基于PLC和变频器的电梯控制系统设计.pdf

5 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 6期 基 于 P L C和变频器 的电梯控制 系统设 计 杨勇 ， 马西仃 ， 任国华 1 ． 山东兖矿集团东华建设有限公司 三十七处； 2 ． 山东兖矿集团东滩煤矿 通防办， 山东 邹城 2 7 3 5 0 0 ； 3 ． 中国矿业大学 机 电工程学院 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 设计 了基于 P L C和变频器的电梯控制 系统 ， 实行变频智能控制的 同时对电梯的运行情 况进行监控， 有利于节省电能， 增加舒适感。在一楼设置一触摸屏对目 前电梯位置、 乘客人数、 还需 停留几站进行显示。另外， 系统对电梯提升钢丝绳的拉力进行检测， 防止电梯超载。 关键词 电梯 ； P L C ； 变频调速 ； 触摸屏 中图分类号 T P 3 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 6 0 0 5 4 0 4 De s i g n o f e l e v a t o r c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n PLC a nd f r e q ue n c y i nv e r t e r Y ANG Yo n g ，MA Xi d i n g ，RE N Gu o h u a 1 ． T h i r t yS e v e n t h D e p a r t m e n t o f D o n g h u a C o n s t r u c t i o n C o ． L t d of Y a n k u a n g G r o u p ； 2 ． D o n g t a n C o a l Mi n e V e n t i l a t i o n a n d D u s t O f fi c e Y a n k u a n g G r o u p ，S h a n d o n g Z o u c h e n g 2 7 3 5 0 0， C h i n a ； 3 ． S c h o o l ofMe c h a n i c a l a n d E l e c t r i c En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y of Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， J i a n g s u Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Abs t r a c t De s i g n e d t h e c o n t r o l s y s t e m o f e l e v a t o r b a s e d o n PL C a n d t r a n s d u c e r ，mo n i t o r t h e o p e r a ． t i o n o f t h e e l e v a t o r wh i l e f r e q ue n c y i n t e l l i g e n t c o n t r o l t o t h e s y s t e m ，a n d i t c a n s a v e e l e c t r i c i t y a n d i n c r e a s e c o mf o r t ．I ns t a l l e d a t o uc h s c r e e n o n t h e g r o un d fl o o r ，wh i c h d i s p l a y i n g t h e e l e v a t o r p o s i t i o n a n d wh i c h flo o r s t i l l n e e d t o s t a y n e x t ．On t h e o t he r s i de t h e s y s t e m r e a l i z e d t h e f u n c t i o n s o f r e a lt i me mo n i t o r i ng o f s t e e l r o p e t e n s i o n，t o pr e v e n t e l e v a t o r o v e r l o a d． Ke y wo r ds e l e v a t o r ； P LC； f r e q u e n c y c o n v e r s i o n t i mi n g； t o u c h s c r e e n O 引言 近些年 ， 地面空间资源 日渐紧张 ， 高层建筑不断 涌现， 电梯应运而生。