PLC控制下的电梯系统.docx

精品文档PLC控制下的电梯系统由继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。 电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。1. PLC控制电梯的优点(1)在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。 (2)去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 (3)PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 (4) PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 (5)用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。(6)更改控制方案时不需改动硬件接线。2.电梯变频调速控制的特点随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式交流变频调速电梯的特点 能源消耗低 电路负载低，所需紧急供电装置小在加速阶段，所需起动电流小于2.5倍的额定电流。且起动电流峰值时间短。由于起动电流大幅度减小，故功耗和供电缆线直径可减小很多。所需的紧急供电装置的尺寸也比较小。 可靠性高，使用寿命长。 舒适感好电梯运行是跟随最佳给定的速度曲线运行的。其特性可适应人体感受，并保证运行噪声小，制动平稳 平层精度高 运行平稳无噪声在轿厢内，机房内及邻近区域确保噪声小。因为其系统中采用了高时钟频率。始终产生一个不失真的正弦波供电电流。电动机不会出现转距脉动。因此，消除了振动和噪声。3.电梯控制技术所谓电梯控制技术是指电梯的传动系统及操纵系统的电气自动控制。作为我国20世纪70年代电梯的主要标志是交流双速电梯。其调速方法是采用改变电梯牵引电动机的极对数，两种或两种不同级对数的绕组，其中极数少的绕组称为高速绕组，极数多的绕组称为低速绕组。高速绕组用于电梯的起动及稳速运行，低速绕组用于制动及电梯的维修。80年代初，VVVF变频变压系统控制的电梯问世。它采用交流电动机驱动，却可以达到直流电动机的水平，目前控制速度已达6米/秒。它的体积小，重量轻，效率高，节省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。是目前最新的电梯拖动系统。电梯在垂直运行过程中，有起点站也有终点站。对于三层楼以上的建筑物的电梯，起点站和终点站之间还没有停靠站，起点站设在一楼，终点站设在最高楼。设在一楼的起点站称为基站，起点站和终点站称为两端站，两端站之间称为中间站。各站厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮或触钮，一般电梯在两端站的召唤箱上各设置一只按钮或触钮。中间层站的召唤箱各设置两只按钮或触钮。对于无司机控制的电梯，在各层站的召唤箱上均设置一只按钮或触钮。而电梯的轿厢内部设置有（杂物电梯除外）操纵箱。操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮或触钮，操纵箱上的按钮或触钮城内指令按钮或触钮。外指令按钮或触钮发出的电信号称为外指令信号，内指令按钮或触钮发出的电信号成为内指令信号。20世纪80年代中期后，触钮已被微动按钮所取代。作为电梯基站的厅外召唤箱，除设置一只召唤按钮或触钮外，还设置一只钥匙开关，以便下班关电梯时。司机或管理人员把电梯开到基站后，可以通过专用钥匙扭动该钥匙开关。把电梯的厅门关闭妥当后，自动切断电梯控制电源或动力电源。4. PLC控制电梯的设计随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。