S7-200 PLC在高速计数器定位电梯控制中的应用

    前面文章中介绍的五层电梯的指层信号、平层信号都是依靠安装在井道中的位置感应器得到的。当楼层数多时，这类信号的数量大，安装及维护都有一定的困难，这些信号还要占用PLC的许多输入口，那么电梯的定位控制有没有别的方法呢？本节仍以五层电梯为例介绍高速计数器定位，变频调速电梯，它的编程方法有许多新颖之处，为此需先了解光电编码及高速计数的有关知识。    一、光电编码器与高速计数器    1．光电编码器的结构及工作原理    光电编码器是一种新型的转速及定位控制用传感器，其工作原理可以用图10-16中的光电码盘说明。光电码盘是沿圆周开有均匀的孔或齿的圆盘，一组发光元件及一组光敏元件分置在盘的两边，当圆盘转动时，光时而通过孔或齿隙照到光敏元件上，时而被圆盘阻挡，这样光敏元件上就产生了脉冲串波形的电信号。将该信号放大、整形，就能用来测量转速及位移。对于光电码盘来说，显然其中的齿孔越多测得的转速或位移的分辨率越高，但由于尺寸及加工技术的限制，码盘的齿孔数是不可能太多的。但光电编码器又不一样，光电编码器中的“码盘”引入了光栅技术，多层光栅的使用，使光电编码器在旋转一周时可以产生数千以至上万的脉冲以满足高精度的转速及定位控制要求。不过，具体到电梯的控制，并不要求编码器有那么高的分辨率，轿厢运动Imm，能产生数个脉冲也就可以了。倒是希望编码器在产生脉冲的同时解决转向判断的问题。做到这一点也不难，在编码器中设两套光电装置也就可以了（图10-16中安装了包括零位测量用在内的三套），两套光电装置产生的脉冲的相位有一定的差别，这也就产生了方向信号。如A装置产生脉冲相位超前于B相时是正转的话，反转时，B装置产生脉冲的相位就会超前于A装置产生的脉冲相位。
    图10-16    光电编码器结构示意图    1-均匀分布透光槽码盘；2-LED光源；3-狭缝；    4-sin信号接收器；5-cos信号接收器；6-零位    读出光电元件；7-转轴；8-零位标记槽    在下面将讨论的电梯中，将能产生A相、B相两相信号的光电编码器安装在曳引轮上，为了讨论的方便，假定轿厢运行1mm，编码器产生1个脉冲。    2．PLC的高速计数器及高速计数器指令    高速计数器是PLC的编程软元件。相对普通计数器，高速计数器用于频率高于机内扫描频率的机外脉冲计数。由于计数信号频率高，计数以中断方式工作，计数器的启动、复位．或计数方向变化控制也多使用机外信号。近年来的新品微型或小型PLC都配置了高速计数器。以S7-200系列PLC为例，各型CPU支持的高速计数器数量及信号频率见表10-2所示。    表10-2    S7-200系列CPU支持的高速计数器号
    以上HSC0～HSC5等6种均为32位双向计数器。相对每一种CPU而言，符合表中所规定的配置数量时，高速计数器的最高频率不受影响。    PLC的高速计数器都是可编程的。S7-200系列PLC高速计数器有12种不同的工作模式，共4大类。    (1)内部方向控制的单向增／减计数器（模式0～2），它没有外部计数方向控制端，由内部控制计数方向，只能作单向增或减计数，有一个计数输入端。    (2)外部方向控制的单向增／减计数器（模式3～5），它由外部输入信号控制计数方向，只能作单向增或减计数，有一个计数输入端。    (3)有增和减计数脉冲输入的双向计数器（模式6～8），它有两个计数输入端，增计数端及减计数端。    (4) A／B相正交计数器（模式9～11）它有A相计数脉冲输入端及B相计数脉冲输入端两个输入端。A、B相脉冲的相位互为90°。当A相脉冲超前B相脉冲时，计数器为增计数，反之为减计数。在正交模式下，可选择1倍(1×)或4倍(4×)模式。    表10-3给出了HSC0～HSC5可配置实现的工作模式及所占用的机器资源。    表10-3    高速计数器的标号、工作模式及输入端子
