基于PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張忍

摘 要：電梯是高層建筑不可缺少的運(yùn)輸工具。文章主要介紹了PLC的優(yōu)點(diǎn)、PLC的工作原理和PLC控制電梯的軟、硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)PLC對(duì)電梯系統(tǒng)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯的基本功能。即按照電梯構(gòu)造內(nèi)轎廂的位置和務(wù)乘人員的目的樓層等綜合確定轎廂的運(yùn)行方向，以便實(shí)現(xiàn)轎廂平層緩慢上升的效果。首先明確轎廂的欲停樓層；除外，依照樓層的呼叫，完成一體化的順路停車(chē)和自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)的程序；電梯內(nèi)部構(gòu)造的轎廂外部和內(nèi)部必須配備顯示電梯樓層數(shù)和運(yùn)作方向的信號(hào)指示燈。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；電梯；指令程序；控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0074-02

Abstract： Elevator is an indispensable means of transportation for high-rise buildings. This paper mainly introduces the advantages of PLC， the working principle of PLC and the software and hardware design of PLC control elevator. The basic function of elevator is realized by controlling the elevator system by PLC. That is， according to the position of the car in the elevator construction and the destination floor of the crew， the operation direction of the car is determined synthetically， so as to realize the effect of the slow rise of the flat floor of the car. First of all， it is clear that the floor of the car is to be stopped； except， according to the call of the floor， the integrated procedure of stopping the car along the road and automatically opening and closing the car is completed. The exterior and interior of the car constructed inside the elevator must be equipped with a signal indicator indicating the number of floors and the direction of operation of the elevator.

Keywords： programmable controller； elevator； command program； control system

1 概述

如今，城市化進(jìn)程處于快速發(fā)展階段，城市內(nèi)高樓大廈林立。其中電梯在高樓大廈中承擔(dān)著通向每層樓宇的重要運(yùn)輸工具，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需求。目前，用可編程控制器控制的方法，可以使得電梯系統(tǒng)具有更高的可靠性，而且程序設(shè)計(jì)方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)，可以完成更復(fù)雜的控制任務(wù)。隨著PLC技術(shù)的不斷創(chuàng)新下，新型的PLC技術(shù)可以借助可編程控制儀器完成不同類(lèi)型電梯控制系統(tǒng)的管理和作業(yè)[1]。

2 電梯與PLC的概述

2.1 電梯的基本構(gòu)造。電梯是由多個(gè)機(jī)電配件組成的大型運(yùn)輸工具。電梯的硬件配置和電氣等同于人體的軀干和神經(jīng)一樣，而其中的電梯系統(tǒng)控制部分則類(lèi)同于人腦的功能一樣操控著系統(tǒng)的全部活動(dòng)行為。成熟的機(jī)電統(tǒng)一技術(shù)使得電梯成為展示現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的典型產(chǎn)品。電梯的基礎(chǔ)框架為八大系統(tǒng)和四大空間。八大系統(tǒng)涵蓋了：轎廂、電氣控制系統(tǒng)、門(mén)系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)及導(dǎo)向系統(tǒng)。四大空間則涵蓋以下：轎廂部分、層站部分、機(jī)房部分與井道部分[2]。本設(shè)計(jì)具體功能希望控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)下面的功能：按照電梯構(gòu)造內(nèi)轎廂的位置和務(wù)乘人員的目的樓層等綜合確定轎廂的運(yùn)行方向，以便實(shí)現(xiàn)轎廂平層緩慢減速的效果。首先明確轎廂的欲停樓層；除外，依照樓層的呼叫，完成一體化的順路停車(chē)和自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)的程序；電梯內(nèi)部構(gòu)造的轎廂外部和內(nèi)部必須配備顯示電梯樓層數(shù)和運(yùn)作方向的信號(hào)指示燈。為此關(guān)于電梯的內(nèi)部構(gòu)造及各個(gè)系統(tǒng)的功能等的數(shù)據(jù)，要求設(shè)計(jì)人員爛熟于心，掌握這些功能之后通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能[3]。