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。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是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；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。5.电梯控制系统特性在电梯运行曲线中的启动段是关系到电梯运行舒适感指标的主要环节，而舒适感又与加速度直接相关，根据控制理论，要使某个量按预定规律变化必须对其进行直接控制，对于电梯控制系统来说，要使加速度按理想曲线变化就必须采用加速度反馈，根据电动机的力矩方程式:MMZ=M=J（dn/dt），可见加速度的变化率反映了系统动态转距的变化，控制加速度就控制系统的动态转距M=MMZ。故在此段采用加速度的时间控制原则，当启动上升段速度达到稳态值的90%时，将系统由加速度控制切换到速度控制，因为在稳速段，速度为恒值控制波动较小，加速度变化不大，且采用速度闭环控制可以使稳态速度保持一定的精度，为制动段的精确平层创造条件。在系统的速度上升段和稳速段虽都采用PI调节器控制，但两段的PI参数是不同的，以提高系统的动态响应指标。在系统的制动段，即要对减速度进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按电梯运行的速度和距离的关系来控制，以保证平层的精度。在系统的转速降至120r/min之前，为了使两者得到兼顾，采取以加速度对时间控制为主，同时根据在每一制动距离上实际转速与理论转速的偏差来修正加速度给定曲线的方法。例如在距离平层点的某一距离L处，速度应降为Vm/s，而实际转速高为Vm/s，则说明所加的制动转距不够，因此计算出此处的给定减速度值-ag后，使其再加上一个负偏差，即使此处的减速度给定值修正为-（ag+）使给定减速度与实际速度负偏差加大，从而加大了制动转距，使速度很快降到标准值，当电动机的转速降到120r/min以后，此时轿厢距平层只有十几厘米，电梯的运行速度很低，为防止未到平层区就停车的现象出现，以使电梯能较快地进入平层区，在此段采用比例调节，并采用时间优化控制，以保证电梯准确及时地进入平层区，以达到准确可靠平层。目 录1 导 言12 系统结构22.1 电力驱动系统22.2 信号控制系统22.3 要求23 软件设计43.1 厅门呼叫记录和显示53.2 呼叫的集选控制63.3 呼叫的取消63.4 电梯运行方向73.5 电梯的停层84 最小的等待时间算法94.1 评估函数94.2 最小轮侯时间的计算94.3 算法的实现10结论12原文13参考文献296欢迎下载。1 导 言随着建筑技术的发展，楼房一座比一座高，电梯自然成了高楼大厦垂直运输的重要工具，承载着来往大厦里居住、办公、参观的人们可以舒适而又快捷到达目的地的责任。电梯控制系统在每一部电梯的通顺安全的运行中必不可少的，它决定电梯什么时候停层、开关门，以及处理紧急安全问题。传统的电梯控制系统是继电器控制系统，它存在着诸如电路复杂、故障率高和可靠性差的缺点，很大程度上影响了电梯运行质量。因此，通过企业的委托，我们用PLC改进了一座住宅楼继电器控制电梯的电气控制系统。结果表明，改进后的系统运行更可靠，维修更方便了。这篇论文详细的介绍了电梯PLC控制系统的基本结构、控制原理和实现的方法。2 系统结构电梯控制系统的目的在于控制电梯的运动以便符合用户的需求。它主要包括两部分：2.1 电力驱动系统 电力驱动系统包括电梯轿厢、牵引电机、门电机、制动器和开关电路。我们在这采用新型的LC系列AC接触器代换旧接触器，用PLC软接触器代换大量中间继电器，保留牵引电机的电路。这样一来，就有效的克服了原先控制柜响声大、噪音大等缺点。2.2 信号控制系统电梯的控制信号几乎都来自与PLC。输入信号有：运行模式、运行的控制信号、轿外呼叫、安全/保护信号、门开/关信号以及平层信号等。