基于西门子PLC控制系统的电梯运行设备研究.pdf

l 匐 化 基于西门子P L C 控制系统的电梯运行设备研究 Bas ed on Si em ens PLC cont r ol s ys t em of el e va t or equ i pm ent r es ear ch 宋阳 SONG 、 ， a n a 德州职业技术学院，德州 2 5 3 0 3 4 摘要 本文介绍了电梯P L C 控制系统的设计过程，分析了电梯系统的组成以及电梯工作过程中的各 种状态，提出了电梯运行过程中的控制要求 ， 研究了可编程序控制器的组成，设计了电梯的 电气控制系统并进行了P ／ C 的程序设计。从而为电梯以及其他电控设备的控制系统优化提供 了研究方法。 关键词 电梯； P L C ；控制系统；程序设计 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码 B 文童编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 6 下 一0 1 2 7 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 6 下 ． 4 0 0 引言 随着城市建设 的不断发展 ，出现 了越来越多 的高层建筑 ，所以作为运载工具的 电梯就得到了 广泛 的应用。为满足 和提高人们 的生活质量 ，电 梯 的智能化、 自动化技术迅速 发展。特别是随着 计算机 网络技术、微 电子和 电力 电子技术的飞速 发展 ，现代 电梯的技术含量 日益提高。在改善电 梯性能 的同时，对 电梯 的设计 、管理 和维护 人员 提 出了更高的要求。 1 设计分析 要设计一个 P L C系统 ，第一步 的工作是控制 方案的确定 ，接下来是对 P L C进行选型设计。其 选型 的主要依据是 工艺流程 的特点和应 用要求。 详细研究工艺过程 的特点和控制要求对 于工程设 计的选型和估算是很必要的 ，最 后选 出高性价 比 的 P L C并进行控制系统的设计。 1 ． 1总体方案的确定 目前，我们选择控制 电梯运动的设备 已经从 传统 的继 电器一 接触 器转 变 成可编 程 序控 制器 P L C 。 可编程序控制器在 电梯的控制领域也具有重 要的地位 ，把可编程序控制器用于 电梯运动的核 心部分是很合理的选择 ，而且可编程序控制器现 在在市场上也是一种成熟的产品。 1 ．2 电梯各状态的分析 1 初始状态 设想开始时待命的电梯处于第一层 ，初始化 各层的显示器，电梯的起初状态是 1 各楼层的呼叫灯都处于不亮的状态。 2 各楼层的显示器不管是 内部的还是外部的 数字都是 “ l ” ，表明电梯处在第一层。 3 所有楼层电梯的门都是关闭的。 2 运行过程 假如第五层需用 电梯 ，电梯通过上行或者下 行运行至第五层。电梯移动改变各楼层的显示 ， 同 时，各层指示灯的亮灭也会发生改变 ，而且运行 中直到第五层之前 电梯门始终都保持关闭状态。 3 运行后状态 电梯运行到 目标楼层后会恢复待命状态，等 待接收新的命令。电梯运行至 目标楼层后会 自动 开 门，打开一段时间后门会 自动关闭 ， 在这个过程 中 ， 手动开 门或关门也是可以的。 电梯所在位置可以通过各楼层的显示值来显 示 ，但指示上行与下行的指示灯都不亮。 1 ． 3 工作 中的控制要求 现实 中，电梯需要给很 多乘客提供服务 ，而 每位乘客的目的地很可能又是不同的 ， 同时 ，呼叫 电梯的时间不等。因此 ， 编程前研究电梯在工作 中 的各种状况是非常有必要的。 1 ． 3 ． 1电梯的上行过程 假如在上行过程 中，电梯接到 了某楼层的呼 叫命令，存在着两种情况 1 呼叫层位于电梯 当前层和 目标层之间，那 么 电梯应首先向上行至该呼叫层，然后再完成其 他呼叫命令，完成的顺序是由近至远。 收稿日期2 0 1 2 - 0 4 - 0 9 作者简介宋阳 1 9 8 4 一，女，助教，本科，研究方向为电气技术。 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 - 6 下 [ 1 2 7 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 訇 化 2 呼叫层在 电梯 当前层 的下面 ，电梯应该首 先完成前一指令 ，一直到 电梯恢复待命状态才会 响应该指令。 1 ． 3 ． 