東南大學(xué)自動化學(xué)院 包金明 談英姿

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院 馬然

摘要:詳細介紹了通過脈沖計數(shù)的方式實現(xiàn)10層電梯位移控制的機理册养。其中东帅，首先介紹了10層電梯控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件實現(xiàn)以及脈沖選層的原理修梭；之后分析了Rockwell的CompactLogix系列PLC的工作方式及系統(tǒng)的通訊方式茴茁、軟件組態(tài)和變頻器的PLC控制方式，并介紹了用于實現(xiàn)脈沖計數(shù)的硬件電路的設(shè)計纸级；最后通過對實驗結(jié)果的分析泣奏，探討了影響電梯平層精度的因素并提出了相應(yīng)的改進措施。實驗表明基于CompactLogix控制器的電梯控制系統(tǒng)采用脈沖計數(shù)方式可取得較高的平層精度宴宠。

關(guān)鍵詞:可編程控制器　變頻器 脈沖計數(shù)　電梯控制系統(tǒng)　位移控制　平層精度

1 　引言

　　本系統(tǒng)是一套10層模擬電梯控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)實際電梯的基本功能澳券。最初為了實現(xiàn)電梯的樓層檢測、換速及平層停車的控制碾危，是通過在井道內(nèi)每一樓層裝設(shè)上下?lián)Q速乎渊、平層擋光板并在轎廂上安裝光電傳感器的方式^[1]來實現(xiàn)的。實驗表明丛铅，這種方法由于擋光板和光電傳感器的安裝位置崩蚀、相對距離等有誤差零短，使電梯運行時常發(fā)生機械故障，并且由于擋光板有一定的寬度涎拉，造成平層精度不高瑞侮。改用脈沖計數(shù)的方式不僅能實現(xiàn)對電梯的速度控制，還能在不增加任何硬件的情況下對電梯實現(xiàn)位移閉環(huán)控制鼓拧，同時提高了電梯平層精度半火。本文將以Rockwell的CompactLogix L31控制器和PowerFlex 70變頻器為例，介紹利用PLC季俩、變頻器及脈沖計數(shù)電路進行位移控制的電梯控制系統(tǒng)钮糖，分析影響電梯平層精度的因素并提出改進措施。

2 　電梯控制系統(tǒng)介紹

2.1 　電梯控制系統(tǒng)硬件組成及軟件實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)采用集選控制方式酌住，由電力拖動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成店归。電力拖動系統(tǒng)主要包括電梯垂直方向主拖動電路和轎廂開關(guān)門電路，其中電梯垂直方向主拖動電路由變頻器控制的三相異步電動機作為拖動動力源酪我，轎廂開關(guān)門電路則采用易于控制的直流電動機作為拖動動力源消痛；電氣控制系統(tǒng)由眾多呼叫按鈕、指示燈都哭、LED 7段數(shù)碼管和光電編碼盤秩伞、脈沖計數(shù)電路、變頻器以及控制部分的核心器件PLC等組成质涛。PLC集信號采集拭兢、信號輸出和邏輯控制于一體，與電梯電力拖動系統(tǒng)一起實現(xiàn)了電梯控制的所有功能胯炊。電梯控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1孟掺。

圖1 電梯控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　電梯的軟件設(shè)計由若干個功能模塊組成，每個功能模塊由相應(yīng)子程序?qū)崿F(xiàn)回东，再由主程序分別調(diào)用子程序喂搬。主要包括以下幾個子程序：樓層檢測、指示燈顯示成吓、手動/自動開關(guān)門控制熙拐、轎廂內(nèi)外呼梯記錄、呼梯優(yōu)先級判斷切咸、變頻器控制搏翎、電梯運行控制。其中最關(guān)鍵部分包括兩點：一是對多個呼梯信號進行優(yōu)先級判斷玲崩，根據(jù)順向最近優(yōu)先響應(yīng)吸辽、逆向最遠優(yōu)先響應(yīng)的原則實現(xiàn)電梯正確響應(yīng)呼梯；二是準確進行樓層檢測盟步，動態(tài)判斷電梯所在樓層藏斩、換速及平層位置(由于篇幅限制,具體程序不再給出)躏结。

