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西門(mén)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(yùn)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(jī)作為信號(hào)控制單元，完成電梯信號(hào)的采集、運(yùn)行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)電梯的自動(dòng)調(diào)度和集選運(yùn)行功能，拖動(dòng)控制則由變頻器來(lái)完成；第二種控制方式用可編程控制器取代微機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制。從控制方式和性能上來(lái)說(shuō)，這兩種方法并沒(méi)有太大的區(qū)別。PLC可靠性高，程序設(shè)計(jì)方便靈活。本設(shè)計(jì)在用PLC控制變頻調(diào)速實(shí)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(shí)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(mén)子公司S7-200系列CPU221， PLC接受來(lái)自操縱盤(pán)和每層呼梯盒的召喚信號(hào)、轎廂和門(mén)系統(tǒng)的功能信號(hào)以及井道和變頻器的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)程序判斷與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電梯的集選控制。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號(hào)的同時(shí)，向變頻器發(fā)出運(yùn)行方向、啟動(dòng)、加/減速運(yùn)行和制動(dòng)電梯等信號(hào)。
2．2 電流、速度雙閉環(huán)電路
采用YASAKWA公司的VS - 616G5 CIM- RG 4022變頻器。變頻器本身設(shè)有電流檢測(cè)裝置，由此構(gòu)成電流閉環(huán)；通過(guò)和電機(jī)同軸聯(lián)結(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器，產(chǎn)生a、b兩相脈沖進(jìn)入變頻器，在確認(rèn)方向的同時(shí)，利用脈沖計(jì)數(shù)構(gòu)成速度閉環(huán)。
3 位移和運(yùn)行曲線控制
電梯作為一種載人工具，在位勢(shì)負(fù)載狀態(tài)下，除要求安全可靠外，還要求運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，?？繙?zhǔn)確，理想的運(yùn)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(guó)外高性能電梯相比還需進(jìn)一步改進(jìn)。本設(shè)計(jì)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(shí)，通過(guò)變頻器的PG卡輸出與電機(jī)速度及電梯位移成比例的脈沖數(shù)，將其引入PLC的高速計(jì)數(shù)輸入端口0000，通過(guò)累計(jì)脈沖數(shù)，經(jīng)式（1）計(jì)算出脈沖當(dāng)量，由此確定電梯位置。
電梯位移h=SI
式中I：累計(jì)脈沖數(shù)S：脈沖當(dāng)量
S=lpD／（pr） （1）
本系統(tǒng)采用的減速機(jī)，其減速比1=1／20，拽引
輪直徑D=580mm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne=1450r／ min，旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)對(duì)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(kuò)展功能模塊D／A模塊實(shí)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(yùn)行時(shí)，通過(guò)查表方式寫(xiě)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(duì)應(yīng)數(shù)字值為16進(jìn)制數(shù)00～FF，共255級(jí)。東洋電梯加速實(shí)踐在2．5～3秒之問(wèn)。按保守值計(jì)算，電梯加速過(guò)程中每次查表的時(shí)間間隔不宜超過(guò)10ms。
由于電梯邏輯控制部分程序zui大，而PLC運(yùn)行采用周期掃描機(jī)制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，不能滿足給定曲線的精度要求。在PLC運(yùn)行過(guò)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(hào)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(jìn)行的，每個(gè)循環(huán)都要對(duì)所有功能進(jìn)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(gè)掃描周期，基本要完成六個(gè)步驟的工作，包括運(yùn)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(gè)周期內(nèi)，CPU對(duì)整個(gè)用戶程序只執(zhí)行一遍。這種機(jī)制有其方便的一面，但實(shí)時(shí)性差。過(guò)長(zhǎng)的掃描時(shí)間，直接影響系統(tǒng)對(duì)信號(hào)響應(yīng)的效果，在保證控制功能的前提下，zui大限度地縮短CPU的周期掃描時(shí)間是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。一般只能從用戶程序執(zhí)行時(shí)間zui短采取方法。電梯邏輯控制部分的程序掃描時(shí)間已超過(guò)10ms，盡管采取了一些減少程序掃描時(shí)間的辦法，但仍無(wú)法將掃描時(shí)間降到10ms以下。同時(shí)，制動(dòng)段曲線采用按距離原則，每段距離到的響應(yīng)時(shí)間也不宜超過(guò)10ms。為滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jī)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(jì)數(shù)內(nèi)部中斷（3）定周期中斷。前兩種中斷各有8個(gè)中斷點(diǎn)，后一種有4個(gè)中斷點(diǎn)。在程序中采用了后面兩種中斷方式．起動(dòng)過(guò)程采用定周期中斷，制動(dòng)過(guò)程采用高速計(jì)數(shù)內(nèi)部中斷。中斷服務(wù)程序放在主程序后，運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)＼運(yùn)行保護(hù)＼內(nèi)選外呼等邏輯控制均在主程序中實(shí)現(xiàn)。而運(yùn)行條件的判斷＼運(yùn)行模式的選擇＼查表等與運(yùn)行曲線產(chǎn)生有關(guān)的程序放在中斷服務(wù)程序中。
