西门子S7300 PLC在双电梯联动控制系统中的应用
2005/7/13 15:26:00
摘要：本文以两台五层楼电梯为设计对象，利用西门子公司S7—300系列可编程控制器（PLC），结合安川VS-616G5通用变频器，开发出了一套交流变频调速的PLC双电梯联动控制系统，从而只需要一台PLC便能够对两台电梯的运行操作进行控制。
关键词：PLC 双电梯 硬件 软件
1 引言
近年来, 随着建筑业的蓬勃发展，高层建筑和智能化建筑的不断涌现，人们对电梯提出了越来越高的要求，单台电梯往往不能满足建筑物内的交通需要，这时候就需要合理安装多台电梯来缓解电梯运行的压力，因此电梯群控系统(elevator group control system)应运而生。与此同时，随着自动化技术的快速发展，也极大地促进了电梯控制技术的进步, 大量先进的控制技术应用于电梯群控系统, 使得电梯群控系统的控制特性得到很大的改善。针对目前这一现状，本论文以两台五层电梯为设计对象，对电梯的群控问题进行了较为深入的分析研究，提出了一些自己的认识和看法，设计出了一套PLC双电梯联动控制系统。
2 控制系统的硬件设计
本系统是主要由PLC、变频器、控制箱、显示器、曳引电动机组成的交流变频调速系统(Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF)。通过一台PLC 去控制两台电梯运行的方式，可以省去两台可编程控制器之间的相互通信,从而使得控制系统的可靠性更高，结构显得更加紧凑。本系统的硬件框图如图1所示。
从图1可以看出，该系统主要由两个部分组成，其中电梯控制的逻辑部分由PLC来实现。通过分析研究电梯的实际运行情况和控制规律，从而设计开发出一套双电梯联动控制程序，使得PLC能够控制两台电梯的运行操作。电梯的调速部分则选用高性能的矢量控制变频器，配以脉冲发生器(编码器)测量鼠笼式曳引电动机的转速，从而构成电机的闭环矢量控制系统，实现鼠笼式曳引电动机的交流变频调速(Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF)运行。
PLC首先接收来自电梯的呼梯信号、平层信号，然后根据这些输入信号的状态，通过其内部一系列复杂的控制程序，对各种信号的逻辑关系有序地进行处理，最后向直流门控电机、变频器和各类显示器适时地发出开关量控制信号，对两台电梯实施群控。在电梯控制系统中，由于电梯的控制属于随机性控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之间的关联性很强，逻辑关系处理起来非常复杂，这就给PLC的编程带来很大难度。从某种意义上来说，PLC编程水平的高低就决定整个系统运行质量的好坏。因此，PLC应用在电梯控制中的编程技术就成为控制电梯运行的关键技术，这同时也是本系统设计的一个重点。
在PLC向变频器发出开关量控制信号的同时，为了满足电梯的要求，变频器又需要通过与鼠笼式曳引电动机同轴连接的脉冲发生器和PG卡, 对电动机完成速度检测及反馈,形成闭环系统。脉冲发生器输出A、B两相脉冲，PG卡接收到脉冲信号以后，再将此反馈给变频器内部,以便进行运算调节。根据A、B脉冲的相序,可判断出电动机的转动方向,并可以根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。由于本设计选用的是通用型变频器，因此其参数设置和外部线路设计的复杂程度要远远地高于电梯专用变频器，其设置的好坏也将直接影响到电梯运行的实际效果。
2.1 PLC的型号的选择及I/O点数分配
电梯逻辑控制系统的控制核心是PLC，哪些信号需要输入至PLC，PLC需要驱动哪些负载,以及采用何种编程方式，都是需要认真考虑的问题，都会影响到其内部I/O点数的分配。因此，I/O点数的确定,是设计整个PLC电梯控制系统首先需要解决的问题,决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编写的前提。
