【文章內(nèi)容簡介】 工作原理 PLC 是以微機為核心的電子部件，可以將它看作是一個由各種繼電器、定時器、計數(shù)器及狀態(tài)器組成的組合體。 PLC 的輸入繼電器，由外部開關(guān)通過輸入端來驅(qū)動； PLC內(nèi)的輸出繼電器，帶有無數(shù)內(nèi)觸點和外部輸出觸點。此外， PLC 還有如定時器、計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等“軟”元件，這些元件都帶有動作線圈和很多電子常開、常閉觸點，可以在 PLC 內(nèi)自由選擇使用。 PLC 控制系統(tǒng)主要由三部分組成：輸入部分、控制部分、 輸出部分。 輸入部分由用戶的輸入設(shè)備如按開關(guān)、操作開關(guān)、限位開關(guān)及傳感器等組成。它們直接與 PLC 的輸入端子相連接，用以產(chǎn)生輸入信號，這些信號或來自電梯轎廂操縱控制板，或來自電梯井道。 12 控制部分是根據(jù)被控對象的實際控制要求編制用戶的控制程序，并將編制好的程序通過編程器輸入 PLC 內(nèi)的用戶程序存儲器中， CPU 反復(fù)掃描、執(zhí)行用戶程序，并產(chǎn)生各種輸出控制信號，通過用戶程序來實現(xiàn) PLC 的控制功能。 輸出部分主要由用戶輸出設(shè)備如接觸器、繼電器等組成，它們直接和 PLC 的輸出端子相連，用來控制被控制的對象動作。 PLC 的工作 過程實質(zhì)上就是執(zhí)行用戶程序的過程。當(dāng) PLC 運行時， CPU 按照分時操作原理每個周期執(zhí)行一次操作，由于 CPU 的運算處理速度很快，使得外部出現(xiàn)的結(jié)果從宏觀來看似乎是同時完成的，這種分時操作的過程稱為 CPU 對程序的掃描。 PLC 的工作過程分為輸入處理、程序執(zhí)行及輸出處理三個階段。 （ 1）輸入處理 PLC 以重復(fù)掃描的方式執(zhí)行用戶程序。在執(zhí)行程序前首先按地址編碼順序?qū)⑺休斎攵俗拥耐〝酄顟B(tài)（輸入信號）讀入輸入映像寄存器中，然后開始執(zhí)行程序。在執(zhí)行過程中，即使是輸入狀態(tài)發(fā)生了變化，但輸入映象寄存器中的內(nèi)容不變，直到完成一 個掃描周期的輸入處理才重新讀輸入狀態(tài)。 （ 2）程序執(zhí)行 在程序執(zhí)行階段， PLC 順序掃描用戶程序。每執(zhí)行一條程序所需要的信息都是從輸入映象寄存器和其他軟元件映象寄存器中讀出并參與運算，然后將執(zhí)行結(jié)果寫入有關(guān)的軟元件映象寄存器中，因此各軟元件映象寄儲器中的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而不斷的變化。 （ 3）輸出處理 當(dāng)全部的指令執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器中的狀態(tài)全部傳送到輸出鎖存寄存器中，成為 PLC 的實際輸出并由輸出端子送出給執(zhí)行器。 SIMATIC PLC 是德國西門子公司在 1995 年推出的性能價格比比較高的 PLC 系統(tǒng)。 其中，微型的有 SIMATIC S7200 系列，中小型的有 SIMATIC S7300CN，中高檔性能的有S7400 系列。 SIMATIC S7 系列 PLC 都具有模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和易于用戶掌握等優(yōu)點，使得 S7 系列的 PLC 成為各種從小規(guī)模到中大規(guī)模應(yīng)用的首選產(chǎn)品。 S7200CN 可編程控制器是德國西門子公司研制的新型可編程控制器。它工作可靠 、功能強 大、 存儲容量大 、 編程方便，輸出端可直接驅(qū)動 2A 的繼電器或接觸器的線圈，抗干擾能力強。因此，能夠滿足電梯對電氣控制系統(tǒng)的要求。 S7200 系列小型 PLC(Micro 13 PLC)可應(yīng)用于各種自動化系統(tǒng)。緊湊的結(jié)構(gòu) 、 低廉的成本 以及 功能強大的指令集使得S7200 PLC 成為各種小型控制任務(wù) 的 理想解決方案。