PLC十层电梯楼层控制系统的设计（一）

　　一 、电梯的概述
　　1．1电梯的结构
　　随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
　　电梯是机、电一体化产品。其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。
　　尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，图1—1所示是电梯的基本结构剖视直观图。
　　图1—1  电梯的基本结构剖视直观图
　　从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：依附建筑物的机房、井道；运载乘客或货物的空间——轿厢；乘客或货物出入轿厢的地点——层站。即机房、井道、轿厢、层站。
　　从电梯各构件部分的功能上看，可分为八个部分：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统，
　　自1889年美国奥梯斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。
　　由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接收完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。
　　目前电梯的控制普遍采用了两种方式：
　　1）采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；
　　2）控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。可编程控制器（PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。
　　通过PLC程序设计实现楼层计数、换速信号、门区和平层信号的数字控制，取代井道位置检测装置，提高了系统的可靠性和平层精度。
　　而在工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC和变频器的组合应用，并且产生了多种多样的PLC控制变频器的方法，这些方法具有抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉。它们广泛应用于自动控制的各个领域，也在电梯控制系统中得到广泛的应用。
　　1．3 电梯的控制要求
　　当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：
　　1．根据轿厢所处位置及乘员所处层数，判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。
　　2．轿厢停在选定的楼层上，同时根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。
　　3．在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
　　二、 PLC的发展与应用变频器种类
　　2．1 PLC的定义和特点
　　PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
　　PLC具有很多优良的特性：
　　可靠性高，抗干扰能力强
　　配套齐全，功能完善，适用性强
　　易学易用，深受工程技术人员欢迎
　　系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
　　体积小，重量轻，能耗低
　　2．2 PLC的主要功能及其应用
　　目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
　　1、开关量的逻辑控制    这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
　　2、模拟量控制     在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器可用于模拟量控制。
　　3、运动控制    PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
　　4、过程控制
　　过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
　　5、数据处理
　　现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
　　6、通信及联网
　　PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
　　2．3 PLC的发展历史
　　作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。  20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能和极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
　　20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
　　2．4 主要的PLC供应商及选择原则
　　随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。
　　我国市场上流行的有如下几家PLC产品：
　　1．施耐德公司，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品
　　2．罗克韦尔公司PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等
　　3．西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品
　　4．GE公司的产品
　　5．日本欧姆龙、三菱、富士、松下等
　　PLC机型选择的基本原则是：
　　1．在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的 PLC
　　2．对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；
　　3．在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。
　　三、变频器的介绍
　　3．1 变频器的分类
　　变频器的种类繁多，最常见的变频器品牌有：西门子，ABB，三菱，富士等。根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类：
　　1）无直流环节的变频器，即交—交变频器；
　　2）有直流环节的变频器称为交—直—交变频器，其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。
　　电流源型变频器又可以分为：负载换向式（晶闸管）变频器（LCI）和采用自关断器件（GTO或SGCT）的变频器。电压源型变频器则可以分为：功率器件串联二电平直接高压变频器；采用IGCT或HV－IGBT的三电平变频器；采用LV－IGBT的单元串联多电平变频器。
　　3．2 电梯中变频器的组成和作用
　　电梯用变频器主要由以下几部分构成：整流器、直流中间电路、逆变器、制动电路以及中央控制单元构成。
　　变频器的主要功能主要是将交流50HZ 380V的电压根据电梯运行速度的需要转化为可变频率并可调节电流/电压的电能输出给电机，从而控制电机按速度指令准确地运行。它是电梯系统中能量传递的核心环节，通过变频器转化的电能占到整个电梯系统的80%以上。
　　四、课题设想
　　4．1 电梯控制系统主电路图
　　主电路由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。由于采用交-直-交电压型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。
　　图4-1电梯控制系统主电路图
　　4．2  PLC控制电路
　　PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC所采集信号关系如下图4-2所示：
　　图4-2  PLC采集信号关系图
　　PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。PLC的人机界面如图4-3所示：
　　图4-3  PLC的人机界面
　　4．3  电流、速度双闭环电路
　　变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联接的旋转编码器，产生两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。
　　4．4  位移控制电路
　　电梯作为一种载人工具，在位势负载下，除要求安全可还必须运行平 稳、乘坐舒适、停靠准确。采用变频调速双闭环系统控制基本满足要求。
　　图4-4为电梯运行理想速度曲线，可通过选择合适的变频器调整参数获得。
　　图4-4 电梯运行理想速度曲线
　　起动段的S字曲线由下列三个参数调节
　　P1：起动开始段增加速度，其意义为曲线的加速度变化率，该值越小，起动开始段越缓慢，感觉越平稳。
　　b1：起动段加速度，其意义为曲线的速度变化率，该值越小                                  ，起动加速段越缓慢，感觉越平稳。
　　P2：起动结速段减加速度。其意义为曲线的加速度变化率，该值越小，起动结束段越缓慢，感觉越平稳。
　　制动段的S字曲线由下列三个参数调节
　　P3：制动开始段增减速度：其意义为曲线的减速度变化率，该值越小，减速开始段越缓慢，感觉越平稳。
　　b2：减速段加速度：其意义为曲线的速度变化率，该值越小，制动减速段越缓慢，感觉越平稳。
　　P4：制动结速段减减速度，其意义为曲线减速度的变化率，其值越小，制动结束段越缓慢，感觉越平稳。
　　适当调节以上6个参数，即获得最佳电梯运行曲线。
　　五  软件设计
　　电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置、目标层、中速换速点、平层位置信号等。设计思路如图5-1所示。
　　六、课题的难点和重点
　　该课题的重点在于安排好系统相应请求，使电梯使用者能准确、迅速地到达目的楼层，且就其运行模式而言又能给使用者带来舒适感。
　　但是对于一个小高层中使用的电梯，轿厢内的选层信号和门厅旁的向上向下按钮众多，由此产生的信号也就更多。因此要分析好对于众多上下请求时电梯如何相应也是非常复杂的。本课题的难点就在于要设计出一个合理的程序结构，使这套程序既能完成各项命令任务，又不显复杂，并可灵活地适用于一定范围的楼层内，使电梯能做好调度，实现系统的优化。
　　七、毕业设计时间安排
　　序 号 毕业设计（论文）各阶段名称 日      期 备  注
　　1 撰写调研报告方案论证确定 3月4日 ~ 3月10日
　　2 英文资料翻译 3月11日 ~ 3月13日
　　3 熟悉PLC和变频器的工作原理 3月14日 ~ 3月18日
　　4 电梯控制系统的硬件设计 3月19日 ~ 4月10日
　　5 电梯控制系统的软件设计 4月11日 ~ 4月30日
　　6 系统调试 5月8日 ~ 5月31日
　　7 撰写毕业设计论文及准备答辩 6月1日 ~ 6月16日
　　八、参考文献【2】贾德胜 编著PLC应用开发实用子程序 人民邮电出版社，2006
　　【3】胡学林 主编 可编程控制器教程（实训篇） 电子工业出版社，2004
　　【4】常路德、张晓明 主编. 常见电梯电路注解图集 人民邮电出版社，2004
　　【5】高钦和 编著 可编程控制器应用技术与设计实例 人民邮电出版社，2004
　　【6】许翏、王淑英 主编. 电器控制与PLC控制技术 机械工业出版社，2005
　　【7】岳庆来 主编 变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术 机械工业出版社2006
　　【8】PROGRAMMING MANUAL .MISUBISHI ELECTRIC 1999
　　【9】Programming Controller Melsec FX series Programming Manual.Misubishi electric 1994