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S7-200 PLC在高速計(jì)數(shù)器定位電梯控制中的應(yīng)用
一、光電編碼器與高速計(jì)數(shù)器
1．光電編碼器的結(jié)構(gòu)及工作原理
光電編碼器是一種新型的轉(zhuǎn)速及定位控制用傳感器，其工作原理可以用圖10-16中的光電碼盤說明。光電碼盤是沿圓周開有均勻的孔或齒的圓盤，一組發(fā)光元件及一組光敏元件分置在盤的兩邊，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光時(shí)而通過孔或齒隙照到光敏元件上，時(shí)而被圓盤阻擋，這樣光敏元件上就產(chǎn)生了脈沖串波形的電信號。將該信號放大、整形，就能用來測量轉(zhuǎn)速及位移。對于光電碼盤來說，顯然其中的齒孔越多測得的轉(zhuǎn)速或位移的分辨率越高，但由于尺寸及加工技術(shù)的限制，碼盤的齒孔數(shù)是不可能太多的。但光電編碼器又不一樣，光電編碼器中的“碼盤”引入了光柵技術(shù)，多層光柵的使用，使光電編碼器在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)可以產(chǎn)生數(shù)千以*萬的脈沖以滿足高精度的轉(zhuǎn)速及定位控制要求。不過，具體到電梯的控制，并不要求編碼器有那么高的分辨率，轎廂運(yùn)動(dòng)Imm，能產(chǎn)生數(shù)個(gè)脈沖也就可以了。倒是希望編碼器在產(chǎn)生脈沖的同時(shí)解決轉(zhuǎn)向判斷的問題。做到這一點(diǎn)也不難，在編碼器中設(shè)兩套光電裝置也就可以了（圖10-16中安裝了包括零位測量用在內(nèi)的三套），兩套光電裝置產(chǎn)生的脈沖的相位有一定的差別，這也就產(chǎn)生了方向信號。如A裝置產(chǎn)生脈沖相位超前于B相時(shí)是正轉(zhuǎn)的話，反轉(zhuǎn)時(shí)，B裝置產(chǎn)生脈沖的相位就會(huì)超前于A裝置產(chǎn)生的脈沖相位。
圖10-16 光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖
1-均勻分布透光槽碼盤；2-LED光源；3-狹縫；
4-sin信號接收器；5-cos信號接收器；6-零位
讀出光電元件；7-轉(zhuǎn)軸；8-零位標(biāo)記槽
在下面將討論的電梯中，將能產(chǎn)生A相、B相兩相信號的光電編碼器安裝在曳引輪上，為了討論的方便，假定轎廂運(yùn)行1mm，編碼器產(chǎn)生1個(gè)脈沖。
2．PLC的高速計(jì)數(shù)器及高速計(jì)數(shù)器指令
高速計(jì)數(shù)器是PLC的編程軟元件。相對普通計(jì)數(shù)器，高速計(jì)數(shù)器用于頻率高于機(jī)內(nèi)掃描頻率的機(jī)外脈沖計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)信號頻率高，計(jì)數(shù)以中斷方式工作，計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)、復(fù)位．或計(jì)數(shù)方向變化控制也多使用機(jī)外信號。近年來的新品微型或小型PLC都配置了高速計(jì)數(shù)器。以S7-200系列PLC為例，各型CPU支持的高速計(jì)數(shù)器數(shù)量及信號頻率見表10-2所示。
表10-2 S7-200系列CPU支持的高速計(jì)數(shù)器號
以上HSC0～HSC5等6種均為32位雙向計(jì)數(shù)器。相對每一種CPU而言，符合表中所規(guī)定的配置數(shù)量時(shí)，高速計(jì)數(shù)器的zui高頻率不受影響。
PLC的高速計(jì)數(shù)器都是可編程的。S7-200系列PLC高速計(jì)數(shù)器有12種不同的工作模式，共4大類。