本系统是为一幢5层大楼所设计,根据PLC 的I/O节点使用原则,应留出一定的I/O点以做扩展时使用。系统中实际需要输入点47点,输出点40点,因此我们选用西门子S7-300PLC，其中CPU的型号选为CPU315，输入模块的型号选为DI32xDC24V，总共需要两块，输出模块的型号选为DO32xDC24V/0.5A，总共也需要两块。I/O地址分配表如表1所示。
2.2 变频器的选型及参数设置
基于价格等方面因素的考虑，本次电梯调速控制的设计选用的是VS-616G5 型通用变频器, 选择有PG矢量控制作为曳引鼠笼式电动机的控制方式。
PLC通过向安川616G5变频器发出电梯上行输出和电梯下行输出信号，从而控制曳引电动机的转动方向，决定电梯的上/下行运动；PLC通过向安川616G5变频器发出电梯高速运行和电梯低速运行信号，从而间接控制曳引电动机的转动速度，决定电梯的高速/低速运动。电动机通过脉冲发生器(编码器)和PG卡将速度信号及时反馈给安川616G5变频器，从而形成速度闭环控制。接线图如图2所示。
由于本控制系统选择的是有PG矢量控制，因此在运行之前，需要变频器对电机单体进行自学习，否则变频器将不能正常工作。其具体做法是先将电机铭牌上面记载的额定电压、额定电流、额定频率、额定转数、PG卡脉冲数及电机极数输入至变频器，然后启动变频器，使电机空载运转，最后这些数值通过自学习，自动地计算后写入到变频器的电机参数中。因此对于这些参数，没有必要去人工进行设置。 VS-616G5通用型变频器设置如表2所示。
3 控制系统的软件设计
硬件系统设计完成以后，为了实现优化控制，还需要用西门子STEP 7专业编程软件对双电梯联动控制程序进行设计。由于电梯控制系统实际上是一个人机交互式的控制系统，因此单纯采用顺序控制或逻辑控制是不能够满足要求的，而应该在设计中采用随机逻辑控制方式。同时，由于梯形图之间的相互关联性很强，程序设计比较复杂，因此在双电梯联动控制系统的软件部分时，主要采用模块化的编程思想来进行设计。
根据电梯的运行规律,设置了有/ 无司机、检修、优先服务、消防等四种工作方式。其编制的程序主要遵循以下控制规律:
两台电梯都遵守集选规则，即将呼叫信号先进行登记，对与电梯运行同向的呼叫信号逐一应答，当同向指令和召唤应答完毕后电梯可以自动换向。
除此以外，电梯并联运行还遵循的相应的调度原则：正常情况下，当电梯使用以后，二号电梯作为忙梯会首先自动上升至第三层待命，一号电梯则作为基站电梯在第一层楼待命。当某层站有门厅呼叫信号时，则“忙梯”立即启动并定向运行去接该层站的乘客。
当两台电梯因轿厢内指令而到达基站后关门待命时，则应按照有效利用的原则，执行相互交替程序段。原先充当忙梯的电梯现在即作为基站电梯来使用，而原先作为基站电梯使用的电梯此时即成为忙梯。不论是一号电梯还是二号电梯均停留在最后停靠的层站待命。
当忙梯正在上行时，若其上方出现任何方向的门厅呼叫信号或是其下方出现向下的门厅呼叫信号，则均由忙梯在一周行程中去完成，而基站电梯不予应答运行。但是，若在忙梯的下方出现向上的门厅呼叫信号，则由基站电梯来应答信号而发车运行接客。
当忙梯正在下行时，若其下方出现任何方向的门厅呼叫信号，则均由忙梯在一周行程中去完成，而基站电梯不予应答运行。但是，若在忙梯的上方出现任何向上或是向下的门厅呼叫信号，则由基站电梯来应答信号而发车运行接客。
当其中一台电梯由于故障而停止运行，另一台电梯则自动承担全部的运行任务，遵循单台电梯的运行规则。
无论是作为一号电梯还是二号电梯,由于轿内呼叫信号而使电梯定向的,电梯都必须启动运行。电梯停用以后，不论当前处在哪一层，都会自动下降至底层。
4 结论
实践证明，PLC双电梯联动控制系统完全能够运用于两台电梯的联动控制，具有较好的兼容性，并且可以达到稳定可靠的性能。该系统很容易实现实现多台群控, 具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 电梯控制技术. 梁延东主编. 北京：中国建筑工业出版社，1997
[2] 现代电梯控制技术. 张汉杰. 哈尔滨工业大学出版社，1997
[3] 电气及PLC控制技术. 黄净. 北京：机械工业出版社
[4] 可编程序控制器及其应用. 李建新. 北京：机械工业出版社
[5] 廖常初主编. S7-300/400 PLC应用技术. 北京：机械工业出版社，2005
作者：李扶中 重庆大学电气工程学院
联系地址：重庆市石桥铺石小路207号
