基于PLC的群控电梯仿真系统设计.pdf

自动化 基 于 P L C的群控 电梯 仿 真 系统 设计 吴 丽 黄 河水 利 职 业技 术 学 院 ， 河南 开 封4 7 5 0 0 3 以及现场总线控制技术 ，既能用于单部电梯的控制 ．也能应用于多部 电梯的群控管理 ，使得系统具有较 系统解决了单梯运行的种种弊端与不足 ，并增加了数字量控制功能。通过试验测试 ，该 系统完 全能够 满 关键词群控 电梯 ；P L C；N N网络 ；控制程序； 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 仿 真教学 文章编号1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 0 9 0 0 2 4 0 4 1引 言 随 着 城 市 建 设 的 不 断 发 展 ，高 层 建 筑 的 不 断 增 多 ，对 楼 宇智能化程度要求越来越高 。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。为 了提高 电梯 的稳 定性和运行效率 、降低乘客 的心理性 等待时 间， 需要用电梯群控系统来对其进行合理的调度和管理。 P L C作 为一种_ I 业控 制微 型计 算机 ，以其 可靠 性高 、 编程方便 、抗 干扰能力强 、程序设计方便灵 活和使用方便 等 优 点 ，所 以被 广 泛 应 用 于 对 电梯 的现 场 控 制 。在 电梯 控 制过程 中，各种逻辑开关控制与 P L C很好的结合 ，高效地 实现了对 电梯的控制。 为了使学生能够在学校 真正学会 电梯 的 P L C控制 ，同 时 叉克 服 学 校 由于 经 费 问 题 导 致 教 学 设 备 有 限 的不 足 ，需 要设计电梯 P L C控制 的仿真教学设备 ，以满足电梯教学 的 需 要 。 2系统综述 2 ． 1系统 组成 整个系统由主机监控 系统 、轿 箱控制单元 、内呼显示 控制器 、外 呼显示控制器 、楼 层显示器 、变频器等 组成 。 各轿厢控制单 元之 间通过 N N网络通 讯 ，可简化电梯的安 装 ，提高系统的稳定性 ，缩短故障排查时问。 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 二 是 控 制 方式 用 可 编 程控 制 器 P L C 取代微机实现信号集选控 制 [ I- 2 。本设计选用可编 程 控制 器作 为控 制单元 ，采用分 布控制技术实现电梯群控 系统 设 计 ．系统 组 成 如 图 1所 示 。 曳引 电机 曳引轮 曳引 电机 曳引轮 曳 引电机 曳引轮 图 1 系统 配 置 2 ． 2控制 原则 本系统 按乘客平均候梯时间最短和运行 优先为 目标进 行设计 ，根据每部电梯的运行方向 ，轿箱所在楼层 ，轿箱 与呼叫楼层的距 离等情况 ，实时进行动态调配 。让系统具 有最快 响应 时间 ，从 而充分发挥电梯的运输能力 ，大大提 高电梯 的运行效率。控制原 则如下 。 1 距离原则 并联 中的 3台自由梯于不 同楼 层在接受到同一方向的 外 呼后 ，由 3台梯 中距离该外呼楼层最 近的电梯去响应这 一 外 呼 。 2 自动返基站原则 当 3部电梯在不同楼层成为 自由梯后 ，在经过 由参数 河南省 自然科学基金项 目 编号 2 0 0 8 B 5 1 0 0 1 5 收 稿 日 期 。 。 一 。 。 一 [ I 【 二 ] 工 业 自 设定 的时 间后 ， 自动返 回到所规定 的基站待梯 。 3顺 向原 则 两部 电梯在不 同方 向运行 时 ．当其 中间楼 层 两部 电 梯 至 该 层 距 离 相 当 时 有 一 个 外 呼 ，则 由与 该 外 呼 方 向 相 同 的 电梯 去 响 应 该 电 梯 】 。 3控 制装置 3 ． 1 硬 件 组成 3 ． 1 ． 1曳 引机 曳 引 机 是 电 梯 的 动 力 装 置 ， 由 以 下 部 分 组 成 0 ． 