(1)內(nèi)部方向控制的單向增／減計(jì)數(shù)器（模式0～2），它沒有外部計(jì)數(shù)方向控制端，由內(nèi)部控制計(jì)數(shù)方向，只能作單向增或減計(jì)數(shù)，有一個(gè)計(jì)數(shù)輸入端。
(2)外部方向控制的單向增／減計(jì)數(shù)器（模式3～5），它由外部輸入信號控制計(jì)數(shù)方向，只能作單向增或減計(jì)數(shù)，有一個(gè)計(jì)數(shù)輸入端。
(3)有增和減計(jì)數(shù)脈沖輸入的雙向計(jì)數(shù)器（模式6～8），它有兩個(gè)計(jì)數(shù)輸入端，增計(jì)數(shù)端及減計(jì)數(shù)端。
(4) A／B相正交計(jì)數(shù)器（模式9～11）它有A相計(jì)數(shù)脈沖輸入端及B相計(jì)數(shù)脈沖輸入端兩個(gè)輸入端。A、B相脈沖的相位互為90°。當(dāng)A相脈沖超前B相脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器為增計(jì)數(shù)，反之為減計(jì)數(shù)。在正交模式下，可選擇1倍(1×)或4倍(4×)模式。
表10-3給出了HSC0～HSC5可配置實(shí)現(xiàn)的工作模式及所占用的機(jī)器資源。
表10-3 高速計(jì)數(shù)器的標(biāo)號、工作模式及輸入端子
結(jié)合五層電梯的控制，仍選CPU226為主體機(jī)，擴(kuò)展一只16輸入／16輸出的混合數(shù)字量擴(kuò)展模塊組成系統(tǒng)。選高速計(jì)數(shù)器HSC1作為轎廂的定位計(jì)數(shù)器。配置為A/B相正交計(jì)數(shù)器，工作模式11。由表10-3可知，光電編碼器的A相及B相計(jì)數(shù)信號分別接入PLC的I0.6及I0.7，外部復(fù)位信號接入1I.2，外部啟動(dòng)信號接入I1.1。
表10-4為S7-200系列CPU高速計(jì)數(shù)器指令。其中定義高速計(jì)數(shù)器指令(HDEF)用于定義某高速計(jì)數(shù)器的工作模式，高速計(jì)數(shù)器指令(HSC)用于計(jì)數(shù)的執(zhí)行。除了選定工作模式，安排輸入端口外，在程序中還需為規(guī)定的存儲(chǔ)單元送入高速計(jì)數(shù)器的控制字及初始值、設(shè)定值。圖10-17是為五層電梯控制用高速計(jì)數(shù)器HSC1編制的初始化程序。初始化安排在PLC上電時(shí)刻，程序完成的任務(wù)有：
表10-4 S7-200系列CPU高速計(jì)數(shù)指令
(1)為HSC1的控制字SMB47送人16#DC，其含義為：復(fù)位高電平有效，啟動(dòng)高電平有效，1倍率計(jì)數(shù)，初設(shè)計(jì)數(shù)方向增，可更新計(jì)數(shù)方向，不更新預(yù)置值，更新初值，允許計(jì)數(shù)。
(2)設(shè)置HSC1工作模式為11。
(3)將斷電保持的電梯位置用存儲(chǔ)單元中的電梯現(xiàn)實(shí)位置值送入HSC1的初值存儲(chǔ)單元SMD48。
(4)將30000送入HSC1的預(yù)置值存儲(chǔ)單元SMD52。
(5)安排計(jì)數(shù)方向變化中斷，并編寫一段中斷程序重置SMB47為16# D4。
(6)使能中斷程序并激活高速計(jì)數(shù)器HSC1。
圖10-17 高速計(jì)數(shù)器的初始化
二、基于高速計(jì)數(shù)器的轎廂位置確定
高速計(jì)數(shù)器HSC1經(jīng)以上初始化后，在光電編碼器的驅(qū)動(dòng)下完成計(jì)數(shù)工作，當(dāng)轎廂上升時(shí)加計(jì)數(shù)，當(dāng)轎廂下降時(shí)減計(jì)數(shù)，高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值即是轎廂在井道中的準(zhǔn)確位置，如樓層高度為5m，正常運(yùn)行時(shí)計(jì)數(shù)范圍為0～20 000，HSC1初始化程序中設(shè)定預(yù)置值為30 000，是因?yàn)樵诔绦蛑胁⒉淮蛩憷卯?dāng)前值等于預(yù)置值事件，便設(shè)了一個(gè)永遠(yuǎn)不可能達(dá)到的數(shù)字。
