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PLC在电梯位移控制中的实际应用
摘要：文章采用欧姆龙PLC和变频器实现电梯常规控制的基础上，利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，实现电梯的精确位移控制。通过PLC程序设计实现楼层计数、换速信号、门区和平层信号的数字控制，取代井道位置检测装置，提高了系统的可靠性和平层精度。
1、前言
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，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。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；第二种控制方式用可编程控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活。本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。
2、硬件电路
2.1 主电路
主电路由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。由于采用交 -直-交电压型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。
2.2 PLC控制电路
欧姆龙PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。
2.3 电流、速度双闭环电路
采用YASAKWA公司的VS-616G5 CIMRG5A 4022变频器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联接的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。
2.4 位移控制电路
电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经世式(1)计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。电梯位移
h = SI
式中 I——累计脉冲数
S--脉冲当量
S = lpD / (pr) (1)
本系统采用的减速机，其减速比l = 1/32，曳引轮直径D = 580mm，电机额定转速ned = 1450r/min，旋转编码器每转对应的脉冲数p = 1024，PG卡分频比r = 1/18，代入式(1)得
S = 1.0mm / 脉冲
3、程序设计
利用变频器PG卡输出端(TA2.1)将脉冲信号引入PLC的高速计数输入端0000，构成位置反馈。高速计数器(CNT47)累加的脉冲数反映电梯的位置。高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离、换速点、平层电和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在±1个脉冲当量范围。在考虑减速机齿轮啮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达±5mm内，大大低于国标±15mm的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求。电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置、快速换速点、中速换速点、门区信号和平层位置信号等。由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连线，降低成本。下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数、快速换速、中速换速、门区和平层信号5个子程序进行介绍。
3.1、楼层计数
本设计采用相对计数方式。运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电梯分别存入16个内存单元DM06 ~ DM21。
楼层计数器(CNT46)为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。
运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1。为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。
3.2、快速换速
当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号。若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。
中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。
3.3、门区信号
当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号。平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。
3.4、脉冲信号故障检测
脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。为消除脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC高速计数器CNT47的复位端0001。
3.5 快速换速工作原理
限于篇幅，本文仅对快速换速工作原理进行介绍。
数据存储单元DM01为快速换速距离脉冲数，DM30为楼层间距脉冲数，DM31为快速换速点对应的脉冲数，DM34为高速换速比较区间下限，DM35为高速换速比较区间上限，HR01为快速换速点开始信号，1507为快速运行信号，1700为选层信号，0010为零速信号，0503为快速换速输出信号。
以上行为例，DM31快速换速点对应的脉冲数是楼层间距DM30与快速换速举例DM01之差；DM31和DM30的值分别赋给DM34和DM35。运行时高速计数器不断累加脉冲数，每个扫描周期计数器的值与DM34 ~ DM35区段进行比较。当其值进入DM34与DM35区段时，HR01置位，表示进入快速换速区间；若此时有选层信号且电梯为快速运行，则发快速换速信号(0503置ON)。
4、结论
本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代井道中原有的位置检测装置，实现位移控制，用软件代替部分硬件功能，既降低系统成本，又提高了系统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。
在实验室调试的基础上，采用上述方法，实地对两台17层电梯进行改造，经有关部门检测和近一年的实际运行表明，系统运行可靠，乘坐舒适，故障率大为降低，平层精度在±5mm以内，取得了良好的运行效果。
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，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。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；第二种控制方式用可编程控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活。本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。
2、硬件电路
2.1 主电路
主电路由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。由于采用交 -直-交电压型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。
2.2 PLC控制电路
欧姆龙PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。
2.3 电流、速度双闭环电路
采用YASAKWA公司的VS-616G5 CIMRG5A 4022变频器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴联接的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。
2.4 位移控制电路
电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经世式(1)计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。电梯位移
h = SI
式中 I——累计脉冲数
S--脉冲当量
S = lpD / (pr) (1)
本系统采用的减速机，其减速比l = 1/32，曳引轮直径D = 580mm，电机额定转速ned = 1450r/min，旋转编码器每转对应的脉冲数p = 1024，PG卡分频比r = 1/18，代入式(1)得
S = 1.0mm / 脉冲
3、程序设计
利用变频器PG卡输出端(TA2.1)将脉冲信号引入PLC的高速计数输入端0000，构成位置反馈。高速计数器(CNT47)累加的脉冲数反映电梯的位置。高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离、换速点、平层电和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在±1个脉冲当量范围。在考虑减速机齿轮啮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达±5mm内，大大低于国标±15mm的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求。电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置、快速换速点、中速换速点、门区信号和平层位置信号等。由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连线，降低成本。下面针对在实现集选控制基础上新增添的楼层计数、快速换速、中速换速、门区和平层信号5个子程序进行介绍。
3.1、楼层计数
本设计采用相对计数方式。运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电梯分别存入16个内存单元DM06 ~ DM21。
楼层计数器(CNT46)为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。
运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1。为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。
3.2、快速换速
当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号。若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。
中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。
3.3、门区信号
当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号。平层信号与区信号判断方法类似，不再重复。
3.4、脉冲信号故障检测
脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。为消除脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC高速计数器CNT47的复位端0001。
3.5 快速换速工作原理
限于篇幅，本文仅对快速换速工作原理进行介绍。
数据存储单元DM01为快速换速距离脉冲数，DM30为楼层间距脉冲数，DM31为快速换速点对应的脉冲数，DM34为高速换速比较区间下限，DM35为高速换速比较区间上限，HR01为快速换速点开始信号，1507为快速运行信号，1700为选层信号，0010为零速信号，0503为快速换速输出信号。
以上行为例，DM31快速换速点对应的脉冲数是楼层间距DM30与快速换速举例DM01之差；DM31和DM30的值分别赋给DM34和DM35。运行时高速计数器不断累加脉冲数，每个扫描周期计数器的值与DM34 ~ DM35区段进行比较。当其值进入DM34与DM35区段时，HR01置位，表示进入快速换速区间；若此时有选层信号且电梯为快速运行，则发快速换速信号(0503置ON)。
4、结论
本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代井道中原有的位置检测装置，实现位移控制，用软件代替部分硬件功能，既降低系统成本，又提高了系统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。
在实验室调试的基础上，采用上述方法，实地对两台17层电梯进行改造，经有关部门检测和近一年的实际运行表明，系统运行可靠，乘坐舒适，故障率大为降低，平层精度在±5mm以内，取得了良好的运行效果。