S7-200PLC在變頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

張繪敏，馬殷元，雷 蕾，孟 萍

（蘭州交通大學(xué)機電技術(shù)研究所， 蘭州730070）

高層建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代城市標(biāo)志的今天，電梯作為垂直運輸工具，承擔(dān)著大量的輸送任務(wù)，其作用在建筑業(yè)里至關(guān)重要，電梯也成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚墓ぞ?。對于載重大、速度高的電梯來說，提高運行質(zhì)量及效率和節(jié)約電能是重點要解決的問題。對此，采用PLC作為邏輯控制并結(jié)合變頻技術(shù)是特別適宜于電梯驅(qū)動的。

利用變頻調(diào)速控制技術(shù)改造舊電梯，充分利用現(xiàn)代換流技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和全數(shù)字化電子控制技術(shù)，對舊電梯電動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)線性控制。采用變頻調(diào)速改造后的電梯，結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，提高了運行效率，維修簡單，故障率低，由于變頻調(diào)速為無極調(diào)速，調(diào)速范圍寬，因此提高了乘坐的舒適感。根據(jù)查詢有關(guān)資料可知變頻調(diào)速電梯與交流調(diào)壓調(diào)速電梯相比節(jié)能達(dá)30%，可以最佳地利用電網(wǎng)的能量，提高功率因數(shù)，降低曳引電機容量20%以上，因此變頻調(diào)速電梯有明顯的節(jié)能特性。根據(jù)電梯控制系統(tǒng)的控制要求，詳細(xì)介紹了PLC和變頻器在電梯控制中的設(shè)計方案。

1 控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)來控制電梯，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。系統(tǒng)由轎廂，曳引機構(gòu)，開關(guān)門機構(gòu)，PLC，變頻器及其他電氣元件構(gòu)成。電梯的調(diào)速部分選用高性能的矢量控制變頻器，利用光電編碼器（PG）測量曳引電機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)的工作原理及其控制調(diào)度策略

此設(shè)計采用模塊化的編程思想，根據(jù)功能將電梯控制系統(tǒng)劃分為相對獨立的功能模塊，減少了設(shè)計的工作量并且便于維護有利于提高系統(tǒng)的維護效率。

電梯運行的控制調(diào)度策略是電梯控制系統(tǒng)的核心部分。下面具體介紹一下電梯運行的控制調(diào)度策略：運行控制中一次將一個方向上的所有呼叫和目標(biāo)全部完成后然后掉轉(zhuǎn)運行方向，完成另外一個方向上的所有呼叫和目標(biāo)，即實現(xiàn)方向優(yōu)先和順向截梯。采用設(shè)定目標(biāo)樓層的辦法實現(xiàn)這個策略，即電梯向一個目標(biāo)樓層運行，但這個樓層可以修改。具體策略如下：

（1）修改目標(biāo)樓層的策略：電梯向上或向下運行時，如果運行到介于當(dāng)前電梯所處樓層和目標(biāo)樓層之間的樓層，這個樓層正好也有同方向的呼叫請求時，將目標(biāo)樓層修改為這個新的樓層。

（2）確定新的目標(biāo)樓層：如果電梯向上（向下）運行，當(dāng)它到達(dá)某個目標(biāo)樓層后，則依照以下順序確定下一個目標(biāo)樓層：

a.如果只有上升呼叫請求，那么以最低的向上呼叫所在樓層為電梯當(dāng)前的目標(biāo)樓層。

b.如果只有下降呼叫請求，那么以最高的向下呼叫所在樓層為電梯當(dāng)前的目標(biāo)樓層。

c.如果既有上升請求又有下降請求，那么以最低（最高）的向上（向下）呼叫所在樓層為電梯當(dāng)前的目標(biāo)樓層，順次到達(dá)有上升（下降）呼叫請求的目標(biāo)樓層后，然后以最高（最低）的向下（向上）呼叫所在樓層為電梯當(dāng)前目標(biāo)樓層，反方向順次到達(dá)有下降（上升）請求的目標(biāo)樓層。

d.如果仍然不能確定目標(biāo)樓層（此時實際上沒有任何呼叫和目標(biāo)），那么電梯無目標(biāo)，運行暫停。

3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計思路

設(shè)計PLC電梯控制系統(tǒng)時，首先要對PLC進(jìn)行選型，采用的是S7-200系列PLC作為控制系統(tǒng)的核心控制器，根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入輸出量來選擇PLC的型號。然后根據(jù)系統(tǒng)的控制功能要求對PLC進(jìn)行I/O分配，分配后繪制PLC硬件接線圖，最后進(jìn)行軟件編程設(shè)計。在軟件設(shè)計中，首先按照功能要求畫出流程框圖，按照不同的功能編寫不同的功能模塊。

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1.1 PLC的選型及PLC硬件接線圖

通過對系統(tǒng)控制要求的分析可知，電梯控制系統(tǒng)信號的輸入、輸出。以3層電梯控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點16點，開關(guān)量輸出點20點，所以選用的CPU224（14DI/10DO）的PLC，一個輸出混合擴展模塊EM223（4DI/4DO），還有另一個EM223（8DI/8DO），滿足了系統(tǒng)需要的15%～20%的I/O點余量，即開關(guān)量輸入26點，輸出22點。根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入輸出的要求，可以確定輸入輸出點的地址分配表。