    结合五层电梯的控制，仍选CPU226为主体机，扩展一只16输入／16输出的混合数字量扩展模块组成系统。选高速计数器HSC1作为轿厢的定位计数器。配置为A/B相正交计数器，工作模式11。由表10-3可知，光电编码器的A相及B相计数信号分别接入PLC的I0.6及I0.7，外部复位信号接入1I.2，外部启动信号接入I1.1。    表10-4为S7-200系列CPU高速计数器指令。其中定义高速计数器指令(HDEF)用于定义某高速计数器的工作模式，高速计数器指令(HSC)用于计数的执行。除了选定工作模式，安排输入端口外，在程序中还需为规定的存储单元送入高速计数器的控制字及初始值、设定值。图10-17是为五层电梯控制用高速计数器HSC1编制的初始化程序。初始化安排在PLC上电时刻，程序完成的任务有：    表10-4    S7-200系列CPU高速计数指令
    (1)为HSC1的控制字SMB47送人16#DC，其含义为：复位高电平有效，启动高电平有效，1倍率计数，初设计数方向增，可更新计数方向，不更新预置值，更新初值，允许计数。    (2)设置HSC1工作模式为11。    (3)将断电保持的电梯位置用存储单元中的电梯现实位置值送入HSC1的初值存储单元SMD48。    (4)将30000送入HSC1的预置值存储单元SMD52。    (5)安排计数方向变化中断，并编写一段中断程序重置SMB47为16# D4。    (6)使能中断程序并激活高速计数器HSC1。
    图10-17    高速计数器的初始化    二、基于高速计数器的轿厢位置确定    高速计数器HSC1经以上初始化后，在光电编码器的驱动下完成计数工作，当轿厢上升时加计数，当轿厢下降时减计数，高速计数器的当前值即是轿厢在井道中的准确位置，如楼层高度为5m，正常运行时计数范围为0～20 000，HSC1初始化程序中设定预置值为30 000，是因为在程序中并不打算利用当前值等于预置值事件，便设了一个永远不可能达到的数字。    轿厢位置的确定有多重用处。其一是实现门厅及轿厢内楼层数字指示，二是用于运行定向，三是用于确定平层制动的时刻。图10-18为当前楼层指示信号获取梯形图。每层楼上下各安排20mm轿厢当前位置指示切换区间，当轿厢到达该区间时，将轿厢当前位置数据送到层楼当前值存储单元VB5保存，VB5中的数值即用来作为门厅及轿厢处楼层显示数据。    为了电梯运行之初的调试及维修时修正机械原因带的计数器定位误差，可在程序中安排定位自学习程序。通过检修运行获得各层的准确数据。    三、内呼外唤及定向信号的获取    轿厢内停层信号及门厅上下呼唤信号均需保持并在满足要求时消号，这些信号的处理原理及程序与图10-9及图10-10基本相同。主要差别是内选各层的辅助继电器及外呼各层上下行辅助继电器除了要控制各自的指示灯外还需要做两件事，一件事是选出呼梯楼层的最大值及最小值并分别送到上升通道及下降通道。第二件事是将所有呼梯信号状态送到规定的存储单元存储。图10-19为上升通道最大值数据获得的梯形图，图中VB15为上升通道存储器，另设有VB17为下降通道存储器。
    图10-18    楼层指示信号的获取
    图10-19    上升通道数据的获取    电梯上行还是下行的确定是把上升通道、下降通道里的数据与轿厢当前值存储器里的数据比较得出的。为了保证电梯先上后下的原则成立，程序初始化后首先用上升通道里的数据和轿厢位置当前值比较，如果是大于，则将上行辅助继电器M21.1置1，如果在上升途中有更高楼层的呼梯信号，上升通道内的数值将变大，以保证电梯上升到有呼梯的“最高层”。到达有呼梯的“最高层”后，允许将下降通道里的数据与轿厢当前值比较，如果是小于则可将下行辅助继电器M21.2置1，确定下行。若在“最高层”时，没有任何呼梯信号，这时可将位置通道的数据传给下降通道，形成比较值相等的局面．以维持电梯的悬停状态，等待呼梯信号的到来。电梯下降过程的情况与此类似。另外电梯上升到达第五层时，下行辅助继电器M21.2自动置1，到底第一层时上行辅助继电器M21.1自动置1。