1 8 k W／ 3 8 0 V 鼠 笼 式 三 相 感 应 电 动 机 ， 采 用 变 频 变 压 V V V F 驱动方式 ，电梯起动时 ，变频器使 定子电流频 率 从极 低频率 开始 。按控 制要求 上升 到额定 频率 ，减速 时 ， 使转速从 额定频率 开始平 滑地下 降到零 ，实现 电梯 平层 ， 保证 了电梯运行平稳 。模拟真 实电梯 良好 的舒适感 ；电磁 抱 闸 曳引 轮 ；旋 转 编 码 器 。 3 ． 1 ． 2轿 厢 、对 重 和厅 门 轿厢通过 曳引钢丝绳与对 重悬挂连接 ，轿门上装有 连 锁开关 ．当轿 门关 闭后电梯才能运 行 ，关 门过 程中碰到 障 碍物时 ．安全触板使轿 门马 上开启 。轿厢横 梁上有检 修禁 行开关 、门速开关 、轿厢安 全钳等检测元件 。每层有 一个 厅 门 ．当轿厢平层到该层时 ，与轿 门同时开闭 。 3 ． 1 _ 3显 示 控 制 器 1 内呼显示控制器 内呼显示控制 器设 在框架正 面左侧 ，包 括 七段数码 显示轿厢 所在楼层 的数 字显层 器1 ～ 5层 选层按 钮 ；开关 门按 钮 ；电梯运行方 向指 示灯 ；梯 门司机／ 自动控 制 的选 择 开关 。 2 外呼显示控制器 外呼显示控 制器每层一个 ，安装在厅 门的右侧 ，由上 呼梯 和 下 呼 梯 按 钮 、 内嵌 指 示 灯 和 首 层 电 源 锁 组 成 。 3 楼层显示器 楼层显示 器每 层一 个 ，用来 显示轿厢 当前 所在楼层及 运行 方向 ．由七段数码显示器 、上行和 下行 方向指示器 组 成 。数码 显示驱 动部 分 由 8 3十进制 编码 器和 B C D显示 译 码 器 和 显 示 器 组 成 ．对 外 由 5个 控 制 端 ，分 别 控 制 l 一 5 层 的显 示 。 3 ． 1 ． 4电磁 开 关 1 减 速 感 应 器 减 速 感 应 器 采 用 S X G一 1型 永 磁 感 应器 ，有 常 闭 和 常开触点各一个 ．当隔磁板插 入感应器 时 ，触点动作 。每 部 梯 装 1 1个 永 磁 感 应 器 ， 其 中 1 ～ 5层 的 减 速 感 应 器 用 常 开触点 。上下 极限减速感应器 、上 下极 限限位感应器 、上 下强迫减速感应器用常闭触点。 2平 层 开 关 平层 开关采用 K C B 一 1型双稳 态磁 保开 关 ，使用 常开 触 点 。 在 1 5层 分 别 安 装 了一 对 平 层 磁 圈 。 当 轿 厢 上 行 时 ．遇到 N极磁 圈时 ，触点 闭合 ，并实现平层 。平层 结束 遇 到 S极磁 圈时 ，触点再 次断开 。当轿厢下行 时 ，遇 到 S 极磁 圈时 ，触 点闭合 ，并实现平层 。平层 结束 遇到 N极磁 圈时 ，触 点 再 次 断 开 。 3 ． 2控 制装 置 3 - 2 ． 1可编 程 控 制 器 P L C采用 三菱 F X 2 N 一 6 4 M R继 电器输 出型 。其 输入端 主要 接收来 自电梯 的开关信 号 、旋转编码 器的脉冲信号 和 手动 控制信号 ；输 出端 主要用 来控制变频 器 、接触器 、信 号 灯 、显 示 器 等 设 备 。通 过 执 行 内部 的程 序 可 实 现 对 电梯 的控 制 。 3 ． 2 ． 2变频 器 采用三菱 F R E 5 4 0型变频器 。变频器是曳引电机的驱 动器 ．其运行特性是衡量 电梯性能 的一个 重要指标 。设定 电 梯 的 运 行 曲 线 为 梯 形 曲 线 电 梯 启 动 时 ，变 频 器 先 从 0 H z 停机 开 始以较慢 的速 度线性变化 到 3 0 H z 最高速 度 ，然后匀速 运行 ，当遇到 呼叫层 的减速感 应器 时 ，变 频器 开始从 3 0 H z以较快 的速 度线性变化 到 l O H z 低速 ， 当平 层时 ．变频 器开 始从 l O H z线性 下降 到 O H z ，实 现平 层动作 。 变频 器的参数设定 为上下 限频率 5 0 ～ 0 H z ；基波频率 5 0 H z ；高速速 度设 定 3 0 Hz ；低速速度设 定 1 0 Hz ；加速 时 间 2 ． 