西门子S7-200 PLC在电梯控制中的应用
关键词：电梯；可编程控制器；位移控制；速度控制
中图分类号：TP274 文献标识码：A
Application of PLC in Elevator Controlling System
XIANG Jing-mei
（Beijing BeiKe- masic Automation Engineering Co. ,Ltd, Beijing 102200,China）
Abstract: This paper introduce elevator controlling base on the PLC. The PLC realizes eleposition feedback of the rotation encoder, and realizes the floow count, the speed changing of the call and the arival signal via PLC program as well, instead of position checking devireliability and arrival precision of the system.
Key words: elevator; PLC; ddsplaeement controlling; speed controlling
1 引言
随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，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。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取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。PLC可靠性高，程序设计方便灵活。本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。
2 硬件电路
2．1 硬件结构
系统硬件结构图如图1所示。
PLC为西门子公司S7-200系列CPU221， PLC接受来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动电梯等信号。
2．2 电流、速度双闭环电路
采用YASAKWA公司的VS - 616G5 CIM- RG 4022变频器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联结的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。
3 位移和运行曲线控制
电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。
3．1 位移控制
采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经式（1）计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。
电梯位移h=SI
式中I：累计脉冲数S：脉冲当量
S=lpD／（pr） （1）
本系统采用的减速机，其减速比1=1／20，拽引
轮直径D=580mm，电机额定转速ne=1450r／ min，旋转编码器每转对应脉冲数p=1024，PG卡分频比r=1／18，代人式（1）得
S=1．6mm／脉冲
3．2 速度控制
本方法是利用PLC扩展功能模块D／A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器，程序运行时，通过查表方式写入D／A，由 D／A转换成模拟量后将理想曲线输出。
3．2．1 加速给定曲线的产生
8位D／A输出0～5V／0～10V，对应数字值为16进制数00～FF，共255级。东洋电梯加速实践在2．5～3秒之问。按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间隔不宜超过10ms。
由于电梯逻辑控制部分程序zui大，而PLC运行采用周期扫描机制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改变。通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，zui大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间zui短采取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采用按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过10ms。为满足系统的实时性要求，本文在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。
本文采用的PLC有三种中断功能：（1）外部中断；（2）高速计数内部中断（3）定周期中断。前两种中断各有8个中断点，后一种有4个中断点。在程序中采用了后面两种中断方式．起动过程采用定周期中断，制动过程采用高速计数内部中断。中断服务程序放在主程序后，运行状态检测＼运行保护＼内选外呼等逻辑控制均在主程序中实现。而运行条件的判断＼运行模式的选择＼查表等与运行曲线产生有关的程序放在中断服务程序中。
起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。
3．2．2 减速制动曲线的产生
为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定周期中断完成，加速到对应模式的zui大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。电梯以对应模式的zui大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。
在PLC的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次表指针加1操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。
4 程序设计
利用变频器PG卡输出端将脉冲信号引入 PLC的高速计数输入端，构成位置反馈．高速计数器累加的脉冲数反映电梯的位置．高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离，换速点，平层点和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在个脉冲当量范围．在考虑减速机齿轮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达内，大大低于国标的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求．电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置，快速换速点，中速换速点，门区信号和平层位置信号等．由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连接，降低成本。下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数，快速换速，中速换速，门区和平层信号5个子程序进行介绍。
4．1 楼层计数
本设计采用相对计数方式．运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电梯分别存入16个内存单元D01 - D16。
楼层计数器CNTl0为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减计数。
运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1，为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。
4．2 快速换速
当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号．若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。
4．3 门区信号
当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号．平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。
4．4 脉冲信号故障检测
脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。为消除脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC高速计数器CNT47的复位端0001。
5 结论
本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代井道中原有的位置检测装置，实现位移控制，用软件代替部分硬件功能，既降低系统成本，又提高了系统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。
在实验室调试的基础上，采用上述方法，实地对两台17层电梯进行改造，经有关部分检测和近一年的实际运行表明，系统运行可靠，乘坐舒适，故障率大为降低，平层精度在5mm以内，取得了良好的运行效果。参考文献
[1] 朱善君．可编程序控制系统原理、应用、维护[M]．北京：清华大学出版社．
[2] 李景学，金广业．可编程控制器应用系统设计方法[M]．北京：电子工业出版社．1995．
中图分类号：TP274 文献标识码：A
Application of PLC in Elevator Controlling System
XIANG Jing-mei
（Beijing BeiKe- masic Automation Engineering Co. ,Ltd, Beijing 102200,China）
Abstract: This paper introduce elevator controlling base on the PLC. The PLC realizes eleposition feedback of the rotation encoder, and realizes the floow count, the speed changing of the call and the arival signal via PLC program as well, instead of position checking devireliability and arrival precision of the system.
