電梯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1、 第三章 電梯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 電梯控制系統(tǒng)設(shè)計思路電梯控制系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖如圖3.1編寫相關(guān)技術(shù)文件電梯總體設(shè)計計算電梯控制系統(tǒng)I/O點數(shù)PLC選型I/O地址分配，輸入輸出設(shè)備選擇梯形圖設(shè)計電梯模擬調(diào)試 符合要求修改程序 N Y 圖3.1 電梯控制系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖 本設(shè)計以PLC為工具對五層電梯的各種操作進行控制。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計一般可以分為以下幾個步驟：熟悉被控對象，制定控制方案確定所設(shè)計系統(tǒng)的I/O點數(shù)選擇PLC機型選擇輸入、輸出設(shè)備，分配PLC的I/O地址系統(tǒng)調(diào)試編寫相關(guān)技術(shù)文件3.2 可編程控制器的選型3.2.1 I/O點的估算： 裝置共有33點輸入指令信號，32點輸出

2、控制信號，輸入信號包括：樓層內(nèi)、外選擇信號、轎廂運行時樓層檢測信號、檢修控制系統(tǒng)信號、消防模擬信號、極限限位保護信號等，輸出信號包括：變頻驅(qū)動信號、樓層顯示控制系統(tǒng)信號、樓層內(nèi)外呼指示信號、上下行指示信號、到站鐘信號、電梯開門、關(guān)門信號以及安全保護信號等?？删幊炭刂破鱏7- 200 的CPU226輸入，輸出點數(shù)為24/16 。需要擴展一塊EM223,DI16/DO16. 3.2.2 存儲容量的估算 用戶程序占用內(nèi)存的多少與多種因素有關(guān)。例如:輸入/ 輸出點的數(shù)量、類型、輸入/ 輸出之間的關(guān)系的復(fù)雜程度、需要進行運算處理的難易程度、程序結(jié)構(gòu)等都與內(nèi)存容量有關(guān)。因此,在用戶程序調(diào)試好之前很難估算內(nèi)

3、存容量。一般只能根據(jù)I/ O點數(shù)與類型、控制的繁簡程度加以估算?？紤]備用與計算機接口通訊所占用的內(nèi)存容量,估算本系統(tǒng)要有1K 字節(jié)以上的內(nèi)存容量。3.2.3 各種PLC的比較和選型現(xiàn)在知名的PLC品牌有很多種，如美國AB、ABB、松下、西門子、匯川、三菱、歐姆龍、臺達、富士、施耐德、信捷和利時等。三菱公司的PLC是較早進入中國市場的產(chǎn)品。其小型機F1/F2系列是F系列的升級產(chǎn)品 早起在我國的銷量很多，使得許多大專院校講解PLC編程的教材都以三菱公司的 PLC 為例。國內(nèi)的一些PLC生產(chǎn)廠家為了迅速獲得用戶，其PLC編程語言的指令集都與三菱公司的PLC兼容。三菱PLC以其高性能、低價格迎合了中國

4、工控行業(yè)的需要，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，但三菱的模擬量模塊價格昂貴，程序復(fù)雜，不適合用來研究此系統(tǒng)。OMRON C 系列PLC產(chǎn)品門類齊、型號多、功能強、適應(yīng)面廣。大致可以分為微型、小型、中型和大型四大類。整體式結(jié)構(gòu)的微型 PLC機是以C20P為代表的機型。疊裝式 或稱緊湊式 結(jié)構(gòu)的微型機以CJ型機最為典型。它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC機以P型機和CPM型機最為典型，這兩種部屬堅固整體型結(jié)構(gòu)，具有體積更小、指令更豐富、性能更優(yōu)越。通過I/O擴展可實現(xiàn)10-140點輸入輸出點數(shù)的靈活配置，并可連接可編程終端直接從屏幕上進行編程。中型機以C200H系列最為典型，主要有 C200H、C20