上升和下降还可以通过装在轿厢中的上行下行选择按钮强制变更。    定向信号确定后，关好轿厢门，电梯则启动运行。本电梯采用变频调速，运行速度可以通过变频器多段转速设置端设定，制动、反向过程均与起重机一章中介绍的控制方式类同。    四、停层信号的获取    在运行方向确定的前提下，电梯的停层信号由查表指令确定。图10-20为S7-200系列CPU查表指令说明。为了使用该指令可在存储单元中设置内呼信号表、外上呼信号表，外下呼信号表如图10-21所示。图中可以看到，为各个楼层安排的呼唤信号的数据号码与楼层号正好是相同的。当某层有对应的呼唤信号时，即将楼层数存入该单元，这样表中的楼号数据也是唯一的（没有呼唤时相关表格内填写0）。    确定前方停层站的程序如图10-22所示。停层判断在每次电梯启动后进行，每次只查询本方向前一站是否停层，程序中先将轿厢当前层数加1（下降时减1），然后将加过1后的层数与内呼及外唤表中数据比较，查找表中有否与前方层站数相同的数字，如有就发出停层信号。如没有，前方站则不停，当轿厢越过不停的站时，随着轿厢位置当前值的变化，下一轮的查询工作又开始进行。查表顺序为先查内停层命令表，查不到再查同向的外招唤表。
    图10-20    查表指令例及说明
    图10-21    内外如唤通道安排
    图10-22    停层信号的产生    五、采用模糊控制原理的平层控制    在发出了停层信号且轿厢运行到达平层开始位置时，电梯开始乎层过程。采用变频器供电时，制动主要针对变频器的各端子操作，先断开变频器的运行控制端，变频器依事先设定的停车曲线控制输出频率的变化，并在到达下闸位置时，断开电磁抱闸的电源，电机强行制动。    采用高速计数器定位电梯平层控制的一个明显优点是平层开始位置可以根据电梯的实际载重计算得出。如电梯平层前速度是常值，电梯乘坐的人越多，则电梯总的运行惯量就越大，制动越困难，为了准确平层则需要将平层开始的位置提前。这在使用固定位置传感器的电梯中是无法做到的。    为了得到较高的平层精度，平层控制采用模糊控制实现。电梯中一般都装有载荷传感器，最一般的功能是超荷报警。现采用载荷传感器将实际乘客质量分为轻(S)、偏轻(MS)、中等(M)、偏重(MB)、重(B)五挡，并安排五挡平层距离如表10-5所列。平层距离栏中字母分别代表距离小、较小、中等、较大及大等五挡。    表10-5    初始平层距离表
    这样的安排并不一定能获得满意的结果，因为表中的实际数据都是凭经验估计的。    为了得到准确的平层距离数据，还设计了平层距离调整表如表10-6所示。表中e为平层误差，参考有关标准，定义为±15mm，共分为负大(NB)、负偏大(NMB)、负中(NM)、负偏小( NMS)负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正偏小(PMS)、正中(PM)、正偏大( PMB)、正大(PB)等十一挡，表中m为前边说过的五挡质量，表的中部为平层距离调整系数。    表10-6    平层距离调整表
    电梯运行时，先执行表10-5，得到一个平层距离并以此平层，得到平层误差，再执行表10-6得到一个调节量，并依据调节量对表10-5中得到的平层距离进行修正。此过程反复进行，直到得到的平层误差为NS、ZE或PS为止，这时所得到的修正过的表10-5就是合适的平层距离了。具体编程时，可对表10-6作出处理，并对每个格子用纵横坐标编号，就可以用前边所提到过的查表指令实现模糊运算。这里就不再叙述了。    平层控制在确定在某层停车后执行，先调用该层的理想平层停靠数据，再结合模糊控制计算得出平层开始时轿厢的位置数据，并以此数据开始平层动作。    采用高速计数器作为轿厢的定位设备在楼层较少时并没有什么明显的优点，但在高层建筑中的优势是不言而喻的。本例电梯位置计量采用绝对值计数方式，另还有相对值计数编程方式，对层高相等的高层建筑电梯比较适用。