Key words: elevator; PLC; ddsplaeement controlling; speed controlling
1 引言
随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，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。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取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。PLC可靠性高，程序设计方便灵活。本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。
2 硬件电路
2．1 硬件结构
系统硬件结构图如图1所示。
PLC为西门子公司S7-200系列CPU221， PLC接受来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动电梯等信号。
2．2 电流、速度双闭环电路
采用YASAKWA公司的VS - 616G5 CIM- RG 4022变频器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联结的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。
3 位移和运行曲线控制
电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。
3．1 位移控制
采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经式（1）计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。
电梯位移h=SI
式中I：累计脉冲数S：脉冲当量
S=lpD／（pr） （1）
本系统采用的减速机，其减速比1=1／20，拽引
轮直径D=580mm，电机额定转速ne=1450r／ min，旋转编码器每转对应脉冲数p=1024，PG卡分频比r=1／18，代人式（1）得
S=1．6mm／脉冲
3．2 速度控制
本方法是利用PLC扩展功能模块D／A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC寄存器，程序运行时，通过查表方式写入D／A，由 D／A转换成模拟量后将理想曲线输出。
3．2．1 加速给定曲线的产生
8位D／A输出0～5V／0～10V，对应数字值为16进制数00～FF，共255级。东洋电梯加速实践在2．5～3秒之问。按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间隔不宜超过10ms。
由于电梯逻辑控制部分程序zui大，而PLC运行采用周期扫描机制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改变。通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用户程序和输入输出接口服务等。在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，zui大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间zui短采取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms，尽管采取了一些减少程序扫描时间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采用按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过10ms。为满足系统的实时性要求，本文在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。
本文采用的PLC有三种中断功能：（1）外部中断；（2）高速计数内部中断（3）定周期中断。前两种中断各有8个中断点，后一种有4个中断点。在程序中采用了后面两种中断方式．起动过程采用定周期中断，制动过程采用高速计数内部中断。中断服务程序放在主程序后，运行状态检测＼运行保护＼内选外呼等逻辑控制均在主程序中实现。而运行条件的判断＼运行模式的选择＼查表等与运行曲线产生有关的程序放在中断服务程序中。
起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。
3．2．2 减速制动曲线的产生
为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定周期中断完成，加速到对应模式的zui大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。电梯以对应模式的zui大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。
在PLC的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次表指针加1操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。
4 程序设计
利用变频器PG卡输出端将脉冲信号引入 PLC的高速计数输入端，构成位置反馈．高速计数器累加的脉冲数反映电梯的位置．高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离，换速点，平层点和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在个脉冲当量范围．在考虑减速机齿轮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达内，大大低于国标的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求．电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置，快速换速点，中速换速点，门区信号和平层位置信号等．由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连接，降低成本。下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数，快速换速，中速换速，门区和平层信号5个子程序进行介绍。
4．1 楼层计数
本设计采用相对计数方式．运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电梯分别存入16个内存单元D01 - D16。
楼层计数器CNTl0为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减计数。
运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1，为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。
4．2 快速换速
当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号．若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。
4．3 门区信号
当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号．平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。
4．4 脉冲信号故障检测
脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。为消除脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC高速计数器CNT47的复位端0001。
5 结论
本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代井道中原有的位置检测装置，实现位移控制，用软件代替部分硬件功能，既降低系统成本，又提高了系统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。
在实验室调试的基础上，采用上述方法，实地对两台17层电梯进行改造，经有关部分检测和近一年的实际运行表明，系统运行可靠，乘坐舒适，故障率大为降低，平层精度在5mm以内，取得了良好的运行效果。参考文献
[1] 朱善君．可编程序控制系统原理、应用、维护[M]．北京：清华大学出版社．
[2] 李景学，金广业．可编程控制器应用系统设计方法[M]．北京：电子工业出版社．1995．
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