三菱F1-60MR PLC在交流双速电梯控制中的应用

    一、应用背景与需求    电梯在工业生产、建筑、商贸、楼宇自动化等各行各业中的应用越来越广泛，电梯的自动控制技术及PLC在其中的应用也就成为一个热点问题。    电梯的种类多种多样，按拖动系统来分有交流单速／双速拖动电梯、交流调压调速电梯、直流发电机一电动机可控硅励磁电梯、VVVF变频调压调速电梯等。按控制方式来分有信号控制电梯、集选控制电梯、下集选控制电梯等。    交流双速电梯是常用的一种电梯，它具有简单、经济等特点，舒适感也较好；集选控制电梯可以实现有司机操作，也可实现无司机操作，是一种高度自动控制的电梯。因此，本例以交流双速集选控制的电梯为例，介绍PLC在电梯自动化控制中的应用。    二、交流双速电梯PLC控制系统设计    1．交流双速电梯的电气线路    (1)电机主电路    电梯在启动过程中，为了限制启动电流、减少电网电压的波动以及减少启动的加速度，一般在定子电路中串入电抗、电阻与电抗的组合体，进行降压启动。这样，可以提高乘客乘坐的舒适感，并防止对机件的冲击。启动后，随着速度的提高，再逐级将电阻或电抗器短接切除，使电梯逐步加速，最后进入稳速运行。启动过程中，常采用一次或两次短路切除电抗和电阻。    电梯减速时，由高速绕组转到低速绕组。为了限制电梯制动电流，减小减速时的加速度，防止冲击过大，通常按二级或三级切除电抗，通过调整串联电阻或电抗器的大小，以及控制逐级短接电阻和电抗的时间，可以改变电梯的加速度和减速度，以满足对加、减速度和舒适感的要求。    图6.25所示是交流双速电梯的一种拖动线路，该电路采用一级串联电抗启动，二级电阻电抗减速。图中交流双速电梯电机主电路的工作原理如下。
    图6.25    交流双速电梯电机的主电路    ·启动时，串入电抗XQ，进行降压启动；经一段时间后，1C接触器接通，电动机转入固有特性运转。    ·减速时，KC断开，MC接通，慢速绕组串入阻抗XJ和电阻R运行，延时一定时间后，2C接通，短接R，电动机串入电抗XJ运行；再延时一段时间后，3C接通，电动机慢速运行，直到SC或XC断开，电动机停止运转。    (2)电气控制线路    电梯的控制线路主要有：轿内指令线路、厅门召唤线路、定向选层线路、启动运行线路、平层线路、指层线路、开关门线路、安全保护线路。这些线路之间的关系如图6.26所示。
    图6.26    交流双速电梯电气控制线路的组成框图    用这些控制线路可以构成各种运行方式：有司机／无司机控制、集选运行、下行集选运行、消防运行、并联运行、检修运行等。    2．PLC选型与I/O定义    为了对PLC选型，首先确定PLC的输入输出点数。PLC需要的I/O点数随电梯层数的不同而不同。    按电梯各个组成部分来分类统计，PLC的输入点有。    ·轿内指令按钮：位于轿内的操纵箱上，每层各有一个。    · 门厅呼唤按钮：位于电梯的厅门口，除顶层只有下呼和底层只有上呼外，其余每层均有上、下呼按钮，这样门厅呼唤按钮每层占两个输入点。    ·楼层感应器：位于井道每一层的相应位置上，当轿厢到达每一层的相应位置时，楼层感应器干簧管触点因隔磁板插入而断开，该触点信号用于选向、选层，轿内指令、厅门招唤的消号和指层电路。    ·平层感应器：位于轿厢的顶部，用于准确平层，由上平层感应器SPG、门区感应器MQG和下平层感应器XPG组成，共占3个输入点。    ·开关门：有厅门、轿门电气触点开关（用于保证电梯厅、轿门都关好，开关接通时电梯才能运行）、关门极限开关GMK、开门极限开关KMK，手动开关门按钮，共占5个输入点。    · 其他：有超载、上下极限、有司机／无司机方式选择等开关或触点。PLC的输出点如下。    ·上行接触器SC，下行接触器XB。    ·快速接触器KC，慢速接触器MC。    ·加速接触器1C，第一减速接触器2C，第二减速接触器3C。    ·开关门接触器，楼层指示灯等。    因此，五层站的电梯大约需要60点的PLC机进行控制，可选用F1-60MR型PLC，再根据需要配置I/O扩展单元。整个电梯的PLC控制系统比较复杂，以下只介绍几个主要部分的设计问题，其中涉及的I/O端子定义如表6.4所示。    表6.4    PLC的I/O端子分配表（部分）
