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三菱FX2N系列PLC構成電梯控制系統特性分析
文中分析了電梯負載特性，闡述了采用梯形加速曲線電梯理想速度曲線，結合變頻器和PLC性能，論述了電梯控制系統構成和工作特性。闡述了電梯速度曲線產生方法，歸納了由PLC構成控制系統軟件設計特點。
1.概述
城市建設不斷發展，高層建筑不斷增多，電梯國民經濟和生活中有著廣泛應用。電梯作為高層建筑中垂直運行交通工具已與人們日常生活密不可分。實際上電梯是外部呼叫信號以及自身控制規律等運行，而呼叫是隨機，電梯實際上是一個人機交互式控制系統，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足控制要求，，電梯控制系統采用隨機邏輯方式控制。目前電梯控制普遍采用了兩種方式，一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號采集、運行狀態和功能設定，實現電梯自動調度和集選運行功能，拖動控制則由變頻器來完成；第二種控制方式用可編程控制器（PLC）取代微機實現信號集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大區別。國內廠家大多選擇第二種方式，其原因生產規模較小，自己設計和制造微機控制裝置成本較高；而PLC可靠性高，程序設計方便靈活，抗干擾能力強、運行穩定可靠等特點，現電梯控制系統廣泛采用可編程控制器來實現。
2.電梯理想運行曲線
大量研究和實驗表明,人可接受最大加速度為am≤1.5m/s2, 加速度變化率ρm≤3m/s3,電梯理想運行曲線按加速度可劃分為三角形、梯形和正弦波形，正弦波形加速度曲線實現較為困難，而三角形曲線最大加速度和啟動及制動段轉折點處加速度變化率均大于梯形曲線，即+ρm跳變到-ρm或由-ρm跳變到+ρm加速度變化率，故很少采用，因梯形曲線容易實現有良好加速度變化率頻繁指標，故被廣泛采用，采用梯形加速度曲線電梯理想運行曲線。
智能變頻器是為電梯靈活調速、控制及高精度平層等要求而專門設計電梯專用變頻器，可配用通用三相異步電動機，并具有智能化軟件、標準接口、菜單提示、輸入電梯曲線及其它關鍵參數等功能。其具有調試方便快捷，能自動實現單多層功能，并具有自動優化減速曲線功能，由其組成調速系統爬行時間少，平層距離短，是雙繞組電動機，單繞組電動機均可適用，其最高設計速度可達4m/s，其獨特電腦監控軟件，可選擇串行接口實現輸入/輸出信號無觸點控制。
變頻器構成電梯系統，當變頻器接收到控制器發出呼梯方向信號，變頻器依據設定速度及加速度值，啟動電動機，達到最大速度后，勻速運行，到達目層減速點時，控制器發出切斷高速度信號，變頻器以設定減速度將最大速度減至爬行速度，減速運行過程中，變頻器能夠自動計算出減速點到平層點之間距離，并計算出優化曲線，能夠按優化曲線運行，使低速爬行時間縮短至0.3s,電梯平層過程中變頻器調整平層速度或制動斜坡來調整平層精度。即當電梯停太早時，變頻器增大低速度值或減少制動斜坡值，反之則減少低速度值或增大制動斜坡值，電梯到距平層位置4—10cm時，有平層開關自動斷開低速信號，系統按優化曲線實現高精度平層，達到平層準確可靠。
3.電梯速度曲線
電梯運行舒適性取決于其運行過程中加速度a和加速度變化率p大小，過大加速度或加速度變化率會造成乘客不適感。同時，為保證電梯運行效率，a、p值不宜過小。能保證a、p最佳取值電梯運行曲線稱為電梯理想運行曲線。電梯運行理想曲線應是拋物線-直線綜合速度曲線，即電梯加、減過程由拋物線和直線構成。電梯給定曲線是否理想，直接影響實際運行曲線。