利用西門子 S7200 可編程序控制器編寫 兩 個四層電梯的控制系統(tǒng)。分別完成轎內(nèi)指令、廳外召喚指令、樓層位置指示、平層換速控制、開門控制等控制任務(wù) 。 具有 ASInterface 總線功能的西門子 S7200CN PLC 性能較好，功能強大，支持三角函數(shù)、開方、對數(shù)運算等功能 ； 可在線編輯和監(jiān)視 。通過調(diào)制解調(diào)器支持遠(yuǎn)程監(jiān)控 ； 可以故障診斷，執(zhí)行單次掃描，強制輸出 ；還 可以編輯變量狀態(tài)表， 使用多個可同時打開的窗口可同時顯示信號狀態(tài)和狀態(tài)表。所以基于S7200CN PLC 的電梯控制系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡(luò)化、智能化、性價比極高的控制系統(tǒng)。 STEP 7Micro／ WIN 32 是 S7200 系列 PLC 的編程軟件 。 可以對 S7200 所有 的 功能進行編程。該軟件簡單 且 易學(xué)。其基本功能是協(xié)助用戶完成應(yīng)用軟件任務(wù)。例如創(chuàng)建用戶程序 ，在 修改和編輯過程中編輯器具有簡單語法 的 檢查功能。還可以用軟件 直接 設(shè)置PLC 的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控 。 同時 SIMATIC 系列 PLC S7200 體積小巧，功能全面，適應(yīng)中小型機器設(shè) 備的控制。適用于各種場合中檢測、監(jiān)測及控制的自動化，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，具有 較 高性價比，在可靠性、操作便捷性、實時特性、通訊聯(lián)網(wǎng)能力、功能低成本擴展、內(nèi)置集成等方面均有出色表現(xiàn)。 所以在本次的設(shè)計中，選擇西門子 S7200PLC 進行電梯控制的設(shè)計。 本系統(tǒng)是由 PLC、變頻器、控制箱、顯示器、曳引電動機 等 組成的交流變頻調(diào)速系統(tǒng) (Variable Voltage Variable Frequency，簡稱 VVVF)。通過一臺 PLC 去控制兩臺電梯運行的方式，可以省去兩臺可編程控制器之間的相互通信 ,從而使得控制系統(tǒng)的可 靠性更高 ,結(jié)構(gòu)顯得更加簡單。系統(tǒng)的硬件框圖如圖 22 所示。 14 呼 梯 信 號 樓 層 信 號平 層 信 號呼 梯 信 號門 電 機P L C一 號 拽 引 機 二 號 拽 引 機電 源一 號 變 頻 器 二 號 變 頻 器 圖 22 PLC雙電梯聯(lián)動控制系統(tǒng)硬件框圖 圖 22 中 可以看出，該系統(tǒng)主要由兩個部分組成，其中電梯控制的邏輯部分由 PLC來實現(xiàn)。通過分析研究電梯的實際運行情況和控制規(guī)律，從而設(shè)計開發(fā)出一套雙電梯聯(lián)動控制程序，使得兩臺電梯的運行操作 能夠用一臺 PLC 控制 。電梯的調(diào)速部分則選用高性能的矢量控制變頻器，配以脈沖發(fā)生器 (編碼器 )測量鼠籠式曳引電動機的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成電機的閉環(huán)矢量控 制系統(tǒng)，實現(xiàn)鼠籠式曳引電動機的交流變頻調(diào)速 (Variable Voltage Variable Frequency，簡稱 VVVF)運行 。 首先， PLC 接收來自電梯的呼梯信號、平層信號，然后根據(jù)這些輸入信號的狀態(tài)，通過其內(nèi)部一系列 的 復(fù)雜控制程序，對各種信號的邏輯關(guān)系 進行 有序地處理，最后向直流門控電機、變頻器和各類顯示器適時地發(fā)出開關(guān)量控制信號，對兩臺電梯實施 聯(lián) 控。在電梯控制系統(tǒng)中，由于電梯的控制屬于隨機性控制，各種輸入信號之間、輸出信號之間以及輸入信號和輸出信號之間的關(guān)聯(lián)性很強， 所以 邏輯關(guān)系處理起來非常復(fù)雜， 這就給 PLC 的編程帶來很大難度。