西門子S7300 PLC在雙電梯聯(lián)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：本文以兩臺五層樓電梯為設(shè)計對象，利用西門子公司S7—300系列可編程控制器（PLC），結(jié)合安川VS-616G5通用變頻器，開發(fā)出了一套交流變頻調(diào)速的PLC雙電梯聯(lián)動控制系統(tǒng)，從而只需要一臺PLC便能夠?qū)膳_電梯的運(yùn)行操作進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：PLC　雙電梯　硬件　軟件

1 引言
近年來, 隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，高層建筑和智能化建筑的不斷涌現(xiàn)，人們對電梯提出了越來越高的要求，單臺電梯往往不能滿足建筑物內(nèi)的交通需要，這時候就需要合理安裝多臺電梯來緩解電梯運(yùn)行的壓力，因此電梯群控系統(tǒng)(elevator group control system)應(yīng)運(yùn)而生。與此同時，隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展，也極大地促進(jìn)了電梯控制技術(shù)的進(jìn)步, 大量先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于電梯群控系統(tǒng), 使得電梯群控系統(tǒng)的控制特性得到很大的改善。針對目前這一現(xiàn)狀，本論文以兩臺五層電梯為設(shè)計對象，對電梯的群控問題進(jìn)行了較為深入的分析研究，提出了一些自己的認(rèn)識和看法，設(shè)計出了一套PLC雙電梯聯(lián)動控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
本系統(tǒng)是主要由PLC、變頻器、控制箱、顯示器、曳引電動機(jī)組成的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)(Variable Voltage Variable Frequency，簡稱VVVF)。通過一臺PLC 去控制兩臺電梯運(yùn)行的方式，可以省去兩臺可編程控制器之間的相互通信,從而使得控制系統(tǒng)的可靠性更高，結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊。本系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。



從圖1可以看出，該系統(tǒng)主要由兩個部分組成，其中電梯控制的邏輯部分由PLC來實(shí)現(xiàn)。通過分析研究電梯的實(shí)際運(yùn)行情況和控制規(guī)律，從而設(shè)計開發(fā)出一套雙電梯聯(lián)動控制程序，使得PLC能夠控制兩臺電梯的運(yùn)行操作。電梯的調(diào)速部分則選用高性能的矢量控制變頻器，配以脈沖發(fā)生器(編碼器)測量鼠籠式曳引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成電機(jī)的閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鼠籠式曳引電動機(jī)的交流變頻調(diào)速(Variable Voltage Variable Frequency，簡稱VVVF)運(yùn)行。
PLC首先接收來自電梯的呼梯信號、平層信號，然后根據(jù)這些輸入信號的狀態(tài)，通過其內(nèi)部一系列復(fù)雜的控制程序，對各種信號的邏輯關(guān)系有序地進(jìn)行處理，最后向直流門控電機(jī)、變頻器和各類顯示器適時地發(fā)出開關(guān)量控制信號，對兩臺電梯實(shí)施群控。在電梯控制系統(tǒng)中，由于電梯的控制屬于隨機(jī)性控制，各種輸入信號之間、輸出信號之間以及輸入信號和輸出信號之間的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，邏輯關(guān)系處理起來非常復(fù)雜，這就給PLC的編程帶來很大難度。從某種意義上來說，PLC編程水平的高低就決定整個系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的好壞。因此，PLC應(yīng)用在電梯控制中的編程技術(shù)就成為控制電梯運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，這同時也是本系統(tǒng)設(shè)計的一個重點(diǎn)。
在PLC向變頻器發(fā)出開關(guān)量控制信號的同時，為了滿足電梯的要求，變頻器又需要通過與鼠籠式曳引電動機(jī)同軸連接的脈沖發(fā)生器和PG卡, 對電動機(jī)完成速度檢測及反饋,形成閉環(huán)系統(tǒng)。脈沖發(fā)生器輸出A、B兩相脈沖，PG卡接收到脈沖信號以后，再將此反饋給變頻器內(nèi)部,以便進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié)。根據(jù)A、B脈沖的相序,可判斷出電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向,并可以根據(jù)A、B脈沖的頻率測得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于本設(shè)計選用的是通用型變頻器，因此其參數(shù)設(shè)置和外部線路設(shè)計的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高于電梯專用變頻器，其設(shè)置的好壞也將直接影響到電梯運(yùn)行的實(shí)際效果。

2.1 PLC的型號的選擇及I/O點(diǎn)數(shù)分配
電梯邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是PLC，哪些信號需要輸入至PLC，PLC需要驅(qū)動哪些負(fù)載,以及采用何種編程方式，都是需要認(rèn)真考慮的問題，都會影響到其內(nèi)部I/O點(diǎn)數(shù)的分配。因此，I/O點(diǎn)數(shù)的確定,是設(shè)計整個PLC電梯控制系統(tǒng)首先需要解決的問題,決定著系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，也是系統(tǒng)軟件編寫的前提。
本系統(tǒng)是為一幢5層大樓所設(shè)計,根據(jù)PLC 的I/O節(jié)點(diǎn)使用原則,應(yīng)留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時使用。系統(tǒng)中實(shí)際需要輸入點(diǎn)47點(diǎn),輸出點(diǎn)40點(diǎn),因此我們選用西門子S7-300PLC，其中CPU的型號選為CPU315，輸入模塊的型號選為DI32xDC24V，總共需要兩塊，輸出模塊的型號選為DO32xDC24V/0.5A，總共也需要兩塊。I/O地址分配表如表1所示。