2.2 　電梯控制系統(tǒng)脈沖選層控制原理

2.2.1 　利用脈沖計數(shù)實現(xiàn)電梯位移控制

將一增量式光電編碼盤^[2]與電機同軸安裝，電梯上下運行時狰域，碼盤以與電機同樣的角速度轉(zhuǎn)動媳拴，產(chǎn)生A ,B 兩路相位相差90°的脈沖，通過判斷A ,B 的超前滯后關(guān)系確定電梯運行方向兆览。每個脈沖對應(yīng)井道中電梯所走的平均距離l 及電梯每層對應(yīng)的平均脈沖數(shù)N 計算如下：

　　式中：D為限速器繩輪直徑屈溉，為28.5mm；P為碼盤旋轉(zhuǎn)一周對應(yīng)的脈沖值拓颓，為1200p(p為脈沖單位)语婴；L為電梯平均每層距離，為160mm驶睦。將D , P , L 分別代入式(1)、式(2)中匿醒，可計算得l≈0.0746 mm/p场航，N≈2145p。

　　電梯全程的每一個位置對應(yīng)一個脈沖計數(shù)值抢妈，10層全部脈沖值(包括頂層和底層的平層位置到上下限位開關(guān)之間的距離所對應(yīng)的脈沖值)約為20149p呼笨，根據(jù)電梯各個位置對應(yīng)的位移和每個脈沖對應(yīng)井道中電梯所走的平均距離l可以計算出相應(yīng)的脈沖數(shù)，通過比較判斷所記錄的脈沖數(shù)就可實現(xiàn)電梯的位移閉環(huán)控制栖俐。由l的值可以看出肪吁，采用脈沖計數(shù)方式實現(xiàn)電梯的位移控制可以得到很高的控制精度。

2.2.2 　脈沖計數(shù)的兩種實現(xiàn)方式

　　通過計算輸入脈沖數(shù)檢測電梯轎廂位置肥寺，可以有2種計數(shù)方式：絕對計數(shù)方式和相對計數(shù)方式获踏。絕對計數(shù)指采用絕對坐標累計所有樓層脈沖數(shù)，每一層都對應(yīng)唯一的脈沖數(shù)糯敢，這樣會占用較多的存儲空間行贤。相對計數(shù)方式指采用相對坐標進行計數(shù)，每次從平層點開始計數(shù)到下一平層點瞎弥，然后計數(shù)器復(fù)位播瓦，每一層均從該層層高對應(yīng)脈沖值開始加/減計數(shù)。采取這種方式可以節(jié)省存儲空間祝鞍，但是可能出現(xiàn)亂層現(xiàn)象众琼，需要在每一層的平層處增加傳感器等硬件發(fā)出復(fù)位信號或通過編制程序以避免亂層現(xiàn)象發(fā)生。由于電梯加工精度不高椰弊，每一樓層對應(yīng)脈沖數(shù)可能不同许溅，綜合考慮后本套模擬電梯控制系統(tǒng)采用了絕對計數(shù)方式。

3 　系統(tǒng)實現(xiàn)位移控制的分析

3.1 　CompactLogix系列控制器的工作方式及編程環(huán)境

　　本系統(tǒng)是由1個CPU模塊男应、1個電源模塊闹司、3個數(shù)字量輸入模塊娱仔、4個數(shù)字量輸出模塊和1個PowerFlex 70變頻器構(gòu)成的電梯控制系統(tǒng)。其中PLC采用CompactLogix L31控制器,它屬于CompactLogix系列游桩，是Rockwell目前主推的Logix控制平臺^[3,4]中的一款中型PLC牲迫。其具體工作方式^[4～6]分析如下。

　　(1) 控制器采用具有優(yōu)先級的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)借卧，支持8個可組態(tài)任務(wù)盹憎。其中有一個連續(xù)性任務(wù)，其他為周期性任務(wù)或事件性任務(wù)(優(yōu)先級為1～15铐刘，數(shù)字小的優(yōu)先級高)陪每，每個任務(wù)又包括若干程序以實現(xiàn)邏輯控制。

　　(2) Logix系統(tǒng)中設(shè)備之間通過“連接(connection)”或者“非連接的信息交換(unconnected message)”兩種方式進行數(shù)據(jù)通訊镰吵。CompactLogix系統(tǒng)使用“連接”傳送I/O數(shù)據(jù)檩禾，對于本地I/O模塊，控制器都會和每個模塊分別建立一個直接連接旁班，即控制器與I/O模塊之間建立一種實時數(shù)據(jù)傳送鏈路郎汪。

