FX2系列PLC構(gòu)成電梯控制系統(tǒng)特性分析
發(fā)布時間：2013-12-13
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6 | 智能樓宇/安防設(shè)備展廳
圖像傳輸和監(jiān)控, 監(jiān)控攝像機(jī), 乘客電梯, 門禁, 自動門, ... | | | | 摘要；文中分析了電梯的負(fù)載特性，闡述了采用梯形加速曲線的電梯理想速度曲線，結(jié)合變頻器和PLC的性能，論述了電梯控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作特性。闡述了電梯速度曲線產(chǎn)生的方法，歸納了由PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的特點。
關(guān)鍵詞：負(fù)載特性 理想速度曲線 控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計
1.概述
隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高層建筑不斷增多，電梯在國民經(jīng)濟(jì)和生活中有著廣泛的應(yīng)用。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。實際上電梯是根據(jù)外部呼叫信號以及自身控制規(guī)律等運(yùn)行的，而呼叫是隨機(jī)的，電梯實際上是一個人機(jī)交互式的控制系統(tǒng)，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足控制要求的，因此，電梯控制系統(tǒng)采用隨機(jī)邏輯方式控制。目前電梯的控制普遍采用了兩種方式，一是采用微機(jī)作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運(yùn)行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實現(xiàn)電梯的自動調(diào)度和集選運(yùn)行功能，拖動控制則由變頻器來完成；**種控制方式用可編程控制器（PLC）取代微機(jī)實現(xiàn)信號集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大的區(qū)別。國內(nèi)廠家大多選擇**種方式，其原因在于生產(chǎn)規(guī)模較小，自己設(shè)計和制造微機(jī)控制裝置成本較高；而PLC可靠性高，程序設(shè)計方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點，所以現(xiàn)在的電梯控制系統(tǒng)廣泛采用可編程控制器來實現(xiàn)。
2.電梯理想運(yùn)行曲線
根據(jù)大量的研究和實驗表明,人可接受的*大加速度為am≤1.5m/s2, 加速度變化率ρm≤3m/s3,電梯的理想運(yùn)行曲線按加速度可劃分為三角形、梯形和正弦波形，由于正弦波形加速度曲線實現(xiàn)較為困難，而三角形曲線*大加速度和在啟動及制動段的轉(zhuǎn)折點處的加速度變化率均大于梯形曲線，即+ρm跳變到-ρm或由-ρm跳變到+ρm的加速度變化率，故很少采用，因梯形曲線容易實現(xiàn)并且有良好加速度變化率頻繁指標(biāo)，故被廣泛采用，采用梯形加速度曲線電梯的理想運(yùn)行曲線如圖1所示：
智能變頻器是為電梯的靈活調(diào)速、控制及高精度平層等要求而專門設(shè)計的電梯專用變頻器，可配用通用的三相異步電動機(jī)，并具有智能化軟件、標(biāo)準(zhǔn)接口、菜單提示、輸入電梯曲線及其它關(guān)鍵參數(shù)等功能。其具有調(diào)試方便快捷，而且能自動實現(xiàn)單多層功能，并具有自動優(yōu)化減速曲線的功能，由其組成的調(diào)速系統(tǒng)的爬行時間少，平層距離短，不論是雙繞組電動機(jī)，還是單繞組電動機(jī)均可適用，其*高設(shè)計速度可達(dá)4m/s，其獨(dú)特的電腦監(jiān)控軟件，可選擇串行接口實現(xiàn)輸入/輸出信號的無觸點控制。