3.1速度曲線產生方法
采用三菱PLC FX2N-64MR，并考慮輸入輸出點要求增加了FX2N-8EYT、FX2N-16EYR、FX2N-8EYR三個擴展模塊和FX2N-40AW雙絞線通信適配器，FX2N-40AW用于系統串行通信。利用三菱PLC擴展功能模塊D/A模塊實現速度理想曲線輸出，事先將數字化理想速度曲線存入三菱PLC寄存器，程序運行時，查表方式寫入D/A，由D/A轉換成模擬量后將速度理想曲線輸出。
3.2加速給定曲線產生
8位D/A輸出0～5V/0～10V，對應數字值為16進制數00～FF，共255級。若電梯加速時間2.5～3秒之間。按保守值計算，電梯加速過程中每次查表時間間隔不宜超過10ms。
電梯邏輯控制部分程序最大，而三菱PLC運行采用周期掃描機制，采用通常查表方法，每次查表指令時間間隔過長，不能滿足給定曲線精度要求。三菱PLC運行過程中，其CPU與各設備之間信息交換、用戶程序執行、信號采集、控制量輸出等操作都是固定順序以循環掃描方式進行，每個循環都要對所有功能進行查詢、判斷和操作。這種順序和格式不能人為改變。通常一個掃描周期，基本要完成六個步驟工作，包括運行監視、與編程器交換信息、與數字處理器交換信息、與通訊處理器交換信息、執行用戶程序和輸入輸出接口服務等。一個周期內，CPU對整個用戶程序只執行一遍。這種機制有其方便，但實時性差。過長掃描時間，直接影響系統對信號響應效果，保證控制功能前提下，最大限度縮短CPU周期掃描時間是一個很復雜問題。一般只能從用戶程序執行時間最短采取方法。電梯邏輯控制部分程序掃描時間已超過10ms，盡管采取了一些減少程序掃描時間辦法，但仍無法將掃描時間降到10ms以下。同時，制動段曲線采用按距離原則，每段距離到響應時間宜超過10ms。為滿足系統實時性要求，速度曲線產生方式中，采用中斷方法，有效克服了PLC掃描機制限制。
起動加速運行由定周期中斷服務程序完成。這種中斷不能由程序進行開關，一旦設定，就一直按設定時間間隔循環中斷，，起動運行條件需放中斷服務程序中，不滿足運行條件時，中斷即返回。
3.3減速制動曲線產生
為保證制動過程完成，需主程序中進行制動條件判斷和減速點確定。減速點確定之前，電梯一直處于加速或穩速運行過程中。加速過程由固定周期中斷完成，加速到對應模式最大值之后，加速程序運行條件不再滿足，每次中斷后，不再執行加速程序，直接從中斷返回。電梯以對應模式最大值運行，該模式減速點到后，產生高速計數中斷，執行減速服務程序。該中斷服務程序中修改計數器設定值條件，保證下次中斷執行。
三菱PLC內部寄存器中，減速曲線表數值由大到小排列，每次中斷都執行一次“表指針加1”操作，則下一次中斷查表值將小于本次中斷查表值。門區和平層區判斷均由外部信號給出，以保證減速過程可靠性。
4.電梯控制系統
4.1電梯控制系統特性
電梯運行曲線中啟動段是關系到電梯運行舒適感指標主要環節,而舒適感又與加速度直接相關,控制理論,要使某個量按預定規律變化必須對其進行直接控制,電梯控制系統來說,要使加速度按理想曲線變化就必須采用加速度反饋,電動機力矩方程式:M—MZ=ΔM=J（dn/dt），可見加速度變化率反映了系統動態轉距變化，控制加速度就控制系統動態轉距ΔM=M—MZ。故此段采用加速度時間控制原則，當啟動上升段速度達到穩態值90%時，將系統由加速度控制切換到速度控制，穩速段，速度為恒值控制波動較小，加速度變化不大，且采用速度閉環控制可以使穩態速度保持一定精度，為制動段精確平層創造條件。系統速度上升段和穩速段雖都采用PI調節器控制，但兩段PI參數是不同，以提高系統動態響應指標。