5 s ；减速 时 间 1 ． 8 s ；电子过 流保 护 1 ． 3 6 A；基波 频率 电压 2 o 0 V电机容量 0 - 2 k W。 3 ． 2 ． 3门机控制 轿 厢 开 关 门 动 作 分 别 由 P L C 的 Y3 6和 Y3 7控 制 并 互 锁 ．在 门机控制回路 中串有 一滑 动变阻器 ，通 过改 变圆路 中电阻的大小改变加在 门机 两端 的电压 ，从 而实现调节 电 梯 开 关 门速 度 的 目的 。 开关 门继 电器按互锁 电路设 计 。开 门时电机 以恒定速 度运行 ，关门时电机先 以较快速 度运转 ，当轿 厢门碰到门 速开关时 ，电机立 即转为慢速运行 ，直至门关到位。 3 ． 2 ． 4安 全 保 护 装 置 电梯 的安全保护装置有 三大类 主电保护装置 、电锁 保护装置 和门锁保护装置 。 主电保护 装置属于最高级别 的安全保护装 置 ，一旦保 护起 作用 ．所在梯的主 电接触 器不能吸合 ，控 制电源和 电 梯 电源都 会被切断 ，主要包括 基站 电源锁及 电梯上下极 限限位永磁感应器等终端保护装置。 电锁保护装 置的安 全级别仅低 于主电保护 ，在硬件电 路 和程序中设置 了双重保护来 保证电梯在 故障排除之前不 能运行 ．主要 包括 急停按钮 、松绳和断绳 保护 、检修禁 行保护 、曳引机过载保护等 。 门锁 保护装置一旦起作用 ，电梯将不能运行 ，只有故 障 排 除后 电梯 才 可 继 续 运 行 。这 类 保 护 一 般 发 生 在 平 层 位 置 ．主要包括 门锁保护 、上下限位保护 、超载保护等 ] 。 4程 序设 计 电梯群 控 系统各 梯 的控制 程序在 G X D e v e l o p e r V e t - 自动 化 s i o n 7 ． 0环 境 下 编 写 ，采 用 模 块 化 结 构 ，将 各 功 能 模 块 分 别设计成一个 独立 的子程序 。便于共享 、调试 和阅读 。系 统设计了开关量控制和数字量控制两种控制模式 ．通过转 换 开关进行两种模式 的转 换。 当选择 开关量控制 模式时 ， 由井道 内开关提供指令 ，同时数字量信号被封锁。 当选择 数 字量控制模式时 ．用 P L C的高速 ／J u ／ 减计数器对旋转 编 码器计数 ，先确定每个位置对应的计数值 ，当电梯运行时 与这些数字量 比对 ，决定是 否减速 、平层及楼层显示 i 4 ] 。 4 ． 1网络初 始化程 序设计 群梯控制 系统采用 N N网络 ，包含 1 个 主站 和 2个从 站 ，其中 l 电梯 的 P L C当作主站 ．2 电梯 的 P L C当作 1 号从站 ，3 电梯的 P L C当作 2号从站 。 考虑 3部 电梯组成群控系统时 ，互相之间需要有大量 的数据交换 ．因此 在 N N网络参 数选择上将动 态刷 新模 式 选择 为模式 2 。按照 N N网络 的参数设 置格式 。分 别设计 l 一 3 电梯的网络初始化子程序。 4 ． 2功能 子程序 设计 功能子程序涉及 的内容较多 ，主要有 上 电复位子程 序；参数初始化子程序 ；用户输入登记子程序 ；系统状态 确定子程序 ；开门子程序；关门子程序 ；层呼按钮检测子 程序 ；程序标志清 除子 程序 ；电梯空 闲状态处理 子程序 ； 确 定 电梯 上 行 最 近 目标 子 程 序 确 定 电 梯 下 行 最 近 目标 子 程序 ；清除轿厢按钮状 态子程序 ；梯 门司机控制 子程序 ； 检修子程序；数字量控制方式下的 自学 习子程序 ；响应来 自他梯的清除标记 子程序 ；轿厢 与楼层距 离计算子程 序 ； 电梯空闲状态复位子程序 。 4 ． 3 主 程序 的设计 控制系统进行下列运作 根据轿厢所处位置及乘员所 处层数 ，判定轿厢运行方 向，保证轿厢平层 时减 速。将轿 厢 停在选定 的楼层 上 ；同时 ，根据楼 层 的呼叫 ．顺路 停 车 ，自动开关门。另外在轿厢 内外 均要有信 号灯 显示 电梯 运行方向及楼层数。 设计主程序时 ．