基于PLC和变频器技术的现代电梯控制系统设计.pdf

机械研究与应用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 检测与控制 基于 P L C和变频器技术的现代电梯控制系统设计 沈意平 ， 宾光富， 王送来 湖南科技 大学 机械设备健康维护省重点 实验室 ， 湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 摘要 电梯作为现代工业和建筑行业中重要的运输工具， 其可靠性、 安全性、 舒适性、 节能性的要求越来越高。提出 了一种基 于 P L C和变频器联合的 电梯控制 方案， 通过采 用 P L C控 制器 实现 电梯 的逻辑控制 ， 从 而提 高电梯 运行 的稳 定性及可扩展性， 利用变频器控制电梯曳引系统， 以获得理想的速度变化曲线， 实现电梯运行的高效与节能。最后， 采 用组态监控软件进行了仿真实验， 结果表明该控制方案不仅能够达到现代电梯运行的基本控制性能需求， 而且有利 于提高电梯运行的可靠性和舒适性。 关键 词 电梯控制 ； P L C； 变频器 ； 组 态软件 ； 高效节 能 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 4 0 3 0 1 6 9 0 3 Co n t r o l S y s t e m De s i g n f o r M o d e r n El e v a t o r Ba s e d o n P LC a n d Fr e q u e n c y Co n v e r t e r Te c h n o l o g y S HEN Yi -p i n g，BI N Gua ng - f u，W ANG S o ng - l a i H e a l t h Ma i n t e n a n c e f o r Me c h a n i c a l E q u m e n t K e y L a b o f H u n a n P r o v i nce ， H u n a n U n i v e r s i t y o fS c i e nce a n d T e c h n o l o g y ， X i a n g t a nH u n a n 4 1 1 2 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e e l e v a t o r i s a n i mp o r t a n t t r a n s p o r t a t i o n t o o l i n t h e mo d e l T l i n d u s t r y a n d c o n s t r u c t i o n i n d u s t ，h i g h s e c u ri t y，r e l i a b i l i t y ，a n d e n e r g y s a v i n g p e r f o r manc e s a l e r e q u i r e d ．A n e w e l e v a t o r c o n t r o l s y s t e m i s p r o p o s e d b a s e d o n P L C a n d f r e q u e n c y c o n v e rt e r t e c h n o l o g y ．T h e P L C w i t h t h e l o g i c c o n t r o l f u n c t i o n i s u s e d t o i mp r o v e t h e o p e r a t i o n s t a b i l i t y a n d s c a l ab i l i t y ，t h e f r e q u e n c y c o n v e rte r c o n t r o l t e c h n o l o g y i s u s e d t o o b t a i n i d e a l s p e e d c u r v e a n d h i g h e ffic i e n c y e n e r gy ．