第三章電梯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、 第三章 電梯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路電梯控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖3.1 N Y 圖3.1 電梯控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖 本設(shè)計(jì)以PLC為工具對(duì)五層電梯的各種操作進(jìn)行控制。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般可以分為以下幾個(gè)步驟：熟悉被控對(duì)象，制定控制方案確定所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)選擇PLC機(jī)型選擇輸入、輸出設(shè)備，分配PLC的I/O地址系統(tǒng)調(diào)試編寫相關(guān)技術(shù)文件3.2 可編程控制器的選型3.2.1 I/O點(diǎn)的估算： 裝置共有33點(diǎn)輸入指令信號(hào)，32點(diǎn)輸出控制信號(hào)，輸入信號(hào)包括：樓層內(nèi)、外選擇信號(hào)、轎廂運(yùn)行時(shí)樓層檢測(cè)信號(hào)、檢修控制系統(tǒng)信號(hào)、消防模擬信號(hào)、極限限位保護(hù)信號(hào)等，輸出信號(hào)包括：變

2、頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)、樓層顯示控制系統(tǒng)信號(hào)、樓層內(nèi)外呼指示信號(hào)、上下行指示信號(hào)、到站鐘信號(hào)、電梯開門、關(guān)門信號(hào)以及安全保護(hù)信號(hào)等?？删幊炭刂破鱏7- 200 的CPU226輸入，輸出點(diǎn)數(shù)為24/16 。需要擴(kuò)展一塊EM223,DI16/DO16. 3.2.2 存儲(chǔ)容量的估算 用戶程序占用內(nèi)存的多少與多種因素有關(guān)。例如:輸入/ 輸出點(diǎn)的數(shù)量、類型、輸入/ 輸出之間的關(guān)系的復(fù)雜程度、需要進(jìn)行運(yùn)算處理的難易程度、程序結(jié)構(gòu)等都與內(nèi)存容量有關(guān)。因此,在用戶程序調(diào)試好之前很難估算內(nèi)存容量。一般只能根據(jù)I/ O點(diǎn)數(shù)與類型、控制的繁簡程度加以估算。考慮備用與計(jì)算機(jī)接口通訊所占用的內(nèi)存容量,估算本系統(tǒng)要有1K 字節(jié)以上的

3、內(nèi)存容量。3.2.3 各種PLC的比較和選型現(xiàn)在知名的PLC品牌有很多種，如美國AB、ABB、松下、西門子、匯川、三菱、歐姆龍、臺(tái)達(dá)、富士、施耐德、信捷和利時(shí)等。三菱公司的PLC是較早進(jìn)入中國市場(chǎng)的產(chǎn)品。其小型機(jī)F1/F2系列是F系列的升級(jí)產(chǎn)品 早起在我國的銷量很多，使得許多大專院校講解PLC編程的教材都以三菱公司的 PLC 為例。國內(nèi)的一些PLC生產(chǎn)廠家為了迅速獲得用戶，其PLC編程語言的指令集都與三菱公司的PLC兼容。三菱PLC以其高性能、低價(jià)格迎合了中國工控行業(yè)的需要，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，但三菱的模擬量模塊價(jià)格昂貴，程序復(fù)雜，不適合用來研究此系統(tǒng)。OMRON C 系列PLC產(chǎn)品門類齊

4、、型號(hào)多、功能強(qiáng)、適應(yīng)面廣。大致可以分為微型、小型、中型和大型四大類。整體式結(jié)構(gòu)的微型 PLC機(jī)是以C20P為代表的機(jī)型。疊裝式 或稱緊湊式 結(jié)構(gòu)的微型機(jī)以CJ型機(jī)最為典型。它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC機(jī)以P型機(jī)和CPM型機(jī)最為典型，這兩種部屬堅(jiān)固整體型結(jié)構(gòu)，具有體積更小、指令更豐富、性能更優(yōu)越。通過I/O擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)10-140點(diǎn)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的靈活配置，并可連接可編程終端直接從屏幕上進(jìn)行編程。中型機(jī)以C200H系列最為典型，主要有 C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型號(hào)產(chǎn)品。在程序容量、掃描速度和指令功能上優(yōu)于小型機(jī) 同時(shí)可以配置更完善的接口單元模塊

5、?？梢耘c上位機(jī)、下位PLC機(jī)及各種外部設(shè)備組成具有各種用途的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。但是歐姆龍系列PLC硬件可靠性不如西門子PLC且價(jià)格也很貴，并不適合此次研究。 SIMATIC S7-200 系列PLC是西門子最著名的PLC品牌。它適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊等。S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼

6、電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛， 覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境護(hù)設(shè)備等等。設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，首要的控制目標(biāo)就是：確保生產(chǎn)的安全可靠，能長期穩(wěn)定運(yùn)行，保證產(chǎn)品高質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善信息管理等。如果要求以極高的可靠性為控制目標(biāo)，構(gòu)成PLC冗余控制系統(tǒng)，這時(shí)要從能夠完成冗余控制的PLC型號(hào)中進(jìn)行選擇；如果以改善信息管理為控制目標(biāo)，要首先考慮通信能力。另一個(gè)方面就是要對(duì)PLC的硬件配置的考慮，可以從CPU的能力、I/O系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、響應(yīng)速度或其它考慮。綜合考慮后，本設(shè)計(jì)選擇了西門子公司生產(chǎn)的S7-200

7、型機(jī)。S7-200系列PLC具有以下優(yōu)點(diǎn)： A/D、D/A轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度高，一個(gè)模擬量模塊帶3路A/D，1路D/A，A/D、D/A轉(zhuǎn)換速度高為125us，為保證系統(tǒng)的采樣、控制精度及調(diào)節(jié)速度提供了基本的物理?xiàng)l件；其他廠家PLC的模擬量模塊的A/D、D/A轉(zhuǎn)換速度均為ms級(jí)，不具備必要條件，而且S7-200PLC的模擬量模塊單價(jià)為同類最低，因此具有很好的性能價(jià)格比。 CPU運(yùn)算速度快，0.37us/位，指令豐富：具有浮點(diǎn)運(yùn)算、指針運(yùn)算、中斷、通訊響應(yīng)、PID運(yùn)算、PWM脈沖輸出等功能，存儲(chǔ)容量大，充分適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制等控制算法的要求； 輸入/輸出點(diǎn)多、響應(yīng)

8、快，24輸入/16，每點(diǎn)可設(shè)置濾波參數(shù)，4個(gè)20KHz高速計(jì)數(shù)器，2個(gè)高速輸出口，適應(yīng)實(shí)時(shí)控制的要求； 通訊組網(wǎng)能力強(qiáng)，配有2個(gè)232/485通訊口，可方便連接232/485/422等通訊接口，適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求； 可靠性高，將CPU模塊，輸入/輸出I/O模塊，通訊模塊高度集成一體，簡化結(jié)構(gòu)，使用方便。3.3 電梯控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)3.3.1 電梯轎廂樓層位置檢測(cè)環(huán)節(jié) 電梯PLC控制不再使用繼電器控制系統(tǒng)中模擬轎廂運(yùn)動(dòng)的機(jī)械選層器，因而電梯運(yùn)行過程中，轎廂所處樓層位置如何檢測(cè)PLC軟件、如何根據(jù)給定輸入信號(hào)及運(yùn)行條件判斷或計(jì)算樓層數(shù)，是電梯正常運(yùn)行的重要問題，是正確定向和選層換速的必備前提。

9、 轎廂樓層位置檢測(cè)的方法很多，如磁感應(yīng)器信號(hào)直接輸人、雙穩(wěn)態(tài)磁保護(hù)開關(guān)狀態(tài)編碼輸入和光電開關(guān)脈沖輸入、接近開關(guān)輸入等，但最為常用的當(dāng)屬旋轉(zhuǎn)編碼器輸入。旋轉(zhuǎn)編碼器可用于測(cè)量轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及位移。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸時(shí)，輸出端發(fā)送出與轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)。通過累計(jì)脈沖數(shù)量可直接算出轉(zhuǎn)角和相應(yīng)的位置行程。PLC一般都有高速脈沖輸入端或?qū)Ｓ糜?jì)數(shù)單元，因而在電梯PLC控制系統(tǒng)中，可使用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)電梯運(yùn)行過程中轎廂所處樓層位置。 電梯PLC控制系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)編碼器一般采用集電極開路輸出方式，直接與PLC高速脈沖輸人端相連，電源可利用PLC內(nèi)置24V直流電源。箱式結(jié)構(gòu)PLC具有高速脈沖輸入端和硬件復(fù)位輸入端，可使