5、0HS、C200HX、C200HG和C200HE等型號產(chǎn)品。在程序容量、掃描速度和指令功能上優(yōu)于小型機 同時可以配置更完善的接口單元模塊?？梢耘c上位機、下位PLC機及各種外部設(shè)備組成具有各種用途的計算機控制系統(tǒng)和工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)。但是歐姆龍系列PLC硬件可靠性不如西門子PLC且價格也很貴，并不適合此次研究。 SIMATIC S7-200 系列PLC是西門子最著名的PLC品牌。它適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富

6、的內(nèi)置集成功能、實時特性、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊等。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛， 覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境護設(shè)備等等。設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，首要的控制目標就是：確保生產(chǎn)的安全可靠，能長期穩(wěn)定運行，保證產(chǎn)品高質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善信息管理等。如果要求以極高的可靠性為控制目標，構(gòu)成PLC冗余控制系統(tǒng)，這時要從能夠完成冗余控制的PLC型號中進行選擇；如果以改善信息管理為控制目標，要首先考慮通信能力。另一個方面就是要對P

7、LC的硬件配置的考慮，可以從CPU的能力、I/O系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、響應(yīng)速度或其它考慮。綜合考慮后，本設(shè)計選擇了西門子公司生產(chǎn)的S7-200型機。S7-200系列PLC具有以下優(yōu)點： A/D、D/A轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度高，一個模擬量模塊帶3路A/D，1路D/A，A/D、D/A轉(zhuǎn)換速度高為125us，為保證系統(tǒng)的采樣、控制精度及調(diào)節(jié)速度提供了基本的物理條件；其他廠家PLC的模擬量模塊的A/D、D/A轉(zhuǎn)換速度均為ms級，不具備必要條件，而且S7-200PLC的模擬量模塊單價為同類最低，因此具有很好的性能價格比。 CPU運算速度快，0.37us/位，指令豐富：具有浮點運算、指針運算、中斷、通訊響應(yīng)、PID

8、運算、PWM脈沖輸出等功能，存儲容量大，充分適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制等控制算法的要求； 輸入/輸出點多、響應(yīng)快，24輸入/16，每點可設(shè)置濾波參數(shù)，4個20KHz高速計數(shù)器，2個高速輸出口，適應(yīng)實時控制的要求； 通訊組網(wǎng)能力強，配有2個232/485通訊口，可方便連接232/485/422等通訊接口，適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求； 可靠性高，將CPU模塊，輸入/輸出I/O模塊，通訊模塊高度集成一體，簡化結(jié)構(gòu)，使用方便。3.3 電梯控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設(shè)計3.3.1 電梯轎廂樓層位置檢測環(huán)節(jié) 電梯PLC控制不再使用繼電器控制系統(tǒng)中模擬轎廂運動的機械選層器，因而電梯運行過程中，轎廂所

9、處樓層位置如何檢測PLC軟件、如何根據(jù)給定輸入信號及運行條件判斷或計算樓層數(shù)，是電梯正常運行的重要問題，是正確定向和選層換速的必備前提。 轎廂樓層位置檢測的方法很多，如磁感應(yīng)器信號直接輸人、雙穩(wěn)態(tài)磁保護開關(guān)狀態(tài)編碼輸入和光電開關(guān)脈沖輸入、接近開關(guān)輸入等，但最為常用的當屬旋轉(zhuǎn)編碼器輸入。旋轉(zhuǎn)編碼器可用于測量轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及位移。當轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸時，輸出端發(fā)送出與轉(zhuǎn)角對應(yīng)的脈沖數(shù)。通過累計脈沖數(shù)量可直接算出轉(zhuǎn)角和相應(yīng)的位置行程。PLC一般都有高速脈沖輸入端或?qū)Ｓ糜嫈?shù)單元，因而在電梯PLC控制系統(tǒng)中，可使用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測電梯運行過程中轎廂所處樓層位置。 電梯PLC控制系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)編碼器一般采用集電極

