湖州西门子S7-300代理商

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1 引言

    随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高。PLC控制系统因其功能强，结构简单，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便等优点，已经取代继电器控制方式。同时，变频调速使用了先进的SPWM技术，具有优异的调速性能和起制动性能、高效率和节电效果，得到广泛的应用。本设计以五层电梯为例，说明电梯的PLC控制系统。

2 电梯控制系统结构

    电梯控制系统由PLC控制的逻辑部分和变频器控制的调速部分组成如图1所示。
 

图1 电梯控制系统结构框图

    PLC接收来自操纵盘和每层呼梯的呼叫信号、轿厢和厅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，根据随机逻辑控制的要求，向变频器发出运行方向、启动、加速、减速和制动停梯等信号。由变频器根据一定的控制规律和控制算法来控制电机。

3 PLC部分设计

3.1 I/O点的分配

    根据控制要求，计算出I/O点数如表1所示，其中输入点数为31个，输出点数为26个。输入输出信号均为开关量信号[1]。

表1 I/O点数分配

 
3.2 程序流程图
    PLC编程的思路如图2所示：
  

图2 程序流程图

图2中各部分说明如下：

（1）电梯复位       
    在系统上电以后和层楼显示有误的情况，都要把轿厢的位置恢复到层的状态； 

（2）用户输入程序段
    用户的输入包括门厅的按钮和轿厢内的按钮，用户输入后，系统会自动选择执行程序。

（3）轿厢开关门程序段
    控制轿厢的开关门。

（4）设定上行、下行指示
    系统会根据外呼和内选信号以及门锁信号综合判断电梯的运行方向。

（5）执行上行程序
    此段程序包括控制电梯上行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。

（6）执行下行程序
    此段程序包括控制电梯下行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。

3.3 程序设计

    由于呼叫是随机的, 电梯控制系统采用模块化编程方法。

    使用STEP7编程软件将程序分为七个逻辑块：开关门FC1、楼层信号FC2、内选信号FC3、外呼信号FC4、定上下行指示FC5、停层FC6、启停、运行FC7。

⑴在主程序OB1中调用7个逻辑块（以FC2为例）实现电梯的逻辑控制功能。如图3所示，将“上行强迫开关”、“楼层1显示”等实参赋给FC2（楼层显示），即可实现FC2的调用。

 
图3 OB1调用FC2

⑵当电梯位于某一层时，应产生位于该层的楼层信号，以控制楼层显示器显示楼层处的位置，离开该层时，该信号应被新的楼层信号（上一层或下一层）取代。电梯的楼层数存放在MW20中。“#sxqpkg”是上强迫行程开关的形参，当电梯到达5楼时，使MW20为5。“#xxqpkg”是下强迫行程开关，当电梯到达1楼时，使MW20为1。在中间，电梯上行时，每上一层，MW20加1；电梯下行时，每下一层，MW20减1。如果层显有误，只要将电梯开到顶层或1层，马上就能显示正常[2] [3]。梯形图如图4所示。
 

图4 楼层显示

    由于功能FC中使用了形参和随机变量，只要主程序中赋予FC适当的实参，该FC即可被不同系统的主程序调用。

4 变频器部分设计

    电梯的一次完整的运行过程，就是曳引电动机从起动、匀速运行到减速停车的过程。为使乘客拥有良好的舒适感，电梯采用S型速度曲线，转换成频率曲线如图5所示。
 

图5 变频器频率曲线

    通过设置变频器的参数如表2所示，实现了电梯速度的平滑性，达到了顺利启动和准确停车的要求[4]。

表2 变频器输入控制端口参数表

5 结束语

    电梯采用PLC变频调速系统提高了系统运行的平稳性、工作的可靠性，操作与维护也很方便，同时节约了大量电能。由于系统选用了无速度传感器反馈的矢量控制方式对电机的速度进行控制，改善瞬时响应特性，具有良好的速度稳定性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。实验证明设计的程序合理可行。

1 引言

　　某厂的B2025龙门刨是七十年代初由武汉重型机床厂生产，其控制系统是传统的继电器-接触器控制系统，工作台前进、后退、升速、减速及超程保护等重要位置采用的是有触点的行程开关，它们动作频繁，触点经常出现粘连，或闭合不好，导致工作台工作故障，维修工作量大，影响生产;同时，机床的主拖动系统采用直流发电机-直流电动机拖动系统，调速系统采用半导体分离元件，以及接插件结构，不仅噪声大，浪费能源，而且在经过近三十年的使用后，整个系统已经严重老化，在低速段已严重不能达到加工要求，有时候甚至会出现爬行现象，调速性能极不稳定。为了充分利用机床仍然良好的机械精度以及完好的大功率直流电机，有必要利用现代控制技术和电力电子技术对机床的控制系统和驱动系统进行技术改造。

2 系统需求分析

　　进行机床改造的总体设计时，需要考虑到控制系统和驱动系统的协调。本机床的动作控制绝大部分属于逻辑控制，因此选择可编程序控制器来完成机床的动作控制。由于原机床的直流电机功率为60KW，成本较高，而且仍然完好，所以工作台仍然采用原直流电机驱动;而直流驱动部分涉及到调速需要，一方面在正常加工时工作台的正、反向运行速度需要根据工作台的位置自动调整，另一方面工作台的切削运动速度又要根据切削用量进行调整。结合工厂的实际情况，本机床只用于粗加工，因此，不同的速度需求主要是工作台往返工作造成的，而对具体的速度值的精度要求并不高，因此驱动系统选择欧陆590系列全数字直流驱动器594。

