西門子S7-200 PLC在電梯控制中的應(yīng)用

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高層建筑的不斷增多，電梯作為高層建筑中垂直運行的交通工具已與人們的日常生活密不可分。目前電梯的控制普遍采用了兩種方式，一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實現(xiàn)電梯的自動調(diào)度和集選運行功能，拖動控制則由變頻器來完成；第二種控制方式用可編程控制器取代微機實現(xiàn)信號控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大的區(qū)別。PLC可靠性高，程序設(shè)計方便靈活。本設(shè)計在用PLC控制變頻調(diào)速實現(xiàn)電流、速度雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上，在不增加硬件設(shè)備的條件下，實現(xiàn)電流、速度、位移三環(huán)控制。

2 硬件電路

2．1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

PLC為西門子公司S7-200系列CPU221， PLC接受來自操縱盤和每層呼梯盒的召喚信號、轎廂和門系統(tǒng)的功能信號以及井道和變頻器的狀態(tài)信號，經(jīng)程序判斷與運算實現(xiàn)電梯的集選控制。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號的同時，向變頻器發(fā)出運行方向、啟動、加/減速運行和制動電梯等信號。

2．2 電流、速度雙閉環(huán)電路

采用YASAKWA公司的VS - 616G5 CIM- RG5A 4022變頻器。變頻器本身設(shè)有電流檢測裝置，由此構(gòu)成電流閉環(huán)；通過和電機同軸聯(lián)結(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器，產(chǎn)生a、b兩相脈沖進入變頻器，在確認方向的同時，利用脈沖計數(shù)構(gòu)成速度閉環(huán)。

3 位移和運行曲線控制

電梯作為一種載人工具，在位勢負載狀態(tài)下，除要求安全可靠外，還要求運行平穩(wěn)，乘坐舒適，?？繙蚀_，理想的運行曲線如圖2所示。

3．1 位移控制

采用變頻調(diào)速雙環(huán)控制可基本滿足要求，但和國外高性能電梯相比還需進一步改進。本設(shè)計正是基于這一想法，利用現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成速度環(huán)的同時，通過變頻器的PG卡輸出與電機速度及電梯位移成比例的脈沖數(shù)，將其引入PLC的高速計數(shù)輸入端口0000，通過累計脈沖數(shù)，經(jīng)式(1)計算出脈沖當量，由此確定電梯位置。

電梯位移h=SI

式中I：累計脈沖數(shù)S：脈沖當量

S=lpD／(pr) (1)

本系統(tǒng)采用的減速機，其減速比1=1／20，拽引
輪直徑D=580mm，電機額定轉(zhuǎn)速ne=1450r／ min，旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)對應(yīng)脈沖數(shù)p=1024，PG卡分頻比r=1／18，代人式(1)得

S=1．6mm／脈沖

3．2 速度控制

本方法是利用PLC擴展功能模塊D／A模塊實現(xiàn)的，事先將數(shù)字化的理想速度曲線存入PLC寄存器，程序運行時，通過查表方式寫入D／A，由 D／A轉(zhuǎn)換成模擬量后將理想曲線輸出。

3．2．1 加速給定曲線的產(chǎn)生

8位D／A輸出0～5V／0～10V，對應(yīng)數(shù)字值為16進制數(shù)00～FF，共255級。東洋電梯加速實踐在2．5～3秒之問。按保守值計算，電梯加速過程中每次查表的時間間隔不宜超過10ms。

由于電梯邏輯控制部分程序最大，而PLC運行采用周期掃描機制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令時間間隔過長，不能滿足給定曲線的精度要求。在PLC運行過程中，其CPU與各設(shè)備之間的信息交換、用戶程序的執(zhí)行、信號采集、控制量的輸出等操作都是按照固定的順序以循環(huán)掃描的方式進行的，每個循環(huán)都要對所有功能進行查詢、判斷和操作。這種順序和格式不能人為改變。通常一個掃描周期，基本要完成六個步驟的工作，包括運行監(jiān)視、與編程器交換信息、與數(shù)字處理器交換信息、與通訊處理器交換信息、執(zhí)行用戶程序和輸入輸出接口服務(wù)等。在一個周期內(nèi)，CPU對整個用戶程序只執(zhí)行一遍。這種機制有其方便的一面，但實時性差。過長的掃描時間，直接影響系統(tǒng)對信號響應(yīng)的效果，在保證控制功能的前提下，最大限度地縮短CPU的周期掃描時間是一個很復(fù)雜的問題。一般只能從用戶程序執(zhí)行時間最短采取方法。電梯邏輯控制部分的程序掃描時間已超過10ms，盡管采取了一些減少程序掃描時間的辦法，但仍無法將掃描時間降到10ms以下。同時，制動段曲線采用按距離原則，每段距離到的響應(yīng)時間也不宜超過10ms。為滿足系統(tǒng)的實時性要求，本文在速度曲線的產(chǎn)生方式中，采用中斷方法，從而有效地克服了PLC掃描機制的限制。

本文采用的PLC有三種中斷功能：(1)外部中斷；(2)高速計數(shù)內(nèi)部中斷(3)定周期中斷。前兩種中斷各有8個中斷點，后一種有4個中斷點。在程序中采用了后面兩種中斷方式．起動過程采用定周期中斷，制動過程采用高速計數(shù)內(nèi)部中斷。中斷服務(wù)程序放在主程序后，運行狀態(tài)檢測＼運行保護＼內(nèi)選外呼等邏輯控制均在主程序中實現(xiàn)。而運行條件的判斷＼運行模式的選擇＼查表等與運行曲線產(chǎn)生有關(guān)的程序放在中斷服務(wù)程序中。