10、開路輸出方式，直接與PLC高速脈沖輸人端相連，電源可利用PLC內(nèi)置24V直流電源。箱式結(jié)構(gòu)PLC具有高速脈沖輸入端和硬件復(fù)位輸入端，可使用一相或兩相輸出的編碼器。一相為脈沖輸出，接PLC的0000端，另一相為復(fù)位輸出，接PLC的0001端。 圖3-2 旋轉(zhuǎn)編碼器與 PLC 高速脈沖輸入端接口電路 3.3.2電梯轎內(nèi)指令和廳外召喚信號的處理環(huán)節(jié) 轎內(nèi)指令與廳外召喚信號均需全部輸入PLC，主要方法有直接輸入、按鈕矩陣輸人、按鈕信號組合輸入、按鈕信號編碼輸入等。后三種輸入方法的特點是減少了PLC的輸入點數(shù)，但外部接線較麻煩，輸入信號的狀態(tài)以及維護檢修不直觀。 內(nèi)指令信號處理包括信號登記、顯示及本層停

11、車消號。信號的登記采用自鎖原理，軟件上采用邏輯與運算指令實現(xiàn)，不論電梯上行還是下行，當轎廂運行至有內(nèi)指令要求的樓層時，均需換速停車，并消除登記信號，不需反向保號。廳外召喚信號同樣需要進行登記，顯示本層停車信號，此外還應(yīng)具有反向運行保號和直駛保號功能。 轎廂指令電路是由轎廂內(nèi)人員通過指令按鈕發(fā)出指令并保持這一指令，待這一指令完成后并消除該指令的電路。廳外召喚電路，是由廳外乘梯人員通過廳外召喚按鈕發(fā)出呼梯信號，并登記和記憶 ，完成召喚指令后消除這一呼梯信號。2.3.3 電梯自動開關(guān)門的控制環(huán)節(jié)電梯的自動開關(guān)門控制要求一般如下：(1)自動門機構(gòu)必須隨電梯轎廂移動，即要求把自動門機構(gòu)安裝于轎廂頂上，除

12、了能帶動轎廂門啟閉外，還應(yīng)能通過機械方法使電梯轎廂在各個層樓門區(qū)安全范圍內(nèi)能方便地使各層的外層門也能隨著轎廂門的啟閉而同步啟閉。(2)當轎廂門和某層樓的層門閉合后，應(yīng)由電氣機械設(shè)備的機械鉤子和電氣接點予以表現(xiàn)和考核。(3)開關(guān)門動作平穩(wěn)，不得有劇烈的抖動和異常響聲。(4)關(guān)門時間一般為3-5s，而開門時間一般為2.5-4s。(5)自動門系統(tǒng)調(diào)整簡單方便,便于維修。(6)門電機要具有一定的堵轉(zhuǎn)能力。為實現(xiàn)這些要求,現(xiàn)設(shè)計如下: 電梯運行中的開門是待電梯平層后自動開啟的。這一自動控制是由干簧感應(yīng)器實現(xiàn)的。干簧感應(yīng)器被裝在轎廂頂部,隨轎廂上下運動，隔磁板由支架固定在電梯導(dǎo)軌上，當電梯欲平層時，隔磁板

13、插入KR2開門區(qū)域干簧感應(yīng)器的缺口內(nèi)，使干簧管的動斷觸頭復(fù)位，接通開門區(qū)域繼電器K47線圈電路，KA7動合觸頭閉合。電梯平層結(jié)束時，運行繼電器KA11線圈斷電，其動斷觸頭復(fù)位，于是開門繼電器KA2線圈通過以閉合的門鎖繼電器KA11動合觸頭、停層時間繼電器KT8斷電延時斷開觸頭而通電吸合并自保，KA2觸頭轉(zhuǎn)換時，M(直流激勵電動機)向開門方向旋轉(zhuǎn)將門自動開啟。 電梯門從敞開到關(guān)閉的時間，一般整定為4-6s，由KT8控制。電阻電容串聯(lián)支路并聯(lián)后接入110V直流電壓。在KA2動合觸頭閉合后KT8線圈通電吸合，電容器C8兩極板電壓充至110V，當電梯門開啟到位時，壓下SQ24開關(guān)，KA2線圈斷電釋放開