根據(jù)輸入輸出點的地址分配表，可以很容易地繪制出PLC的硬件接線圖，如圖2。

圖2 PLC硬件接線圖

3.1.2 變頻器的選擇和配置

為降低電梯成本，節(jié)約用電，并且能夠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，本系統(tǒng)采用VS-616G5型全數(shù)字變頻器。

VS-616G5型全數(shù)字變頻器必須配二次儀表及光電編碼器，以供電機測速和反饋。光電編碼器與電動機同軸連接，對電動機進(jìn)行測速。光電編碼器輸出A、B兩相脈沖，A、B脈沖相序可判斷電動機轉(zhuǎn)動方向，并可根據(jù)A、B脈沖頻率測電動機轉(zhuǎn)速。光電編碼器將此脈沖輸出給二次儀表， 二次儀表再將此反饋信號送給變頻器內(nèi)部，進(jìn)行運算調(diào)節(jié)，所以光電編碼器和二次儀表實現(xiàn)了閉環(huán)運行。同時必須配置制動電阻，當(dāng)電梯減速運行時，電梯處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器回饋電能，這時同步轉(zhuǎn)速下降，變頻器的直流部分電壓升高，制動電阻的作用就是消耗回饋電能，抑制直流電壓升高。

電梯的工作特點是頻繁的起動和制動，為了滿足舒適感提高運輸效率及準(zhǔn)確平層，就要求電梯能平穩(wěn)的加速和減速，因此電梯的速度給定曲線是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。當(dāng)PLC完成定向后，向變頻器發(fā)出方向使能和速度信號，變頻器依據(jù)設(shè)定的速度及加速度啟動電動機，達(dá)到最大速度后勻速運行，接近目標(biāo)層時，PLC發(fā)出低速信號，此時變頻器以設(shè)定的減速度將最大速度減至爬行速度，變頻器在加減速的過程中，以設(shè)定的優(yōu)化曲線減速，收到平層信號后立即停止。電梯的起制動速度曲線設(shè)計由兩段拋物線（S曲線）和一段直線構(gòu)成，616G5變頻器就具有將加速時間和S曲線加速時間配合調(diào)整的功能，即可獲得了較為理想的起動/制動曲線。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制程序按功能分為7部分，分別為廳外召喚和轎廂請求、轎門開關(guān)、指層、定向、選層、換速、平層停車和樓層顯示。PLC控制功能流程圖如圖3。通過對部分功能流程圖的設(shè)計來分析各個基本功能模塊的設(shè)計過程。

圖3 PLC控制功能流程圖

3.2.1 廳外召喚和轎廂請求

在正常運行的情況下，當(dāng)有轎廂請求或廳外召喚時，電梯以此為目標(biāo)在樓層間運行，運行的過程中判斷是否有其他樓層的按鈕被按下，自動記憶各種呼叫信號，在電梯到達(dá)某層停車時，自動消除順向呼叫信號，保存反向呼叫信號。

3.2.2 樓層顯示

PLC輸出端直接與七段數(shù)碼管連接，無需外部硬件譯碼器，由PLC軟件進(jìn)行七段譯碼，直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示層樓數(shù)。當(dāng)電梯停在某層上時，顯示當(dāng)前樓層的數(shù)字號。當(dāng)電梯運行到樓層中間時，就需要借助延時程序。電梯離開某層樓時，用一個中間繼電器來保持它的上一狀態(tài)，轎廂顯示為保持上一狀態(tài)的樓層。當(dāng)轎廂運行到任一其它樓層，中間繼電器失電，此時轎廂顯示為即將到達(dá)的最近的樓層。

3.2.3 定向、換速與選層控制

當(dāng)電梯處于底層或者頂層時，運行只有一個方向：上升或者下降。電梯的上升和下降是通過電機的正反轉(zhuǎn)來控制的。如果停留在中間層，通過PLC的運算將電梯當(dāng)前位置與目標(biāo)樓層進(jìn)行比較，自動選擇電梯的運動方向。電梯在運行時是通過電梯運行控制調(diào)度策略來控制電梯，當(dāng)電梯接到多個轎內(nèi)或廳外指令時，自動選擇合理的?？繉诱?。在到達(dá)目標(biāo)樓層前，應(yīng)該提前一定的距離開始降低速度，實現(xiàn)換速功能。

3.2.4 轎廂的平層與停車

轎廂運行后需要確定在哪一層站停車，平層即是指停車時轎廂的底與門廳地面應(yīng)相平齊，一般都有平層誤差規(guī)定，即兩個平面相差不能超過5mm。平層停車需要在轎廂底與停車樓層相平之前就開始，必須經(jīng)過換速過程，先是減速，然后才開始制動，減小沖擊，提高平層的準(zhǔn)確性以及乘客的舒適感。

3.2.5 開關(guān)門

電梯運行過程中即使按下開門按鈕，電梯門也不會打開，同樣如果電梯門沒有完全關(guān)閉，電梯也不進(jìn)行上下運行，以此保證乘客的安全。開關(guān)門設(shè)計流程圖如圖4。

4 結(jié)束語

本文利用通用變頻器和PLC實現(xiàn)對電梯的控制，通過合理的設(shè)備選型和軟件設(shè)計，提高了電梯運行的可靠性，改善了電梯運行的舒適感，并節(jié)約了電能，可以滿足客戶對電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行改造的要求，避免了舊系統(tǒng)諸多缺點，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計目的。系統(tǒng)軟件部分易于擴展，從幾層的小型電梯到幾十層的大型電梯都適用。

圖4 開關(guān)門流程圖

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