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PLC电梯控制系统结构设计及功能实现

添加时间:2019-01-25 14:09

  摘    要: 电梯是现代化建筑中的重要组成部分, 在方便人们上下楼及货物运输方面发挥着重要作用。为了提高电梯运行的稳定性及安全性, 就需要不断对电梯控制系统进行优化, 提高控制系统运行性能。西门子S7—300PLC系统, 是由德国西门子企业以可编程逻辑控制器为核心, 所研发的一种数字化、智能化控制系统, 具有使用方便、功能强大、可靠性高等优点, 是当前电梯设备使用作为广泛的一种控制系统。为了解西门子S7—300PLC在电梯控制系统中的实践应用, 对电梯控制系统的构建与实践进行了详细分析。

  关键词: 西门子S7—300PLC; 电梯控制系统; 硬件设计; 软件设计; 电梯监控系统;

  Abstract: elevator is an important part of modern architecture, plays an important role in the convenience of people up and down stairs and freight transportation. In order to improve the stability and safety of elevator operation, it is necessary to continuously optimize the elevator control system to improve the operation performance of the control system. SIEMENS S7-300 PLC system, by the German SIEMENS enterprise with programmable logic controller as the core, a kind of digital and intelligent control system research and development, has powerful function and high reliability, is the current elevator equipment used as a control system widely. In order to understand the practical application of SIEMENS S7-300 PLC in elevator control system, the construction and practice of elevator control system are analyzed in detail.

  Keyword: SIEMENS S7-300PLC; elevator control system; hardware design; software design; elevator monitoring system;

  电梯设备在建筑内部承担着垂直运输的作用, 传统的控制方式是以继电器或者微机控制为主, 电梯控制水平较低, 无法有效保证电梯运行的安全性及稳定性, 容易引发电梯运行故障甚至是安全事故, 影响了电梯功能的充分发挥。随着电气自动化技术的不断成熟和完善, 为电梯控制系统的优化和改进提供了技术支撑, 以可编程控制器PLC为代表的自动化控制技术和装置, 已经被广泛应用于电梯控制系统中, 在提高电梯控制水平和运行水平方面发挥着越来越重要的作用。

  在PLC具体应用过程中, 首先会根据工业生产需求及控制要求, 预先在PLC中设定好运算逻辑及程序, 然后采集系统运行信息并进行存储、传输并转化成数字信号, 最后根据系统预定程序进行逻辑运算, 获取系统运行状态以及判断是否需要执行用户指令, 实现对整个工业生产过程的控制[1,2]。

  我国现在已经成为全球最大的电梯市场, 同时也吸引了全世界所有的知名电梯公司, 比如美国奥的斯、瑞士迅达、日本三菱、东芝等。近年来, 我国的电梯生产技术也得到了迅速发展, 一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。鉴于PLC的可靠性高、抗干扰能力强等特点, PLC电梯控制已经渐渐取代了电梯的继电器控制方式。

  PLC作为可编程序的存储器装置, 具有抗干扰强, 使用维修方便, 运行可靠, 设计和调试周期短等特点, 有关数据信息的逻辑运算、顺序控制以及算术运算等相关问题均在可编程序存储器内部实现, 通过模拟或数字的方式把信号传输到输出设备并呈现出来。以PLC的电梯控制系统为研究对象, 利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈, 并检测电梯的运行方向和速度。从PLC电梯控制系统的运行原理、实现功能、系统基本结构以及系统结构设计关键问题入手, 并证明了PLC在提高电梯控制系统动作相应时效性、运行稳定性、长时间安全持续运行的过程中发挥了非常重要作用与意义。
 

PLC电梯控制系统结构设计及功能实现
 

  1 电梯运行原理及控制方式

  1.1 电梯运行原理

  电梯运行的实现过程是, 电梯控制系统会将采集到的请求信号进行存储记忆, 然后再按照预定逻辑程序进行运算, 将用户输入的请求信号转化为数字信号, 对用户的上下行需求做出准确判断, 并通过通讯模块输出逻辑运算结果, 向电梯发出相应的运行指令[3]。此时电梯的电气控制系统便会根据运行指令, 改变电梯的运行状态及位置, 根据用户输入的请求信号, 将其运送至相对应的楼层。在电梯整个运行过程中, 通过控制系统保证电梯运行的平稳定及安全性是至关重要的, 这也是电梯运行的基本要求。

  1.2 电梯运行控制方式

  原有的电梯运行控制方式主要采用硬接线模式, 硬接线模式的电梯控制系统运行速率较低, 触点稳定性较弱, 很容易受电梯振动的影响而发生抖动, 存在较大的安全隐患, 不利于电梯的安全稳定运行[4]。