主要考虑 系统 上电初 始状态 、信 号刷 新 、过期标志清除 、调用子程序的条件 、子程序 的调用顺 序及简单功能控制等 ．按模块设计包括 以下几个环节 系 统 上电初始化程序 联网标志刷新程序 ；开 门子程序 的调 用 ；关 门子程序的调用 ；数字方式控制程序 ；空闲状态处 理及标志清除子程序调用 ；轿厢按钮状态清除子程序调用。 5网络设计 5 ． 1网络协 议 目前 P L C网络采用分级分 布式 复合结构时 ．一般分为 三级 层 管理层 以太网 、控制层 开放式 ，标 准的 现场总线 、现 场层 部件层 也就是指装 置层和传感 器 层 。 N N网络在设计时采用 了三级 总线型结构的中间一级 ． 即控制层 。最低一层为远程 I ／ 0链路 ，负责与现场设备通 信 ，收集现场数据 ，驱动执行器 ，在远程 I ／ O链路中配置 周期 I ／ O通信 机制。N N网络的 M A C 介质访 问控制 协 议采用令牌总线协议 。 5 ． 2网络配置 用 F X 2 N - 4 8 5 一 B D所 组成的 N N 网络 系统 配置如 图 2 所示 ，总站点数最 多为 8个 1个主站 和 7个从站 ，采用 半双工通讯 ．波特率 为 3 8 4 0 0 b i ffs 。 由图 2可 以看到 。除了两个端站要接终端 电阻外 ．系 统内各站点的连接 方式 完全一致 。因此每个站点均 可设 置 为主站 ，相应地其他站点则必须设 置为从站 ，即系统内只 能有 一个 主站 单 主 站 。 N N网络采用共享软元件 的方 式实现数据通信 ，每个 站点均指定 有一些特定 软元件 M、D等来放置本站的 状态 、设置本站的网络特性 ，或给其他站点提供需要的数 据 ，这些软元件的类型及序号是完全 固定 的。且对其他站 点透明 【 。 5 ． 3 N N网络设 置 当程序运行或 P L C电源接通时 ，针 对 N N网络的每项 设 置就 会 自动 变 为有 效 。 1 设 置 站 号 对数据寄存器 D 8 1 7 6写入一个 O ～ 7之间的数字 ，可以 设 置该 站的站号。其中数字 0专用 于主站 ；1 ～ 7分别用于 各从站站号 的设 置。本系统将 1 梯设为主站 ，2 梯设为 l 从站 ，3 梯设为 2 从站 。 图 2 网 络 系统 配 置 工 业 自 2 设置从站 的总数 对 数 据 寄存 器 D8 1 7 7写 入 一 个 1 ～ 7之 间 的数 字 ．可 以 设 置从站 的总数 。本 系统设 为数字 2 。 3 设置刷新范 围 对数据 寄存 器 D 8 1 7 8写入一个 0 ～ 2之 间的数 字 ．可以 设置刷新 范围。所指定 的刷新元 件对 N N网络 内所有 站透 明。本 系统采用 了刷新模式 2 。 4设 置 重 复 次 数 对数 据寄存 器 D 8 1 7 8写入一 个 0 一 l O之 间的数 字 ，可 以设置重复次数 。本系统设置为 2 。 5 设置通信超时时间 通信超时 时间是主站与从站 之间的通信 暂停时间 。对 数据寄存器 D 8 1 7 9写入一个 5 N 2 5 5之间的数字 ，可 以设置 通信 超 时时 间 。本 系统 将 D 8 1 7 9设 为 5 ，即 超时 时 间 为 5 0 ms 。 6实验测试 6 ． 1单梯 方式 测试 复 位 状 态 测 试 开 通 电 源 ，轿 厢 能 自动 回 到 l层 ，让 电梯 空 闲 3 s以后 ，3 梯能 自动 回到 3层 ，其 它梯 保持 1 层 。 呼梯 信号响应测试 对 于外呼信 号 ，能顺 向截停 ，反 向保持 ，响应完顺 向最远 信号后 ，再 响应反 向呼梯 信号 ， 被响应的呼梯信号 能 自动清除 对 于轿 内的按钮信 号 ，与 外呼梯信 号类 似 ，只是在顶楼和底楼 时信号全部清除 。 轿 厢开关门动作测试 在 自动方式 下 ，轿厢平层 后可 实现 自动 开门 、5 s 后 自动关 门。关 门过 程 中轿 门触板 受 阻，会 自动开门 ，5 s 后 自动关门。在司机方式下 ，可实现 手动关 门、开 门。 安全保护 测试 在开 门状 态下压轿底 。