　　(3) 系統(tǒng)本地框架中的數(shù)字量輸入模塊采取多信道廣播數(shù)據(jù)(循環(huán)數(shù)據(jù)交換)的工作方式切威。由RPI(requested packet interval)指定模塊多信道廣播(multicast)其數(shù)據(jù)的速率趴鹰，如果在RPI時間幀內(nèi)沒有改變狀態(tài)COS(change of state)發(fā)生虎疗，模塊就按RPI指定的速率來多信道廣播數(shù)據(jù)，否則將改變后的狀態(tài)按RPI發(fā)送兰险。對于系統(tǒng)本地框架中的數(shù)字量輸出模塊骇俏，控制器會分別按RPI和在任務(wù)執(zhí)行結(jié)束時將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)模塊。RPI設(shè)定值范圍為1～750ms脚培，但它會受系統(tǒng)本地框架中擴展I/O模塊數(shù)量的影響北郁，一般情況下，1～4個模塊RPI最快為1.0 ms,5～16個模塊RPI最快為1.5ms,17～30個模塊RPI最快為2.0ms蝴趾。

　　(4) 控制器使用一個優(yōu)先級為7的任務(wù)專門用來處理I/O數(shù)據(jù)勋酿。這個周期性任務(wù)按RPI執(zhí)行,只有優(yōu)先級高于7的任務(wù)方可中斷處理I/O數(shù)據(jù)。即I/O的更新同邏輯的執(zhí)行過程異步進行,這便于應(yīng)用系統(tǒng)盡可能收到更新信息愿味。CompactLogix系列控制器的編程環(huán)境采用RSLogix 5000^[7]博个。

3.2　控制系統(tǒng)的通訊方式及軟件組態(tài)

　　CompactLogix L31控制器通過RS232串行口、采用DF1全雙工通訊協(xié)議實現(xiàn)控制器與PC 的點對點通訊功偿。連接好硬件線路后,利用RSLinx軟件來對鏈接工作站和控制器的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)通訊驅(qū)動程序,實現(xiàn)控制器與PC的通訊盆佣。可以通過RSLinx的自動組態(tài)功能實現(xiàn)控制器型號械荷、波特率共耍、校驗、停止位、錯誤檢測等的自動組態(tài)痹兜。本系統(tǒng)中對于CompactLogix L31控制器所帶的兩個RS232串行口,采用其中的完全隔離端口(通道0),如果采用控制器的非隔離端口(通道1),需要在控制器與終端設(shè)備之間安裝隔離器^[5,6]穆咐。

3.3 變頻器的組態(tài)及PLC控制

　　通過變頻器的LCD HIM(液晶顯示人機接口)進行相關(guān)參數(shù)的組態(tài)，變頻器的組態(tài)包括：組態(tài)變頻器的輸入電壓字旭，設(shè)置電動機的額定數(shù)據(jù)(額定電壓对湃、額定電流、額定轉(zhuǎn)速遗淳、額定功率等)及加/減速的斜坡時間拍柒，優(yōu)化電機轉(zhuǎn)矩，設(shè)置變頻器的最大/小頻率及七組預(yù)置頻率值止既，設(shè)置變頻器的方向模式等柔朽。

　　變頻器的PLC控制是通過PLC的輸出模塊控制變頻器的數(shù)字IO端子塊實現(xiàn)的。PLC的數(shù)字量輸出模塊與變頻器的數(shù)字IO端子塊的接線如圖2所示核瘤。圖2中精杜，PLC數(shù)字量輸出模塊1769-OB16的電源端+VDC接24V直流電源的正極、DC COM端接24V直流電源的負極并與PowerFlex 70變頻器數(shù)字I/O端子塊的8號接線端(數(shù)字輸入公共端)短接涉泡。PLC數(shù)字量輸出模塊的OUT0～OUT5輸出接線端分別與變頻器數(shù)字I/O端子塊的1#～6#接線端連接筑渴，實現(xiàn)PLC對變頻器的控制。圖2中少炎，變頻器數(shù)字I/O端子塊1#～6#接線端對應(yīng)的參數(shù)名稱和組態(tài)信息如表1所示。PLC數(shù)字量輸出模塊的OUT3前挡、OUT4峡审、OUT5(與變頻器數(shù)字I/O端子塊的4、5屎谆、6接線端相對應(yīng))輸出狀態(tài)的不同組合對應(yīng)七組預(yù)置頻率中的不同值拨聚，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。這樣PLC可以根據(jù)轎廂當(dāng)前樓層與要達到的樓層間的距離向變頻器發(fā)送不同的頻率命令琐览。

