【文章內(nèi)容簡介】 升降機控制系統(tǒng)分為調(diào)速部分和邏輯控制部分。調(diào)速部分的性能對升降機運行是乘客的舒適感有著重要影響，而邏輯控制部分則是升降機安全可靠運行的關(guān)鍵。為了改善升降機的舒適感和運行的可靠性，現(xiàn)在都改為用 PLC 來控制升降機的運行，這樣大大提高了升降機的性能。 PLC 是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)與自動化技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制器。它具有可靠性高、適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的高溫、沖擊和振動等惡劣環(huán)境的特 點，已成為解決自動控制問題的最有效工具，是當(dāng)前先進工業(yè)自動化的三 大支柱之一。 升降機 控制系統(tǒng)由調(diào)速部分和邏輯控 制部分兩部分組成。調(diào)速部分影響著升降機 運行時乘客的舒適感，邏輯控制部分則是對 升降機 運行時的安全可靠性起到了關(guān)鍵作用。 PLC 在 升降機 控制方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)為其邏輯開關(guān)控制功能，由于 PLC 具備邏輯運算，計數(shù)、定時和數(shù)據(jù)輸入輸出等功能，在 升降機 的控制過程中， PLC 能夠與各種邏輯開關(guān)控制很好地結(jié)合，并很好地實現(xiàn)對 升降機 的控制。具體體現(xiàn)了以下幾個方面的優(yōu)點： 1) 控制方式上看：電器控制硬接線，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能很是困難；而 PLC 軟接線，只需改變控制程序就可輕易改變邏輯或增加功能。 2) 工作方式上看 ：電器控制并行工作，而 PLC 串行工作，不受制約。 3) 控制速度上看：電器控制速度慢，觸點易抖動；而 PLC 通過半導(dǎo)體來控制，速度很快，無觸點，顧而無抖動一說。 4) 定時、記數(shù)看：電器控制定時精度不高，容易受環(huán)境溫度變化影響，且無記數(shù)功能； PLC 時鐘脈沖由晶振產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬；有記數(shù)功能。 5) 可靠、維護看：電器控制觸點多，會產(chǎn)生機械磨損和電弧燒傷，接線也多， 可靠、維護性能差； PLC 無觸點，壽命長，且有自我診斷功能，對程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現(xiàn)場調(diào)試和維護方便。 變頻調(diào)速控制升降機的特點 隨著 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。電動機交流變頻技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電，改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能和起制動平穩(wěn)性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式 [7]。 1) 變頻調(diào)速升降機使用的是異步電動機，比同容量的直流電動機具有體積小、占空間小、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、可靠性高、價格低等優(yōu)點。 2) 變頻調(diào)速電源使用了先進的 SPWM 技術(shù) SVPWM 技術(shù) ，明顯改善了 升降機 運行質(zhì)量和性能 。調(diào)速范圍寬、控制精度高，動態(tài)性能好，舒適、安靜、快捷，已逐漸取代直流電機調(diào)速。 3) 變頻調(diào)速升降機使用先進的 SPWM 和 SVPWM 技術(shù)，明顯改善了電動機供電電源的質(zhì)量，減少諧波，提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)能明顯 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 在 升降機 控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中 主要 考慮以下幾點： 1) 深入了解和分析 升降機 的工藝條件和控制要求。 2) 確定 I/O 設(shè)備。根據(jù)機械手控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、傳感器等，常用 的輸出設(shè)備有繼電器、接觸器、指示燈等。 3) 根據(jù) I/O 點數(shù)選擇合適的 PLC 類型。 4) 分配 I/O 點，分配 PLC 的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 5) 設(shè)計 升降機 系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設(shè)計出周密完整的梯形圖程序，這是整個 升降機 系統(tǒng)設(shè)計的核心工作。 6) 將程序輸入 PLC 進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完善。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 升降機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計是本設(shè)計的基礎(chǔ)，包括 PLC 的選型和 I/O 口的確定與分配，變頻器的選擇與參數(shù)設(shè)置。 