變頻器構(gòu)成的電梯系統(tǒng)，當(dāng)變頻器接收到控制器發(fā)出的呼梯方向信號，變頻器依據(jù)設(shè)定的速度及加速度值，啟動電動機(jī)，達(dá)到*大速度后，勻速運(yùn)行，在到達(dá)目的層的減速點時，控制器發(fā)出切斷高速度信號，變頻器以設(shè)定的減速度將*大速度減至爬行速度，在減速運(yùn)行過程中，變頻器的能夠自動計算出減速點到平層點之間的距離，并計算出優(yōu)化曲線，從而能夠按優(yōu)化曲線運(yùn)行，使低速爬行時間縮短至0.3s,在電梯的平層過程中變頻器通過調(diào)整平層速度或制動斜坡來調(diào)整平層精度。即當(dāng)電梯停得太早時，變頻器增大低速度值或減少制動斜坡值，反之則減少低速度值或增大制動斜坡值，在電梯到距平層位置4—10cm時，有平層開關(guān)自動斷開低速信號，系統(tǒng)按優(yōu)化曲線實現(xiàn)高精度的平層，從而達(dá)到平層的準(zhǔn)確可靠。
3.電梯速度曲線
電梯運(yùn)行的舒適性取決于其運(yùn)行過程中加速度a和加速度變化率p的大小，過大的加速度或加速度變化率會造成乘客的不適感。同時，為保證電梯的運(yùn)行效率，a、p的值不宜過小。能保證a、p*佳取值的電梯運(yùn)行曲線稱為電梯的理想運(yùn)行曲線。電梯運(yùn)行的理想曲線應(yīng)是拋物線-直線綜合速度曲線，即電梯的加、減過程由拋物線和直線構(gòu)成。電梯給定曲線是否理想，直接影響實際的運(yùn)行曲線。
3.1速度曲線產(chǎn)生方法
采用的FX2-64MR PLC，并考慮輸入輸出點要求增加了FX-8EYT、FX-16EYR、FX-8EYR三個擴(kuò)展模塊和FX2-40AW雙絞線通信適配器，F(xiàn)X2-40AW用于系統(tǒng)串行通信。利用PLC擴(kuò)展功能模塊D/A模塊實現(xiàn)速度理想曲線輸出，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，通過查表方式寫入D/A，由D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后將速度理想曲線輸出。
3.2加速給定曲線的產(chǎn)生
8位D/A輸出0～5V/0～10V，對應(yīng)數(shù)字值為16進(jìn)制數(shù)00～FF，共255級。若電梯加速時間在2.5～3秒之間。按保守值計算，電梯加速過程中每次查表的時間間隔不宜超過10ms。
由于電梯邏輯控制部分程序*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，每次查表的指令時間間隔過長，不能滿足給定曲線的精度要求。在PLC運(yùn)行過程中，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，每個循環(huán)都要對所有功能進(jìn)行查詢、判斷和操作。這種順序和格式不能人為改變。通常一個掃描周期，基本要完成六個步驟的工作，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。在一個周期內(nèi)，CPU對整個用戶程序只執(zhí)行一遍。這種機(jī)制有其方便的一面，但實時性差。過長的掃描時間，直接影響系統(tǒng)對信號響應(yīng)的效果，在保證控制功能的前提下，*大限度地縮短CPU的周期掃描時間是一個很復(fù)雜的問題。一般只能從用戶程序執(zhí)行時間*短采取方法。電梯邏輯控制部分的程序掃描時間已超過10ms，盡管采取了一些減少程序掃描時間的辦法，但仍無法將掃描時間降到10ms以下。同時，制動段曲線采用按距離原則，每段距離到的響應(yīng)時間也不宜超過10ms。為滿足系統(tǒng)的實時性要求，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。
起動加速運(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)行開關(guān)，一旦設(shè)定，就一直按設(shè)定時間間隔循環(huán)中斷，所以，起動運(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，中斷即返回。
3.3減速制動曲線的產(chǎn)生
為保證制動過程的完成，需在主程序中進(jìn)行制動條件判斷和減速點確定。在減速點確定之前，電梯一直處于加速或穩(wěn)速運(yùn)行過程中。加速過程由固定周期中斷完成，加速到對應(yīng)模式的*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。電梯以對應(yīng)模式的*大值運(yùn)行，在該模式減速點到后，產(chǎn)生高速計數(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。門區(qū)和平層區(qū)的判斷均由外部信號給出，以保證減速過程的可靠性。