过载开关 动作 并发 出报 警声响 ，同时关 门动作 受阻 ；在 轿门关闭未 到位 时，电梯 不响应运行命令 ；按动 手动运行按 钮 ，电梯 到达 顶部 和底部时 ，能 自动停车 。 数字量控 制模 式测试 通过 自学 习，能够实现开关量 控制时的所有功能 。 6 ． 2群控 方式 测 试 轿内按钮信号测试 可实现单 梯运行时的所有功能_ 8 ] 。 外呼梯 信号测 试 待梯 时 1 、2 梯停 在 l 层 ，3 梯 停在 3层 。按下任 一梯 的 l ～ 5层 的外 呼上下按 钮 ，则各呼 梯 按 钮 指 示 灯 亮 ，同 时 l 或 3 梯 自动 开 门 ，5 s后 自动 关 门，1 层或 3层上呼指示灯熄 灭 ，上行 指示灯显示 ，1 样或 3 梯 向上 运 行 。 1 梯接近 2层时减速直至平层 ，停止运行 ，同时楼层 显 示“ 2 ” ， 电 梯 自动 开 门 ，5 s后 自动 关 门 ，2层 上 呼 梯 指 示 灯熄 灭 。 1 梯 继 续 上 行 ，当 接 近 4层 时 减 速 至 平 层 ，停 止运行 ．同时楼层指示变 为 ⋯ 4’ ，电梯 自动开 门，5 s 后 自 动关 门，4层下 呼梯 指示灯熄 灭 ，l 梯 上行 指示灯 熄灭 ， 1 梯停在 4层。 3 梯 则 上 行 接 近 4层 减 速 至 平 层 ，停 止 运 行 ．同 时楼 层 显 示⋯ 4’ ，电 梯 自动 开 门 ，5 s后 自动 关 门 ，4层 上 呼梯 指 示 灯 熄 灭 。 电梯 继 续 上 行 ， 当接 近 5层 时 减 速 至 平 层 ， 停 止运行 ，电梯 自动开 门 ，5 s 后 自动关 门 ，5层下呼梯指 示灯熄灭 ，电梯上行指示灯熄灭 ，3 梯停在 5层 。 梯 在 1 撑梯 升 至 4层 时 。开 始 向 上 运 行 ， 当 接 近 2 层 时 减 速 至 平 层 ， 停 止 运 行 ，同 时 2层 下 行 指 示 灯 熄 灭 ， 楼 层 显 示 为 “ 2 ” ， 电梯 上 行 指 示 灯 熄 灭 ，停 在 2层 。 3分钟后 l 、2 梯 自动运行 至 1 层 。3 梯 自动运行 至 3层 。 7结语 本文所研 究的电梯群控 系统 ，紧跟 电梯技 术的发展方 向。是使用 网络技术 、计算 机技术 、 自动化技术 、P L C应 用技术 以及现场 总线控制技术控制 多部电梯一次尝 试。该 控制 系统解决 了单 梯运行的种种弊端 与不足 ，并增 加了数 字量控制与系统监控功能。 由于采用 了基于 P L C的 N N网 络结构 ，使得 系统 具有 较强 的应用灵 活性 ，既能 应用于多 部电梯 的群控 管理 ．也能用于单部 电梯的控制 。通 过试验 测试 ．该系统完全能够满足教学实训电梯的要求 。 该系统所 采取 的设计 方案在 实验 电梯上得 到 了验 证 ， 并证明是可行 的，能否 在商业电梯 中应用 ，还有待进一 步 研究 ，但作为教学用 电梯群 控系统 。还 是有一定 的领先优 势 。 参考文献 [ 1 ]李秋 明 ，顾德英 ，汪晋 宽．基于工业 三层 网络的 电梯群控 系 统 [ J ]．仪器仪 表学报 ，2 0 0 3，2 4 1 1 0 9 1 l 1 ． [ 2 ]马福军．基 于贝叶斯决策理论的电梯群控 交通模式识别 [ J ]． 机 电 工程 ，2 0 0 9 ，2 6 9 1 0 4 1 0 7 ． [ 3 ]赵 昂 ， 王 磊 ， 粱 正峰 ．基 于 C1 6 7 C S微 处 理 器 的 电梯 控 制 系统 设 计 [ J ]．测控技 术，2 0 0 5 ，2 4 7 2 8 2 9，3 6 ． [ 4 ]万健如 ，邓旋 ，林 志强 ，等．P I 在 电梯位 移控制 中的应 用 [ J ]．电气传 动，2 0 0 1 1 3 3 3 5 ． [ 5]孙 后环 ，张广 明 ，袁 兆辉 ．电梯 串行 通讯 系统 可 靠性设 计 [ J ]．中国电梯 ，2 0 0 1 2 1 6 - 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