南京西门子中国授权代理商通讯电缆供应商

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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，也大地促进了电梯控制技术的进步, 大量的控制技术应用于电梯系统, 使得电梯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性高，结构显得加紧凑。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，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。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。

 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电梯变频器，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.，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卡脉冲数及电机数输入至变频器，然后启动变频器，使电机空载运转，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、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自动上升至三层待命，一号电梯则作为基站电梯在层楼待命。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能够运用于两台电梯的联动

制，具有较好的兼容性，并且可以达到稳定的性能。该系统很容易实现实现多台, 具有广阔的应用前景

在PLC系统设计时，应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体。

在PLC系统设计时，应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，后选择有较价格比的PLC和设计相应的控制系统。

一、输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展

余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

二、存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 PLC存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

三、控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

(一)运算功能

简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。

(二)控制功能

控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

(三)通信功能

大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。

PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合标准，通信距离应满足装置实际要求。

PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）PLC网络（各厂商的PLC通信网络）。 PLC为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。

(四)编程功能

离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

(五)诊断功能

PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

(六)处理速度

PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。

四、机型的选择

(一)PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

(二)输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。

考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

(三)电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二管或熔丝管隔离。

(四)存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为**应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量大，档次高的存储器。

(五)冗余功能的选择

1．控制单元的冗余

(1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。

(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。

2．I/O接口单元的冗余

(1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。

(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。

(六)经济性的考虑

选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

1、重视安装

提高PLC控制系统性是一项长期、持久的工作。，施工和安装是非常重要的环节，严格把关，这样可减少投产故障率。其次，要**检修质量，特别是技改线路改动和系统改造，是目前的当务之急。否则，几年的系统改造后，大量线路的换，线号丢失及程序变，该记录备份的没有做记录等。致使维护工作量加大，性得不到**。这一项是人们易疏忽的，必需引起高度重视。

2、老化筛选法

通常我们用“老化筛选”的方法，就是结束“早期”，延长“偶然期”，“损耗期”及时换来提高PLC系统的性。该方法主要用于不可修复元件。PLC控制系统的失效率是与时间有关。我们将设备元件的故障率y(t)随时间变化划分为三个时期进行分析，如图2所示。这种变化曲线通常称故障率曲线也称为浴盆曲线。

(1)早期故障较高(O～t0期间)。主要是由于系统内在设计错误、元器件质量、安装和工艺缺陷等不合理原因引起，但随时间的增加故障率降低。这一时期的主要任务是尽早找出不的因素使系统尽快稳定下来。

(2)偶然期故障期(t0～t1期间)比较稳定，也可称为随机故障期。此时期故障是随机发生的，系统的故障率而且稳定，可视为常数。这一时期是系统的状态期，在运行中应以加强维护延长这段时期的时间，应做好定期检修和维护工作。

(3)损耗期(t1之后)故障率上升，这是因为常时间以来构成系统的某些零件已经老化耗损，寿命衰竭机械和电气磨损以及绝缘的老化所引起。在这段时期中大部分元件要开始失效。如能事先知道损耗开始的时间，事先换元器件，延长系统的有效寿命。推迟耗损故障期的到来。

3、PLC控制系统的设计方法

尽管PLC的运行是、的，作为一个系统来说，稳定仍然是不可忽视的问题.系统设计要充分利用PLC的特点，使PLC的运行能真正达到、。

(1)硬件保护。主要包括：联锁保护、限位保护和急停保护等。

(2)软件保护。主要包括：联锁保护、限位保护、保护和自检保护等。PLC是利用存储程序进行控制，用存储的程序进行安装保护，也可以使其只执行正确的操作，而拒绝错误的命令。软件保护主要利用自检信息及时发现隐患，故障;也可针对工程的特点，自编诊断程序而排除故障，以确保PLC、稳定、运行。

4、PLC控制系统性的管理

1。人的管理

随着科技的发展，自动化的科学含量不断的提高。这将对工作人员的素质提出高的要求。工作人员不但要熟悉设备情况、检修、规划和设计等;而且还要懂得计算机以及具有一定技术水平。因此，从人员的培训力度、培训方式和培训内容等着手。不断提高工作人员的业务素质和思想素质，才能胜任其工作岗位。

2.维护管理

PLC控制系统的性，其主要因素还是要做好后期的维护管理工作，维护设备主要部位：供电电源，外部环境、安装状态、电源(Ps)、处理单元(CPU)、信号模板(SM)及寿命元件输人、输出中间继电器等外围设备等。

    PLC不仅需要高的PLC编程语言，同时也需要硬件结构，其硬件结构主要分单元式和模块式两种。前者将PLC 的主要部分（包括I/O 系统和电源等）全部安装在一个机箱内。后者将PLC 的主要硬件部分分别制成模块，然后由用户根据需要将所选用的模块插入PLC 机架上的槽内，构成一个PLC 系统。不管是哪一种硬件结构，都要给每一个输入/输出点以明确的确立这种对应关系所采用得方式称为I/O 寻址方式。那么什么是I/O寻址方式，又什么是I/O 响应时间呢？

，I/O寻址方式有以下三种：

1，固定的I/O 寻址方式

这种I/O 寻址方式是由PLC 制造厂家在设计、生产PLC 时确定的，它的每一个输入/输出点都有一个明确的固定不变的地址。一般来说，单元式的PLC 采用这种I/O寻址方式。

2，开关设定的I/O 寻址方式

这种I/O 寻址方式是由用户通过对机架和模块上的开关位置的设定来确定的。

3，用软件来设定的I/O 寻址方式

这种I/O 寻址方式是有用户通过软件来编制I/O 地址分配表来确定的。

二，PLC 的I/O 响应时间

为了增强PLC 的抗干扰能力，提高其性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC 得I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至长。

  Plc广泛用于工业领域，在工业上有着重要的地位。Plc的广泛运用同时也要求plc编程需要得到进一步的研发和，从而推动plc功能性的完善。

在生产过程中，plc系统一直被人们所推崇，不仅是因为其plc编程的，同时很大一个原因是因为其系统有着性，用PLC实现对系统的控制是非常的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能工作。事实上，如果PLC工作不，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。

，硬件方面：

PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。

PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其工作提供了物质基础。

在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80--90度。

有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。

还有进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，终输出取决于三者中的多数决定的。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。

二，软件方面

PLC的工作方式为扫描加中断，这既可**它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的"冒险竞争"，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能地工作。

为监控PLC运行程序是否正常，在利用plc编程的同时，PLC系统都设置了""监控程序。运行用户程序开始时，先清""定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若时（一般不过100ms），则报警。严重时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个""监控程序，可**PLC用户程序的正常运行，可避免出现"死循环"而影响其工作的性。

PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。

PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过plc编程编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系