4.電梯控制系統(tǒng)
4.1電梯控制系統(tǒng)特性
在電梯運(yùn)行曲線中的啟動段是關(guān)系到電梯運(yùn)行舒適感指標(biāo)的主要環(huán)節(jié),而舒適感又與加速度直接相關(guān),根據(jù)控制理論,要使某個量按預(yù)定規(guī)律變化必須對其進(jìn)行直接控制,對于電梯控制系統(tǒng)來說,要使加速度按理想曲線變化就必須采用加速度反饋,根據(jù)電動機(jī)的力矩方程式:M—MZ=ΔM=J（dn/dt），可見加速度的變化率反映了系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)距的變化，控制加速度就控制系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)距ΔM=M—MZ。故在此段采用加速度的時間控制原則，當(dāng)啟動上升段速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%時，將系統(tǒng)由加速度控制切換到速度控制，因為在穩(wěn)速段，速度為恒值控制波動較小，加速度變化不大，且采用速度閉環(huán)控制可以使穩(wěn)態(tài)速度保持一定的精度，為制動段的**平層創(chuàng)造條件。在系統(tǒng)的速度上升段和穩(wěn)速段雖都采用PI調(diào)節(jié)器控制，但兩段的PI參數(shù)是不同的，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。
在系統(tǒng)的制動段，即要對減速度進(jìn)行必要的控制，以保證舒適感，又要嚴(yán)格地按電梯運(yùn)行的速度和距離的關(guān)系來控制，以保證平層的精度。在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降至120r/min之前，為了使兩者得到兼顧，采取以加速度對時間控制為主，同時根據(jù)在每一制動距離上實際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的偏差來修正加速度給定曲線的方法。例如在距離平層點的某一距離L處，速度應(yīng)降為 Vm/s，而實際轉(zhuǎn)速高為V′m/s，則說明所加的制動轉(zhuǎn)距不夠，因此計算出此處的給定減速度值-ag后，使其再加上一個負(fù)偏差ε，即使此處的減速度給定值修正為-（ag+ε）使給定減速度與實際速度負(fù)偏差加大，從而加大了制動轉(zhuǎn)距，使速度很快降到標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降到120r/min 以后，此時轎廂距平層只有十幾厘米，電梯的運(yùn)行速度很低，為防止未到平層區(qū)就停車的現(xiàn)象出現(xiàn)，以使電梯能較快地進(jìn)入平層區(qū)，在此段采用比例調(diào)節(jié)，并采用時間優(yōu)化控制，以保證電梯準(zhǔn)確及時地進(jìn)入平層區(qū)，以達(dá)到準(zhǔn)確可靠平層。
4.2電梯控制構(gòu)成
由于電梯的運(yùn)行是根據(jù)樓層和轎廂的呼叫信號、行程信號進(jìn)行控制，而樓層和轎廂的呼叫是隨機(jī)的，因此，系統(tǒng)控制采用隨機(jī)邏輯控制。即在以順序邏輯控制實現(xiàn)電梯的基本控制要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)隨機(jī)的輸入信號，以及電梯的相應(yīng)狀態(tài)適時的控制電梯的運(yùn)行。另外，轎廂的位置是由脈沖編碼器的脈沖數(shù)確定，并送PLC的計數(shù)器來進(jìn)行控制。同時，每層樓設(shè)置一個接近開關(guān)用于檢測系統(tǒng)的樓層信號。
為便于觀察，對電梯的運(yùn)行方向以及電梯所在的樓層進(jìn)行顯示，采用LED和發(fā)光管顯示，而對樓層和轎廂的呼叫信號以指示燈顯示(開關(guān)上帶有指示燈)。
