PLC構(gòu)成電梯控制系統(tǒng)特性分析

1、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(guó)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(shí)際上電梯是根據(jù)外部呼叫信號(hào)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(shí)際上是一個(gè)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(hào)控制單元，完成電梯信號(hào)的采集、運(yùn)行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)電梯的自動(dòng)調(diào)度和集選運(yùn)行功能，拖動(dòng)控制則由變頻器來(lái)完成；第二種控制方式用可編程控制器（PLC）取代微機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)集選控制。從控制方式和性能上來(lái)說(shuō)

2、，這兩種方法并沒(méi)有太大的區(qū)別。國(guó)內(nèi)廠家大多選擇第二種方式，其原因在于生產(chǎn)規(guī)模較小，自己設(shè)計(jì)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(jì)方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，所以現(xiàn)在的電梯控制系統(tǒng)廣泛采用可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.電梯理想運(yùn)行曲線根據(jù)大量的研究和實(shí)驗(yàn)表明,人可接受的最大加速度為am1.5m/s2,加速度變化率m3m/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(shí)現(xiàn)較為困難，而三角形曲線最大加速度和在啟動(dòng)及制動(dòng)段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的加速度變化率均大于梯形曲線，即+m跳變到-m或由-m跳變到+m的加速度變化率，故很少采用，因梯形曲線容易

3、實(shí)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(jì)的電梯專用變頻器，可配用通用的三相異步電動(dòng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)單多層功能，并具有自動(dòng)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(shí)間少，平層距離短，不論是雙繞組電動(dòng)機(jī)，還是單繞組電動(dòng)機(jī)均可適用，其最高設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)輸入/輸出信號(hào)的無(wú)觸點(diǎn)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(hào)

4、，變頻器依據(jù)設(shè)定的速度及加速度值，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，達(dá)到最大速度后，勻速運(yùn)行，在到達(dá)目的層的減速點(diǎn)時(shí)，控制器發(fā)出切斷高速度信號(hào)，變頻器以設(shè)定的減速度將最大速度減至爬行速度，在減速運(yùn)行過(guò)程中，變頻器的能夠自動(dòng)計(jì)算出減速點(diǎn)到平層點(diǎn)之間的距離，并計(jì)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(shí)間縮短至0.3s,在電梯的平層過(guò)程中變頻器通過(guò)調(diào)整平層速度或制動(dòng)斜坡來(lái)調(diào)整平層精度。即當(dāng)電梯停得太早時(shí)，變頻器增大低速度值或減少制動(dòng)斜坡值，反之則減少低速度值或增大制動(dòng)斜坡值，在電梯到距平層位置410cm時(shí)，有平層開關(guān)自動(dòng)斷開低速信號(hào)，系統(tǒng)按優(yōu)化曲線實(shí)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)

5、行的舒適性取決于其運(yùn)行過(guò)程中加速度a和加速度變化率p的大小，過(guò)大的加速度或加速度變化率會(huì)造成乘客的不適感。同時(shí)，為保證電梯的運(yùn)行效率，a、p的值不宜過(guò)小。能保證a、p最佳取值的電梯運(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(guò)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(shí)際的運(yùn)行曲線。3.1速度曲線產(chǎn)生方法采用的FX2-64MRPLC，并考慮輸入輸出點(diǎn)要求增加了FX-8EYT、FX-16EYR、FX-8EYR三個(gè)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(shí)現(xiàn)速度理想曲線

6、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(shí)，通過(guò)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05V/010V，對(duì)應(yīng)數(shù)字值為16進(jìn)制數(shù)00FF，共255級(jí)。若電梯加速時(shí)間在2.53秒之間。按保守值計(jì)算，電梯加速過(guò)程中每次查表的時(shí)間間隔不宜超過(guò)10ms。由于電梯邏輯控制部分程序最大，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(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，不能滿足給定曲線的精度要求。在PLC運(yùn)行過(guò)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(hào)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

7、，每個(gè)循環(huán)都要對(duì)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(gè)掃描周期，基本要完成六個(gè)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(gè)周期內(nèi)，CPU對(duì)整個(gè)用戶程序只執(zhí)行一遍。這種機(jī)制有其方便的一面，但實(shí)時(shí)性差。過(guò)長(zhǎng)的掃描時(shí)間，直接影響系統(tǒng)對(duì)信號(hào)響應(yīng)的效果，在保證控制功能的前提下，最大限度地縮短CPU的周期掃描時(shí)間是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。一般只能從用戶程序執(zhí)行時(shí)間最短采取方法。電梯邏輯控制部分的程序掃描時(shí)間已超過(guò)10ms，盡管采取了一些減少程序掃描時(shí)間的辦法，但仍無(wú)法將掃描時(shí)間降到10ms以下。同時(shí)，

8、制動(dòng)段曲線采用按距離原則，每段距離到的響應(yīng)時(shí)間也不宜超過(guò)10ms。為滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)間間隔循環(huán)中斷，所以，起動(dòng)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(shí)，中斷即返回。3.3減速制動(dòng)曲線的產(chǎn)生為保證制動(dòng)過(guò)程的完成，需在主程序中進(jìn)行制動(dòng)條件判斷和減速點(diǎn)確定。在減速點(diǎn)確定之前，電梯一直處于加速或穩(wěn)速運(yùn)行過(guò)程中。加速過(guò)程由固定周期中斷完成，加速到對(duì)應(yīng)模式的最大值之后，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