    三、交流双速电梯PLC控制程序设计    根据交流双速电梯PLC控制线路的组成、系统控制要求和PLC的I/O端口定义，就可以完成PLC的控制程序设计。    以下分别介绍几个主要部分的PLC控制程序设计问题，包括：电梯的启动、平层控制，电梯的换速、平层控制，电梯的选向控制、楼层感应电路的控制和轿内指令及厅招唤电路的控制。其中，梯形图中涉及的中间继电器的定义如表6.5所示。    表6.5    梯形图中中间继电器的定义表
    1．电梯的启动平层电路的控制    交流双速电梯通常有两套绕组：快速绕组和慢速绕组，快速绕组为6极或4极，慢速绕组为24极或16极。因此快、慢速的速比为4：1。    电梯通常以快速启动，而在减速时断开快速绕组，接入慢速绕组。设置中间继电器M143来控制快速接触器。电梯启动的梯形图如图6.27所示，其中M135为门锁继电器的常开接点，保证门关好后方能启动。X513和X411分别为上、下强迫换速输入继电器，M130和M131分别为上行和下行继电器的常开接点，Y432和Y433为快速和慢速接触器。M134为换速继电器，当M134接通时，中间继电器M143断电，输出线圈Y432断电，接通慢速接触器Y433，电动机慢速运行。
    图6.27    电梯启动控制梯形图    电梯平层控制的梯形图如图6.28所示。其中X412、X413、X005分别为上平层感应输入继电器、门区感应输入继电器和下平层感应输入继电器，工作原理如下。    ·如果电梯上行超越平层位置，SPG离开隔磁板，使X412断开，M140断开，这时Y431由Y432、M140、M143和Y430的常闭接点和M142的常开接点而接通，电梯反向平层，直至M140接通。    ·电梯位于平层位置后，M140、M141和M142均接通，Y430和Y431均断开，进行抱闸。T450为延时断开时间继电器，用于快速运行断开时的延时，以保护电机绕组。
    图6.28    电梯平层控制梯形图    2．电梯的换速平层电路的控制    电梯通常以快速启动，而在减速时断开快速绕组，接入慢速绕组。当电梯将到达需要停止的楼层时，应发出换速信号，断开快速继电器，接通慢速继电器，然后制动。    如图6.29所示为换速电路的梯形图，其原理如下。
    图6.29    电梯换速控制梯形图    ·如3楼有指令位号，即M114接通。在电梯将到达3楼时，M107接通，使换速继电器M134接通，发出换速信号，并保持，其他类同。    ·当电梯到达项层或底层时，无论有无轿内指令都必须换速。    ·M144为换速消除继电器。当电梯离开任一楼层时，M144接通，断开M134，这时电梯高速运行。    ·M130、M131常闭接点支路为无方向换速控制，保证由于人为或其他原因使M105~M111全部断开时，电梯应进入换速状态，以便在最近楼层平层停止。    3．电梯的选向电路控制    改变电梯的运行方向，实际上就是改变电动机的旋转方向。要改变三相感应电动机的旋转方向，只要将其中任意两相电进行交换即可。根据这一原理，电动机的正反转控制线路如图6.30所示，上行接触器SC接通时，电动机正转；而当XC接通时，B、C两相对换，电动机反转。
    图6.30    电动机正反转控制    无论是直流电梯还是交流电梯，都可以通过接通上、下行接触器来改变电梯的运行方向。选向控制的梯形图程序如图6.31所示。    图6.31中，输入触点X511、X512分别为司机控制的上行选向按钮、下行选向按钮，输出线圈Y430、Y431分别控制电梯上行接触器SC、下行接触器XC；中间继电器M130、M131分别表示电梯上行、电梯下行的运行状态，中间。继电器M132、M133分别表示司机控制的电梯上行、电梯下行的运行状态。