2电梯的下行过程 电梯在下行过程中同样包含着两种情况 1 呼叫层位于 电梯 目标层和 当前层之 间，那 么 电梯应首先 向下行至该呼叫层，然后再 完成其 他指令 ，执行的顺序同样为由近及远。 2 呼叫层在 电梯 当前运行层 的上面，电梯应 该首 先完成前一指令 ，一直到 电梯恢复待命状态 才 会 响应该 指令 。 2 可编程序控制器设计 2 ． 1可编程序控制器的基本结构 可编程 序控 制器 简称 为 P L C P r o g r a mma b l e L o g i c C o n t r o l l e r 主要由 C P U模块 、输入模块、输 出模块和编程器组成。如图 1所示。 按 钮 选择 开关 限位 开关 接触器 电磁阀 指示灯 电源 图1 可编程序控制器结构 1 C P U模块 C P U模块主要包括微机处理器 C P U 和存储 器 ，也可 叫作 中央处理单元或控制器。工作方式 是扫描，一次扫描过程就要完成输入处理 、程序 执行和输出处理三项工作。 2 I ／ 0模 块 通过 I ／ 0模块可以使外部现场和 C P U模块产 生联 系。输入信号被输入模块接收和采集。输入 信号分为两类 一种是各种开关的闭合断开信号 ； 另一种是各变送器发出的连续变化的模拟信号。 3 编程器 编程 器既可以进行程序的输入和编辑，也能 够在 可编程序控制器运行过程 中对梯形 图中各种 编程元件的工作状态进行监视 。 2 ． 2 开关量I ／ O模块 该模块的输入输 出信号 只有两种状态，一是 接通 ，另外就 是断开 。直流和交流的电压 等级 不 同 ，直流 电 5 V，1 2 V，交 流 电 1 I O V，2 2 0 V。不 【 1 2 8 1 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 - 6 下 过 电压可以有很宽的适用范围。 2 ． 3 输入模块 由于输入 点抖动或外部干扰脉冲常常会引起 输 入信号产生错误 ，为了防止错误 的出现 ，在电 路 中需要设有 R C滤波电路。信号上升沿滤波电路 延 迟时间的典型值为 l O 2 0 ms ，信号下 降沿时为 2 0 5 0 ms ，电流值约为 1 0 mA。某些可编程序控制 器还能够作为 2 4 V的电源，为接近开关 、光电开 关之类的传感器提供电压。 图2输 入 电 路 如图 2所示 ，当接通 外接触点时 ，使得光电 耦合器中的发光二极管发光 ，同时导通光敏三极 管，那么内部电路将信号传送给 C P U模块。 如图 3所示是交流输入 电路。显示用的两个 发光二极管和光 电耦合器中的两个发光二极管都 是反并联 的，这样外部的交流输入 电压就可 以被 这个电路接收了。 l ． I 内 部 [ ] F 、 ] 电 路 ≥ _ ． 1 I l COM 图3 交流输入 电路 2 ．4 输出模块 大功率 晶体管和磁效应管 驱动 直流负载 、 双向可控硅 驱动内交流负载以及小型继电器构 成 了输 出模块的功率放大元件 ，其 中交流负载或 直流 负载可 以被小型继电器驱动。外部现场提供 负载电源，输出的电流典型值为 0 ． 5 2 A。 输 出电流的额定值 只能驱动 1 0 0 V A ／ 2 2 V的电 感性 负载和 l O O W 的白炽灯 ，其值 与负载 的性质 有关 ，同时还与温度有关，额定 负载 电流随温度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 似 的升高而减小。 3 电梯硬件及软件系统设计 3 ． 1 电气控制系统的设计 输 出 P L C西门子S 7 ． 2 0 0 输入 l 、曳 引 电机 ；2 、上下 行接 触器 ；3、快 慢 接触器 ；4、位置 指 示 ；5 、门锁 。6 、轿 内指令 ；7 、厅外指令 ；8 、门区感 应，9 、手 动开关门 {l O 、楼层感应 图4 控制系统框图 如 图 4所示为 电梯的电气控制 系统框图 ，其 中输入部分为 6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，输 出部分为 1 ，2 ， 3 ，4 ，5 。其 中，部分设定的控制任务由 P L C系统 完成 ，其规模主要由控制系统需求输入 ，输 出点 的个数和控制过程的难易来决定。 1 估算 I ／ O点 首 先计 算 系统 输入 点 的个数 如 图 4所示 ， 其中 6需要 4个点 ，7需要 6个点 ，8和 9都需要 1个点 ，1 0需要 4个点。