邮编：400039
电话：13594144387
E-mail:lifz163@yahoo.com.cn
关键词：PLC 双电梯 硬件 软件
1 引言
近年来, 随着建筑业的蓬勃发展，高层建筑和智能化建筑的不断涌现，人们对电梯提出了越来越高的要求，单台电梯往往不能满足建筑物内的交通需要，这时候就需要合理安装多台电梯来缓解电梯运行的压力，因此电梯群控系统(elevator group control system)应运而生。与此同时，随着自动化技术的快速发展，也极大地促进了电梯控制技术的进步, 大量先进的控制技术应用于电梯群控系统, 使得电梯群控系统的控制特性得到很大的改善。针对目前这一现状，本论文以两台五层电梯为设计对象，对电梯的群控问题进行了较为深入的分析研究，提出了一些自己的认识和看法，设计出了一套PLC双电梯联动控制系统。
2 控制系统的硬件设计
本系统是主要由PLC、变频器、控制箱、显示器、曳引电动机组成的交流变频调速系统(Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF)。通过一台PLC 去控制两台电梯运行的方式，可以省去两台可编程控制器之间的相互通信,从而使得控制系统的可靠性更高，结构显得更加紧凑。本系统的硬件框图如图1所示。
图1 PLC双电梯联动控制系统硬件框图
从图1可以看出，该系统主要由两个部分组成，其中电梯控制的逻辑部分由PLC来实现。通过分析研究电梯的实际运行情况和控制规律，从而设计开发出一套双电梯联动控制程序，使得PLC能够控制两台电梯的运行操作。电梯的调速部分则选用高性能的矢量控制变频器，配以脉冲发生器(编码器)测量鼠笼式曳引电动机的转速，从而构成电机的闭环矢量控制系统，实现鼠笼式曳引电动机的交流变频调速(Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF)运行。
PLC首先接收来自电梯的呼梯信号、平层信号，然后根据这些输入信号的状态，通过其内部一系列复杂的控制程序，对各种信号的逻辑关系有序地进行处理，最后向直流门控电机、变频器和各类显示器适时地发出开关量控制信号，对两台电梯实施群控。在电梯控制系统中，由于电梯的控制属于随机性控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之间的关联性很强，逻辑关系处理起来非常复杂，这就给PLC的编程带来很大难度。从某种意义上来说，PLC编程水平的高低就决定整个系统运行质量的好坏。因此，PLC应用在电梯控制中的编程技术就成为控制电梯运行的关键技术，这同时也是本系统设计的一个重点。
在PLC向变频器发出开关量控制信号的同时，为了满足电梯的要求，变频器又需要通过与鼠笼式曳引电动机同轴连接的脉冲发生器和PG卡, 对电动机完成速度检测及反馈,形成闭环系统。脉冲发生器输出A、B两相脉冲，PG卡接收到脉冲信号以后，再将此反馈给变频器内部,以便进行运算调节。根据A、B脉冲的相序,可判断出电动机的转动方向,并可以根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。由于本设计选用的是通用型变频器，因此其参数设置和外部线路设计的复杂程度要远远地高于电梯专用变频器，其设置的好坏也将直接影响到电梯运行的实际效果。
2.1 PLC的型号的选择及I/O点数分配
电梯逻辑控制系统的控制核心是PLC，哪些信号需要输入至PLC，PLC需要驱动哪些负载,以及采用何种编程方式，都是需要认真考虑的问题，都会影响到其内部I/O点数的分配。因此，I/O点数的确定,是设计整个PLC电梯控制系统首先需要解决的问题,决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编写的前提。
本系统是为一幢5层大楼所设计,根据PLC 的I/O节点使用原则,应留出一定的I/O点以做扩展时使用。系统中实际需要输入点47点,输出点40点,因此我们选用西门子S7-300PLC，其中CPU的型号选为CPU315，输入模块的型号选为DI32xDC24V，总共需要两块，输出模块的型号选为DO32xDC24V/0.5A，总共也需要两块。I/O地址分配表如表1所示。
