杭州西门子一级代理商CPU供应商

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水电厂压缩空气系统根据用气设备气压的高低分为低压系统(0.8MPa，供气对象是：调相压水、机械制动、蝶阀及检修密封围带充气、风动工具、拦污栅防冻清污等等)和高压系统（供气对象是：油压装置压力油箱补气、气动高压开关操作等等），它由空压机、储气罐、输气管、测量控制元件等组成，本文仅介绍控制过程相对复杂的有“无载启动及排污电磁阀”的采用水冷式空气压缩机的低压压缩空气装置的S7-200PLC控制系统。

1.压缩空气装置自动控制系统的任务与要求

1.1自动向压缩空气储气罐充气，维持储气罐在规定的压力范围内，即当储气罐气压降到下限压力（例如0.7 MPa）时，起动工作空压机，当气压过低(例如0.62 MPa)时还要起动备用空压机；当气压储气罐回升到上限压力(例如0.8 MPa)时，工作空压机和备用空压机停机，为确保，当储气罐的气压过高(0.82 MPa)时，一方面使空压机停机，另一方面还发出报警信号；

1.2不论工作空压机还是备用空压机在起动过程中，须自动开起冷却水，并自动延时54秒关闭空压机的“无载启动及排污电磁阀”，在其停机过程中须自动停止供给冷却水并自动开起空压机的“无载启动及排污电磁阀”排除气水分离器中的凝结油水；

1.3不论工作空压机还是备用空压机，如果其运行时间过25分钟，自动打开“无载启动及排污电磁阀”18秒排除冷凝油水。

2.压缩空气装置自动控制系统硬件配置

系统设置S7-200PLC一台，并可模拟量输入；储气罐设压力传感器；1#、2#空压电动机的电源投入接触器由Q0.0、Q0.3控制；1#、2#空压机“冷却阀”和“无载阀”分别由各自的ZT电磁铁控制，Q0.1、Q0.2、Q0.4、Q0.4置高电位接通其ZT电磁铁的开启线圈，Q0.1、Q0.2、Q0.4、Q0.4置低电位接通其ZT电磁铁的关闭线圈。注意定期切换工作空压机与备用空压机。

扫描程序简要说明如下：清空累加器AC0，传送储气罐压力传感器模拟量数值至AC0，考虑压力为0.85MPa时满刻度，AC0中的数值由整数转成双整数，再转成实数，除以32000后乘以85，四舍五入转成双整数，再转成整数，传送至VW20，若此值小于等于70（即储气罐气压降到下限压力0.7 MPa），Q0.0、Q0.1、Q0.2置位，Q0.0使1#D运行，Q0.1开启1#冷却阀，Q0.2开启1#无载阀，并启动计时器T37，54秒后Q0.2复位关闭1#无载阀，储气罐气压应上升，计时器T38记录1#D运行时间，达1500秒（25分钟）Q0.2置位开启1#无载阀排污，计时器T39计时，18秒后Q0.2复位关闭1#无载阀；若由于特殊情况（例如用气量陡增或1#空压机组故障）储气罐气压降到过低值0.62 MPa，则VW20中的数值小于等于62，Q0.3、Q0.1、Q0.5置位，Q0.3使2#D运行，Q0.4开启2#冷却阀，Q0.5开启2#无载阀，并启动计时器T40，54秒后Q0.5复位关闭2#无载阀，储气罐气压应上升，计时器T41记录2#D运行时间，达1500秒（25分钟）Q0.5置位开启2#无载阀排污，计时器T42计时，18秒后Q0.5复位关闭2#无载阀；一台或两台空压机组的工作使储气罐气压回复到上限值0.8 MPa，VW20中的数值大于等于80，Q0.0、Q0.3复位停止1#D或2#D，同时Q0.1、Q0.4复位关闭水冷式空压机的冷却水，同时Q0.2、Q0.5置位打开无载阀排污；若储气罐气压过高达0.82 MPa，VW20中的数值大于等于82，Q0.6置1开起声音报置。

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控制，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。

１．油压装置自动化的必要性与控制要求

油压装置在水电厂是重要的水力机械辅助设备，其作用是产生并贮存高压油，是机组启动、停止、调节出力之能源；若水轮机蜗壳进口之前设有蝴蝶阀，也是其操作能源；压力油槽油压事故降低时水轮发电机组将危险地失控，应有防护措施。油压装置的特别重要性与现代化滚滚洪流决定了油压装置用实现自动化的必要性。

油压装置自动化，应满足下列要求；

①水轮机组在正常运行或在事故情况下，均应保证有足够的压力油量供机组及蝴蝶阀操作之用，应考虑在厂用电消失时有一定能源储备。此要求可通过选择足够的压油槽容积与适当的控制程序来解决。