2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)。從廣義上講，PLC是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的硬件結(jié)構(gòu)與一般計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)是類(lèi)似的，但為了在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中使用，為了更好地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充和接線(xiàn)等操作及維護(hù)，PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有異于普通的計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)，相較于普通的計(jì)算機(jī)而言本計(jì)算機(jī)要求擁有更強(qiáng)適合控制系統(tǒng)要求的編程語(yǔ)言、更為強(qiáng)大的工業(yè)輸出、輸入接口，更高的抗干擾能力。所以PLC是由軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成的用于工業(yè)控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.3 PLC的工作原理。PLC控制強(qiáng)調(diào)的是選擇循環(huán)掃描技術(shù)以串行的模式完成線(xiàn)圈掃描工作。唯有線(xiàn)圈通電/斷電時(shí)，線(xiàn)圈成功被掃描后觸點(diǎn)有且只有一條指令。上述的PLC控制模型能夠克服因繼電器控制所致的時(shí)序失配和觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。所以，在執(zhí)行用戶(hù)程序任務(wù)時(shí)，其處理的輸入信號(hào)不再隨現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化而隨之變化，而是按照輸出信號(hào)狀態(tài)寄存器的輸出信號(hào)而做出動(dòng)態(tài)的變化。實(shí)際輸出信號(hào)是在輸出任務(wù)完成的最后結(jié)果。PLC周期性的輸入、輸出處理方式對(duì)一般控制對(duì)象而言是能夠滿(mǎn)足的，但是對(duì)那些要求響應(yīng)時(shí)間小于掃描周期的控制系統(tǒng)則不能滿(mǎn)足，這時(shí)可以采用智能輸入、輸出單元或?qū)ｉT(mén)的軟件指令，通過(guò)與掃描周期脫離的方式解決。PLC通電后，就在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下，循環(huán)往復(fù)地根據(jù)固定順序完成系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)任務(wù)的查詢(xún)、判斷和執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過(guò)程。PLC采用周期掃描機(jī)制，簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，提高了可靠性。掃描周期強(qiáng)調(diào)的是PLC執(zhí)行一次輸入到輸出的總時(shí)長(zhǎng)。具體工作流程為：依次按順序?qū)Σ煌斎朦c(diǎn)進(jìn)行掃描，繼而再依次按順序掃描用戶(hù)活動(dòng)中的各個(gè)指令，系統(tǒng)依據(jù)輸入狀態(tài)及指令內(nèi)容開(kāi)展邏輯運(yùn)算處理，最終得出最后的邏輯運(yùn)算結(jié)果，而輸出狀態(tài)寄存器則負(fù)責(zé)向不同輸出點(diǎn)發(fā)出輸出信號(hào)的過(guò)程。在監(jiān)視器中設(shè)定一個(gè)掃描周期的最大參數(shù)值，監(jiān)視出實(shí)際參數(shù)值是否超出規(guī)定數(shù)值，降低任務(wù)死循環(huán)所致的系統(tǒng)故障。

3 電梯控制技術(shù)特點(diǎn)

3.1 傳統(tǒng)繼電器電梯控制特點(diǎn)。傳統(tǒng)模式的電梯控制系統(tǒng)由繼電器系統(tǒng)及繼電器設(shè)備組成，維護(hù)簡(jiǎn)易，但是接線(xiàn)線(xiàn)路繁瑣且復(fù)雜，觸點(diǎn)多，極度容易出現(xiàn)消耗過(guò)度而磨損或是接觸不良的現(xiàn)象。所以，傳統(tǒng)模式的電梯控制系統(tǒng)故障次數(shù)較多，同時(shí)普通的控制電器設(shè)備和硬件接線(xiàn)法都很難達(dá)成對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)功能的控制和操作。當(dāng)系統(tǒng)控制功能難以發(fā)揮出應(yīng)有的效用時(shí)，控制系統(tǒng)故障率高居不下，給電梯的安全事故和故障問(wèn)題的滋生助長(zhǎng)了空間，一旦出現(xiàn)蹲底或沖頂?shù)氖鹿蕰r(shí)，電梯內(nèi)部硬件有可能出現(xiàn)損壞，更甚的是因而出現(xiàn)乘務(wù)人員的人身安全事故。

3.2 現(xiàn)代電梯控制系統(tǒng)。本電梯控制系統(tǒng)選擇PLC技術(shù)完成對(duì)電梯控制系統(tǒng)的軟件控制，做到提升電梯控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。而選擇變頻調(diào)速技術(shù)是因?yàn)樽冾l器設(shè)備成本低廉、占用空間小、結(jié)構(gòu)單一、體積微小、維護(hù)簡(jiǎn)易等顯著優(yōu)勢(shì)。SVPWM技術(shù)與SPWM技術(shù)的應(yīng)用下本電梯控制系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量及其穩(wěn)定性能明顯得到了改進(jìn)，同時(shí)還具備高精密度、好控制精度、動(dòng)態(tài)良好、安靜和快捷等諸多優(yōu)勢(shì)。