PLC 的選型 在工程應(yīng)用中可選用的 PLC 機型很多，比如三菱公司的 FX 系列、 OMRON公司的 C 系列、西門子等，它們功能都差不多，在工程應(yīng)用中各有千秋，至于要選擇哪種機型，就要根據(jù)自己的設(shè)計需要及應(yīng)用水平。因為根據(jù)轎廂樓層位置檢測方法，要求可編程控制器必須具有高數(shù)計數(shù)器。又因為升降機是雙向運行的，所以 PLC 還需具有可逆計數(shù)器。就本次四層升降機的設(shè)計而言，上述三種機型都行，但根據(jù)市場的實際情況，本次設(shè)計采用西門子 SIMATIC S7300 系列 PLC 機型 [9]。 SIMATIC S7 系列 PLC 是德國西門子公司在 S5 系列 PLC 基礎(chǔ)上于 1995 年陸續(xù)推出的性能價格比較高的 PLC 系統(tǒng)。其中，小型的有 SIMATIC S7200 系列，最小配置為 8 DI/6DO，可擴展 2～ 7 個模塊，最大 I/O 點數(shù)為 64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有 SIMATIC S7300 系列；中高檔性能的有 S7400 系列。SIMATIC S7 系列 PLC 都采用了模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)且具有易于用戶掌握等特點，使得 S7 系列 PLC 成為各種從小規(guī)模到中等性能要求以及大規(guī)模應(yīng)用的首選產(chǎn)品 [8]。 SIMATIC S7300 的大量功能能夠支持和幫助用戶進行編 程、啟動和維護，其主要功能如下： 1) 高速的指令處理 ～ 的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。 2) 人機界面 方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7300 操作系統(tǒng)內(nèi)，因此人機對話的編程要求大大減少。 3) 診斷功能 CPU 的智能化的診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件。 4) 口令保護 多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。 5) 操作方式選擇開關(guān) 操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就不能改 變操作方式。這樣就能防止非法刪除或改寫用戶程序。 6) 方便用戶的參數(shù)賦值 一個帶標準用戶接口的軟件工具給所有模塊進行參數(shù)賦值，這樣就節(jié)省了入門和培訓(xùn)的費用。 7) 浮點數(shù)運算 用此功能可以有效的實現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運算 。 SIMATIC S7300 系列 PLC 是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，模塊化，無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點使得 S7300 成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟的解決方案。 SIMATIC S7300 有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括：紡織機械 、各種機床、通用機械工程應(yīng)用、電器制造工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。多種性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 I/O 擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴大并且愈加復(fù)雜時，可隨時使用接口模塊對 PLC 進行擴展。S7300 是模塊化的組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，可選用不同型號和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機架 (導(dǎo)軌 )或多個機架上。除了電源模塊、 CPU 模塊和接口模塊外，一個機架上最多只能再安裝 8 個信號模塊或功能模塊。 CPU314/315/3152DP 最多可擴展 4 個機架， IM360/IM361 接口模塊將 S7300背板總線從一個機架連接到下一個機架， SIMATIC S7300 系列 PLC 是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖 所示。它的主要組成部分有導(dǎo)軌 (RACK)、電源模塊 (PS)、中央處理單元模塊 (CPU)、接口模塊 (IM)、信號模塊 (SM)、功能模塊 (FM)等。它通過 MPI 網(wǎng)的接口直接與編程器 PG、操作員面板 OP 和其它 S7PLC 相連。 圖 S7300 系列 PLC 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 S7300 系列 PLC 模塊性能簡介 1) CPU 模塊 S7300 有 CPU312 IFM、 CPU31 CPU31 CPU314 IFM、 CPU315/3152DP、CPU3162DP、 CPU3182DP 等 8 種不同的中央處理單元可供選擇。 CPU3152DP、CPU3162DP、 CPU3182DP 都具有現(xiàn)場總線擴展功能。 CPU 以梯形圖 LAD、功能塊 FBD或語句表 STL 進行編程。 