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1、垂直升降电梯控制系统的分析1引言随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，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。日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取代微机实现信号 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oPLC可靠性高，程序设计 方便灵活。本设计在用尸LC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21硬件结构PLC为西
2、门子公司S7-200系列CPU221, PLC接受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 制动电梯等信号C2. 2电流、速度双闭环电路采用YASAKWA公司的VS 一 61665 CIM- RG5A 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：通过和电机同轴联结的旋转编码器，产生a, b两相脉冲进入变频器， 在确认方向的同时，利川脉冲计数构成速度闭环。3位移和运行曲线控制电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要
3、求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐 舒适，停靠准确，理想的运行曲线3.1位移控制 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。本设计一正是基于这一想法，利用现有旋转编码 器构成速度环的同时，通过变频器的尸G卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将 其引入尸LC的高速计数输入端口 0000通过累计脉冲数，经式(1)计算出脉冲当量，由此确 定电梯位置。32速度控制本方法是利用PLC扩展功能模块D / A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入尸 LC寄存器，程序运行时，通过查表方。一忆写入D/A，由D/A转换成模拟量后将理想曲线 输出。3. 2. 1加速给定曲
4、线的产生6位。/A输出0-5V/0-V 1 0V,对应数字值人16进制数00FF，共255级。东洋电梯 加速实践在2. 5-3秒之问。按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间隔不亘超过 10ms。由于电梯逻辑控制部分程序最大，而尸LC运行采用周期扫描机制，因而采用通常 的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过 程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作 都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和 操作。在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，
5、但实时 性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，最大 限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间最短采 取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms,尽管采取了 1些减少程序扫描时 间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采用按距离原则，每段 距离到的响应时间也不宜超过1 Oms o为满足系统的实时性要求，本文在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有 效地克服了尸LC扫描机制的限制。本文采用的PLC有三种中断功能：（1）外部中断；（2）高速计数内部中断（3）定周期中断。 前两种中断各有8个中
6、断点，后一种有4个中断点。在程序中采用了后面两种中断方式起 动过程采用定周期中断，制动过程采用高速计数内部中断。中断服务程序放在主程序后，运 行状态检测运行保护内选外呼等逻辑控制均在主程序中实现。而运行条件的判断运行 模式的选择查表等与运行曲线产生有关的程序 放在中断服务程序中。起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就 一直按设定时间间隔循环，一，断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满 足运行条件时，中断即返回。3. 2. 2减速制动曲线的产生 为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或
7、稳速运行过程中。加速过程由固定周期中断完成；加速到对应模式 的最大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断 返回。电梯以对应模式的最大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速 服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。 在 PLC 的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次表指针加，操作， 则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出， 以保证减速过程的可靠性。4程序设计利用变频器PG卡输出端将脉冲信号引入尸LC的高速计数输入端，构成位置反馈.高速计 数器累加的脉
8、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，平层点和制动停车点等信号。理论上这种控制方式 其平层误差可在个脉冲当量范围.在考虑减速机齿轮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层 精度可达内，大大低于国标的标准，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，IT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接，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
9、换速，门区和平层信号5个子程序进行介绍。4. 1楼层计数 本设计采用相对计数方式.运行前通过自学习力一式，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D01 一 D16o楼层计数器CNTIO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， 或减计数。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。4.2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
10、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。4. 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。4. 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。5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
11、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，经有关部分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，取得了良好机行电一体化的发展趋势现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领 域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展 及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、 功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化” 迈入了“机电
12、一体化”为特征的发展阶段。一、机电一体化概要机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电 子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体 化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还 将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综 合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控 技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根 据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、 高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价
13、值，并使整个系统最优化的系统工程技 术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术 是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及 其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化 在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械， 其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装 置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自 动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保
14、护等。即机电一体化产 品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是 机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。二、机电一体化的发展状况机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段， 这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果 来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电 子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了 积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发 展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已
15、经 开发的产品也无法大量推广。20世纪7080年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控 制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规 模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。 这个时期的特点是：mechatronics 词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪 80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极 大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一 体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等
16、进入了机电一体化，微细加工 技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支； 另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系 和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技 术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究， 将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一 体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展 纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向三、机电一体化的发展趋 势 机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它 的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方 向如下：3.1智能化智能化