4 電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電梯的工作原理。電梯工作原理可看作是一種動(dòng)力電能借助變頻調(diào)速設(shè)備或驅(qū)動(dòng)裝置供電完成的曳引設(shè)備發(fā)動(dòng)而促使電梯內(nèi)部轎廂上下運(yùn)行的活動(dòng)[4]。

4.2 PLC電梯控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)。電梯控制系統(tǒng)輸入和輸出接口數(shù)量繁多，為此要求配備多個(gè)I/O擴(kuò)展模塊以便接入。由于電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為繁瑣和復(fù)雜，而采取面向?qū)ο蟮哪K化編程法能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)要求。電梯的大型機(jī)械設(shè)備，其對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力要求頗高。本電梯控制系統(tǒng)由于考慮到成本、I/O擴(kuò)展能力等的要素后，決定采用SIMATIC S7-300PLC系列作為本電梯控制系統(tǒng)的核心控制器。同時(shí)因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的特性，只執(zhí)行數(shù)字處理任務(wù)和無(wú)需擴(kuò)展、一個(gè)機(jī)架可容下全部模塊，沒(méi)有別的額外任務(wù)需要處理等條件下，本設(shè)計(jì)僅用一臺(tái)CPU、一個(gè)電源模塊及分別三個(gè)數(shù)字量輸入和輸出模塊就構(gòu)成了電梯控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)[5]。變頻器決定著變頻調(diào)速系統(tǒng)的品質(zhì)高低，在該系統(tǒng)中發(fā)揮著核心價(jià)值。在選定變頻器品牌和型號(hào)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分參考設(shè)備的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量、品牌口碑以及實(shí)際的變頻調(diào)速設(shè)計(jì)方案、應(yīng)用要求和負(fù)載類(lèi)型等，綜合上述要素選出最適宜、質(zhì)量上乘的變頻器，以確保整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為此，本篇論文中采用了愛(ài)默生牌的TD3100型號(hào)的曳引機(jī)變頻器作為本電梯設(shè)計(jì)系統(tǒng)的專(zhuān)用變頻器，而門(mén)機(jī)變頻器則是采用了西門(mén)牌的MM440型號(hào)的通用變頻器[6]。

4.3 PLC電梯控制系統(tǒng)程序系統(tǒng)。呼梯信號(hào)包括內(nèi)選信號(hào)和外呼信號(hào)。當(dāng)乘客在轎廂內(nèi)按下相應(yīng)的樓層選擇信號(hào)時(shí)，該樓層的內(nèi)選指示燈點(diǎn)亮，內(nèi)選信號(hào)被儲(chǔ)存。當(dāng)電梯到達(dá)某一層并執(zhí)行開(kāi)門(mén)程序時(shí)，說(shuō)明轎廂已經(jīng)到這一樓層并且開(kāi)門(mén)等待乘客離開(kāi)轎廂，相應(yīng)的內(nèi)選信號(hào)清除[7]。外呼信號(hào)的清除相對(duì)要復(fù)雜一些。如果電梯運(yùn)行方向與呼梯信號(hào)方向相同， 那么呼梯信號(hào)可以如常執(zhí)行；反之若電梯運(yùn)行方向和呼梯信號(hào)相悖則首先要等電梯轎廂到達(dá)目的樓層后反向運(yùn)行時(shí)，再響應(yīng)該呼梯信號(hào)。如果電梯在運(yùn)行過(guò)程中，有多個(gè)反方向的呼梯信號(hào)同時(shí)存在，則應(yīng)先響應(yīng)最遠(yuǎn)的呼梯信號(hào)。程序中W0.00～W0.03表示某一樓層該方向?yàn)樽钸h(yuǎn)呼梯層。以W0.00為例，該觸點(diǎn)置位表示電梯上行過(guò)程中二樓為最遠(yuǎn)呼梯層，前方?jīng)]有任何呼梯信號(hào)。上行和下行的啟動(dòng)、停止邏輯完全一樣。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電梯的控制原理與功能要求，本論文介紹了電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，包括PLC的選擇，電梯轎內(nèi)、廳外電路的驅(qū)動(dòng)及顯示電路設(shè)計(jì)等等。充分考慮電梯管理系統(tǒng)的控制標(biāo)準(zhǔn)下，融合目前的技術(shù)和電梯發(fā)展方向進(jìn)行有針對(duì)性的電梯控制系統(tǒng)的編程設(shè)計(jì)，依據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)目前電梯內(nèi)部構(gòu)造予以分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯系統(tǒng)的控制運(yùn)行。

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