2) 信號模塊 ① 數(shù)字量輸入模塊 數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場過程送來的數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換成 S7300 內(nèi)部信號電平。數(shù)字量輸入模塊有直流輸入方式和交流輸入方式。對現(xiàn)場輸入元 件，僅要求提供開關(guān)觸點即可。輸入信號進入模塊后，一般都經(jīng)過光電隔離和濾波，然后才送至輸入緩沖器等待 CPU 采樣。采樣時，信號經(jīng)過背板總線進入到輸入映像區(qū)。 數(shù)字量輸入模塊 SM321 有四種型號模塊可供選擇，即直流 16 點輸入、直流 32 點輸入、交流 16 點輸入、交流 8 點輸入模塊。 ② 數(shù)字量輸出模塊 數(shù)字量輸出模塊 SM322 將 S7300內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換成為過程所要求的外部信號電平，可直接用于驅(qū)動電磁閥、接觸器、小型電動機、燈和電動機啟動器等。 晶體管輸出模塊只能帶直流負載，屬于直流輸出模塊； 可控硅輸出方式屬于交 流輸出模塊； 繼電器觸點輸出方式的模塊屬于交直流兩用輸出模塊。 從響應(yīng)速度上看，晶體管響應(yīng)最快，繼電器響應(yīng)最慢；從安全隔離效果及應(yīng)用靈活性角度來看，以繼電器觸點輸出型最佳。 ③ 模擬量輸入模塊 SM331 主要由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。 A/D 轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法，被測模擬量的精度是所設(shè)定的積分時間的正函數(shù)，也即積分時間越長，被測值的精度越高。 SM331 可選四檔積分時間： 、 、 20ms 和 l00ms，相對應(yīng)的以位表示 的精度為 12 和 14。 ④ 模擬量輸出模塊 模擬量輸出模塊 SM332 目前有三種規(guī)格型號，即 4AOl2 位模塊、 2AO12位模塊和 4AOl6 位模塊，分別為 4 通道的 12 位模擬量輸出模塊、 2 通道的 12位模擬量輸出模塊、 4 通道的 16 位模擬量輸出模塊。 SM332 可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時，可以采用 2 線回路和 4 線回路兩種方式與負載相連。采用 4 線回路能獲得比較高的輸出精度。 3) PS307 電源模塊 PS307 是西門子公司為 S7300 專配的 24VDC 電源。 PS307 系列模塊除輸出額定電流不同外 (有 2A、 5A、 10A 三種 )，其工作原理和各種參數(shù)都相同。 PS307 可安裝在 S7300 的專用導(dǎo)軌上，除了給 S7300 CPU 供電外，也可給I/O 模塊提供負載電源。 4) 接口模塊 (IM) 接口模板 (IM360/361)用來在機架之間傳遞總線。 IMS 接口代表發(fā)送， IMR接口代表接收。接口模板必須安裝到特定的插槽。 5) 通訊處理器模塊 CP340/CP341 通訊處理模塊用于建立點對點的低速連接，最大傳輸速率為。有三種通信接口： RS232C， 20mA(TTY)和 RS422/RS485， 有多種通訊協(xié)議可以使用。 PLC 的 CPU 選型 S7300 有 CPU312 IFM、 CPU31 CPU31 CPU314 IFM、 CPU315/3152DP、CPU3162DP、 CPU3182DP 等 8 種不同的中央處理單元可供選擇。 在本設(shè)計中選用 CPU 312 IFM，它 是一種緊湊型 CPU，用于對處理速度要求很高的應(yīng)用。集成數(shù)字量輸入/輸出，支持直接連接過程。 這對于升降機的速度控制很適。 PLC 系統(tǒng)配置 PLC 系統(tǒng)配置的四個方面： PS 307 5A： 6ES7 3071EA000AA0 負載電源 120 / 230 VAC:24 VDC / 5 A； CPU 314： 6ES7 3141AE010AB024 KB 工作存儲器 。 ms/1000 條指令 。MPI 連接 。多排最多可組態(tài) 32 個模塊； DI16xDC24V:6ES7 3211BH000AA0 數(shù)字輸入模塊 DI16 24 V，分成 16 組，不能和主站總線的子模塊進行組態(tài)； DI16/DO16x24V/： 6ES7 3231BL000AA0 數(shù)字 I/O 模塊 DI16 24 V + 16DO 24 V / A； 系統(tǒng)配置圖如下 圖 系統(tǒng)配置圖 1 圖 系統(tǒng)配置圖 2 變頻器的選擇 變頻器的種類很多 ，并且 根據(jù)不同的 種類可分為： 交 ─交變頻器 ， 電壓型變頻器 ， 電流型變頻器 ， PAM 變頻器 ， PWM 變頻器 ， U/f 控制變頻器 ， VC 控制變頻器 ， SF 控制變頻器 ， 通用變頻器 ， 高性能專用變頻器 和 高頻變頻器 。 升降機的調(diào)度要求除了一般工業(yè)控制的靜態(tài)、動態(tài)性能外，他的舒適度指標往往是選擇中的一項重要內(nèi)容。本設(shè)計中拖動調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵在于保證升降機按理想的給定速度曲線運行，以改善升降機運行的舒 適感；另外，由于升降機在建筑物內(nèi)的耗電量占建筑物總用電量的相當(dāng)比例，因此，升降機節(jié)約用電日益受到重視 [7]。 考慮以上各種因素，本設(shè)計選用安川 VS616G5 型全數(shù)字變頻器。它具有磁通矢量控制、轉(zhuǎn)差補償、負載轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)等一系列先進功能