為了提高電梯的運(yùn)行效率和平層的精度，系統(tǒng)要求PLC能對轎廂的加、減速以及制動進(jìn)行有效的控制。根據(jù)轎廂的實際位置以及交流調(diào)速系統(tǒng)的控制算法來實現(xiàn)。為了電梯的運(yùn)行**，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置可靠的故障保護(hù)和相應(yīng)的顯示。采用PLC實現(xiàn)的電梯控制系統(tǒng)由以下幾個主要部分構(gòu)成。
4.2.1PLC控制電路：PLC接收來自操縱盤和每層呼梯的召喚信號、轎廂和門系統(tǒng)的功能信號以及井道和變頻器的狀態(tài)信號，經(jīng)程序判斷與運(yùn)算實現(xiàn)電梯的集選控制。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號的同時，向變頻器發(fā)出運(yùn)行方向、啟動、加/減速運(yùn)行和制動停梯等信號。
4.2.2電流、速度雙閉環(huán)電路：變頻器本身設(shè)有電流檢測裝置，由此構(gòu)成電流閉環(huán)；通過和電機(jī)同軸聯(lián)接的旋轉(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，利用脈沖計數(shù)構(gòu)成速度閉環(huán)。
4.2.3位移控制電路：電梯作為一種載人工具，在位勢負(fù)載狀態(tài)下，除要求**可靠外，還要求運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，停靠準(zhǔn)確。采用變頻調(diào)速雙環(huán)控制可基本滿足要求，利用現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成速度環(huán)的同時，通過變頻器的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的高速計數(shù)輸入端口，通過累計脈沖數(shù)，經(jīng)式（1）計算出脈沖當(dāng)量，由此確定電梯位置。電梯位移
h=SI
式中I—累計脈沖數(shù)； S—脈沖當(dāng)量；
S = plD / (pr) （1）
l—減速比； D—牽引輪直徑； P—旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)對應(yīng)的脈沖數(shù)；r—PG卡分頻比。
4.2.4端站保護(hù)：當(dāng)電梯定向上行時，上行方向繼電器、快車輔助接觸器、快車運(yùn)行接觸器、門鎖繼電器、上行接觸器均得電吸合，抱閘打開，電梯上行。當(dāng)轎廂碰到上強(qiáng)迫換速開關(guān)時，PLC內(nèi)部鎖存繼電器得電吸合，定時器Tim10、Tim11開始定時，其定時的時間長短可視端站層距和梯速設(shè)定。上強(qiáng)迫換速開關(guān)動作后，電梯由快車運(yùn)行轉(zhuǎn)為慢車運(yùn)行，正常情況下，上行平層時電梯應(yīng)停車。如果轎廂未停而繼續(xù)上行，當(dāng)Tim10設(shè)定值減到零時，其常閉點斷開，慢車接觸器和上行接觸器失電，電梯停止運(yùn)行。在驕廂碰到上強(qiáng)迫換速開關(guān)后，由于某些原因電梯未能轉(zhuǎn)為慢車運(yùn)行，及快車運(yùn)行接觸器未能釋放，當(dāng)Tim11 設(shè)定值減到零時，其常閉點斷開，快車運(yùn)行接觸器和上行接觸器均失電，電梯停止運(yùn)行。因此，不管是慢車運(yùn)行還是快車運(yùn)行，只要上強(qiáng)迫換速開關(guān)發(fā)出信號，不論端站其他保護(hù)開關(guān)是否動作，借助Tim10和Tim11均能使電梯停止運(yùn)行，從而使電梯端站保護(hù)更加可靠。
當(dāng)電梯需要下行，只要有了選梯指令，下行方向繼電器得電其常開點閉合，鎖存繼電器被復(fù)位，Tim10和Tim11均失電，其常閉點閉合為電梯正常下行做好了準(zhǔn)備。下端站的保護(hù)原理與上端站保護(hù)類似不再重復(fù)。
4.2.5樓層計數(shù)：樓層計數(shù)采用相對計數(shù)方式。運(yùn)行前通過自學(xué)習(xí)方式，測出相應(yīng)樓層高度脈沖數(shù)，對應(yīng)17層電梯分別存入16個內(nèi)存單元DM06～DM21。樓層計數(shù)器（CNT46）為一雙向計數(shù)器，當(dāng)?shù)竭_(dá)各層的樓層計數(shù)點時，根據(jù)運(yùn)行方向進(jìn)行加1或減1計數(shù)。