14、始，時間繼電器 KT8 線圈外加直流電源切斷，但C8通過電阻R12、R13和KT8線圈放電，使KT8仍不釋放。隨著放電進行，C8極板電壓降低,放電電流減少，KT8線圈電壓降低到小于等于其釋放電壓時，KT8釋放,關(guān)門動作開始，KT8延時結(jié)束。所以KT8延時時間是從門開啟到位，KT8線圈斷開直流電源到KT8線圈依靠C8放電維持吸合,直到KT8釋放,關(guān)門動作開始為止,這也是門敞開的時間,即乘客上下電梯的時間。若在延時即將結(jié)束時,尚未開啟關(guān)門動作之前還有乘客進入。此時可按下廳外召喚按鈕SB1S-SB4S、SB2X-SB5X中的一個，使廳外開門繼電器KA41線圈通電吸合KA41動合觸頭閉合，使KT8線圈

15、又通電吸合；C8又充電。當松開廳召喚按鈕后，KA41直流電源切除，但有C8對其放電來獲得又一次延遲，便于乘客繼續(xù)出入。同理，按下轎內(nèi)開門按鈕SB8時，也使KT8線圈重新通電閉合，電容C8充電。當松開SB8時，由于C8對KT8線圈放電，獲得再次延遲。若不等KT8延遲結(jié)束，就提前關(guān)門，則可按下轎內(nèi)指令按鈕SB1-SB5，使 C8放電加快KT8維持吸合時間縮短。關(guān)門動作提前進行。電梯停靠樓層開門后，經(jīng)4-6s延時KT8線圈斷電釋放。這時起動關(guān)門繼電器KA5線圈經(jīng)KA9動斷觸頭KT8動斷觸頭過載繼電器KA14動斷觸頭停站繼電器KT6動斷觸頭慢速第一延時繼電器KT2動斷觸頭KA2動斷觸頭而通電吸合。KA

16、5動合觸頭閉合KA3線圈通電吸合KA3觸頭轉(zhuǎn)換電動機M向關(guān)門方向旋轉(zhuǎn)，拖動電梯門關(guān)閉。在關(guān)閉過程中由于行程開關(guān)SQ20、SQ21作用 實現(xiàn)兩次減速關(guān)門。直至門關(guān)閉后，壓下行程開關(guān)SQ25使KA3線圈斷電釋放M行能耗制動。 圖3-3 電梯門控制電路3.3.4 電梯的方向控制環(huán)節(jié) 任何類別的電梯，其運行的充分與必要條件之一“要有確定的電梯運行方向”，因此所有電梯的確定運行方向的控制環(huán)節(jié)簡稱“定向環(huán)節(jié)”，在所有電梯的整體控制系統(tǒng)中也與電梯的自動開關(guān)門控制環(huán)節(jié)一樣，是一個至關(guān)重要的控制環(huán)節(jié)。 所謂電梯的方向控制環(huán)節(jié)，是根據(jù)電梯轎廂內(nèi)乘客欲往層樓的位置信號或各層樓大廳乘客的召喚信號位置與電梯所處層樓的位