系統制動段，即要對減速度進行必要控制，以保證舒適感，又要嚴格按電梯運行速度和距離關系來控制，以保證平層精度。系統轉速降至120r/min之前，使兩者到兼顧，采取以加速度對時間控制為主，同時每一制動距離上實際轉速與理論轉速偏差來修正加速度給定曲線方法。例如距離平層點某一距離L處，速度應降為 Vm/s，而實際轉速高為V′m/s，則說明所加制動轉距不夠，計算出此處給定減速度值-ag后，使其再加上一個負偏差ε，此處減速度給定值修正為-（ag+ε）使給定減速度與實際速度負偏差加大，加大了制動轉距，使速度很快降到標準值，當電動機轉速降到120r/min 以后，此時轎廂距平層十幾厘米，電梯運行速度很低，為防止未到平層區就停車現象出現，以使電梯能較快進入平層區，此段采用比例調節，并采用時間優化控制，以保證電梯準確及時進入平層區，以達到準確可靠平層。
4.2電梯控制構成
電梯運行是樓層和轎廂呼叫信號、行程信號進行控制，而樓層和轎廂呼叫是隨機，，系統控制采用隨機邏輯控制。即以順序邏輯控制實現電梯基本控制要求基礎上，隨機輸入信號，以及電梯相應狀態適時控制電梯運行。另外，轎廂位置是由脈沖編碼器脈沖數確定，并送三菱PLC計數器來進行控制。同時，每層樓設置一個接近開關用于檢測系統樓層信號。
為便于觀察，對電梯運行方向以及電梯所樓層進行顯示，采用LED和發光管顯示，而對樓層和轎廂呼叫信號以指示燈顯示(開關上帶有指示燈)。
提高電梯運行效率和平層精度，系統要求三菱PLC能對轎廂加、減速以及制動進行有效控制。轎廂實際位置以及交流調速系統控制算法來實現。電梯運行安全，系統應設置可靠故障保護和相應顯示。采用三菱PLC實現電梯控制系統由以下幾個主要部分構成。
4.2.1三菱PLC控制電路：
三菱PLC接收來自操縱盤和每層呼梯召喚信號、轎廂和門系統功能信號以及井道和變頻器狀態信號，經程序判斷與運算實現電梯集選控制。三菱PLC輸出顯示和監控信號同時，向變頻器發出運行方向、啟動、加/減速運行和制動停梯等信號。
4.2.2電流、速度雙閉環電路：
變頻器本身設有電流檢測裝置，由此構成電流閉環；和電機同軸聯接旋轉編碼器，產生a、b兩相脈沖進入變頻器，確認方向同時，利用脈沖計數構成速度閉環。
4.2.3位移控制電路：
電梯作為一種載人工具，位勢負載狀態下，除要求安全可靠外，還要求運行平穩，乘坐舒適，停靠準確。采用變頻調速雙環控制可基本滿足要求，利用現有旋轉編碼器構成速度環同時，變頻器PG卡輸出與電機速度及電梯位移成比例脈沖數，將其引入三菱PLC高速計數輸入端口，累計脈沖數，經式（1）計算出脈沖當量，由此確定電梯位置。電梯位移
h=SI
式中
I—累計脈沖數；
S—脈沖當量；
S = plD / (pr) （1）
l—減速比；
D—牽引輪直徑；
P—旋轉編碼器每轉對應脈沖數；
r—PG卡分頻比。
4.2.4端站保護：
當電梯定向上行時，上行方向繼電器、快車輔助接觸器、快車運行接觸器、門鎖繼電器、上行接觸器均電吸合，抱閘打開，電梯上行。當轎廂碰到上強迫換速開關時，三菱PLC內部鎖存繼電器電吸合，定時器Tim10、Tim11開始定時，其定時時間長短可視端站層距和梯速設定。上強迫換速開關動作后，電梯由快車運行轉為慢車運行，正常情況下，上行平層時電梯應停車。轎廂未停而繼續上行，當Tim10設定值減到零時，其常閉點斷開，慢車接觸器和上行接觸器失電，電梯停止運行。驕廂碰到上強迫換速開關后，某些原因電梯未能轉為慢車運行，及快車運行接觸器未能釋放，當Tim11 設定值減到零時，其常閉點斷開，快車運行接觸器和上行接觸器均失電，電梯停止運行。，是慢車運行快車運行，上強迫換速開關發出信號，端站其他保護開關是否動作，借助Tim10和Tim11均能使電梯停止運行，使電梯端站保護更加可靠。