②不论水力机组处于运行还是停机状态，油压装置均应处于准备工作状态，亦即油压装置的自动控制是立进行的，是由本身条件――压油槽中油压信号来实现自动化的。

③在水力机组操作过程中，油压装置的投入是自动进行的，不需值班人员的参与。具体地说，当压油槽油压下限(例如3.75MPa)时，启动工作镙杆油泵补油，压力提升至油压额定值(例如4.00MPa)时停止工作油泵。

④油压装置应设有用的油泵电动机组，当工作镙杆油泵发生故障或者操作用油量急剧增长而造成压油槽油压过低(例如3.60MPa)时，启动备用镙杆油泵补油，压力提升至油压额定值(例如4.00MPa)时停止备用油泵，压油槽油压过低要备用油泵投入时应发出报警信号。

⑤当油压装置发生各种故障而造成压油槽油压下降至事故低油压(例如2.70MPa)时，应迫使水轮发电机组事故停机，事故停机时应发出报警信号（在主机控制程序中也应考虑）。注意这里启动主机事故停机之压油槽事故低油压值的整定应比可操作水轮机组的小油压值大出一定量值，确保水轮机导叶在油压“崩溃”前能够全关，另外负曲率导叶的采用有利于这一问题的改善。

⑥油压装置压油槽应选择合适的油气体积比Ｋ，经验证明一般取１∶２，这是因为Ｋ值大时，由于操作放出等体积的油量后会造成压油槽油压大的下降：今设压油槽容积为Ｖ，其中油占ＫＶ/（１＋Ｋ）；气体占Ｖ/（１＋Ｋ），又设P、（P-ΔP）是放出ΔV体积油量前后的压油槽油压，代入玻意耳定律得：PＶ/（１＋Ｋ）＝（P-ΔP）[Ｖ/（１＋Ｋ）+ΔV]，从而ΔP=PΔV／［Ｖ/（１＋Ｋ）+ΔV]，显然K越大，ΔP将越大。另一方面，K太小，将没有足够的压力油量，此处可结合①点考虑。在油压装置运行中，由于微量气体不断地“溶”于油中，较长时间后会造成K值增大，为此我们应引用高压空气自动实行缺失补气(为相对“干燥”故，可考虑多级压力供气)。具体地说，当压力油槽油位上升至34%刻度并且油压下降至3.95 MPa时，打开可控气阀向压油槽补气；当油压上升至4.05 MPa、或者压力油槽油位降至31%刻度时关闭可控气阀停止补气。

⑦“补油”与“补气”两个进程互相联锁，即“补油”时不“补气”；“补气”时不“补油”。

⑧为使得“工作油泵”、“备用油泵”的总运行时间不致相差悬殊，引入“轮岗”思想，考虑工作油泵运行次数多于备用油泵运行次数达88次后轮换“工作油泵”与“备用油泵”的角色，此可巧妙利用西门子SWAP指令实现。

２．可编程控制器控制系统的硬件设计

可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller）经过近40年的发展与完善，已成为重要、、应用场合广泛的工业控制微型计算机。它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLC具有诸多优点：（1）性高；（2）编程方便、易于使用；（3）控制功能强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。（4）的扩展及与外部联接为方便。基于此，我们用PLC控制水电厂油压装置，西门子（中国）有限公司参与了三峡工程一些重要的子项目：如左岸发电站6台发电机和水轮机组励磁调速装置和50万伏主变压器，其中西门子（中国）有限公司自动化与驱动部与国内系统集成商和设备制造商合作，参与了临时船闸、船闸、大坝和电站厂房二期工程中的液压启闭机现地控制站和部分门桥机以及左岸电站厂房、泄洪坝段和船闸低压配电系统等项目，西门子（中国）有限公司提供了、、的技术和控制设备，包括复杂的双线船闸控制系统自2003年6月投入以来，一直运行正常，发生过任何系统控制上的问题，充分体现了西门子控制系统的高质量、高性和高稳定性[1]，在此我们选用西门子PLC。

系统控制两台补油镙杆油泵电动机组（一台工作一台备用）、一只补气电磁阀(其ZT电磁铁有开启和关闭两个线圈，可不带电工作)、一只油压过低报警指示灯、一只油压事故低报警指示灯。系统有1个压油槽油压测量输入点（模拟量输入）、1个压油槽油位测量输入点（模拟量输入）、1个启动按钮SB1的输入（开关量）、1个停止按钮SB2的输入（开关量）；2个补油油泵电动机组的输出（开关量）、１个补气电磁阀开启线圈的输出（开关量）、１个补气电磁阀关闭线圈的输出（开关量）、１个油压过低报警指示灯的输出（开关量）、１个油压事故低报警指示灯的输出（开关量）。合计整个系统需要开关量输入2点，开关量输出6点，模拟量输入２点。