17、置信號進行比較:凡是在電梯位置信號上方向的轎內(nèi)或?qū)訕菑d外召喚信號，則電梯定上行方向；凡在其下方向的，則定下行方向。 在方向控制環(huán)節(jié)中 一般集選電梯必須滿足下列幾點要求。 (1)、轎內(nèi)指令信號優(yōu)先于各層樓廳外召喚信號而定向，即當空轎廂電梯被某層廳外乘客召喚到達該層后，某層的乘客即可進入電梯轎廂內(nèi)而撳按指令按鈕令電梯定上行方向(或下行方向)；若該乘客雖進入轎廂內(nèi)且電梯門未關(guān)閉而尚未撳按指令按鈕前(即電梯尚未定出方向)出現(xiàn)其他層樓的廳外召喚信號時，如此召喚信號指令電梯的運行方向有別于已進入轎廂內(nèi)的乘客要求指令電梯的運行方向，則電梯的運行方向應(yīng)由已進入轎廂內(nèi)的乘客要求而定向，而不是根據(jù)其他層樓廳外乘客

18、的要求而定向。這就是所謂的“轎內(nèi)優(yōu)先于廳外”。號的要求而定出電梯運行方向，但一旦定出電梯運行方向后，再有其他層樓的召喚信號就不能 只有當電梯門延時關(guān)閉后，而轎內(nèi)又無指令定向的情況下，才能按各層樓的召喚信更改已定的運行方向了。 (2)、要保持最遠層樓召喚信號所要求的電梯運行方向，而不能輕易地更改，這樣以保證最高層樓(或最低層樓)乘客的乘用電梯，而只有在電梯完成最遠層樓乘客的要求后 方能改變電梯運行方向。 (3)、在有司機操縱電梯時，當電梯尚未啟動運行的情況下，應(yīng)讓司機有強行改變電梯運行方向的可能性。這種在我國電梯尚未廣泛普及又以“有司機”操縱為主的使用情況下，這一“強行換向”也是必要的。(4)

19、、而在電梯檢修狀況下，電梯的方向控制應(yīng)由檢修人員直接撳按轎廂內(nèi)操縱箱上或轎廂頂?shù)臋z修箱上的方向按鈕即令電梯定向上(或向下)運行；而當松開方向按鈕即令電梯消失運行方向并使電梯立即停車。 圖3-4 電梯運行方向控制電路 電梯的方向控制電路由各樓層的換位繼電器KA26KA30提供兩對動斷觸頭，并且按樓層順序連接起來，兩頭分別與上行和下行方向繼電器線圈KA24、KA19相接，組成一個定向鏈。而在每層樓換位繼電器兩對動斷觸頭的中間連接處與各樓層的轎內(nèi)指令繼電器KA36KA40的動合觸頭相連，組成指令鏈。電梯只有上行和下行兩個方向 而選著運行反方向的依據(jù)也只有兩個:一是你要去哪層；二是電梯轎廂現(xiàn)在在那層樓

20、。3.3.5 電梯的啟動加速和減速平層控制環(huán)節(jié) 電梯從某站啟動運行，到某站停站。其運行過程是，電梯電動機M1松閘起動、加速、快速穩(wěn)定運行，進入停站樓層區(qū)域時減速，進入平層區(qū)域時制動停車、抱閘、停層。這一連串的動作我們稱為電梯的啟動加速和減速平層控制。 電梯的啟動加速主要有電梯電動機M1及相應(yīng)的動斷、動合開關(guān)控制，控制原理比較簡單，在此不在贅述。電梯的運動環(huán)節(jié)中，最主要的是電梯的減速平層控制環(huán)節(jié)，現(xiàn)介紹如下: 電梯的減速控制，按指令信號分為:按下轎內(nèi)指令按鈕，電梯停在乘客前往樓層的減速控制；按下廳外召喚按鈕 電梯停在乘客登樓梯層的減速控制。平層與停層時使上行或下行接觸器KM1或KM2斷電釋放M1和電磁制動器YB線圈失電，實現(xiàn)制動抱閘， 電梯停于某層站。平層是使電梯停層時，轎廂底與層站地面在同一水平面上，這樣便于乘客或物品的出入。為了保證電梯的平