起動加速運行由定周期中斷服務(wù)程序完成。這種中斷不能由程序進行開關(guān)，一旦設(shè)定，就一直按設(shè)定時間間隔循環(huán)中斷，所以，起動運行條件需放在中斷服務(wù)程序中，在不滿足運行條件時，中斷即返回。

3．2．2 減速制動曲線的產(chǎn)生

為保證制動過程的完成，需在主程序中進行制動條件判斷和減速點確定。在減速點確定之前，電梯一直處于加速或穩(wěn)速運行過程中。加速過程由固定周期中斷完成，加速到對應(yīng)模式的最大值之后，加速程序運行條件不再滿足，每次中斷后，不再執(zhí)行加速程序，直接從中斷返回。電梯以對應(yīng)模式的最大值運行，在該模式減速點到后，產(chǎn)生高速計數(shù)中斷，執(zhí)行減速服務(wù)程序。在該中斷服務(wù)程序中修改計數(shù)器設(shè)定值的條件，保證下次中斷執(zhí)行。

在PLC的內(nèi)部寄存器中，減速曲線表的數(shù)值由大到小排列，每次中斷都執(zhí)行一次表指針加1操作，則下一次中斷的查表值將小于本次中斷的查表值。門區(qū)和平層區(qū)的判斷均由外部信號給出，以保證減速過程的可靠性。

4 程序設(shè)計

利用變頻器PG卡輸出端將脈沖信號引入 PLC的高速計數(shù)輸入端，構(gòu)成位置反饋．高速計數(shù)器累加的脈沖數(shù)反映電梯的位置．高速計數(shù)器的值不斷地與各信號點對應(yīng)的脈沖數(shù)進行比較，由此判斷電梯的運行距離，換速點，平層點和制動停車點等信號。理論上這種控制方式其平層誤差可在個脈沖當量范圍．在考慮減速機齒輪合間隙等機械因素情況下，電梯的平層精度可達內(nèi)，大大低于國標的標準，滿足電梯起制動平滑，運行平穩(wěn)，平層準確的要求．電梯在運行過程中，通過位置信號檢測，軟件實時計算以下位置信號：電梯所在樓層位置，快速換速點，中速換速點，門區(qū)信號和平層位置信號等．由此省去原來每層在井道中設(shè)置的上述信號檢測裝置，大大減少井道檢測元件和信號連接，降低成本。下面針對在實現(xiàn)集選控制基礎(chǔ)上新增添的樓層計數(shù)，快速換速，中速換速，門區(qū)和平層信號5個子程序進行介紹。

4．1 樓層計數(shù)

本設(shè)計采用相對計數(shù)方式．運行前通過自學(xué)習(xí)方式，測出相應(yīng)樓層高度脈沖數(shù)，對應(yīng)17層電梯分別存入16個內(nèi)存單元D01 - D16。

樓層計數(shù)器CNTl0為一雙向計數(shù)器，當?shù)竭_各層的樓層計數(shù)點時，根據(jù)運行方向進行加1或減計數(shù)。

運行中，高速計數(shù)器累計值實時與樓層計數(shù)點對應(yīng)的脈沖數(shù)進行比較，相等時發(fā)出樓層計數(shù)信號，上行加1，下行減1，為防止計數(shù)器在計數(shù)脈沖高電平期間重復(fù)計數(shù)，采用樓層計數(shù)信號上沿觸發(fā)樓層計數(shù)器。

4．2 快速換速

當高速計數(shù)器值與快速換速點對應(yīng)的脈沖數(shù)相等時，若電梯處于快速運行且本層有選層信號，發(fā)快速換速信號．若電梯中速運行或雖快速運行但本層無選層信號，則不發(fā)換速信號。中速換速與快速換速判斷方法類似，不再重復(fù)。

4．3 門區(qū)信號

當高速計數(shù)器CNT47數(shù)值在門區(qū)所對應(yīng)脈沖數(shù)范圍內(nèi)時，發(fā)門區(qū)信號．平層信號與區(qū)信號判斷方法類似，不再重復(fù)。

4．4 脈沖信號故障檢測

脈沖信號的準確采集和傳輸在本系統(tǒng)中顯得尤為重要，為檢測旋轉(zhuǎn)編碼器和脈沖傳輸電路故障，設(shè)計了有無脈沖信號和錯漏脈沖檢測電路，通過實時檢測確保系統(tǒng)正常運行。為消除脈沖計數(shù)累計誤差，在基站設(shè)置復(fù)位開關(guān)，接入PLC高速計數(shù)器CNT47的復(fù)位端0001。

5 結(jié)論

本文所述系統(tǒng)基于電氣集選控制原則，采用脈沖計數(shù)方法，用脈沖編碼器取代井道中原有的位置檢測裝置，實現(xiàn)位移控制，用軟件代替部分硬件功能，既降低系統(tǒng)成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，實現(xiàn)電梯的全數(shù)字化控制。

在實驗室調(diào)試的基礎(chǔ)上，采用上述方法，實地對兩臺17層電梯進行改造，經(jīng)有關(guān)部分檢測和近一年的實際運行表明，系統(tǒng)運行可靠，乘坐舒適，故障率大為降低，平層精度在5mm以內(nèi)，取得了良好的運行效果。

參考文獻
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