2.2 變頻器的選型及參數(shù)設(shè)置
基于價格等方面因素的考慮，本次電梯調(diào)速控制的設(shè)計選用的是VS-616G5 型通用變頻器, 選擇有PG矢量控制作為曳引鼠籠式電動機(jī)的控制方式。
PLC通過向安川616G5變頻器發(fā)出電梯上行輸出和電梯下行輸出信號，從而控制曳引電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，決定電梯的上/下行運(yùn)動；PLC通過向安川616G5變頻器發(fā)出電梯高速運(yùn)行和電梯低速運(yùn)行信號，從而間接控制曳引電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，決定電梯的高速/低速運(yùn)動。電動機(jī)通過脈沖發(fā)生器(編碼器)和PG卡將速度信號及時反饋給安川616G5變頻器，從而形成速度閉環(huán)控制。接線圖如圖2所示。



由于本控制系統(tǒng)選擇的是有PG矢量控制，因此在運(yùn)行之前，需要變頻器對電機(jī)單體進(jìn)行自學(xué)習(xí)，否則變頻器將不能正常工作。其具體做法是先將電機(jī)銘牌上面記載的額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)數(shù)、PG卡脈沖數(shù)及電機(jī)極數(shù)輸入至變頻器，然后啟動變頻器，使電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)，最后這些數(shù)值通過自學(xué)習(xí)，自動地計算后寫入到變頻器的電機(jī)參數(shù)中。因此對于這些參數(shù)，沒有必要去人工進(jìn)行設(shè)置。 VS-616G5通用型變頻器設(shè)置如表2所示。




3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
硬件系統(tǒng)設(shè)計完成以后，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，還需要用西門子STEP 7專業(yè)編程軟件對雙電梯聯(lián)動控制程序進(jìn)行設(shè)計。由于電梯控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個人機(jī)交互式的控制系統(tǒng)，因此單純采用順序控制或邏輯控制是不能夠滿足要求的，而應(yīng)該在設(shè)計中采用隨機(jī)邏輯控制方式。同時，由于梯形圖之間的相互關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，程序設(shè)計比較復(fù)雜，因此在雙電梯聯(lián)動控制系統(tǒng)的軟件部分時，主要采用模塊化的編程思想來進(jìn)行設(shè)計。
根據(jù)電梯的運(yùn)行規(guī)律,設(shè)置了有/ 無司機(jī)、檢修、優(yōu)先服務(wù)、消防等四種工作方式。其編制的程序主要遵循以下控制規(guī)律:
兩臺電梯都遵守集選規(guī)則，即將呼叫信號先進(jìn)行登記，對與電梯運(yùn)行同向的呼叫信號逐一應(yīng)答，當(dāng)同向指令和召喚應(yīng)答完畢后電梯可以自動換向。
除此以外，電梯并聯(lián)運(yùn)行還遵循的相應(yīng)的調(diào)度原則：正常情況下，當(dāng)電梯使用以后，二號電梯作為忙梯會首先自動上升至第三層待命，一號電梯則作為基站電梯在第一層樓待命。當(dāng)某層站有門廳呼叫信號時，則“忙梯”立即啟動并定向運(yùn)行去接該層站的乘客。
當(dāng)兩臺電梯因轎廂內(nèi)指令而到達(dá)基站后關(guān)門待命時，則應(yīng)按照有效利用的原則，執(zhí)行相互交替程序段。原先充當(dāng)忙梯的電梯現(xiàn)在即作為基站電梯來使用，而原先作為基站電梯使用的電梯此時即成為忙梯。不論是一號電梯還是二號電梯均停留在最后停靠的層站待命。
當(dāng)忙梯正在上行時，若其上方出現(xiàn)任何方向的門廳呼叫信號或是其下方出現(xiàn)向下的門廳呼叫信號，則均由忙梯在一周行程中去完成，而基站電梯不予應(yīng)答運(yùn)行。但是，若在忙梯的下方出現(xiàn)向上的門廳呼叫信號，則由基站電梯來應(yīng)答信號而發(fā)車運(yùn)行接客。
當(dāng)忙梯正在下行時，若其下方出現(xiàn)任何方向的門廳呼叫信號，則均由忙梯在一周行程中去完成，而基站電梯不予應(yīng)答運(yùn)行。但是，若在忙梯的上方出現(xiàn)任何向上或是向下的門廳呼叫信號，則由基站電梯來應(yīng)答信號而發(fā)車運(yùn)行接客。
當(dāng)其中一臺電梯由于故障而停止運(yùn)行，另一臺電梯則自動承擔(dān)全部的運(yùn)行任務(wù)，遵循單臺電梯的運(yùn)行規(guī)則。
無論是作為一號電梯還是二號電梯,由于轎內(nèi)呼叫信號而使電梯定向的,電梯都必須啟動運(yùn)行。電梯停用以后，不論當(dāng)前處在哪一層，都會自動下降至底層。

4 結(jié)論
實(shí)踐證明，PLC雙電梯聯(lián)動控制系統(tǒng)完全能夠運(yùn)用于兩臺電梯的聯(lián)動控制，具有較好的兼容性，并且可以達(dá)到穩(wěn)定可靠的性能。該系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)多臺群控, 具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者：李扶中 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院
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