯的核载重量为1050kg是排除电梯自重，当电梯内部的总重量达到1050kg及以上时，电梯会进行报警提示同时电梯门不会关闭上下行继电器断开，当电梯内部总重量小于1050kg时电梯会恢复继续运行。如图4.19所示。图4.19超重及指示4.7.2光幕防护在电梯到达指令楼层时，如果有人员或货物出入时电梯光幕检测到之后，会延长电梯关门时间，当光幕为检测到有人员或货物出入时在短暂的延时之后会进行关门。如图4.20所示。图4.20光幕防护

5程序仿真5.1仿真连接与电梯初始化图5.1仿真连接图5.1仿真连接如图5.1所示，选择TP1900Comfort设备连接到PLC1的网络端口。按下归首按钮电梯先上升到顶层，接触到上端站限位信号后上行接触器断开，下行接触器动作，下降到1层后初始化结束，等待呼梯，如图5.2、5.3所示图5.2电梯初始化到达顶楼过程图5.3电梯初始化到达底楼等待响应5.2内外呼登记与消除5.2.1内呼的记忆与消除当电梯运行时内部按下3层本部电梯会运行到相应位置显示，到达后信号会自动消除，如图5.4、5.5所示。图5.4一号电梯上行三层过程图5.5一号电梯到达三层信号消除5.2.2外呼的记忆与消除当外部按下3层下行时，会对两部电梯相对于三层的相对位置进行判断选出最近且同向的电梯进行响应如图5.6、5.7所示图5.6外呼三层下行图5.7外呼三层到达5.3换向控制一号电梯在执行六层下行时，二号在执行14层外呼指令时，此时外呼电梯6层上行电梯会判断同向电梯进行响应，二号电梯执行外呼六层上行指令。如图5.8、5.9所示。图5.8一号电梯下行，二号电梯到达14层图5.9二号电梯执行六层上行指令5.4电梯安全防护5.4.1超重防护如图5.10所示是响应结束一号电梯在第5层时内呼八层，因为电梯设置限重为1050kg，由于此时轿厢内重量为1050kg达到1050kg，超重指示灯亮，保持开门，电梯不运行。图5.10超重及超重指示监控5.4.2光幕防护如图5.11所示是电梯到达后当有人进出电梯是光幕会就检测到电梯门将不会关闭。图5.11光幕防护

结论在现代建筑科技的飞速发展下，电梯已经成为办公空间中不可缺少的纵向运输方式。以可编程控制器（PLC）为核心，以其效率、可靠性、柔性等优点，在电梯控制领域得到了广泛的应用。根据以办公楼电梯控制系统为设计对象，以可编程控制器为核心，设计出一套集自动定位、停车控制、楼层位置显示和电机运行监控于一体的控制系统。采用可编程控制器，使电梯工作更加可靠、稳定，同时也减少了维修费用。在硬件上，根据电梯控制系统的要求，选择了性能优良的PLC型号，并配有相应的输入、输出模块。在此基础上，设计了合适的硬件结构，并对各模块的输入、输出进行了合理的分配，从而达到了较高的工作效率。在软件设计中，运用模块化编程的思路，对电梯控制系统进行了功能划分，包括呼叫信号处理模块、电梯运行控制模块、楼层位置显示模块等。在此基础上，编制了相关的程序语句及流程图，使各个功能相互协调，最终完成了整个电梯的总体设计。通过现场试验，该系统能正常工作，达到了设计指标。在电梯运行时，通过PLC对呼叫、命令等信息进行正确的接收，并对其进行处理，从而达到对电梯进行自动定位、停车控制的目的。同时，对电梯的工作状况进行了实时监控，保证了电梯的安全性。

参考文献徐涛,阮承治,郭波,等.电气控制与PLC在城市照明系统的虚拟仿真[J].流体测量与控制,2025,6(02):22-25.何惠冬,王治华.PLC中电梯群控策略及算法实现[J].东方电气评论,2025,39(01):65-71.何比干,郭竟尧,刘伦东,等.电梯