第三章-电梯控制系统硬件设计

第三章第三章 电梯控制系统硬件设计电梯控制系统硬件设计 3 1 电梯控制系统设计思路电梯控制系统设计思路 电梯控制系统总体设计流程图如图 3 1 N Y 图图 3 13 1 电梯控制系统总体设计流程图电梯控制系统总体设计流程图 本设计以 PLC 为工具对五层电梯的各种操作进行控制 PLC 控制系统的设计一般可以 分为以下几个步骤 熟悉被控对象 制定控制方案 确定所设计系统的 I O 点数 选择 PLC 机型 选择输入 输出设备 分配 PLC 的 I O 地址 系统调试 编写相关技术文件 3 2 可编程控制器的选型可编程控制器的选型 3 2 1 I O 点的估算 点的估算 装置共有 33 点输入指令信号 32 点输出控制信号 输入信号包括 楼层内 外 选择信号 轿厢运行时楼层检测信号 检修控制系统信号 消防模拟信号 极限限位 保护信号等 输出信号包括 变频驱动信号 楼层显示控制系统信号 楼层内外呼指 示信号 上下行指示信号 到站钟信号 电梯开门 关门信号以及安全保护信号等 可编程控制器 S7 200 的 CPU226 输入 输出点数为 24 16 需要扩展一块 EM223 DI16 DO16 3 2 2 存储容量的估算存储容量的估算 用户程序占用内存的多少与多种因素有关 例如 输入 输出点的数量 类型 输 入 输出之间的关系的复杂程度 需要进行运算处理的难易程度 程序结构等都与内 存容量有关 因此 在用户程序调试好之前很难估算内存容量 一般只能根据 I O 点 数与类型 控制的繁简程度加以估算 考虑备用与计算机接口通讯所占用的内存容量 估算本系统要有 1K 字节以上的内存容量 3 2 3 各种各种 PLCPLC 的比较和选型的比较和选型 现在知名的 PLC 品牌有很多种 如美国 AB ABB 松下 西门子 汇川 三菱 欧姆龙 台达 富士 施耐德 信捷和利时等 三菱公司的 PLC 是较早进入中国市场的产品 其小型机 F1 F2 系列是 F 系列的升 级产品 早起在我国的销量很多 使得许多大专院校讲解 PLC 编程的教材都以三菱公 司的 PLC 为例 国内的一些 PLC 生产厂家为了迅速获得用户 其 PLC 编程语言的指 令集都与三菱公司的 PLC 兼容 三菱 PLC 以其高性能 低价格迎合了中国工控行业 的需要 在国内得到了广泛的应用 但三菱的模拟量模块价格昂贵 程序复杂 不适 合用来研究此系统 OMRON C 系列 PLC 产品门类齐 型号多 功能强 适应面广 大致可以分为微 型 小型 中型和大型四大类 整体式结构的微型 PLC 机是以 C20P 为代表的机型 叠装式 或称紧凑式 结构的微型机以 CJ 型机最为典型 它具有超小型和超薄型的尺寸 小型 PLC 机以 P 型机和 CPM 型机最为典型 这两种部属坚固整体型结构 具有体积 更小 指令更丰富 性能更优越 通过 I O 扩展可实现 10 140 点输入输出点数的灵活 配置 并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程 中型机以 C200H 系列最为典型 主要有 C200H C200HS C200HX C200HG 和 C200HE 等型号产品 在程序容量 扫描速度和指令功能上优于小型机 同时可以配置更完善的接口单元模块 可以与上位 机 下位 PLC 机及各种外部设备组成具有各种用途的计算机控制系统和工业自动化网 络 但是欧姆龙系列 PLC 硬件可靠性不如西门子 PLC 且价格也很贵 并不适合此次 研究 SIMATIC S7 200 系列 PLC 是西门子最著名的 PLC 品牌 它适用于各行各业 各 种场合中的检测 监测及控制 S7 200 系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连 成网络皆能实现复杂控制功能 S7 200 系列出色表现在以下几个方面 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的 