當電梯需要下行，有了選梯指令，下行方向繼電器電其常開點閉合，鎖存繼電器被復位，Tim10和Tim11均失電，其常閉點閉合為電梯正常下行做好了準備。下端站保護原理與上端站保護類似不再重復。
4.2.5樓層計數：
樓層計數采用相對計數方式。運行前自學習方式，測出相應樓層高度脈沖數，對應17層電梯分別存入16個內存單元DM06～DM21。樓層計數器（CNT46）為一雙向計數器，當到達各層樓層計數點時，運行方向進行加1或減1計數。
運行中，高速計數器累計值實時與樓層計數點對應脈沖數進行比較，相等時發出樓層計數信號，上行加1，下行減1。為防止計數器計數脈沖高電平期間重復計數，采用樓層計數信號上沿觸發樓層計數器。
4.2.6快速換速：
當高速計數器值與快速換速點對應脈沖數相等時，若電梯處于快速運行且本層有選層信號，發快速換速信號。若電梯中速運行或雖快速運行但本層無選層信號，則不發換速信號。
4.2.7門區信號：
當高速計數器CNT47數值門區所對應脈沖數范圍內時，發門區信號。
4.2.8脈沖信號故障檢測：
脈沖信號準確采集和傳輸系統中顯尤為重要，為檢測旋轉編碼器和脈沖傳輸電路故障，設計了有無脈沖信號和錯漏脈沖檢測電路，實時檢測確保系統正常運行。為消除脈沖計數累計誤差，基站設置復位開關，接入三菱PLC高速計數器CNT47復位端。
5.軟件設計特點
5.1采用優先級隊列
電梯所處位置和運行方向，編程中，采用了四個優先級隊列，即上行優先級隊列、上行次優先級隊列、下行優先級隊列、下行次優先級隊列。其中，上行優先級隊列為電梯向上運行時，電梯所處位置以上樓層所發出向上運行呼叫信號，該呼叫信號所對應樓層所具有脈沖數存放寄存器所構成陣列。上行次優先級隊列為電梯向上運行時，電梯所處位置以下樓層所發出向上運行呼叫信號，該呼叫信號所對應樓層所具有脈沖數存放寄存器所構成隊列。控制系統電梯運行中實時排列四個優先級陳列，為實現隨機邏輯控制提供了基礎。
5.2采用先進先出隊列
電梯運行方向，將同向優先級隊列中非零單元(有呼叫時此單元為七零單元，無呼叫時則此單元為零)送入寄存器隊列(先進先出隊列FIFO)，利用先進先出讀出指令SFRDP指令，將FIFO第一個單元中數據送入比較寄存器。
5.3采用隨機邏輯控制
當電梯以某一運行方向接近某樓層減速位置時，判別該樓層是否有同向呼叫信號(上行呼叫標志寄存器、下行呼叫標志寄存器、有呼叫請求時，相應寄存器為l，否則為0)，如有，將相應寄存器脈沖數與比較寄存器進行比較，如相同，則該樓層減速停車：不相同，則將該寄存器數據送入比較寄存器，并將原比較寄存器數據保存，執行該樓層減速停車。該動作完畢后，將被保存數據重新送入比較寄存器，以實現隨機邏輯控制。
5.4采用軟件顯示
系統利用行程判斷樓層，并轉化成BCD碼輸出，硬件接口電路以LED顯示。
5.5對變頻器控制
三菱PLC隨機邏輯控制要求，可向變頻器發出正向運行、反向運行、減速以及制動信號，再由變頻器一定控制規律和控制算法來控制電機。同時，當系統出現故障時，三菱PLC向變頻器發出信號。
結束語采用MIC340電梯專用變頻器構成電梯控制系統，可實現電梯控制智能化，但候梯和電梯轎內人到達各層人數是智能電梯無法確定，采用AITP人工智能系統，傳輸交通客流信息也是模糊，為解決電梯這一垂直交通控制系統兩大不可知因素，需要我們今后工作中去不斷研究和探索。