基于PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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型電梯控制系統(tǒng)的管理和作業(yè)。
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。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和自動(dòng)開關(guān)門的程序；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編寫相應(yīng)的程序來實(shí)現(xiàn)上述功能。
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)控制的專用計(jì)算機(jī)，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 PLC 的結(jié)構(gòu)框圖
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圈掃描工作。唯有線圈通電/斷電時(shí)，線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)的問題。所以，在執(zhí)行用戶程序任務(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)則不能滿足，這時(shí)可以采用智能輸入、輸出單元或?qū)ｉT的軟件指令，通過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、判斷和執(zhí)行，這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過程。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，但是接線線路繁瑣且復(fù)雜，觸點(diǎn)多，極度容易出現(xiàn)消耗過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)。
4.2 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)和無需擴(kuò)展、一個(gè)機(jī)架可容下全部模塊，沒有別的額外任務(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)。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)的專用變頻器，而門機(jī)變頻器則是采用了西門牌的MM440 型號(hào)的通用變頻器。
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)行開門程序時(shí)，說明轎廂已經(jīng)到這一樓層并且開門等待乘客離開轎廂，相應(yīng)的內(nèi)選信號(hào)清除。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
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。