通讯能力 丰富的扩展模块等 S7 200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能 使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制 应用领域极为广泛 覆盖所有与自动检测 自动化控制有关的工业及民用领域 包括各种机床 机械 电 力设施 民用设施 环境护设备等等 设计 PLC 控制系统时 首要的控制目标就是 确保生产的安全可靠 能长期稳定 运行 保证产品高质量 提高生产效率 改善信息管理等 如果要求以极高的可靠性 为控制目标 构成 PLC 冗余控制系统 这时要从能够完成冗余控制的 PLC 型号中进 行选择 如果以改善信息管理为控制目标 要首先考虑通信能力 另一个方面就是要 对 PLC 的硬件配置的考虑 可以从 CPU 的能力 I O 系统 指令系统 响应速度或其 它考虑 综合考虑后 本设计选择了西门子公司生产的 S7 200 型机 S7 200 系列 PLC 具有以下优点 A D D A 转换精度及转换速度高 一个模拟量模块带 3 路 A D 1 路 D A A D D A 转换速度高为 125us 为保证系统的采样 控制精度及调节速度提供 了基本的物理条件 其他厂家 PLC 的模拟量模块的 A D D A 转换速度均为 ms 级 不具备必要条件 而且 S7 200PLC 的模拟量模块单价为同类最低 因此具有很好的性 能价格比 CPU 运算速度快 0 37us 位 指令丰富 具有浮点运算 指针运算 中断 通讯响应 PID 运算 PWM 脉冲输出等功能 存储容量大 充分适应现代控制技术 如最优控制 自适应控制 变结构控制等控制算法的要求 输入 输出点多 响应快 24 输入 16 每点可设置滤波参数 4 个 20KHz 高 速计数器 2 个高速输出口 适应实时控制的要求 通讯组网能力强 配有 2 个 232 485 通讯口 可方便连接 232 485 422 等通讯 接口 适应监控系统的要求 可靠性高 将 CPU 模块 输入 输出 I O 模块 通讯模块高度集成一体 简化 结构 使用方便 3 3 电梯控制系统各环节的设计电梯控制系统各环节的设计 3 3 1 电梯轿厢楼层位置检测环节电梯轿厢楼层位置检测环节 电梯 PLC 控制不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器 因而电梯 运行过程中 轿厢所处楼层位置如何检测 PLC 软件 如何根据给定输入信号及运行条 件判断或计算楼层数 是电梯正常运行的重要问题 是正确定向和选层换速的必备前 提 轿厢楼层位置检测的方法很多 如磁感应器信号直接输人 双稳态磁保护开关状 态编码输入和光电开关脉冲输入 接近开关输入等 但最为常用的当属旋转编码器输 入 旋转编码器可用于测量转角 转速及位移 当转动旋转编码器的转轴时 输出端 发送出与转角对应的脉冲数 通过累计脉冲数量可直接算出转角和相应的位置行程 PLC 一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元 因而在电梯 PLC 控制系统中 可使用 旋转编码器检测电梯运行过程中轿厢所处楼层位置 电梯 PLC 控制系统中旋转编码器一般采用集电极开路输出方式 直接与 PLC 高 速脉冲输人端相连 电源可利用 PLC 内置 24V 直流电源 箱式结构 PLC 具有高速脉 冲输入端和硬件复位输入端 可使用一相或两相输出的编码器 一相为脉冲输出 接 PLC 的 0000 端 另一相为复位输出 接 PLC 的 0001 端 3 3 23 3 2 电梯轿内指令和厅外召唤信号的处理环节电梯轿内指令和厅外召唤信号的处理环节 轿内指令与厅外召唤信号均需全部输入 PLC 主要方法有直接输入 按钮矩阵输 人 按钮信号组合输入 按钮信号编码输入等 后三种输入方法的特点是减少了 PLC 的输入点数 但外部接线较麻烦 输入信号的状态以及维护检修不直观 