3 硬件组成

　　3.1 硬件系统方案

　　根据系统需求分析，确定出整个控制、调速系统的硬件方案如图1所示。

　　悬挂操作站主要提供工作台前进起动、工作台后退起动、工作台步进前进、工作步进后退、横梁上升、横梁下降、垂直刀架快进、左侧刀架快进、右侧刀架快进和急停等信号。

　　控制柜按钮主要提供工作模式选择、工作刀架选择、594使能、594使能停止、程序停车、停车和急停等信号。

　　各种行程开关包括工作台前进、后退中减速和换向接近开关、各刀架抬落刀行程开关、各刀架进刀行程开关和横梁放松行程开关。

　　各类保护信号包括各刀架抬落刀电机的热保护、各进给电机热保护、横梁松紧电机的过流保护、通风电机的热保护、左右垂直刀架的位置保护横梁上下位置的保护、左右侧刀架的位置保护等信号。

　　速度给定电路由电位器调节输出电压，由PLC选择速度给定电路的输出电压，将此电压信号传送给594，从而控制工作台直流电机的转速和转向，实现工作台的调速和换向要求。

图1  控制系统硬件组成方案

　　3.2 硬件设计

　　本系统的输入输出全部是数字量，其中，数字量输入点总计66个，数字量输出点总计37个，因此选择西门子PLC CPU224（AC/DC/继电器）为主机，并扩展5个数字量扩展模块，它们分别是一个EM223（16DI/16DO，继电器输出）、一个EM223（16DI/16DO 晶体管输出）、三个EM221（8DI）。

　　速度控制电路如图2所示。直流驱动器594的B3为+10V参考电压端子，B4为-10V参考电压端子，A1为0V参考电压端子，A4为速度给定电压端子，R1～R8为可调电位器。B3与0V参考电压端子之间可以有四条回路：从B3端分别经R5、R6、R7、R8，然后到A1，这四条回路中每接通一条回路，速度给定电压端子A4就从相应的电位器上取得相应的电压，从而实现给定一定的速度，A4从这四条回路取得的电压为正电压，此时电动机正转，驱动工作台前进。同理A4从B4与A1之间所形成的回路取得四种负电压，从而实现电动机的反转，驱动工作台后退。

图2  速度给定电路

4 软件设计

　　按照机床的工作要求，同时考虑到尽量符合改造前操作人员的操作习惯，设置了自动工作模式和手动工作模式。

　　手动工作模式下能够完成垂直刀架快速进给、左侧刀架快速进给、右侧刀架快速进给、横梁升降控制、工作台步进前进和工作台步进后退等动作。

　　4.1 横梁升降控制

　　横梁升、降的前提是横梁处于松开状态;横梁下降到指定位置后，一方面要保证横梁保持水平，另一方面要尽快制动横梁的下降运动，设计中使横梁有短暂的上升动作来达到要求;横梁上升或下降完毕后还需要让横梁夹紧。图3给出了横梁升降控制PLC梯形图。

图3  横梁升降控制程序段

　　图3中Network 4程序段完成横梁的下降控制，当按住横梁下降按钮（I0.1），横梁开始放松（Q0.2），放松完毕，放松限位开关（I0.2、I0.3）接通下降回路，横梁开始下降（Q0.1）;横梁下降到位，松开下降按钮（I0.1），其常闭触点接通，取其上升沿接通横梁上升（Q0.0）回路并自保持，同时计时器T37开始计时，计时时间到，横梁上升结束。其它输入输出有横梁上升按钮I0.0、横梁夹紧电流继电器I0.4、横梁上升限位开关I0.5、左侧刀架与横梁互碰限位开关I0.6、右侧刀架与横梁互碰限位开关I0.7、横梁夹紧接触器Q0.3。

　　4.2 刀架进给、制动控制

　　在自动工作模式下，需要进行刀架的进给、制动控制。为了检测进给电机的转数，将进给电机的转动信号通过凸轮机构传递给行程开关。通过控制进给电机的转数达到控制进给量的目的;进给电机每转代表的进给量是通过调整进给箱的传动比实现。图5所示为自动工作模式下右侧刀架的自动进给控制梯形图。

图5  右侧刀架进给程序段

　　右侧刀架被选中（I3.4）工作的情况下，若进给电机过载保护继电器（I3.5）没有动作且自动进刀选择开关（I3.2）接通，同时右侧刀架处于正常位置，即右侧刀架与横梁互碰限位开关（I3.1）右侧刀架下限位开关（I3.0）未受压，则进行进给动作（Q2.4）;进给电机转动时，右侧刀架进给检测行程开关（I3.3）从接通到断开到再接通，利用其上升沿通过计数器（C3）进行计数;当计数器计数到预置值，进给完成，停止进给电机。另一方面，利用计数器的上升沿启动电容制动回路（Q2.5）并开始计时器（T44），计时时间到，断开电磁制动回路，从而完成进给过程。左侧刀架、垂直刀架的进给、制动与此类似。

　　通过拨码开关可以设定每次进给时进给电机的转数（限制在1～4的范围内），并将设定值存储在VW4中，从而达到调整进刀量的目的。

5 结束语

　　本机床经改造后一年多的运行情况证明，采用PLC和欧陆594对机床进行改造后，既没有改变操作人员的操作习惯，又增强了进给控制功能，同时提高了控制系统和驱动系统的可靠性和稳定性。本项目实施后产生的经济效益150万元。

　　本文作者创新点：利用PLC设计了方便、实用的速度给定电路，与采用操作员面板设定速度、利用通讯功能设定速度相比，成本低廉，适用于对速度精度要求不高的普通机床。