像轿内外呼叫的记录、显示、消除，轿厢位置的判断，电梯的选层和上下行选择等所有电梯系统的控制功能都是由PLC系统实现。电梯的PLC信号控制系统框图如右图2.1所示。图2.1 PLC信号控制系统框图2.3 要求该控制系统的目的是控制9层高住宅楼里的2部电梯。对于每一部电梯，在每一楼层都有一个传感器用来定位轿厢当时的位置。门电机用来打开或者关闭电梯门，门上有两个传感器用来通告控制系统门的位置，当门开闭时还有另外一个在门上的传感器检测对象。电梯轿厢的上或者下是由牵引电机控制的。除了顶层和底层的每一层都有一个指示灯表明电梯是在上行还是下行。每一层楼都有一个七段LED灯显示轿厢当前的位置。电梯控制的研究的第一步就是确定基本要求。一般来说，电梯运行情况有如下：（1）、一部电梯运行电梯一般有三种工作状态：正常模式、防火模式和维护模式。维护模式有最高优先级，只有在维护模式撤销时候，其他模式才开始实行；其次是防火模式，当火警开关打开时，电梯必须马上返回底层或者基站，当火警开关复位时返回正常模式运行；在正常模式下控制系统的基本任务就是命令电梯上下行、停层或启动、开门或者关门。不过有一定的约束：每一电梯有对应每层楼的一组九个按钮布置在轿厢控制面板上，当被按下要电梯来到该层时按钮就会变亮，当电梯来到该层时按钮灯灭。每一层（除了顶层和底层）有两个按钮布置在层控制面板上，一个呼叫上行另外一个呼叫下行，按钮被按下时变亮，电梯运行到该层时熄灭，之后向呼叫方向运行。分布在轿厢和层控制面板上的按钮用来控制电梯的运动。电梯不能跳过乘客要离开的楼层，不可以停在无人呼叫的楼层，在运送轿厢内需要当前方向的乘客时候电梯不能改变方向，也不相应外呼直到送完，如果电梯没有被呼叫，就关门停靠在当前的楼层。（2）、两部电梯并联运行这种情况下两部电梯同时服务该大楼，每天分别在上午7点到9点和下午5点到7点运行。电梯每到一层都会检测是否需要停下，当检测到停层的需要时就会停靠该层。与此同时为了平衡停层的次数，两部电梯的运行会遵循一定的调度原则。当有一电梯停在或正要停在某一楼层时候，另一电梯就不会停靠那层。电梯的正常运行通过电力驱动系统和逻辑控制系统来共同实现的。3 软件设计由于呼叫时间、呼叫地点、乘客目的的随机性，使得电梯控制系统成了一个典型的实时、随即逻辑控制系统。这里我们通过西门子PLC的S7-200系列的CPU226和其扩展模块采用集选控制的方法来实现。此系统I/O口各46个，如下表列。在软件设计中我们采用模块化的方法来写梯形图程序，通过PLC的中间寄存器来实现模块之间的信息传输。整个项目主要有10个模块组成：厅门呼叫记录和显示模块，轿内呼叫记录和显示模块，信号组合模块，厅门呼叫取消模块，电梯位置显示模块，选层模块，运行方向控制模块，门开关模块，维护运行模块和并联运行模式下的调度模块。3.1 厅门呼叫记录和显示电梯有两种呼叫：厅门呼叫和轿内呼叫。当楼层控制面板上的按钮被按下时，信号会被记录相应的灯亮，这就是厅门呼叫记录。当轿厢内的按钮被乘客按下的时候，信号会被记录相应的灯亮，这就是轿内呼叫记录。图3.1是上行厅门呼叫记录和显示的梯形图，图中的自锁用来保证呼叫的持续显示。图3.1 上行梯形图3.2 呼叫的集选控制在这里用到了集选控制，如图3.2所示。M5.1-M5.7, M6.0 and M6.1是PLC的辅助继电器，分别对应1-9层停层请求信号。辅助继电器M6.2对应电梯执行操作信号。当某一层有呼叫的同时输出停层信号。当电梯正在运行的时候，厅门呼叫不会被相应，电梯也不能跳过乘客要抵达的楼层。图3.2 集选控制梯形图3.3 呼叫的取消该模块可以使得电梯相应当前同方向上厅门呼叫，当厅门呼叫被响应时，寄存的信号就会取消。图4是上行厅门呼叫取消的梯形图。图3.3中辅助继电器M4.0电梯上行运动的标志。当当前电梯运行方向是上行时，M4.0触点闭合；相反触点打开。M0.1M0.7分别指示2-8层的厅门停层需要信号。该程序有两个功能：（1） 当电梯下降时，相应正常的厅门下行呼叫，当呼叫被响应时，寄存的信号取消；（2） 当电梯上升时，对应层的下行呼叫忽略，寄存的下行呼叫信号保持。