内指令信号处理包括信号登记 显示及本层停车消号 信号的登记采用自锁原理 软件上采用逻辑与运算指令实现 不论电梯上行还是下行 当轿厢运行至有内指令要 求的楼层时 均需换速停车 并消除登记信号 不需反向保号 厅外召唤信号同样需 要进行登记 显示本层停车信号 此外还应具有反向运行保号和直驶保号功能 图图 3 23 2 旋转编码器与旋转编码器与 PLCPLC 高速脉冲输入端接口电路高速脉冲输入端接口电路 轿厢指令电路是由轿厢内人员通过指令按钮发出指令并保持这一指令 待这一指 令完成后并消除该指令的电路 厅外召唤电路 是由厅外乘梯人员通过厅外召唤按钮 发出呼梯信号 并登记和记忆 完成召唤指令后消除这一呼梯信号 2 3 3 电梯自动开关门的控制环节电梯自动开关门的控制环节 电梯的自动开关门控制要求一般如下 1 自动门机构必须随电梯轿厢移动 即要求把自动门机构安装于轿厢顶上 除了能带 动轿厢门启闭外 还应能通过机械方法使电梯轿厢在各个层楼门区安全范围内能方便 地使各层的外层门也能随着轿厢门的启闭而同步启闭 2 当轿厢门和某层楼的层门闭合后 应由电气机械设备的机械钩子和电气接点予以表 现和考核 3 开关门动作平稳 不得有剧烈的抖动和异常响声 4 关门时间一般为 3 5s 而开门时间一般为 2 5 4s 5 自动门系统调整简单方便 便于维修 6 门电机要具有一定的堵转能力 为实现这些要求 现设计如下 电梯运行中的开门是待电梯平层后自动开启的 这一自动控制是由干簧感应器实 现的 干簧感应器被装在轿厢顶部 随轿厢上下运动 隔磁板由支架固定在电梯导轨上 当电梯欲平层时 隔磁板插入 KR2 开门区域干簧感应器的缺口内 使干簧管的动断触 头复位 接通开门区域继电器 K47 线圈电路 KA7 动合触头闭合 电梯平层结束时 运行继电器 KA11 线圈断电 其动断触头复位 于是开门继电器 KA2 线圈通过以闭合 的门锁继电器 KA11 动合触头 停层时间继电器 KT8 断电延时断开触头而通电吸合并 自保 KA2 触头转换时 M 直流激励电动机 向开门方向旋转将门自动开启 电梯门从敞开到关闭的时间 一般整定为 4 6s 由 KT8 控制 电阻电容串联支路 并联后接入 110V 直流电压 在 KA2 动合触头闭合后 KT8 线圈通电吸合 电容器 C8 两极板电压充至 110V 当电梯门开启到位时 压下 SQ24 开关 KA2 线圈断电释放开 始 时间继电器 KT8 线圈外加直流电源切断 但 C8 通过电阻 R12 R13 和 KT8 线圈 放电 使 KT8 仍不释放 随着放电进行 C8 极板电压降低 放电电流减少 KT8 线圈 电压降低到小于等于其释放电压时 KT8 释放 关门动作开始 KT8 延时结束 所以 KT8 延时时间是从门开启到位 KT8 线圈断开直流电源到 KT8 线圈依靠 C8 放电维持 吸合 直到 KT8 释放 关门动作开始为止 这也是门敞开的时间 即乘客上下电梯的时间 若在延时即将结束时 尚未开启关门动作之前还有乘客进入 此时可按下厅外召唤 按钮 SB1S SB4S SB2X SB5X 中的一个 使厅外开门继电器 KA41 线圈通电吸合 KA41 动合触头闭合 使 KT8 线圈又通电吸合 C8 又充电 当松开厅召唤按钮后 KA41 直流电源切除 但有 C8 对其放电来获得又一次延迟 便于乘客继续出入 同理 按下轿内开门按钮 SB8 时 也使 KT8 线圈重新通电闭合 电容 C8 充电 当松开 SB8 时 由于 C8 对 KT8 线圈放电 获得再次延迟 若不等 KT8 延迟结束 就提前关门 则可按下轿内指令按钮 SB1 SB5 使 C8 放电加快 KT8 维持吸合时间缩短 关门动作 提前进行 电梯停靠楼层开门后 经 4 6s 延时 KT8 线圈断电释放 这时起动关门继电器 KA5 线圈经 KA9 动断触头 KT8 动断触头 过载继电器 KA14 动断触头 停站继电 器 KT6 动断触头 慢速第一延时继电器 KT2 动断触头 KA2 动断触头而通电吸合 KA5 动合触头闭合 KA3 