同时， 传统的电梯控制系统问 题也在不断出现 传统继电器 、 控制开关控制系统接 线复杂。P L C使用方便 ， 不但克服了传统继 电器控 制的缺点， 并且采用了特殊的抗干扰技术， 使之更加 适合工业控制。变频器以其成熟的技术和高可靠 性 ， 己经广泛应用在电梯控制系统中。用上位机组 态软件 Wi n C C F l e x i b l e 配合控制核心 P L C创建的监 控画面， 因其模拟效果逼真 ， 人机界面生动友好而得 到广泛应用。 1 控制系统工作原理 系统 ， 呼叫信号是 随机的， 单纯用顺序控制 、 逻辑控 制不能很好利用电梯 ， 所以电梯经常采用随机逻辑 控制方式。 电梯的位置信号由安装在电机转动轴上的编码 器提供 。P L C接收编码器发出的脉冲信号 ， 当采集 到的位置信号等于程序设定每楼层的平层位置时， P L C发 出控制指令 ， 提升 电机停止转动 ， 电梯 门打 开。变频器配合 P L C的 P 1 D控制能够改变 电源的 频率 ， 达到调速 目的， 即变频无极调速， 既能节省 电 能又能增加乘坐 的舒适感。天轮 支撑 着提升钢丝 绳 ， 在其承重梁上安装压力传感器检测钢丝绳 的拉 力 ， 防止电梯超 载或超载报警 。在一楼设置一触摸 屏 ， 画面中对电梯的运行楼层位置、 上行或下行 、 电 梯将要停留的楼层、 电梯载重等一一显示。 白白惹 叫 孽 2系 统 硬 件 组 成 及 其 各 部 分 功 能 自 身 的 运 动 规 律 而 运 行 的 ，电梯是一个人机交互式 一 ～ 一 一 一 ～ 收稿 日期 2 0 1 2 0 60 4 作者简介 杨勇 1 9 8 4 ， 助理工 程师 ， 研究 方 向为煤 矿机 电一 体化 。 系统安装了编码器 、 P L C控制柜 、 变频器 、 钢丝 绳压力传感器、 语音报警器、 触摸屏等实现系统 自 动 控制的相关装置。 2 0 1 2年第 6期 工业仪表与自动化装置 5 5 系统包括信号 出入部分 、 控制核心部分以及机 械执行部分。信号输入部分包括 编码器、 触摸屏、 压力传感器、 电机限位传感器以及摄像头。P L C负 责对信号的处理、 判断。最后由执行机构执行相关 动作。执行机构有电梯 门电机 、 语音报警器 、 触摸屏 等。控制系统构成如图 1 所示。 位置信 ’ - l 变 频器 P L C 呼梯信号 机 - - , t 电动控制信号 输 机 示 轿厢信号 入 懵 - _ 1 楼层触摸辫 编 码 器 L 接 【 l C P l J 脉冲信号I’ 存储器 川 、关 门1 ． 到 位 信号r 开 、 关 门 信号 图 1 控制系统 的构成 1 编码器 光 电式是最常用 的一种 ， 其原理是 在透明的材料圆盘上精确地印制上二进制编码 ， 码 盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道， 同 一 码道印制黑 白等间隔图案 ， 组成 一套编码。黑色 不透光的区域和白色透光的区域分别代表二进制码 “ 0 ” 和“ 1 ” 。工作 时， 码盘转到不 同位置 ， 光 电元件 接收光信号， 并转成相应电信号， 经过放大整形后， 成为相应数码 电信号。采用绝对式编码器 ， 这 种传 感器在断电后再次通电时能够显示此时的转角而不 总开关 启动 停止 急停 ’ 编码器 一 垒 肩动端 B相 ． 复位端 自动按钮 手动按钮 ’ OV 西门子 S 7 ． 2 0 0 1 M 受通断电的影响。同时具有 良好的耐振动和抗干扰 性能， 满足电梯设备安全性的要求。编码器可以安 装在电梯提升电机的输出轴上， 发出脉冲信号， 以便 P L C进行计数 ， 从而监测电梯的位置和运行方向。 2 触摸屏 信号主要输入和输出设备。能够显 示电梯运动速度、 所处楼层 ， 在电梯达到载重上线时 跳出报警画面并发出语音报警提醒乘客或管理人 员。乘客通 过触摸屏选择 目地楼层。具有控制功 能 ， 管理人员输入密码可 以进行 自动手动之间的切 换 ， 以便维护。 3 压力传感器 检测提升电梯钢丝绳压力， 向 P L C传送压力信号， 从而计算出矿车重量， P L C根据 重量调节电梯运行速度。 4 限位传感器 每楼层 2个用来确保电梯门完 全打开以及闭合， 另外在电梯运行轨道设置一限位 传感器用来判断电梯是否到达该楼层平层。 5 P L C控制箱 防跑车保护系统 的控制核心。 