圖2 PLC數(shù)字量輸出模塊與變頻器數(shù)字IO端子塊間的接線圖

表1 與變頻器數(shù)字I/O端子號對應(yīng)的參數(shù)信息

表2 PLC OUT3丑瞧、OUT4、OUT5選通與預(yù)設(shè)頻率間的對應(yīng)關(guān)系

3.4 　脈沖計數(shù)的實現(xiàn)

　　由于傳統(tǒng)PLC的I/O控制采取集中輸入蜀肘、集中輸出的方式,所以對于寬度小于掃描周期的脈沖信號必須采用高速計數(shù)器來實現(xiàn)脈沖計數(shù),否則可能會丟失大量的脈沖信號绊汹。對于CompactLogix控制器,可通過擴展高速計數(shù)模塊(1769 HSC)實現(xiàn)脈沖計數(shù)“绯瑁考慮到CompactLogix控制器本身的I/O更新和邏輯執(zhí)行是異步進行的特點,本系統(tǒng)中自行設(shè)計了一塊計數(shù)電路板,從而代替高速計數(shù)模塊來解決高速脈沖計數(shù)的問題西乖。

　　計數(shù)電路板的計數(shù)模式為環(huán)計數(shù)模式(一般高速計數(shù)模塊的計數(shù)模式^[2]有兩種：線性計數(shù)模式和環(huán)計數(shù)模式)，計數(shù)范圍為0～+65535坛增，雙向計數(shù)获雕。脈沖計數(shù)電路板以4片74LS193芯片(高速計數(shù)芯片)為主要元件，還包括電平轉(zhuǎn)換電路、計數(shù)器復(fù)位電路等其它輔助電路届案。設(shè)計過程中為提高抗干擾能力庵楷，對于輸入信號采用了差分電路；同時為提高電路的響應(yīng)速度楣颠，電平轉(zhuǎn)換電路中的光耦采用了高速光耦尽纽。將脈沖計數(shù)電路板的輸出信號引入PLC的一塊擴展輸入模塊，通過直接讀取此模塊的輸入狀態(tài)得到對應(yīng)的脈沖數(shù)立骄，由PLC控制計數(shù)電路清零復(fù)位永努。脈沖計數(shù)電路結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 脈沖計數(shù)電路結(jié)構(gòu)圖

　　采用這種方式取代高速計數(shù)模塊,雖然硬件設(shè)計增加了系統(tǒng)的開發(fā)時間,且計數(shù)精度沒有高速計數(shù)模塊高辨埃，但實驗表明電梯仍然可以實現(xiàn)較高的平層精度散苦，取得了良好的實驗效果，并且節(jié)省了購買高速計數(shù)模塊的昂貴費用下风。

4 　實驗結(jié)果分析及改進

4.1 　實驗結(jié)果分析

　　針對本10層電梯控制系統(tǒng)奇嗽，分別編寫簡單控制程序(只實現(xiàn)計數(shù)和停車功能)和復(fù)雜控制程序(實現(xiàn)了電梯的所有基本功能)并進行多次實驗，表3給出了部分實驗數(shù)據(jù)鹤肥。其中任務(wù)與程序的最大掃描時間可通過讀取程序運行過程中的相關(guān)參數(shù)得到永音；記錄從發(fā)出停車指令到實際停車所需脈沖數(shù)并對多組數(shù)據(jù)求平均值，可得到電梯停車所需脈沖平均值冠樱；電梯快速運行時碼盤發(fā)出脈沖的周期可通過如下方式求得：編制簡短的延時程序炭箭，記錄延時時間及脈沖變化值并求得脈沖的周期，對多組實驗數(shù)據(jù)求取平均值颠舞。以電梯平層停車所需時間(可由電梯平層停車所需脈沖數(shù)乘以脈沖的周期折算得到)為例菌司，通過比較得出，影響電梯平層精度的因素除減速機齒輪嚙合間隙等機械因素外主要有以下4點：

　　(1) 脈沖計數(shù)電路的精度限制造成計數(shù)累計誤差較大粤铭；

　　(2) 電梯轎廂有慣性且變頻器響應(yīng)有延時挖胃，故電梯平層停車需要一定延時時間(t₁)；

　　(3) 雖然負責(zé)計數(shù)的輸入模塊各輸入口的狀態(tài)是按RPI不斷刷新梆惯，但是程序中對應(yīng)脈沖值只有在控制器掃描時才被刷新(刷新的最大延時時間為控制器的最大掃描時間)酱鸭，當(dāng)程序較復(fù)雜掃描時間大于脈沖寬度時，程序中讀取的脈沖數(shù)值就不是一個連續(xù)變化的數(shù)垛吗，即掃描間隔會造成一定的死區(qū)時間(t₂)；