2.2 变频器的选型及参数设置
基于价格等方面因素的考虑，本次电梯调速控制的设计选用的是VS-616G5 型通用变频器, 选择有PG矢量控制作为曳引鼠笼式电动机的控制方式。
PLC通过向安川616G5变频器发出电梯上行输出和电梯下行输出信号，从而控制曳引电动机的转动方向，决定电梯的上/下行运动；PLC通过向安川616G5变频器发出电梯高速运行和电梯低速运行信号，从而间接控制曳引电动机的转动速度，决定电梯的高速/低速运动。电动机通过脉冲发生器(编码器)和PG卡将速度信号及时反馈给安川616G5变频器，从而形成速度闭环控制。接线图如图2所示。
图2 变频器拖动部分线路图
由于本控制系统选择的是有PG矢量控制，因此在运行之前，需要变频器对电机单体进行自学习，否则变频器将不能正常工作。其具体做法是先将电机铭牌上面记载的额定电压、额定电流、额定频率、额定转数、PG卡脉冲数及电机极数输入至变频器，然后启动变频器，使电机空载运转，最后这些数值通过自学习，自动地计算后写入到变频器的电机参数中。因此对于这些参数，没有必要去人工进行设置。 VS-616G5通用型变频器设置如表2所示。
3 控制系统的软件设计
硬件系统设计完成以后，为了实现优化控制，还需要用西门子STEP 7专业编程软件对双电梯联动控制程序进行设计。由于电梯控制系统实际上是一个人机交互式的控制系统，因此单纯采用顺序控制或逻辑控制是不能够满足要求的，而应该在设计中采用随机逻辑控制方式。同时，由于梯形图之间的相互关联性很强，程序设计比较复杂，因此在双电梯联动控制系统的软件部分时，主要采用模块化的编程思想来进行设计。
根据电梯的运行规律,设置了有/ 无司机、检修、优先服务、消防等四种工作方式。其编制的程序主要遵循以下控制规律:
两台电梯都遵守集选规则，即将呼叫信号先进行登记，对与电梯运行同向的呼叫信号逐一应答，当同向指令和召唤应答完毕后电梯可以自动换向。
除此以外，电梯并联运行还遵循的相应的调度原则：正常情况下，当电梯使用以后，二号电梯作为忙梯会首先自动上升至第三层待命，一号电梯则作为基站电梯在第一层楼待命。当某层站有门厅呼叫信号时，则“忙梯”立即启动并定向运行去接该层站的乘客。
当两台电梯因轿厢内指令而到达基站后关门待命时，则应按照有效利用的原则，执行相互交替程序段。原先充当忙梯的电梯现在即作为基站电梯来使用，而原先作为基站电梯使用的电梯此时即成为忙梯。不论是一号电梯还是二号电梯均停留在最后停靠的层站待命。
当忙梯正在上行时，若其上方出现任何方向的门厅呼叫信号或是其下方出现向下的门厅呼叫信号，则均由忙梯在一周行程中去完成，而基站电梯不予应答运行。但是，若在忙梯的下方出现向上的门厅呼叫信号，则由基站电梯来应答信号而发车运行接客。
当忙梯正在下行时，若其下方出现任何方向的门厅呼叫信号，则均由忙梯在一周行程中去完成，而基站电梯不予应答运行。但是，若在忙梯的上方出现任何向上或是向下的门厅呼叫信号，则由基站电梯来应答信号而发车运行接客。
当其中一台电梯由于故障而停止运行，另一台电梯则自动承担全部的运行任务，遵循单台电梯的运行规则。
无论是作为一号电梯还是二号电梯,由于轿内呼叫信号而使电梯定向的,电梯都必须启动运行。电梯停用以后，不论当前处在哪一层，都会自动下降至底层。
4 结论
实践证明，PLC双电梯联动控制系统完全能够运用于两台电梯的联动控制，具有较好的兼容性，并且可以达到稳定可靠的性能。该系统很容易实现实现多台群控, 具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 电梯控制技术. 梁延东主编. 北京：中国建筑工业出版社，1997
[2] 现代电梯控制技术. 张汉杰. 哈尔滨工业大学出版社，1997
[3] 电气及PLC控制技术. 黄净. 北京：机械工业出版社
[4] 可编程序控制器及其应用. 李建新. 北京：机械工业出版社
[5] 廖常初主编. S7-300/400 PLC应用技术. 北京：机械工业出版社，2005
作者：李扶中 重庆大学电气工程学院
联系地址：重庆市石桥铺石小路207号
邮编：400039
电话：13594144387
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