  现阶段所用的PLC电梯控制系统采用软接线模式, 控制系统具有较强的适应能力和可拓展性能, 可以根据实际控制需求, 通过改变变成软件中的逻辑程序, 便可以实现对控制系统的调整和改变, 系统优化十分方便, 并且成本较低。此外, PLC电梯控制系统所用控制材料为半导体, 系统信号传输速率较快, 可以对请求信号及运行指令做出迅速反应, 整个控制过程所用时间及其短暂[5]。再加上没有触点, 电梯运行比较平稳, 不会出现抖动现象, 大大提高了电梯运行的安全性及稳定性, 所以PLC在电梯控制系统中具有较高的推广应用价值。

  2 PLC电梯控制系统结构及功能

  2.1 PLC电梯控制系统结构组成

  西门子S7—300PLC电梯控制系统主要由电源、曳引机、门电机、制动机、变频器、轿厢、安全和门锁回路信号系统、各楼层召唤信号系统、轿厢内召唤信号系统、电梯上位监控系统等几部分组成, 如图1所示。在电梯运行时, 控制系统会通过各楼层召唤信号系统判断是否有请求信号输入, 结合轿厢内召唤信号系统采集到的信息, 对电梯所在楼层信号与请求信号进行比较, 在曳引机的牵拽作用下改变电梯所在楼层位置, 按照楼层顺序逐一相应不同请求信号, 通过开关门按钮完成对电梯开关门的延时控制[6]。

  图1 PLC电梯控制系统结构
图1 PLC电梯控制系统结构

  2.2 PLC电梯控制系统的功能

  以西门子S7—300PLC为核心的电梯控制系统, 每一个组成部门都有不同的功能, 只有保证不同模块之间的协调统一与紧密配合, 才能实现对电梯运行的有效精准控制。首先, 电梯控制系统应该能够通过感应器所采集到的信息, 准确判断出电梯所在楼层, 并将其以数字信号的形式显示出来作为指示, 并将已经执行完毕的运行指令记忆进行消除。其次, 电梯应该能够通过比较实际所处楼层及请求信号, 控制轿厢做出正确的运行动作, 并遵循顺向截梯, 反向不截梯的原则, 优先响应同运行方向的请求信号, 等到执行完统一运行方向上的请求信号之后, 再相应反方向上的请求信号[7]。并且, 如果在五分钟之内没有召唤信号, 则电梯会自行运行至一楼, 直到接收到请求信号之后才会做出相应的动作。电梯在运行过程中采用变频调速方式来控制运行快慢, 运行过程中不能手动关门和开门, 在抱闸停车后延时开关门, 此时轿厢静止。最后电梯应该具备超重报警功能, 并设有上下极限位保护装置, 当超过正常运行范围时, 强行制停轿厢。这些都是在应用PLC设计电梯控制系统时需要考虑到的具体系统功能。

  3 西门子S7—300PLC电梯控制系统结构设计

  在设计西门子S7—300PLC电梯控制系统时, 可以从系统硬件和系统软件两部分进行考虑, 参照控制系统结构组成及功能需求, 进而完成整个控制系统的设计。

  3.1 西门子S7—300PLC电梯控制系统的硬件设计

  西门子S7—300PLC电梯控制系统硬件主要有PLC、电源、曳引机、门电机、变频器、旋转编码器等几部分组成, 结构示意图如图2所示。电梯控制系统主要分为调速系统和逻辑控制系统两部分, 其中调速系统的主要功能是控制电梯的运行速度, 逻辑控制系统的主要功能是对信号进行采集、运算、传输各显示, 在设计系统硬件时, 重点对这两部分进行分析。

  图2 PLC电梯控制系统硬件组成
图2 PLC电梯控制系统硬件组成

  1) 调速系统的硬件设计

  曳引机和变频器是调速系统的核心元件, 在设计电梯控制系统时, 所用曳引机和变频器类型分别为鼠笼型交流异步电机和通用型, 其中变频器型号为MM440, 其接线方式如图3所示。在选择变频器的时候, 容量的确定至关重要, 必须综合曳引机运行功率、电梯运行速度、电梯重量等因素进行全面分析之后, 以满足电梯控制需求为基本原则, 确定最为合适的变频器容量。如果分别用P、V分别表示曳引机运行功率计电梯运行速度, 将电梯重量分为电梯自重W1和电梯载重W2, 则存在公式

  其中K1和K2分别表示电梯的摩擦系数和可靠系数[8]。因为变频器额定电流要比曳引机工作电流大, 利用公式求得曳引机运行功率之后, 可以根据曳引机的各项运行参数计算得出其工作电流, 进而判断变频器的最小额定电流大小, 确定变频器容量。同时, 利用PLC的输出触点, 根据变频器的运行状态释放对应的信号, 经过科学、准确连线之后, 按照预算设定好的逻辑程序及运行参数, 实现对电梯的运行速度、加减速度、加减速时间等, 各项与速度调控相关因素的控制, 确保电梯运行的稳定性及安全性。