10、用一相或兩相輸出的編碼器。一相為脈沖輸出，接PLC的0000端，另一相為復(fù)位輸出，接PLC的0001端。 圖3-2 旋轉(zhuǎn)編碼器與 PLC 高速脈沖輸入端接口電路 3.3.2電梯轎內(nèi)指令和廳外召喚信號(hào)的處理環(huán)節(jié) 轎內(nèi)指令與廳外召喚信號(hào)均需全部輸入PLC，主要方法有直接輸入、按鈕矩陣輸人、按鈕信號(hào)組合輸入、按鈕信號(hào)編碼輸入等。后三種輸入方法的特點(diǎn)是減少了PLC的輸入點(diǎn)數(shù)，但外部接線較麻煩，輸入信號(hào)的狀態(tài)以及維護(hù)檢修不直觀。 內(nèi)指令信號(hào)處理包括信號(hào)登記、顯示及本層停車消號(hào)。信號(hào)的登記采用自鎖原理，軟件上采用邏輯與運(yùn)算指令實(shí)現(xiàn)，不論電梯上行還是下行，當(dāng)轎廂運(yùn)行至有內(nèi)指令要求的樓層時(shí)，均需換速停車，并消

11、除登記信號(hào)，不需反向保號(hào)。廳外召喚信號(hào)同樣需要進(jìn)行登記，顯示本層停車信號(hào)，此外還應(yīng)具有反向運(yùn)行保號(hào)和直駛保號(hào)功能。 轎廂指令電路是由轎廂內(nèi)人員通過指令按鈕發(fā)出指令并保持這一指令，待這一指令完成后并消除該指令的電路。廳外召喚電路，是由廳外乘梯人員通過廳外召喚按鈕發(fā)出呼梯信號(hào)，并登記和記憶 ，完成召喚指令后消除這一呼梯信號(hào)。2.3.3 電梯自動(dòng)開關(guān)門的控制環(huán)節(jié)電梯的自動(dòng)開關(guān)門控制要求一般如下：(1)自動(dòng)門機(jī)構(gòu)必須隨電梯轎廂移動(dòng)，即要求把自動(dòng)門機(jī)構(gòu)安裝于轎廂頂上，除了能帶動(dòng)轎廂門啟閉外，還應(yīng)能通過機(jī)械方法使電梯轎廂在各個(gè)層樓門區(qū)安全范圍內(nèi)能方便地使各層的外層門也能隨著轎廂門的啟閉而同步啟閉。(2)當(dāng)

12、轎廂門和某層樓的層門閉合后，應(yīng)由電氣機(jī)械設(shè)備的機(jī)械鉤子和電氣接點(diǎn)予以表現(xiàn)和考核。(3)開關(guān)門動(dòng)作平穩(wěn)，不得有劇烈的抖動(dòng)和異常響聲。(4)關(guān)門時(shí)間一般為3-5s，而開門時(shí)間一般為2.5-4s。(5)自動(dòng)門系統(tǒng)調(diào)整簡單方便,便于維修。(6)門電機(jī)要具有一定的堵轉(zhuǎn)能力。為實(shí)現(xiàn)這些要求,現(xiàn)設(shè)計(jì)如下: 電梯運(yùn)行中的開門是待電梯平層后自動(dòng)開啟的。這一自動(dòng)控制是由干簧感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)的。干簧感應(yīng)器被裝在轎廂頂部,隨轎廂上下運(yùn)動(dòng)，隔磁板由支架固定在電梯導(dǎo)軌上，當(dāng)電梯欲平層時(shí)，隔磁板插入KR2開門區(qū)域干簧感應(yīng)器的缺口內(nèi)，使干簧管的動(dòng)斷觸頭復(fù)位，接通開門區(qū)域繼電器K47線圈電路，KA7動(dòng)合觸頭閉合。電梯平層結(jié)束時(shí)，運(yùn)行

13、繼電器KA11線圈斷電，其動(dòng)斷觸頭復(fù)位，于是開門繼電器KA2線圈通過以閉合的門鎖繼電器KA11動(dòng)合觸頭、停層時(shí)間繼電器KT8斷電延時(shí)斷開觸頭而通電吸合并自保，KA2觸頭轉(zhuǎn)換時(shí)，M(直流激勵(lì)電動(dòng)機(jī))向開門方向旋轉(zhuǎn)將門自動(dòng)開啟。 電梯門從敞開到關(guān)閉的時(shí)間，一般整定為4-6s，由KT8控制。電阻電容串聯(lián)支路并聯(lián)后接入110V直流電壓。在KA2動(dòng)合觸頭閉合后KT8線圈通電吸合，電容器C8兩極板電壓充至110V，當(dāng)電梯門開啟到位時(shí)，壓下SQ24開關(guān)，KA2線圈斷電釋放開始，時(shí)間繼電器 KT8 線圈外加直流電源切斷，但C8通過電阻R12、R13和KT8線圈放電，使KT8仍不釋放。隨著放電進(jìn)行，C8極板電壓