从下表1[2]中可找出满足我们要求的型号，即选择CPU222主机（８点开关量输入/６点开关量输出，能向扩展模块提供的DC5V输出电流是340mA，DC24V电源所提供的大电流为400 mA）；参考表2[2]另选择EM231模拟量输入模块（4路模拟量输入，消耗DC5V电流为10 mA）一块；再选择国产AK-4型量程5Mpa、输出信号4～20mA、输出接口为RS485的压力变送传感器[3]２只（1只投入运行1只作物理备用）及承压油位传感器1只(例如MSL-A隔离式液位变送器[3]采用进口的隔离膜片的敏感组件加放大电路，输出4～20mA二线制标准信号，封装于不锈钢外壳中)，共同组成硬件系统，传感器的电源应以不载为原则作考虑，此处略叙。

表格 1 S7-200PLC处理单元参数

表格 2 S7-200PLC模拟量扩展模块参数

选择好硬件以后我们可以来分配输入输出点(见表3)。
表格 3 S7-200PLC输入输出点分配


3．可编程控制器控制系统的程序设计

3.1 当测得压力油罐压力达到量程值5MPa时，AK-4型压力变送器的电流为20mA，AIW0的数值约为32767。每毫安对应的A/D值约为32767／20，测得压力为0.1MPa时，AK-4型压力变送器的电流应为4mA，A/D值约为（32767／20）×4＝6553.4。被测压力为0.1～5 MPa时，AIW0的对应数值约为6553.4～32767，由此得出1KPa对应的A/D值大约为（32767－6553.4）／（5000－100）＝5.35，由此得出AIW0的数值转换为实际压力值（单位为KPa）的计算公式为：

VW0的值＝[（AIW0的值－6553）／535]*100＋100 （单位：KPa）


3.2 控制程序流程示意图见图1，此图也可不绘。

3.3 由以析得出控制程序如下:
LD Ｉ0.0
A SM0.1
MOVB 1，VB2000
MOVB 0，VB2001
LD Ｉ0.1
R Q0.0，2
＝ Q0.3
LD SM0.1
MOVW 4050，VW4
MOVW 4000，VW6
MOVW 3950，VW8
MOVW 3750，VW10
MOVW 3600，VW12
MOVW 2700，VW14
MOVW 31%油位刻度值，VW18
MOVW 34%油位刻度值，VW20

LD SM0.0
MOVW AIW0，VW0
－I 6553，VW0
／I 535，VW0
＊I 100，VW0
＋I 100，VW0
MOVW AIW2，VW2

LDW＜＝ VW0，VW10
＝ M30.0 //要求“工作油泵”投入的标志
LDW＜＝ VW0，VW12
＝ M30.1 //要求“备用油泵”投入的标志

LD M30.0
A V2000.0
AN Q0.2
＝ Q0.0 //1#油泵作“工作油泵”投入
LD M30.1
A V2000.0
AN Q0.2
＝ Q0.1 //2#油泵作“备用油泵”投入

LD M30.0
A V2001.0
AN Q0.2
＝ Q0.1 //2#油泵作“工作油泵”投入
LD M30.1
A V2001.0
AN Q0.2
＝ Q0.0 //1#油泵作“备用油泵”投入

LD M30.0
A V2000.0
LD M30.1
A V2000.0
LD V2001.0
CTUD C254，88
LD C254
SWAP VW2000 //VB2000与VB2001互相交换内容

LD M30.0
A V2001.0
LD M30.1
A V2001.0
LD V2000.0
CTUD C255，88
LD C255
SWAP VW2000 //VB2000与VB2001互相交换内容

LDW＞＝ VW0，VW6
R Q0.0，2

LD M30.1
＝ Q0.4 //油压过低报警指示灯D1亮

LDW＜＝ VW0，VW14
＝ V500.0 //油压事故引出至水力发电机组事故停机
＝ Q0.5 //油压事故低报警指示灯D2亮

LDW＞＝ VW2，VW20
AW＜＝ VW0，VW8
AN Q0.0
AN Q0.1
R Q0.3
S Q0.2 //补气电磁阀开启线圈QK励磁
LDW＜＝ VW2，VW18
OW＞＝ VW0，VW4
R Q0.2
S Q0.3 //补气电磁阀关闭线圈QG励磁

4．总结

油压装置自动化是十分必要的，分析油压装置得出控制要求后，我们可确定PLC系统的I/O点数与硬件，进而绘出程序流程图（系统简单也可不示出）并编制程序