　　(4) 從發(fā)出停車指令到輸出端口狀態(tài)的刷新存在一定的延時時間(t₃)职烧。

表3 　電梯控制系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)

　　實驗數(shù)據(jù)分析如下。

　　當(dāng)程序較簡單蚀之，掃描時間較短時捷泞，可以通過判斷單個脈沖值實現(xiàn)樓層檢測、換速及平層停車寿谴，即平層誤差可在±1個脈沖的當(dāng)量范圍，平層精度較高细咽。根據(jù)表3所列數(shù)據(jù)，電梯停車所需時間為t=t₁+t₂+t₃=t1=34×1.828=62.152ms尘忿，其中t₂= 0，t₃=0屡拥，可見電梯停車時間僅為克服電梯慣性和變頻器響應(yīng)所需時間(t₁)。但是為了使電梯控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能更為完善剩骏，往往邏輯程序較復(fù)雜掃描時間較長组伤，此時t₂监镰，t₃不為零遗秩，必須通過一個范圍來判斷脈沖值以實現(xiàn)位移控制俐芬。電梯停車所需時間為t=t₁+t₂+t₃=62.152+(37-34)×1.828=67.636ms。例如褥傍，需將2300≤Local:7:I.Data ≤2310作為樓層檢測、換速或者平層停車的判斷條件,其中Local:7:I.Data表示位于第7槽的數(shù)字量輸入模塊對應(yīng)的狀態(tài)即輸入脈沖值摔桦。

4.2 　改進措施

　　為減小累計誤差承疲，可待電梯運行到底層時，通過硬件方式將計數(shù)器清零復(fù)位燕鸽；由于t₁為一固定值，故可通過軟件程序避免由t₁帶來的平層誤差啊研。實驗表明，采取以上措施并考慮減速機齒輪嚙合間隙等機械因素的影響后党远，電梯平層精度可達±1mm削解。為了進一步提高電梯位移控制的精度，實現(xiàn)平穩(wěn)圾恐、快速、準確平層停車擂椎，必須盡可能減小t₂和t₃，本系統(tǒng)采用了以下優(yōu)化軟件程序的改進措施融卿。

　　(1)程序中適當(dāng)增加讀取擴展輸入模塊輸入狀態(tài)(Local:7:I.Data)的指令，從而盡量增加控制器對脈沖值的掃描頻率油蒙，減小刷新延時時間。

　　(2) 選取較小的RPI如1.5ms甫知。

　　(3) 采用中斷的方式增加掃描頻率。例如诡蜓，控制程序在連續(xù)性任務(wù)中實現(xiàn)而將判斷輸入脈沖值(Local:7:I.Data)的指令放到一個周期性任務(wù)中，選擇較小的周期如1.5ms蔓罚。考慮到負責(zé)處理I/O數(shù)據(jù)的周期性任務(wù)的優(yōu)先級為7豺谈，此處周期性任務(wù)的優(yōu)先級選擇1～6。

　　實驗表明茬末，采用改進的方式后電梯可以實現(xiàn)良好的運行效果，平層精度小于±0.5mm丽惭。

5 　結(jié)束語

　　采用光電編碼盤脈沖計數(shù)的方式取代井道中安裝換速擋光板的傳統(tǒng)方式，實現(xiàn)對電梯的位移閉環(huán)控制责掏，不僅提高了平層精度，而且軟件編程靈活换衬，便于實現(xiàn)全數(shù)字化控制。多層電梯平層精度的提高歪眨，除了要保證機械裝置的精度較高外简些，關(guān)鍵在于選擇合適的控制器以及對控制算法的改進痛慷，雖然采用自行設(shè)計的計數(shù)電路板代替高速計數(shù)模塊使脈沖計數(shù)的精度有些影響办溶，但由于CompactLogix系列控制器采用新的工作方式，電梯仍可實現(xiàn)較高的平層精度抠阴。以后可以嘗試采用帶工業(yè)以太網(wǎng)口的控制器(如CompactLogix L32E)，通過以太網(wǎng)代替串行通訊或者通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)控制器與工作站的通訊择绘，從而實現(xiàn)上位機對電梯的監(jiān)控或?qū)Χ嗯_電梯的群控,這也將成為繼續(xù)提高我國電梯控制水平的發(fā)展方向。

參考文獻

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