线圈通电吸合 KA3 触头转换电动机 M 向关门方向旋转 拖动电梯门关闭 在关闭过程中由于行程开关 SQ20 SQ21 作用 实现两次减速关门 直至门关闭后 压下行程开关 SQ25 使 KA3 线圈断电释放 M 行能耗制动 图图 3 3 电梯门控制电路电梯门控制电路 3 3 4 电梯的方向控制环节电梯的方向控制环节 任何类别的电梯 其运行的充分与必要条件之一 要有确定的电梯运行方向 因此所有电梯的确定运行方向的控制环节 简称 定向环节 在所有电梯的整体控 制系统中也与电梯的自动开关门控制环节一样 是一个至关重要的控制环节 所谓电梯的方向控制环节 是根据电梯轿厢内乘客欲往层楼的位置信号或各层楼 大厅乘客的召唤信号位置与电梯所处层楼的位置信号进行比较 凡是在电梯位置信号上 方向的轿内或层楼厅外召唤信号 则电梯定上行方向 凡在其下方向的 则定下行方 向 在方向控制环节中 一般集选电梯必须满足下列几点要求 1 轿内指令信号优先于各层楼厅外召唤信号而定向 即当空轿厢电梯被某层厅 外乘客召唤到达该层后 某层的乘客即可进入电梯轿厢内而揿按指令按钮令电梯定上 行方向 或下行方向 若该乘客虽进入轿厢内且电梯门未关闭而尚未揿按指令按钮前 即电梯尚未定出方向 出现其他层楼的厅外召唤信号时 如此召唤信号指令电梯的运 行方向有别于已进入轿厢内的乘客要求指令电梯的运行方向 则电梯的运行方向应由 已进入轿厢内的乘客要求而定向 而不是根据其他层楼厅外乘客的要求而定向 这就 是所谓的 轿内优先于厅外 号的要求而定出电梯运行方向 但一旦定出电梯运行方向后 再有其他层楼的召唤信 号就不能 只有当电梯门延时关闭后 而轿内又无指令定向的情况下 才能按各层 楼的召唤信更改已定的运行方向了 2 要保持最远层楼召唤信号所要求的电梯运行方向 而不能轻易地更改 这样 以保证最高层楼 或最低层楼 乘客的乘用电梯 而只有在电梯完成最远层楼乘客的要 求后 方能改变电梯运行方向 3 在有司机操纵电梯时 当电梯尚未启动运行的情况下 应让司机有强行改变 电梯运行方向的可能性 这种在我国电梯尚未广泛普及又以 有司机 操纵为主的使 用情况下 这一 强行换向 也是必要的 4 而在电梯检修状况下 电梯的方向控制应由检修人员直接揿按轿厢内操纵箱 上或轿厢顶的检修箱上的方向按钮即令电梯定向上 或向下 运行 而当松开方向按钮 即令电梯消失运行方向并使电梯立即停车 图图 3 43 4 电梯运行方向控制电路电梯运行方向控制电路 电梯的方向控制电路由各楼层的换位继电器 KA26 KA30 提供两对动断触头 并 且按楼层顺序连接起来 两头分别与上行和下行方向继电器线圈 KA24 KA19 相接 组成一个定向链 而在每层楼换位继电器两对动断触头的中间连接处与各楼层的轿内 指令继电器 KA36 KA40 的动合触头相连 组成指令链 电梯只有上行和下行两个方 向 而选着运行反方向的依据也只有两个 一是你要去哪层 二是电梯轿厢现在在那层 楼 3 3 5 电梯的启动加速和减速平层控制环节电梯的启动加速和减速平层控制环节 电梯从某站启动运行 到某站停站 其运行过程是 电梯电动机 M1 松闸起动 加速 快速稳定运行 进入停站楼层区域时减速 进入平层区域时制动停车 抱闸 停层 这一连串的动作我们称为电梯的启动加速和减速平层控制 电梯的启动加速主要有电梯电动机 M1 及相应的动断 动合开关控制 控制原理 比较简单 在此不在赘述 电梯的运动环节中 最主要的是电梯的减速平层控制环节 现介绍如下 电梯的减速控制 按指令信号分为 按下轿内指令按钮 电梯停在乘客前往楼层的 减速控制 按下厅外召唤按钮 电梯停在乘客登楼梯层的减速控制 平层与停层时使上 行或下行接触器 KM1 或 KM2 断电释放 M1 和电磁制动器 YB 线圈失电 实现制动抱 闸 电梯停于某层站 平层是使电梯停层时 轿厢底与层站地面在同一水平面上 这 样便于乘客或物品的出入 为了保证电梯的平层准确度 通常在轿厢顶设置了平层器 平层器由三个干簧感应器组成 由上至下分别为上平层感应器 KR1 门区感应器 KR2