  图3 变频器线路连接示意图
图3 变频器线路连接示意图

  2) 逻辑控制系统的硬件设计

  在对逻辑控制系统的硬件进行设计的时候, 需要根据建筑楼层数量确定PLC地址的最佳分配位置, 尽可能的减少输入输出点, 常用的方法主要有3种。首先, 可以将预先设定的楼层数值与安装在曳引机上旋转编码器所获得的信号进行比较, 准确判断出电梯所在楼层, 控制电梯进行上行或者下行运行, 这种设计方法只需设置一个PLC输入端即可。其次, 还可以利用编译器装置, 采用二进制的方式将各个楼层的召唤信号进行转换, 以此来减少PLC的输入点数。最后, 还可以采用两数码管共用一BCD码输出端的方式, 将楼层信号以片信号的形式呈现出来, 来达到减少PLC输出点数量的目的。电梯控制系统所用电源型号主要有四种, 经过对比后决定采用型号为PS 307 (10A) 的电源, 并设置有备用电源, 同时, 选用型号为313C-2DP, 数字输入输出量为16位的中央处理器, 除此之外, 所用到的硬件设备还包括有12个连接端子的编码器、规格为530cm的导轨、64K F—RCM卡及开关装置等。在连接PLC与编码器的时候, 采用的接线方式为单向连接, 以此来判定电梯所在楼层位置, 同时, 以编码器为媒介, 使旋转编码器与变频器形成一个整体结构, 进而实现对电梯运行的控制[9,10,11,12]。

  3.2 西门子S7—300PLC电梯控制系统的软件设计

  西门子S7—300PLC电梯控制系统主要包括电梯判断楼层模块、定向回路模块、电梯运行方向及速度显示模块电梯开关门控制模块、电梯轿厢内外召唤信号模块等几部分组成, 在对电梯控制系统软件进行设计的时候, 需要从这几个方面进行分别考虑[13,14]。

  电梯判断楼层模块是通过对电梯当前所处楼层位置进行判断, 根据系统接收到的召唤信号, 控制电梯位置发生变化。在进行方针设计的时候, 会受到触摸尺寸大小的限制, 导致电梯位置变化计算值与实际值存在一定的出入, 难以确保电梯到达预期指定位置。为了避免出现这种误差, 保证系统软件设计的精准性, 在对系统软件进行仿真调试的时候, 将电梯变化高度分为若干等分, 采用比较指令对比电梯楼层高度, 进而得到电梯轿厢所在的精准位置, 控制电梯运行。

  定向回路模块是综合电梯现在所处位置及召唤信号, 决定电梯进行上行或者下行运行。电梯控制系统会存储记忆当前所在楼层信息, 当用户发出请求信号之后, 控制系统会通过比较指令对记忆的楼层信号及请求信号进行比较, 当前者较大时, 电梯上行, 反之则下行。系统软件根据设定好的运行程序, 通过改变曳引机的旋转方向来控制电梯进行上下行运行。

  电梯运行方向及速度显示模块的主要功能是控制电梯的运行速度, 当电梯到达一层时, 或一层外召唤被按下, 电梯将开门, 此时电梯显示开门状态, 慢行和快行将为复位。如果电梯停滞在一楼, 当二楼发出请求信号时, 电梯会向上慢行, 当更高处的楼层发出请求信号时, 电梯的上行速度会加快。同理, 电梯下行时也会根据当前所处楼层位置, 与召唤信号楼层位置之间的高度, 调整电梯运行速度。

  电梯开关门控制模块的主要功能是改变轿厢的开合合状态, 既可以手动控制, 也可以自动控制, 但是无论是哪一种控制方式, 电梯门都是在平层停靠后才可以进行开合, 电梯运行过程中, 是无法打开或者关闭电梯门的。电梯开门, 此时平层呼叫标志位也将自动复位。电梯自动运行时的关门, 停站时间继电器延时结束后, 电梯应自动关门, 停站时间未到时, 可通过关门按钮实现提前关门。

  电梯轿厢内外召唤信号模块是根据召唤信号, 控电梯运行至指定楼层, 当电梯控制系统接收到轿厢内外召唤信号之后, 便会进行上行或者下行运行。当执行完毕某一楼层的运行指令之后, 会将信号记忆进行消除, 依次回应所有召唤信号。

  另外在程序的编写过程中, 还增设了以下功能:初开机时的自动定位功能, 无呼叫信号的超时返回基站功能, 定时开关电梯功能, 轻载时的防捣乱处理功能[15,16,17]。

  4 结束语

  通过加强对西门子7—300PLC的研究, 并将其应用于电梯控制系统中, 能够实现对电梯控制系统的改进和优化, 改善了电梯传统控制系统中的众多不足, 既推动了电梯行业的良好发展, 又满足了现代化建筑对电梯的运行要求。随着科技的发展及研究的持续深入, 以PLC为主的电梯控制系统将会有更加光明的应用前景和更加广阔的应用市场[18,19,20]。

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