下行呼叫的取消和上行呼叫相反。图3.3 上行厅门呼叫取消梯形图3.4 电梯运行方向电梯的上行或者下行取决于厅门呼叫和轿内呼叫的组合。图3.4的梯形图表明电梯将上行。图5表明当前呼叫的楼层高于电梯当时的位置时，电梯将上行。辅助继电器M4.0是上行的标志。当电梯上行时，上行标志灯亮，辅助继电器M4.0吸合。电梯到达顶层时，上行标志灯熄灭，计时器启动。0.2s后，M4.0断开，上行显示关闭。在这里我们用M4.0取代Q3.1来保证取消的可靠性。图3.4 上行厅门呼叫取消梯形图3.5 电梯的停层图3.5是停层功能的梯形图。图中M6.4是停层的信号标志，M6.6是驱动发送的停层信号，M7.0是火警开关发送的火警信号，M6.7是被迫变速信号。无论接触器是否起作用，系统都要发出停层信号。 图3.5 停层功能梯形图4 最小的等待时间算法在电梯系统的调度中，通常有两种控制任务。其一是电梯上下行、起停、开关门的基本控制功能。其二是多部电梯并行的控制，组合电梯服务厅门和轿厢呼叫的主要要求是服务到建筑的每一层楼，减少乘客呼叫等待时间，减少乘客上下楼层的时间，相同时间内能为更过的乘客服务。电梯的群控有许多调度算法。如电梯总是相应最近需求的最近邻域算法，分析对于不相等楼层数量需要电梯系统的调度来调遣电梯的分区算法，一部电梯服务奇数楼层另一部服务偶数楼层的奇偶规则。最近邻域算法使得电梯空载移动到下一个呼叫路程最小，通常有着非常小的平均轮侯时间，可是各人轮侯时间变得很大。分区算法一般应用在像办公大楼午餐时间这样交通频繁的情形下。相对于办公大楼、商场，住宅楼和楼层的流量较小。 其次人们认为电梯只是纯粹的功能性物体，而且对于大多数人来说，乘坐电梯的经验就是等待。此外，当试图满足所有需求时存在大量的问题。鉴于上述原因，我们采用“最小轮侯时间”算法来实现两部电梯的并行运行。4.1 评估函数“最小轮侯时间”算法的目标就是在所有呼叫中预测每一电梯的响应时间，并选择有最短响应时间电梯来服务。当有呼叫的时候，系统根据（1）（2）评估函数计算出每一电梯的函数值：J(*)=MinJ(1),J(2),J(n) （1） J(i)=Tr(i)+KTd(i)+KTo(i) i=1,2,.,n （2）J(i)是电梯的评价指标；Tr（i）指出电梯从当前位置直接移动到相应最近呼叫的地方的时间；To（i）指出电梯停层时加速和减速的时间；Td（i）是乘客登上电梯或者走出电梯的时间；K表示厅门呼叫和轿内呼叫的总和。4.2 最小轮侯时间的计算在公式（2）中K为定值，To和Td可以通过统计方法获得。Tr=T*L，T是电梯通过一层楼的时间，L是呼叫楼层和当前楼层的相隔层数。为了计算L值，我们定义两部电梯分别为A和B；YA，YB分别表示电梯当前楼层；H是厅门呼叫按钮按下时相应的键值，即H等于呼叫层数。为PLC的的实现定义4个表：上行厅门呼叫记录表，下行厅门呼叫记录表，电梯A的轿内呼叫记录表，电梯B的轿内呼叫记录表。当呼叫按钮被按下时，对应楼层数就会记录在相应的表中。我们以电梯A为例。首先定义变量MA，MB和MW；MA和MB分别表示A或者B同方向上轿内呼叫的最值。当电梯A上行时，置MA等于轿内呼叫记录表A中的最大值；当电梯A下行时，置MA等于叫内呼叫记录表A中最小值。MW为同方向A运行中，厅门呼叫的最值。当电梯A上行并且上行呼叫值YA时，置MW=0；否则，置MW等于上行厅门记录表A中的最小值。当电梯A下行并且下行厅门呼叫值YA时，置MA=0；否则，置MW等于下行厅门呼叫记录表A中最大值。这样我们就可以根据YA，H，MA和MW来判断L值。分如下三种情况：（1） 厅门呼叫方向和电梯A当前运行方向相反；L=|YA-MA|+|MA-H| （3）（2） 厅门呼叫和运行方向相同并且在电梯前方； L=|YA-H| （4）（3） 厅门呼叫和运行方向相同但在电梯后方； L=|YA-MA |+|MA-MW|+|H-MW| （5）第i层的最小轮侯时间可以由（6）计算出：Time(i)=TL(i)+KTd(i)+KTo(i)，i=1,2,.,n (6)当呼叫在运行的时候变化