一 共需要 1 6个输入 点。 对于输出点，框图中 2和 3都需要 2个点； 4需要 4个 点； 5 需 要 1个点 ；共计 9个输 出点。因 此， 系统 的 I ／ O点 数为 1 6 ／ 9 。 2 选择 C P U 根 据 估 算 的 I ／ O点 数 ，选择 可 编 程 控 制 器 S 7 2 o o的 C P U 2 2 6 。 因为 其输 入 ，输 出点 数 为 2 4 ／ 1 6 ，能够满足系统的要求。 3 ． 2 电梯P L C控制系统的设计 3 ． 2 ． 1状态指示设计 以二层为例，当电梯运行至二层有指令发 出 时 ．指示位置和指令 L D t w o s e l e t 二层内选掸 S t w o s e l e t q ，1 二层内选择指示 L D t w o u p 二 层上 呼 S t w o u p q ，1 二 层上 呼指 示 L J t w o d o w n 二 层下 呼 S t wo d o wn q ，1 二 层下 呼指 示 L D t w o s e a t 二 层位 置 t wo e e a t q 二层位置指示 3 ． 2 ． 2启动程序设计 假如电梯在三层下行。当一或二层对 电梯发 出指令时，将三层下行位置 1 ，同时无上行 ，驱动 电梯下行。程序说明如下 L D o n e s e l e t q 一层内选择 0 t w me l e t q 或二层内选择 Oo n e u p q 或一 层上 呼 0 t wo d o w n q 或二层下呼 O t W o u p _q 或二 层上 呼 A I e s e a t q 在三 层位 置时 S V0 ． 1 ． 1 置三层下行位 ，电梯下行 L DV 0 ．0 有四层下行位 O V0 ． 1 或有三层下行位 OV 0 ．2 或有二层下行位 A N u p 同时无上 行 d o w n 电梯下行 3 _ 2 _ 3运行中程序设计 假如电梯在二层上行。程序说明如表 1 所示。 表1 程序说明表 电梯 在二层时上升情况 L D f o u r c e l e t q 四层选择 O t h r e e c e l e t q 或三层选择 O f o u r d o w n q 或四层下呼 0 t h r e e d o u wn q 或三层下呼 O t h r e e u p q 或三层上呼 A t wo s e a t q 在二层位置时 S V 0 ．4，1 置二层上行位 电梯上行 L D V0 -3 有一层上行位 O V0 -4 或有两层上行位 o VO ．5 或有三层上行位 A N d o wn 同时 电梯无下行 u p 电梯上行 3 ． 2 ． 4到达时程序设计 电梯 到达某层 后将 已完成 的指令信号 复位。 以电梯到达三层为例 。程序说明如表 2所示。 4 结论 通过 P L C控 制电梯 ，实现 电梯的运行速 度 ， 反映时间和停层的准确度达到一定 的标准，而对 电梯的速度、运 行状 态、安全、可靠、消防等进 行合理 的设计。综合考虑电梯 P L C控制 系统，能 够达到 “ 稳、准 、快”的要求 ，这就要求我们的设 【 下转第1 4 6 页】 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 -6 下 [ 1 2 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 弧插补原理计算下个插补点的过程，也就是根据 步骤求 出 x轴和 z轴方 向进给增量值 的过程 ；计 算增量值的过程首先需要考虑的就是进给的方向， 即先进行方向判断 ，进给方向采用单独的变量来表 示。每次计算新加工点坐标 后都 需要进行终 点判 断 ，如果到达终点则停止，反之则重复步骤继续进 行插补计算。