某種意義上來說， PLC 編程水平的高低就決定整個系統(tǒng)運行質(zhì)量的好壞。因此， PLC 應(yīng)用在電梯控制中的編程 技術(shù)就成為控制電梯運行的關(guān)鍵技術(shù) 。 在 PLC 向變頻器發(fā)出開關(guān)量控制信號的同時，為了滿足電梯的要求，變頻器又需要通過與鼠籠式曳引電動機同軸連接的脈沖發(fā)生器和 PG 卡 , 對電動機完成速度檢測及反饋 ,形成閉環(huán) 矢量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)。脈沖發(fā)生器輸出 A、 B 兩相脈沖， PG 卡接收到脈沖信號 15 以后，再將此反饋給變頻器內(nèi)部 ,以便進行運算調(diào)節(jié)。根據(jù) A、 B 脈沖的相序 ,可判斷出電動機的轉(zhuǎn)動方向 ,并可以根據(jù) A、 B 脈沖的頻率測得電動機的轉(zhuǎn)速 （如圖 23） 。由于本設(shè)計選用的是通用型變頻器，因此其參數(shù)設(shè)置和外部線路設(shè)計的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高于電梯專用變頻器，其設(shè)置的好壞也將直接影響到電梯運行的實際效 果。 呼 叫 信 號位 置 信 號 樓 層 顯 示 呼 叫 顯 示P GP L C門 電 機拽 引 機變 頻 器 電 源 圖 23 閉環(huán)矢量控制框圖 變頻調(diào)速系統(tǒng)的分析及選擇 80 年代初，通用變頻器實現(xiàn)了商品化。在近 20 年的時間內(nèi)，經(jīng)歷了由模擬控制到全數(shù)字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 兩個大的進展過程。目前從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動，從 單機傳動到多機協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。因此可以說在電氣調(diào)速傳動領(lǐng)域內(nèi)，以變頻器應(yīng)用技術(shù)為代表的交流調(diào)速傳動已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動的主流。電梯調(diào)速除了要求一般工業(yè)控制的靜態(tài)、動態(tài)性能外，舒適度是一項重要指標(biāo)。本設(shè)計中拖動調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵在于保證電梯按理想的給定速度曲線運行，以改善電梯運行的舒適感；另外，由于電梯在建筑物內(nèi)的耗電量占建筑物總用電量的相當(dāng)大的比例，因此，電梯節(jié)約用電日益受到重視?？紤]以上各種因素，通過對各主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品的性能指標(biāo)與價格比分析，選用日本安川公司的變頻器。 16 帶 PG(脈沖發(fā)生器 )矢量控制方式的調(diào)速范圍寬廣，速度控制精度高，可以用于各種伺服驅(qū)動、高精度速度控制和力矩控制。但是帶有 PG 矢量控制功能的變頻器的價格相當(dāng)高， 基于 性 價 比 方面因素的考慮，本次電梯調(diào)速控制的設(shè)計選用的是 VS616G5 型通用變頻器 , 選擇有 PG 矢量控制作為曳引鼠籠式電動機的控制方式。 VS616G5 型變頻器是安川電機公司面向世界推出的 21 世紀(jì)通用型變頻器。這種變頻器不僅考慮了 /uf控制，而且還實現(xiàn)了矢量控制，通過其本身的自動調(diào)諧功能與無速度傳感器電流 矢量控制，很容易得到高起動轉(zhuǎn)矩與較高的調(diào)速范圍。 