    图6.31    电梯的选向控制梯形图    电梯选向控制梯形图的工作原理如下。    · 以电梯处于2层为例。当电梯位于2层时，中间继电器M110通电，如果按下3层指令按钮，中间继电器M114接通。这时虽然M110的常闭触点为断开状态，但中间继电器M107、M106和M105的常闭触点均为接通状态，因此电梯上行继电器M130通电，选择上行方向。    ·当电梯位于2层（中间继电器M110通电），而1层的指令按钮按下时，中间继电器M116通电，则下行方向继电器M131通电，电梯选择向下方向运行。    ·考虑上行、下行方向均有指令的情况，例如电梯在2层时，1层轿内指令中间继电器M116.4层轿内指令中间继电器M113.5楼的轿内指令中间继电器M112均接通。此时，如果电梯已处于上行状态，则执行完M113、M112表示的向上指令后，再执行M116表示的向下指令。这是因为中间继电器M113或M112接通使中间继电器M130接通，选择上行方向，M130的常闭接点使M131断开，这样即使M116接通，M131也不能接通。必须等到电梯到达5层楼后，中间继电器M112、M130均断开后，才能选择下行方向。    ·在有司机操作的情况下，当电梯位于第2层并处于上行状态时，如果中间继电器M113、M112、M116接通，而电梯在启动前司机已按下下行按钮（即X512接通），则中间继电器M133接通，其常闭接点断开，上行方向继电器M130继电，同时接通继电器M131，选择下行方向。    4．楼层感应电路的控制    楼层感应电路是通过楼层感应器干簧管触点的接通或断开来感应出楼层信号，用于指层、选向、选层、厅门招唤的信号等。    在电梯工作过程中，要求楼层感应信号应是连续的，即该层感应信号只有当电梯运行到上层或下层时才能消失。    楼层感应电路的控制梯形图如图6.32所示，其中PLC的输入触点X400～X404为相应的上行楼层感应干簧管触点，X405～X411为相应的下行楼层感应干簧管触点；中间继电器M105～M111分别表示1～5层的指层信号状态，中间继电器M130、M131分别表示电梯运行方向为上行、下行。    控制楼层感应的梯形图工作原理如下。    · 当电梯在1楼时，M104接通，M111接通，并保持。    ·电梯上行到达2楼时，M103接通，M110接通，并保持，同时切断M111。即：电梯上行时，当上升至某一层时，相应的楼层感应中间继电器接通指层中间继电器，实现楼层感应。    ·与电梯上行使的控制方法相同，当电梯下行时，相应的楼层感应中间继电器也接通指层中间继电器，实现楼层感应。    5．轿内指令及厅招唤电路的控制    在集选控制电梯中，电梯的执行方式是先响应向上的信号，然后再响应向下的信号，如此反复。上行时应保留下行的信号，下行时应保留上行的信号。
    图6.32    楼层感应电路的控制梯形图    根据集选控制的要求设计的轿内指令控制的梯形图，如图6.33所示。其中PLC的输入触点X500～X504分别为1～5层的轿内指令按钮，M130、M131分别为电梯上行、下行运行继电器，M100～M104为前述的楼层感应信号。    轿内指令控制梯形图的工作原理是：进入轿厢内后，当按下第3层的指令按钮时，输入X502接通，中间继电器M114接通并自保，当电梯到达第3层时，楼层信号M102断开指令信号。    门厅召唤电路的控制梯形图如图6.34所示，其中输入触点X000～X003分别为5～2层门厅下招呼按钮，X505～X510分别为4-1层门厅上招呼按钮；中间继电器M105～M111为楼层信号，M130、M131分别为上行、下行运行继电器。
    图6.33    轿内指令控制梯形图
    图6.34    门厅招唤控制梯形图    控制门厅召唤电路的梯形图工作原理为：电梯位于1层，如果3层有厅上招呼信号，2楼有厅上、下招呼信号，即M125、M122、M124接通，电梯到达2楼时，M110接通，M125断开，2楼上招呼信号消除，而下招呼信号M122保持，即下招呼信号得到保留。    四、总结与评价    电动机拖动的电梯控制系统是一种典型的电气控制系统。各类电梯的电气控制系统都较为复杂，对控制的可靠性要求也很高。如果采用常规的继电器控制系统进行控制，要实现全部的控制功能，控制系统的元器件很多，接线复杂，可靠生较差。    采用PLC进行电梯的运行控制，控制系统的硬件结构大为简化，同时由于采用的是“软接线”方法的程序控制，系统的可靠性和灵活性都大大提高。当然，电梯控制系统的信号输入点数较多，就初期投入来讲，PLC控制系统比继电器控制的成本要高，不过可以采用节省输入点的办法解决成本较高的问题。例如，可以采用编码／译码电路来减少PLC的输入点，降低成本，但要根据实际情况确定，不使硬件电路过于复杂而降低系统的可靠性。