14、降低,放電電流減少，KT8線圈電壓降低到小于等于其釋放電壓時(shí)，KT8釋放,關(guān)門動(dòng)作開始，KT8延時(shí)結(jié)束。所以KT8延時(shí)時(shí)間是從門開啟到位，KT8線圈斷開直流電源到KT8線圈依靠C8放電維持吸合,直到KT8釋放,關(guān)門動(dòng)作開始為止,這也是門敞開的時(shí)間,即乘客上下電梯的時(shí)間。若在延時(shí)即將結(jié)束時(shí),尚未開啟關(guān)門動(dòng)作之前還有乘客進(jìn)入。此時(shí)可按下廳外召喚按鈕SB1S-SB4S、SB2X-SB5X中的一個(gè)，使廳外開門繼電器KA41線圈通電吸合KA41動(dòng)合觸頭閉合，使KT8線圈又通電吸合；C8又充電。當(dāng)松開廳召喚按鈕后，KA41直流電源切除，但有C8對(duì)其放電來獲得又一次延遲，便于乘客繼續(xù)出入。同理，按下轎內(nèi)開門

15、按鈕SB8時(shí)，也使KT8線圈重新通電閉合，電容C8充電。當(dāng)松開SB8時(shí)，由于C8對(duì)KT8線圈放電，獲得再次延遲。若不等KT8延遲結(jié)束，就提前關(guān)門，則可按下轎內(nèi)指令按鈕SB1-SB5，使 C8放電加快KT8維持吸合時(shí)間縮短。關(guān)門動(dòng)作提前進(jìn)行。電梯?？繕菍娱_門后，經(jīng)4-6s延時(shí)KT8線圈斷電釋放。這時(shí)起動(dòng)關(guān)門繼電器KA5線圈經(jīng)KA9動(dòng)斷觸頭KT8動(dòng)斷觸頭過載繼電器KA14動(dòng)斷觸頭停站繼電器KT6動(dòng)斷觸頭慢速第一延時(shí)繼電器KT2動(dòng)斷觸頭KA2動(dòng)斷觸頭而通電吸合。KA5動(dòng)合觸頭閉合KA3線圈通電吸合KA3觸頭轉(zhuǎn)換電動(dòng)機(jī)M向關(guān)門方向旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)電梯門關(guān)閉。在關(guān)閉過程中由于行程開關(guān)SQ20、SQ21作用 實(shí)

16、現(xiàn)兩次減速關(guān)門。直至門關(guān)閉后，壓下行程開關(guān)SQ25使KA3線圈斷電釋放M行能耗制動(dòng)。 圖3-3 電梯門控制電路3.3.4 電梯的方向控制環(huán)節(jié) 任何類別的電梯，其運(yùn)行的充分與必要條件之一“要有確定的電梯運(yùn)行方向”，因此所有電梯的確定運(yùn)行方向的控制環(huán)節(jié)簡稱“定向環(huán)節(jié)”，在所有電梯的整體控制系統(tǒng)中也與電梯的自動(dòng)開關(guān)門控制環(huán)節(jié)一樣，是一個(gè)至關(guān)重要的控制環(huán)節(jié)。 所謂電梯的方向控制環(huán)節(jié)，是根據(jù)電梯轎廂內(nèi)乘客欲往層樓的位置信號(hào)或各層樓大廳乘客的召喚信號(hào)位置與電梯所處層樓的位置信號(hào)進(jìn)行比較:凡是在電梯位置信號(hào)上方向的轎內(nèi)或?qū)訕菑d外召喚信號(hào)，則電梯定上行方向；凡在其下方向的，則定下行方向。 在方向控制環(huán)節(jié)中 一