VS616G5 變頻器的特點如下 : (1) 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化； (2) 有豐富的內(nèi)藏與選擇功能； (3) 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積?。? (4) 保護功能完善、維修性能好； (5) 通過 LCD 操作裝置，可提高操作性能。 為了使變頻器工作在最佳狀態(tài)，在完成參數(shù)設(shè)置后，需使變頻器對所驅(qū)動的電動機進行自學(xué)習(xí)，而 616G5 就具有曳引機參數(shù)自學(xué)習(xí)的功能，其方法是 :將曳引機制動輪與電機軸脫離，使電動機處于空載狀態(tài)，然后啟動電 動機，讓變頻器自動識別并存儲電動機有關(guān)參數(shù)，變頻器將根據(jù)識別到的結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)。顯然，這一組自學(xué)習(xí)到的參數(shù)，是和變頻器匹配的最佳參數(shù)，使變頻器能對該電動機進行最佳控制。 表 24 安川 616G5 變頻器主要參數(shù)設(shè)置表 參數(shù) 名稱 設(shè)定值 A102 控制方式選擇 3 B101 頻率指令選擇 1 B102 運行指令選擇 1 B103 停止方法選擇 0 B104 反轉(zhuǎn)禁止選擇 0 B201 零速電平選擇 B204 停止時直流制動時間 C103 加 速時間 C104 減速時間 C201 加速開始時 S 型曲線時間 C202 加速完了時 S 型曲線時間 C203 減速開始時 S 型曲線時間 C204 減速完了時 S 型曲線時間 C501 ASR 比例增益 5 17 C502 ASR 積分時間 1s E101 輸入電壓設(shè)置 380 E104 最高輸出頻率 50 E105 最大電壓 380 E106 額定電壓頻率 50 E109 最低輸出頻率電壓 0 E201 電機額定電流 按電機銘牌設(shè)置 E202 電機額定滑差 按電機銘牌設(shè)置 E203 電機空載電流 按電機銘牌設(shè)置 E204 電機極數(shù) 按電機銘牌設(shè)置 F101 PG 常數(shù) 根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器銘牌設(shè)置 F102 PG 斷線時檢測時的動作選擇 0 F103 超速時的動作選擇 0 F104 超度偏差過大時的動作選擇 0 F105 PG 分頻比 根據(jù)電機極數(shù)設(shè)置 PLC 通過向安川 616G5 變頻器發(fā)出電梯上行輸出和電梯下行輸出信號，從而控制曳引電動機的轉(zhuǎn)動方向，決定電梯的上 /下行運動； PLC 通過向安川 616G5 變頻器發(fā)出電梯高速運行和電梯低速運行信號，從而間接控制曳引電動機的轉(zhuǎn)動速度，決定電梯的高速 /低速運動。電動機通過脈沖發(fā)生器 (編碼器 )和 PG 卡將速度信號及時反饋給安川變頻器， 圖 25 變頻器拖動部分線路圖 U V W M 3 ~ PG 卡 PGB2 123456 12V 0V A 相脈沖 B 相脈沖 脈沖發(fā)生器 1 2 3 4 11 電梯上行輸出 電梯下行輸出 電梯高速運行 電梯低速運行 COM PLC RST 接觸器觸點 安川 616G5 變頻器 過載保護 短路保護 18 第 3 章 雙電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計 電梯的定義 一般來說比較常見的電梯的定義：一種以電動機為動力的垂直升降機，裝有箱狀吊艙，用于多層建筑乘人或載運貨物。 電梯的組成及功能 現(xiàn)代電梯主要由曳引機（絞車）、導(dǎo)軌、對重裝置、安全裝置 (如限速器、安全鉗和緩沖器等 )、信號操縱系統(tǒng)、轎廂與廳門等組成。這些部分分別安裝在建筑物的井道和機房中。通常采用鋼絲繩摩擦傳動，鋼絲繩繞過曳引輪，兩端分別連接轎廂和平衡重，電動機驅(qū)動曳引輪使轎廂升降。電梯要求安全可靠、輸送效率高、平層準(zhǔn)確和乘坐舒適等。電梯的基本參數(shù)主要有額定載重量、可乘人數(shù)、額定速度、轎廂外廓尺寸和井道型式等。 曳引系統(tǒng) :曳引系統(tǒng)主要由曳引機、曳引鋼絲繩，導(dǎo)向輪，反繩輪組成 ,曳引系統(tǒng)的主要功能是輸