運(yùn)行中，高速計數(shù)器累計值實時與樓層計數(shù)點對應(yīng)的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，相等時發(fā)出樓層計數(shù)信號，上行加1，下行減1。為防止計數(shù)器在計數(shù)脈沖高電平期間重復(fù)計數(shù)，采用樓層計數(shù)信號上沿觸發(fā)樓層計數(shù)器。
4.2.6快速換速：當(dāng)高速計數(shù)器值與快速換速點對應(yīng)的脈沖數(shù)相等時，若電梯處于快速運(yùn)行且本層有選層信號，發(fā)快速換速信號。若電梯中速運(yùn)行或雖快速運(yùn)行但本層無選層信號，則不發(fā)換速信號。
4.2.7門區(qū)信號：當(dāng)高速計數(shù)器CNT47數(shù)值在門區(qū)所對應(yīng)脈沖數(shù)范圍內(nèi)時，發(fā)門區(qū)信號。
4.2.8脈沖信號故障檢測：脈沖信號的準(zhǔn)確采集和傳輸在系統(tǒng)中顯得尤為重要，為檢測旋轉(zhuǎn)編碼器和脈沖傳輸電路故障，設(shè)計了有無脈沖信號和錯漏脈沖檢測電路，通過實時檢測確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。為消除脈沖計數(shù)累計誤差，在基站設(shè)置復(fù)位開關(guān)，接入PLC高速計數(shù)器CNT47的復(fù)位端。
5.軟件設(shè)計特點
5.1采用優(yōu)先級隊列
根據(jù)電梯所處的位置和運(yùn)行方向，在編程中，采用了四個優(yōu)先級隊列，即上行優(yōu)先級隊列、上行次優(yōu)先級隊列、下行優(yōu)先級隊列、下行次優(yōu)先級隊列。其中，上行優(yōu)先級隊列為電梯向上運(yùn)行時，在電梯所處位置以上樓層所發(fā)出的向上運(yùn)行的呼叫信號，該呼叫信號所對應(yīng)的樓層所具有的脈沖數(shù)存放的寄存器所構(gòu)成的陣列。上行次優(yōu)先級隊列為電梯向上運(yùn)行時，在電梯所處位置以下樓層所發(fā)出的向上運(yùn)行的呼叫信號，該呼叫信號所對應(yīng)的樓層所具有的脈沖數(shù)存放的寄存器所構(gòu)成的隊列?？刂葡到y(tǒng)在電梯運(yùn)行中實時排列的四個優(yōu)先級陳列，為實現(xiàn)隨機(jī)邏輯控制提供了基礎(chǔ)。
5.2采用先進(jìn)先出隊列
根據(jù)電梯的運(yùn)行方向，將同向的優(yōu)先級隊列中的非零單元(有呼叫時此單元為七零單元，無呼叫時則此單元為零)送入寄存器隊列(先進(jìn)先出隊列FIFO)，利用先進(jìn)先出讀出指令SFRDP指令，將FIFO**個單元中的數(shù)據(jù)送入比較寄存器。
5.3采用隨機(jī)邏輯控制
當(dāng)電梯以某一運(yùn)行方向接近某樓層的減速位置時，判別該樓層是否有同向的呼叫信號(上行呼叫標(biāo)志寄存器、下行呼叫標(biāo)志寄存器、有呼叫請求時，相應(yīng)寄存器為l，否則為0)，如有，將相應(yīng)的寄存器的脈沖數(shù)與比較寄存器進(jìn)行比較，如相同，則在該樓層減速停車：如果不相同，則將該寄存器數(shù)據(jù)送入比較寄存器，并將原比較寄存器數(shù)據(jù)保存，執(zhí)行該樓層的減速停車。該動作完畢后，將被保存的數(shù)據(jù)重新送入比較寄存器，以實現(xiàn)隨機(jī)邏輯控制。
5.4采用軟件顯示
系統(tǒng)利用行程判斷樓層，并轉(zhuǎn)化成BCD碼輸出，通過硬件接口電路以LED顯示。
5.5對變頻器的控制
PLC根據(jù)隨機(jī)邏輯控制的要求，可向變頻器發(fā)出正向運(yùn)行、反向運(yùn)行、減速以及制動信號，再由變頻器根據(jù)一定的控制規(guī)律和控制算法來控制電機(jī)。同時，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，PLC向變頻器發(fā)出信號。
5.結(jié)束語
采用MIC340電梯專用變頻器構(gòu)成的電梯控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)電梯控制的智能化，但由于候梯和電梯轎內(nèi)的人到達(dá)各層的人數(shù)是智能電梯無法確定的，即使采用AITP人工智能系統(tǒng)，傳輸?shù)慕煌土餍畔⒁彩悄：?，為解決電梯這一垂直交通控制系統(tǒng)的兩大不可知因素，需要我們在今后的工作中去不斷的研究和探索 | |