T h e s i mu l a t i o n e x p e ri me n t r e s u l t s o f t h e c o n f i g u r a t i o n mo n i t o r i n g s o f t w a r e s h o w t h a t t h e p r o p o s e d e l e v a t o r c o n t r o l s y s t e m c a n me e t t h e b a s i c c o n t r o l r e - q u i r e me n t s ，i mp r o v e t h e e l e v a t o r r e l i a b i l i t y an d c o mf o rt，a n d s a v e t h e e n e r g y p o we r ． Ke y wo r d s e l e v a t o r c o n t r o l ；P L C；f r e q u e n c y c o n v e rte r ；c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ；e n e r gy e ffi c i e n t O 引 言 电梯包括机 械传 动和 电气控制两部分 ， 其安全 性 、 可靠性、 舒适性和快速停 站准确性要求很高。随 着生活水平和工业生产水平的不断提高 ， 电梯的调速 精度 、 调速范围等静态和动态特性 要求也越来越高 ， 尤其需要开展电梯的节能性设计 J 。可编程控 制器 P L C是一种以微处理器为核心实现数字控制 的专用 计算机 ， 国内外广泛应用于钢铁、 石油、 化工 、 电力 、 建 材、 机械制造、 汽车、 轻纺、 交通运输等各个行业。 P L C控制器具有可靠性高、 适用性广、 抗干扰性强 、 体 积小 、 重量轻 、 能耗低 等特点 ， 而且易于 与计 算机通 讯 、 具备高速计数与位控等优异性 能 ， 因此它不 仅能 提供 良好的调速性 能， 而且 能节约运行成 本 J 。通 过采用 P L C和变频器联合控制方式 ， 设计 了电梯 控 制系统硬件和软件 ， 利用组态软件进行了仿真实验 。 仿真结果表明 ， 设计 的控制系统能够满足安全性 、 可 靠性和稳定性等基本要求， 有利于实现电梯运行的高 效性和舒适性。 1 电梯控制系统硬件设计 为满足电梯运行安全、 可靠 的运输需求 ， 电梯控 制系统需具有 以下基本控制性能需求 ] 。 1 电梯位置的确定与显示 轿厢及门厅 中需设有 电梯楼层标识 ， 以便乘客实 时看到电梯运行的楼层位置。电梯运行时 ， 需提供准 确的楼层位置信息， 以准确实现电梯制动等控制需 求。 2 轿厢 内的运行指令及 门厅的召唤信号 轿厢内乘客按下的电梯运行的目的楼层为内选 信号， 需要被记忆并亮灯显示； 门厅内候乘人员按下 的上行或下行按钮为外呼信号， 也需要记忆并亮灯显 示上行或下行 ， 并在召唤得到满足时能 自动取消。 3 电梯 自动运行时的信号响应 电梯上行时 ， 遇到上层有上行呼号信号则在该层 停下电梯 ， 停车时取消该层上行信号并关 闭对应的显 示灯 ， 电梯 门开。电梯上行时对下行的召唤信号不处 理 ， 下行时则对上行 的如 唤信号不处理。电梯停 止 时 ， 可手动按钮控制开 门、 关 门， 也可等到开／ 关 门定 时时间完成后 自动关门。 4 轿厢的启动及运行 电梯必须要等轿厢上行或下行方向确定 、 轿厢和 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 0 6 作者简介 沈意平 1 9 8 1 一 ， 女， 湖南湘潭人， 硕士， 讲师， 研究方向 机电系统动力学。 1 69 检测与控制 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 机械 研究 与应用 门层 门都关好才能启动运行。电梯开门过程 中电梯 必须停止运行， 电梯运行要求先加速运行， 后稳定运 行。 5 轿厢的平层停车 轿厢运行后需在平层状态才停车开门， 平层是指 电梯轿厢的底面与 门厅的“ 地平 面” 相平齐 ， 通常要 求相差不得超过 5 m m。平层停车过程要求电梯先减 速后制动 ， 这样能够保 证平层停车的准确性 ， 同时也 能带给乘客极大的舒适感。 6 安全防护措施 电梯运行要求采取多重安全防护措施 ， 包括钢丝 绳断裂、 冲顶与墩底 、 轿厢 内人员的跌落等保护 ， 还应 配有消防、 紧急求救 、 逃生等多项措施 。 7 特殊的性能指标 在现代 生活过程 中， 为 了满 足电梯乘 客的舒适 度 ， 要求电梯电机具有 良好 的加减速 曲线控制能力。 电梯还需要根据轿厢 内重量变化对平层进行控制 ， 这 需要电梯电机具有高精确度的平层控制能力。