17、般集選電梯必須滿足下列幾點(diǎn)要求。 (1)、轎內(nèi)指令信號(hào)優(yōu)先于各層樓廳外召喚信號(hào)而定向，即當(dāng)空轎廂電梯被某層廳外乘客召喚到達(dá)該層后，某層的乘客即可進(jìn)入電梯轎廂內(nèi)而撳按指令按鈕令電梯定上行方向(或下行方向)；若該乘客雖進(jìn)入轎廂內(nèi)且電梯門未關(guān)閉而尚未撳按指令按鈕前(即電梯尚未定出方向)出現(xiàn)其他層樓的廳外召喚信號(hào)時(shí)，如此召喚信號(hào)指令電梯的運(yùn)行方向有別于已進(jìn)入轎廂內(nèi)的乘客要求指令電梯的運(yùn)行方向，則電梯的運(yùn)行方向應(yīng)由已進(jìn)入轎廂內(nèi)的乘客要求而定向，而不是根據(jù)其他層樓廳外乘客的要求而定向。這就是所謂的“轎內(nèi)優(yōu)先于廳外”。號(hào)的要求而定出電梯運(yùn)行方向，但一旦定出電梯運(yùn)行方向后，再有其他層樓的召喚信號(hào)就不能 只有當(dāng)

18、電梯門延時(shí)關(guān)閉后，而轎內(nèi)又無指令定向的情況下，才能按各層樓的召喚信更改已定的運(yùn)行方向了。 (2)、要保持最遠(yuǎn)層樓召喚信號(hào)所要求的電梯運(yùn)行方向，而不能輕易地更改，這樣以保證最高層樓(或最低層樓)乘客的乘用電梯，而只有在電梯完成最遠(yuǎn)層樓乘客的要求后 方能改變電梯運(yùn)行方向。 (3)、在有司機(jī)操縱電梯時(shí)，當(dāng)電梯尚未啟動(dòng)運(yùn)行的情況下，應(yīng)讓司機(jī)有強(qiáng)行改變電梯運(yùn)行方向的可能性。這種在我國電梯尚未廣泛普及又以“有司機(jī)”操縱為主的使用情況下，這一“強(qiáng)行換向”也是必要的。(4) 、而在電梯檢修狀況下，電梯的方向控制應(yīng)由檢修人員直接撳按轎廂內(nèi)操縱箱上或轎廂頂?shù)臋z修箱上的方向按鈕即令電梯定向上(或向下)運(yùn)行；而當(dāng)松開

19、方向按鈕即令電梯消失運(yùn)行方向并使電梯立即停車。 圖3-4 電梯運(yùn)行方向控制電路 電梯的方向控制電路由各樓層的換位繼電器KA26KA30提供兩對(duì)動(dòng)斷觸頭，并且按樓層順序連接起來，兩頭分別與上行和下行方向繼電器線圈KA24、KA19相接，組成一個(gè)定向鏈。而在每層樓換位繼電器兩對(duì)動(dòng)斷觸頭的中間連接處與各樓層的轎內(nèi)指令繼電器KA36KA40的動(dòng)合觸頭相連，組成指令鏈。電梯只有上行和下行兩個(gè)方向 而選著運(yùn)行反方向的依據(jù)也只有兩個(gè):一是你要去哪層；二是電梯轎廂現(xiàn)在在那層樓。3.3.5 電梯的啟動(dòng)加速和減速平層控制環(huán)節(jié) 電梯從某站啟動(dòng)運(yùn)行，到某站停站。其運(yùn)行過程是，電梯電動(dòng)機(jī)M1松閘起動(dòng)、加速、快速穩(wěn)定運(yùn)行

20、，進(jìn)入停站樓層區(qū)域時(shí)減速，進(jìn)入平層區(qū)域時(shí)制動(dòng)停車、抱閘、停層。這一連串的動(dòng)作我們稱為電梯的啟動(dòng)加速和減速平層控制。 電梯的啟動(dòng)加速主要有電梯電動(dòng)機(jī)M1及相應(yīng)的動(dòng)斷、動(dòng)合開關(guān)控制，控制原理比較簡單，在此不在贅述。電梯的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)中，最主要的是電梯的減速平層控制環(huán)節(jié)，現(xiàn)介紹如下: 電梯的減速控制，按指令信號(hào)分為:按下轎內(nèi)指令按鈕，電梯停在乘客前往樓層的減速控制；按下廳外召喚按鈕 電梯停在乘客登樓梯層的減速控制。平層與停層時(shí)使上行或下行接觸器KM1或KM2斷電釋放M1和電磁制動(dòng)器YB線圈失電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)抱閘， 電梯停于某層站。平層是使電梯停層時(shí)，轎廂底與層站地面在同一水平面上，這樣便于乘客或物品的出入。為了保證電梯的平層準(zhǔn)確度 通常