插补运算线程与位置控制线程之间同 样采用消息队列进行数据传输 ，数据结构如下 s t r u c t POS CTRL BUF { i n t fi l e N u m； ／ ／ 程序号 u n s i g n e d i n t l i n e ； ／ ／ 行号 u n s i g n e d i n t N； ／ ／ N 值 l o n g l o n g d x ； ／ ／ X轴增量值 l o n g l o n g d z ； ／ ／ Z轴增量值 i n t x e ； ／ ／ X 的终 点坐标 i n t z e ； ／ ／ Z的终点 坐标 i n t r ； ／ ／ 圆弧 半径 i n t x 0 ； ／ ／ 圆弧 圆心 X 坐标 i n t z 0 ； ／ ／ 圆弧 圆心 Z坐 标 u n s i g n e d c h a r i n t e r E n d ； ／ ／ 插补结束标志 u n s i g n e d c h a r i n t e r F l a g ； ／ ／ 插补 标 志 ； 位置控制线程与插补输出线程负责将各轴插补 过程 中对上次的余量与本次的增量进行判断处理 ， 以使各轴都每一步长都输出合适脉冲或不输出，确 保两轴联动 的轨迹与实际轨迹相比在允许的误差范 围内。位置控制线程通过发送消息队列方式发送数 据到插补输出线程 ，插补输出线程则根据接收的数 据 ，进行判断处理后写入硬件设备，用于驱动和控 制运动元件。相 比于插补预处理和插补运算线程 ， 位置控制线程与插补输 出更注重实时性和准确性 ， 是最终的软件输出部分 ，代码比较精简。 4 结束语 本文是基于扩展 D DA算法进行的圆弧插补程 序设计 ，设 计过程中充分考 虑到数控 系统对实时 性高 的特 点，采用 了多线程 处理方式，可有效 的 解 决插补 周期 问题 ，提高进给速度。但 圆弧插补 算法 的程序 只能是应用程序的一部分，具体 的编 写 内容要受到硬件平 台和所选 用的实时操作 系统 限 ，但插补算法的原理 是相通的，熟悉一种平 台 程序编写后可方便的修改到另一种平 台或 系统下 运行。扩展 DDA算法的圆弧插补在程序实现上很 简单 ，但要实际应用还需要很多的工作要做 ，数 控 系统 的程序是一个综合的 内容 ，不仅涉及到译 码 、插补运算还要有刀补处理、间隙补偿等到 内 容 ，本文仅仅是针对扩展 D DA算法的圆弧插补的 算法给出简单的程序实现。 参考文献 [ 1 ]李恩林． 插补原理 【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 4 ． [ 2 】李赫林 ， 方 健． 机床数 控技术【 M】 ． 北京 机械 工业 出版 社， 2 0 0 1 ． 【 3 】颜雁 鹰． 时 间分割法插补运算【 J J _ 应用科学， 2 0 0 8 ， 5 5 5 6 ． 【 4 】孙程建． 基于L i n u x 的嵌入式数控 系统底层软件设计 [ D】 ． 武汉科技大学． [ 5 】朱达宇． 基于R T L i n u x 的全软件数控系统设计与开发【 D】 ． 四 川 大 学 ． 如‘ 翕‘ 岛● 岛‘ 蠡} 翕‘ 岛● 岛‘ - 岛‘ 戋‘ 靠‘ 岛‘ 是‘ 岛‘ 岛‘ {霸‘ 岛‘ ．． ． 岛‘ {翕‘ 岛‘ j出‘ 霸‘ 【 上接 第1 2 9 页】 表2 程序说明表 电梯到达三层 L D t h r e e s e a t q 电梯到达 三层 R t h r e e s e l e t q ． 1 复位三 层内选择 R V0 ．0 ． 1 复位四层下行 R VO _3 ． 1 复位一层上行 R VO _4 ． 1 复位二层上行 L D t h r e e s e a t q 电梯到达三层 AN d o wn 同时无下 行 R t h r e e u p q ． 1 复位三 层上行 L D t h r e e s e a t q 电梯到达三层 AN u p 同时无上行 R t h r e e d o u wn q ． 1 复位三层下方 [ 1 4 6 1 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 6 下 计必须严密 、可靠。 参考文献 [ 1 】李秧耕， 何乔治 ， 何峰峰 ． 电梯基本原理及安 装维修全 书 [ M】 ． 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】张百令 ， 袁克文 ． 电梯安装维修 工[ M] ． 中国劳动社会保 障出版社， 2 0 0 2 ． 【 3 】顾战松 ， 陈铁年 ． 可编 程控制器原理 与应用【 M】 ． 国防工 业出版社， 1 9 9 6 ． 【 4 ]廖常初． 可编程序控制器应用技术【 M】 ． 重庆大学出版 社， 2 0 0 5 ． 【 5 】陈远 龄 ． 机 床 与 电气 自动控 制 【 M】 ． 重庆 大 学 出版社 ， 2 0 06 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m