笔者 采用 日本安川公 司的 V a r i s p e e d F 7系列变频器和三 菱 F X 2 n 一 8 0 MR型 P L C开发电梯运行控制系统 ， 其硬 件系统工作原理如图 1 所示。其中， 电梯的位置信号 由旋转编码器提供 ， 电梯 的调速部分采用高性能的矢 量控制变频器 ， 利用光 电编码器测量 曳引电机的转 速 ， 构成变换矢量控制 系统 P G 。电路 的逻辑部分 由 P L C来 实现 ， P L C接受并显示来 自现场 的召唤 和 位置等信号 ， 且控制门电机实现电梯开关门动作。 图 1 系统硬件工作原理 图 根据系统硬件工作原理 ， 设计的电梯控制线路主 要包括轿内指令与厅门召唤线路 、 指层线路 、 定向平 层线路 、 启动线路 、 平层线路 、 拖动线路。这些线路之 间的关系如图 2所示 。 ● ▲ ▲ 平层感应器 I l 启动线路 I l 1 70 定向 平屡线路 { 楼层信号 位置信号 轿内 指令与 厅门召 唤线路 l I 指屡线路 图 2 电梯运行控制线路图 2 电梯控制系统软件设计 根据硬件设计要求 ， 以三菱公司生产 的 F X 2 n系 列 P L C作为 主机进 行控制 系统软件设 计 J 。该 型 P L C能够实现 自动开关 门、 自动平层 、 轿 内和门厅信 号指示 、 电梯安全运行保护等功能 。设计电梯开关门 控制 、 电梯到站指示 、 门厅召唤指示 ， 电梯启动和运行 方向选择 ， 电梯运行及速度变换等来完成电梯整个系 统的电气控制 ， 其基本结构如图 3所示 。 运行方式选择 I l 运行控制信号 l I 安全保护 信号 12 1 匝 H I 臣 L L I 瘫 图3 系统设计框图 电梯各楼层的厅外设有召唤箱， 起点和终点只需 设置一个召唤按钮 ， 中间各楼层设置两个召唤按钮 。 电梯内部安装设置楼层指令按钮的轿厢操纵盒 ， 乘客 按下的 目的楼层信号被登记 ， 门厅外乘客的召唤信号 也被登记。电梯上行时， 登记 的 目的楼层信号和上行 召唤信号逐一执行 ， 直到运行至 目的楼层信号登记最 高楼层或者下行召唤信号的最高楼层 ， 电梯下行时运 行流程相同。电梯控制系统 的流程如图 4所示。 匮堕 羞 ] 握座墼卜 _ _ 一 一 否 l l设定上行目标 定上行勇标 否 - 一 是否下 墨 焉 番 是 执行 下行程序段 图 4 电梯程序控制流程图 3 电梯控 制系统仿真 实验 组态软件广泛用于工业 自动化 系统的控制 和管 理 ， 能够实现远程监控 、 数据采集、 数据分析 、 过 程控 制。北 京 三 维 力 控 科 技 公 司推 出 的 面 向方 案 的 H MI ／ S C A D A平 台软件基 于主流的 3 2位 Wi n d o w s 平 台， 具有多样 的 I ／ O驱动接 口和 T C P ／ I P网络服务协 一 一 一 一 一 一 一 杌械研究 与应用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 检测与控制 议 ， 能够方便连接现场的运 行设备 ， 实时进行数据存 储与处理 。笔者采用这种力控监控组态软件设计 了电梯控制仿真系统 ， 包括 P L C 、 计算机和组态软件。 P L C为控制装置 ， 在组态软件的画面中生成 的虚拟 电 梯为控制对象 ， 可通过计算机屏幕观察虚拟电梯的运 行情况。P L C的输入信号可以从 P L C的开关输人输 出端输入 ， 也可在组态软件的画面中用鼠标点击按钮 输人 ， 采用 自带 R S 一 2 3 2 C和 R S 一 4 2 2转 接电路编程 电缆实现与计算机通信 。仿真实验 的系统结构如 图 5所 示 。 该电梯仿真控制对象是指在计算机上运行事先 编写好 的应用程序 ， 用软件来代替硬件工作 ， 借助于 计算机显示来观察控制 的过程及结果。以 5层 电梯 控制系统为例 ， 根 据图 4设计其仿 真程序执行 流程 图， 采用组态软件设计的控制系统模型仿真界面如图 6 所示， 其中召唤按钮用增强型开关组成。 图5 电梯控制仿真系统图 图 6 电梯控制系统仿真界面 各指示灯用红色圆形图案代表 ， 当对应指示灯的 输 出端得电， 指示灯显示 。电梯当前的楼层位置用七 段位编码器显示 ， 电梯 的上下行 的方向用上、 下箭头 形状的指示灯表示。按下轿厢内的选层按钮或轿厢 上接第 1 6 8页 [ 2] B a l d u r E l i a s s o n ．