采用西 门子公 司生 产 的 s 7 2 0 0系列 P L C， 其 中 C P U 2 2 4 X P具有 6个高速计数器 ， 更多的输入／ 输出 单元 以及更大 的用户存 储量 ，如果 C P U本 身所带 I ／ 0点不能满足需要 ， 可 以增加扩展模块 以满足系 统的需要 。控制箱 P L C外围接线如图2所示。 U V W N l i i l 图 2 P L C和变频器 的接 线图 电梯启动运行时， 识别电梯运行方向并和目标 楼层运行方向做比较， 判断电梯是否运行正常。同 时， P L C对旋转编码器发出的脉冲进行计数， 经过高 速计数器的统计以及计算， 从而判断电梯的位置， 当 检测出 电梯 运行 到某一 目标 楼层 或 呼 叫楼 层 时， P L C发出指令给电机控制开关， 控制电机开始打开 M 3 ～ 电梯门并保持直到达到开门设定时间， 期间如果红 外探测传感器检测到有物体存在与电梯门间开门时 间则重新计时。 6 变频器 电梯起步需要采用变频器控制 电机 运转 ， 降低电动机 的启 、 制动 电流， 启动电流被限制 在 1 5 0 ％额定电流 以下 ， 因此 可 以避免产生机械电 且 自 姗 蝴w C B A 一 ● 一 2 3 4 5 6 7 8 9 叫 一 一 一 一 一 一 一 一 一 。 l n I 寸 l 卜 I 。 l n l 寸 l M 5 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 6期 气上的冲击。变频调速电梯的速度调节平滑， 具有 十分良好的乘坐舒适感， 与其他类型交流调速系统 相 比， 运行效率高 ， 节能效果显著。速度调节原理如 图 3所示。 图 3 速度调节原理图 根据异步电动机的转速与频率的关系公式 1 可知 改变三相交流电动机的供 电频率- 厂 ， 就能控制 电动机转速 n 。 6 1 5 n 一 p 式中 厂 为 电动机 电源频率 H z ； P为 电动机极 对 数 ； s 为电动机转差率 。 因此， 采用变频调速器来改变电动机的供电频率 厂 ， 就可改变 电动机转速从而改变提升电机转子的运 动频率 ， 改变电梯运行速度 ， 达到乘坐舒适的目的。 变频调速控制系统是通过速度传感器实时监测 电梯速度 ， 当变频器接收到运行开始指令 ， 变频器按 具体调节控制方式对系统进行调节， 比较给定信号 与反馈信号， 运算后自动控制输出频率， 图4为变频 调速技术原理图。 o 负作用 ， △ O ，8 jt ,T率 E升 ； △ O ，频率 F降； △ O ，频率上升 图 4 变频调速技术 原理 图 参数 P I D控制器是工业生产中广泛应用的一种 控制方法 ， 在机械 、 化工 、 热工和轻工等行业普遍使 用 。其输入是偏差信号 ， 输 出为偏差信号及其积分 和微分的加权和 ， 数学表达式为 “ K n e n ∑e n e c n 2 “ n K v e n K ，JO ∑ e d ￡ K 。 ded 3 式 中 e 为 系统输入偏 差， e c为 系统输入偏 差变化 率， 为系统输出； 为比例增益， 影响系统响应速 度和精度 ； 为积分增益 ， 影 响系统稳定精度 ； K o 为 微分增 益 ， 影 响 系统 动态 特 性， 抑制 响应 误 差 的 变化 7 摄像头 摄像头用于 观察 电梯 内情况 ， 有无 突发性事件等 ， 并且图像能够在电梯控制室 电脑上 实时显示 。 8 U P S电源 如果 出现意外或其他情况导致断 电， U P S电源能够继续给系统提供电源 ， 使系统保存 重要数据 ， 例如电梯现在位置 ， 行驶方向是下行还是 上行 ， 保证了整个装置正常工作。 9 语音报警器 在 电梯 出现超载 、 在某一 楼层 等待超时等事故时报警 。 3 控制系统软件设计 软件设计包括触摸屏编程和 P L C编程 2个部 分。触摸屏采用 Wi n C C F l e x i b l e编辑监控界面 ， P L C 编程选用西 门子公 司开发 的组态软件 S T E P 7 V 4 ． 0 S P 3 。S 7 2 0 0 P L C有 L A D编程和 S T L编程 2种方 式。L A D是 使用 最多 的编程语 言 ， 它非 常直 观易 懂 ， 对每个人都适用 ； 对于编程特别熟悉的人有时候 会直接使用 S T L形式编程， 用 S T L编写的程序简 短， 但不直观。对于该系统， L A D是比较合适的选 择。程序主要包括以下几个子程序 系统手动 、 自动 控制子程序 ， 电梯上 、 下行控制子程序 。中断子程序 有 定时中断采集脉冲子程序 ， 当前值等于设定值子 程序。如图 5所示。 图5 电梯控制程序流程图 触摸屏显示可以分为 2大部分， 显示参数和控 制按钮 。