9、從中斷返回。電梯以對(duì)應(yīng)模式的最大值運(yùn)行，在該模式減速點(diǎn)到后，產(chǎn)生高速計(jì)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(jì)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(hào)給出，以保證減速過(guò)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(dòng)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(gè)量按預(yù)定規(guī)律變化必須對(duì)其進(jìn)行直接控制,對(duì)于電梯控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),要使加速度按理想曲線變化就必須采用加速

10、度反饋,根據(jù)電動(dòng)機(jī)的力矩方程式:MMZ=M=J（dn/dt），可見加速度的變化率反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)距的變化，控制加速度就控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)距M=MMZ。故在此段采用加速度的時(shí)間控制原則，當(dāng)啟動(dòng)上升段速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%時(shí)，將系統(tǒng)由加速度控制切換到速度控制，因?yàn)樵诜€(wěn)速段，速度為恒值控制波動(dòng)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(dòng)段的精確平層創(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(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。在系統(tǒng)的制動(dòng)段，即要對(duì)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(lái)控制，以保證平層

11、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(duì)時(shí)間控制為主，同時(shí)根據(jù)在每一制動(dòng)距離上實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的偏差來(lái)修正加速度給定曲線的方法。例如在距離平層點(diǎn)的某一距離L處，速度應(yīng)降為Vm/s，而實(shí)際轉(zhuǎn)速高為Vm/s，則說(shuō)明所加的制動(dòng)轉(zhuǎn)距不夠，因此計(jì)算出此處的給定減速度值-ag后，使其再加上一個(gè)負(fù)偏差，即使此處的減速度給定值修正為-（ag+）使給定減速度與實(shí)際速度負(fù)偏差加大，從而加大了制動(dòng)轉(zhuǎn)距，使速度很快降到標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降到120r/min以后，此時(shí)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

12、此段采用比例調(diào)節(jié)，并采用時(shí)間優(yōu)化控制，以保證電梯準(zhǔn)確及時(shí)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(hào)、行程信號(hào)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(shí)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(hào)，以及電梯的相應(yīng)狀態(tài)適時(shí)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(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行控制。同時(shí)，每層樓設(shè)置一個(gè)接近開關(guān)用于檢測(cè)系統(tǒng)的樓層信號(hào)。為便于觀察，對(duì)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(duì)樓層和轎廂的呼叫信號(hào)以指示燈顯示(開關(guān)上帶有指示燈)

13、。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(duì)轎廂的加、減速以及制動(dòng)進(jìn)行有效的控制。根據(jù)轎廂的實(shí)際位置以及交流調(diào)速系統(tǒng)的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了電梯的運(yùn)行安全，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(shí)現(xiàn)的電梯控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成。PLC接收來(lái)自操縱盤和每層呼梯的召喚信號(hào)、轎廂和門系統(tǒng)的功能信號(hào)以及井道和變頻器的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)程序判斷與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電梯的集選控制。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號(hào)的同時(shí)，向變頻器發(fā)出運(yùn)行方向、啟動(dòng)、加/減速運(yùn)行和制動(dòng)停梯等信號(hào)。變頻器本身設(shè)有電流檢測(cè)裝置，由此構(gòu)成電流閉環(huán)；通過(guò)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(shí)

14、，利用脈沖計(jì)數(shù)構(gòu)成速度閉環(huán)。h=SI式中I累計(jì)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(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)；rPG卡分頻比。當(dāng)高速計(jì)數(shù)器值與快速換速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)相等時(shí)，若電梯處于快速運(yùn)行且本層有選層信號(hào)，發(fā)快速換速信號(hào)。若電梯中速運(yùn)行或雖快速運(yùn)行但本層無(wú)選層信號(hào)，則不發(fā)換速信號(hào)。 當(dāng)高速計(jì)數(shù)器CNT47數(shù)值在門區(qū)所對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)門區(qū)信號(hào)。脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確采集和傳輸在系統(tǒng)中顯得尤為重要，為檢測(cè)旋轉(zhuǎn)編碼器和脈沖傳輸電路故障，設(shè)計(jì)了有無(wú)脈沖信號(hào)和錯(cuò)漏脈沖檢測(cè)電路，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。為消除脈沖計(jì)數(shù)累計(jì)誤差，在基站設(shè)置復(fù)位開關(guān)，接入PLC高速計(jì)數(shù)

15、器CNT47的復(fù)位端。5.軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)5.1采用優(yōu)先級(jí)隊(duì)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(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，即上行優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、上行次優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、下行優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、下行次優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。其中，上行優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為電梯向上運(yùn)行時(shí)，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(hào)，該呼叫信號(hào)所對(duì)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(jí)隊(duì)列為電梯向上運(yùn)行時(shí)，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(hào)，該呼叫信號(hào)所對(duì)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(duì)列。控制系統(tǒng)在電梯運(yùn)行中實(shí)時(shí)排列的四個(gè)優(yōu)先級(jí)陳列，為實(shí)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(duì)列根據(jù)電梯的運(yùn)行方

16、向，將同向的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的非零單元(有呼叫時(shí)此單元為七零單元，無(wú)呼叫時(shí)則此單元為零)送入寄存器隊(duì)列(先進(jìn)先出隊(duì)列FIFO)，利用先進(jìn)先出讀出指令SFRDP指令，將FIFO第一個(gè)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(shí)，判別該樓層是否有同向的呼叫信號(hào)(上行呼叫標(biāo)志寄存器、下行呼叫標(biāo)志寄存器、有呼叫請(qǐng)求時(shí)，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(dòng)作完畢后，將被保存的數(shù)據(jù)重新送入比較寄存器，以實(shí)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(guò)硬件接口