Mo d e l i n g a n d A p p l i c a t i o n s o f S il e n t D i s c h a r g e P l a s m a s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n Pla s m a S c i e n c e ， 1 9 9 1 2 3 0 9 3 2 3 ． [ 3 ] 曾文锋 ， 李树山 ， 王江安．基 于仿射变换模型的 图像配 准中的平 移 、 旋转和缩放 [ J ] ． 红外 与激光工程 ， 2 0 0 1 2 1 8 2 0 ． [ 4] 单宝 忠 ，王淑岩 ， 刘 颂豪 ， 等．Z e mi k多项式 拟合 方法及应 用 [ J ] ．光学精密工程 ， 2 0 0 2 3 3 1 8 3 2 3 ． [ 5 ] 刘志刚， 江晖， 谢志林． L A M O S T光纤单元定位参数研究[ J ] ． 外的召唤按钮后， 对应 的指示灯亮 ， 旁边 的红色圆形 图案显示。当电梯达到指定 的楼层时， 指示灯灭 ， 红 色圆形 图案消失 。通过组态仿真模拟控制系统 的测 试结果表明， 该控制方案可实现对电梯运行速度的无 级调速 ， 能够满足现代 电梯运行 的基本性能需求 ， 提 高电梯运行的可靠性和舒适性， 并且还能有效降低电 梯 的运行成本。 4 结语 基于可编程控制器和变频器相结合 的电梯控制 系统 ， 采用 P L C进行逻辑控制 ， 可方便实现现代 电梯 的基本控制功能需求。通过 P L C与变频器联合完成 电梯曳引系统的控制 ， 实现 了电梯 的无级调 速。同 时， 采用 目前较先进的旋转编码器实现 电梯位置确认 和电梯平层减速控制， 利用三菱 F X 2 n P L C特有的高 速计数功能 ， 通过 P L C与旋转编码器之间的数据通 信， 实现了电梯的高效控制。笔者采用力控组态软件 进行了电梯 控制系统仿真 实验， 结果表 明采用 P L C 与变频器联合方式能够保证电梯运行 的安全性和可 靠性 ， 节约了电能， 从而使电梯的运行成本降低。 参考文献 [ 1 ] 李朋 ，罗飞 ， 许玉格 ， 等． 电梯驱动与能 量回馈一体化控制 系统设计 [ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 1 1 ， 3 2 1 1 7 6 7 8 ． [ 2] 乔东凯 ． 可编程控制器和变频器在 电梯 控制系统 中的应用 [ J ] ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 0 7 6 1 5 l 一 1 5 2 ． [ 3] 常 国 兰．电梯 自动 控 制技 术 [ M] ．北 京 机械 工 业 出版 社 ， 2 o o 8 ． [ 4] 杨青杰 ． 三菱 F X系列 P L C应用系统设计指南 [ M] ．北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5] 陈继文 ， 范文利 ， 李 彦凤 ， 等． 基 于 P L C的电梯控 制仿真 系统研 究 [ J ] ．机械与 电子 ， 2 0 0 8 7 5 5 5 7 ． 光学技术 ， 2 0 1 0， 3 6 2 2 3 9 2 4 3 ． [ 6] X i n C h e n g ，B e n n y T h o mb e r g ， A b d u l Wa h e e d Ma l i k ，e t a 1 ．H a r d ． ware Ce n t fi c Ma c h i n e Vi s i o n f o r Hi g h P r e c i s i o n Ce n t e r o f Gr a v i t y C a l c u l a t i o n[ J ] ． Wo rl d A c a d e m y o f S c i e n c e ， E n g i n e e r a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 6 4 5 7 3 - 5 7 4 ． [ 7] F e m6 n d e z S o t o A，L a n z e t t a K M， C h e n H W，L e v i n e B， Ya h a t a N ．E r r o r An aly s i s of t h e P h o t o me t ri c R e d s h i fi T e c h n i q u e[ J ] ． M o n t h l y N o t i c e s o f t h e R o y al A s t r o n o mic al S o c i e t y ， 2 0 0 2 4 8 8 9 8 9 4 1 71