显示屏显示了当前电梯所处楼层位置以及 载重， 各楼层需要停靠状态， 值班人员， 当前时间等。 2 0 1 2年第 6期 工业仪表与 自动化装置 5 7 触摸屏运行界面如图 6所示。 图 6触摸屏控制界 面 用户登录按钮用 于不 同值班人员之间的切换 ， 进入工作人员使用画面需输入正确密码。手动 、 自 动按钮可 以根据实际需要实现系统 自动控制和工作 人员手动控制 、 调试 电梯运行参 数。当发现触摸屏 显示电梯的参数与实际有误差时可以用参数清零按 钮清除参数 ， 并重新设置。当乘客发现电梯 门不能 打开或其他危险情况时， 可以按下报警按钮， 系统则 发出语音报警； 危险消除， 可以按下取消报警按钮来 解除报警。系统设置按钮用于改变触摸屏显示， 例 如更正系统时间。 4 结语 该系统采用 P L C高速计数器采集编码器脉冲， 来确定电梯位置及速度， 并配合楼层限位传感器确 保位置信号准确无误， 测量精度高。采用变频器来 控制电梯运行速度 ， 可以根据不同的距离智能调节 启动加速度以及制动减速度， 大大提高了乘坐的舒 适感 。提升钢丝绳拉力检测以及超载闭锁程序避免 了安全事故的发生。该设计将触摸屏应用到电梯 ， 实现 了乘客 和管理人员 对电梯 运行情况 的 自动化 监控 。 参考文献 [ 1 ] 刘佩武． 电梯的使用与维修【 ． M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 宋伯生． 可编程序控制器 [ M] ． 北京 中国劳动出版 社 ， 1 9 9 3 ． [ 3 ] 张汉杰， 王锡钟． 现代电梯控制技术[ M] ． 哈尔滨 哈 尔滨工业大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 张福恩． 交流调速电梯原理 、 设计及安装维修[ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 5 ] 廖常初． 西门子人机界面 触摸屏 组态与应用技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 张燕宾． S P WM变频调速应用技术[ M] ． 北京 机械工 、 I 出版社 ， 1 9 9 7 ． 上接第 5 3页 2 绑定 在物理上将节点与传输媒介相联以及给节点分 配地址， 并不能说明节点间是如何通信和共享信息 的。在 L o n Wo r k s网中， 节点间的相互通信经常是 由 网络变量完成的。在每个节点中， 网络变量的功能、 类型和数量是由节点中的应用程序代码决定的。使 用网络变量使节点间消息的传送隐性进行， 使大量 与消息有关 的如建造 、 发送 、 应答等繁琐 的活动 自动 进行 ， 使 网络控制系统的开发更方便 、 更快捷 。绑定 就是把需要共享数据 的网络变量连接起来。绑定的 工作是 由安装工具完成的。 3 配置 配置实际上是使节点与应用网络相互协调的过 程。它包括设定某些基于网络和基于应用的参数。 基于网络的参数包括节点所使用的 L o n T a l k 优先级、 L o n T a l k 证实服务以及节点的本地字符。基于应用的 参数包括一些数据， 如设定点、 校准值和线性表等。 对于基于应用的配置参数可以使用配置网络变量， 也 可以使用标准配置参数。配置的任务同时也包括网 络结构基本模块的配置， 如配置 L o n Wo r k s 路由器。 4 结论 现场总线技术已经在工业生产中用的越来越广 泛， 在上述设计中要求智能节点上送的数据及时准 确地传送到监控主机， 同时也要求监控主机下发的 命令及时送到智能装置， 这就存在网络互连的问题。 以太网可以将各个 网段分别连接到一个局域 网上 ， 可以提高数据报文的传输速度， 同时， 其开放性的 T C P ／ I P协议为整个系统 的可扩展性 留出了很大 的 空间， 也便于远程访问控制， 能在任何地方可以通过 标准的浏览器来查看现场设备 的具体运行情况 ， 也 可以对系统 中的智能装置进行遥控操作。因此 L o n Wo r k s 现场总线与以太 网的互连是一个趋势 ， 将 是未来的发展方 向。 参考文献 [ 1 ] 束长宝． 基于 D C S的高港枢纽闸门监控系统[ J ] ． 计算 机测量与控制， 2 0 0 2 ， 1 0 1 1 7 3 1 ． [ 2 ] 余建建． 闸门监控系统中关键传感元件的应用[ J ] ． 水 电自动化与大坝监测， 2 0 0 3 ， 2 7 5 8 1 ． [ 3 ] 林洁莹． 基于 L o n Wo r k s 的现场控制系统的应用与研究 E J ] ． 自动化仪表， 2 0 0 3 1 0 5 45 5 ．