起動(dòng)加速運(yùn)行由定周期中斷服務(wù)程序完成。這種中斷不能由程序進(jìn)行開(kāi)關(guān)，一旦設(shè)定，就一直按設(shè)定時(shí)間間隔循環(huán)中斷，所以，起動(dòng)運(yùn)行條件需放在中斷服務(wù)程序中，在不滿足運(yùn)行條件時(shí)，中斷即返回。
3．2．2 減速制動(dòng)曲線的產(chǎn)生
為保證制動(dòng)過(guò)程的完成，需在主程序中進(jìn)行制動(dòng)條件判斷和減速點(diǎn)確定。在減速點(diǎn)確定之前，電梯一直處于加速或穩(wěn)速運(yùn)行過(guò)程中。加速過(guò)程由固定周期中斷完成，加速到對(duì)應(yīng)模式的zui大值之后，加速程序運(yùn)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(duì)應(yīng)模式的zui大值運(yùn)行，在該模式減速點(diǎn)到后，產(chǎn)生高速計(jì)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(jì)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(mén)區(qū)和平層區(qū)的判斷均由外部信號(hào)給出，以保證減速過(guò)程的可靠性。
4 程序設(shè)計(jì)
利用變頻器PG卡輸出端將脈沖信號(hào)引入 PLC的高速計(jì)數(shù)輸入端，構(gòu)成位置反饋．高速計(jì)數(shù)器累加的脈沖數(shù)反映電梯的位置．高速計(jì)數(shù)器的值不斷地與各信號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，由此判斷電梯的運(yùn)行距離，換速點(diǎn)，平層點(diǎn)和制動(dòng)停車點(diǎn)等信號(hào)。理論上這種控制方式其平層誤差可在個(gè)脈沖當(dāng)量范圍．在考慮減速機(jī)齒輪合間隙等機(jī)械因素情況下，電梯的平層精度可達(dá)內(nèi)，大大低于國(guó)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，滿足電梯起制動(dòng)平滑，運(yùn)行平穩(wěn)，平層準(zhǔn)確的要求．電梯在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)位置信號(hào)檢測(cè)，軟件實(shí)時(shí)計(jì)算以下位置信號(hào)：電梯所在樓層位置，快速換速點(diǎn)，中速換速點(diǎn)，門(mén)區(qū)信號(hào)和平層位置信號(hào)等．由此省去原來(lái)每層在井道中設(shè)置的上述信號(hào)檢測(cè)裝置，大大減少井道檢測(cè)元件和信號(hào)連接，降低成本。下面針對(duì)在實(shí)現(xiàn)集選控制基礎(chǔ)上新增添的樓層計(jì)數(shù)，快速換速，中速換速，門(mén)區(qū)和平層信號(hào)5個(gè)子程序進(jìn)行介紹。
4．1 樓層計(jì)數(shù)
本設(shè)計(jì)采用相對(duì)計(jì)數(shù)方式．運(yùn)行前通過(guò)自學(xué)習(xí)方式，測(cè)出相應(yīng)樓層高度脈沖數(shù)，對(duì)應(yīng)17層電梯分別存入16個(gè)內(nèi)存單元D01 - D16。
樓層計(jì)數(shù)器CNTl0為一雙向計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)竭_(dá)各層的樓層計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)運(yùn)行方向進(jìn)行加1或減計(jì)數(shù)。
運(yùn)行中，高速計(jì)數(shù)器累計(jì)值實(shí)時(shí)與樓層計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，相等時(shí)發(fā)出樓層計(jì)數(shù)信號(hào)，上行加1，下行減1，為防止計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)脈沖高電平期間重復(fù)計(jì)數(shù)，采用樓層計(jì)數(shù)信號(hào)上沿觸發(fā)樓層計(jì)數(shù)器。
4．2 快速換速
當(dāng)高速計(jì)數(shù)器值與快速換速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)相等時(shí)，若電梯處于快速運(yùn)行且本層有選層信號(hào)，發(fā)快速換速信號(hào)．若電梯中速運(yùn)行或雖快速運(yùn)行但本層無(wú)選層信號(hào)，則不發(fā)換速信號(hào)。中速換速與快速換速判斷方法類似，不再重復(fù)。
4．3 門(mén)區(qū)信號(hào)
當(dāng)高速計(jì)數(shù)器CNT47數(shù)值在門(mén)區(qū)所對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)門(mén)區(qū)信號(hào)．平層信號(hào)與區(qū)信號(hào)判斷方法類似，不再重復(fù)。
4．4 脈沖信號(hào)故障檢測(cè)
脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確采集和傳輸在本系統(tǒng)中顯得尤為重要，為檢測(cè)旋轉(zhuǎn)編碼器和脈沖傳輸電路故障，設(shè)計(jì)了有無(wú)脈沖信號(hào)和錯(cuò)漏脈沖檢測(cè)電路，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。為消除脈沖計(jì)數(shù)累計(jì)誤差，在基站設(shè)置復(fù)位開(kāi)關(guān)，接入PLC高速計(jì)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(jì)數(shù)方法，用脈沖編碼器取代井道中原有的位置檢測(cè)裝置，實(shí)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(shí)現(xiàn)電梯的全數(shù)字化控制。
在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試的基礎(chǔ)上，采用上述方法，實(shí)地對(duì)兩臺(tái)17層電梯進(jìn)行改造，經(jīng)有關(guān)部分檢測(cè)和近一年的實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行效果。
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