轎廂位置的確定有多重用處。其一是實(shí)現(xiàn)門廳及轎廂內(nèi)樓層數(shù)字指示，二是用于運(yùn)行定向，三是用于確定平層制動(dòng)的時(shí)刻。圖10-18為當(dāng)前樓層指示信號獲取梯形圖。每層樓上下各安排20mm轎廂當(dāng)前位置指示切換區(qū)間，當(dāng)轎廂到達(dá)該區(qū)間時(shí)，將轎廂當(dāng)前位置數(shù)據(jù)送到層樓當(dāng)前值存儲(chǔ)單元VB5保存，VB5中的數(shù)值即用來作為門廳及轎廂處樓層顯示數(shù)據(jù)。
為了電梯運(yùn)行之初的調(diào)試及維修時(shí)修正機(jī)械原因帶的計(jì)數(shù)器定位誤差，可在程序中安排定位自學(xué)習(xí)程序。通過檢修運(yùn)行獲得各層的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
三、內(nèi)呼外喚及定向信號的獲取
轎廂內(nèi)停層信號及門廳上下呼喚信號均需保持并在滿足要求時(shí)消號，這些信號的處理原理及程序與圖10-9及圖10-10基本相同。主要差別是內(nèi)選各層的輔助繼電器及外呼各層上下行輔助繼電器除了要控制各自的指示燈外還需要做兩件事，一件事是選出呼梯樓層的zui大值及zui小值并分別送到上升通道及下降通道。第二件事是將所有呼梯信號狀態(tài)送到規(guī)定的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)。圖10-19為上升通道zui大值數(shù)據(jù)獲得的梯形圖，圖中VB15為上升通道存儲(chǔ)器，另設(shè)有VB17為下降通道存儲(chǔ)器。
圖10-18 樓層指示信號的獲取
圖10-19 上升通道數(shù)據(jù)的獲取
電梯上行還是下行的確定是把上升通道、下降通道里的數(shù)據(jù)與轎廂當(dāng)前值存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)比較得出的。為了保證電梯先上后下的原則成立，程序初始化后首先用上升通道里的數(shù)據(jù)和轎廂位置當(dāng)前值比較，如果是大于，則將上行輔助繼電器M21.1置1，如果在上升途中有更高樓層的呼梯信號，上升通道內(nèi)的數(shù)值將變大，以保證電梯上升到有呼梯的“zui高層”。到達(dá)有呼梯的“zui高層”后，允許將下降通道里的數(shù)據(jù)與轎廂當(dāng)前值比較，如果是小于則可將下行輔助繼電器M21.2置1，確定下行。若在“zui高層”時(shí)，沒有任何呼梯信號，這時(shí)可將位置通道的數(shù)據(jù)傳給下降通道，形成比較值相等的局面．以維持電梯的懸停狀態(tài)，等待呼梯信號的到來。電梯下降過程的情況與此類似。另外電梯上升到達(dá)第五層時(shí)，下行輔助繼電器M21.2自動(dòng)置1，到底*層時(shí)上行輔助繼電器M21.1自動(dòng)置1。上升和下降還可以通過裝在轎廂中的上行下行選擇按鈕強(qiáng)制變更。
定向信號確定后，關(guān)好轎廂門，電梯則啟動(dòng)運(yùn)行。本電梯采用變頻調(diào)速，運(yùn)行速度可以通過變頻器多段轉(zhuǎn)速設(shè)置端設(shè)定，制動(dòng)、反向過程均與起重機(jī)一章中介紹的控制方式類同。
四、停層信號的獲取
在運(yùn)行方向確定的前提下，電梯的停層信號由查表指令確定。圖10-20為S7-200系列CPU查表指令說明。為了使用該指令可在存儲(chǔ)單元中設(shè)置內(nèi)呼信號表、外上呼信號表，外下呼信號表如圖10-21所示。圖中可以看到，為各個(gè)樓層安排的呼喚信號的數(shù)據(jù)號碼與樓層號正好是相同的。當(dāng)某層有對應(yīng)的呼喚信號時(shí)，即將樓層數(shù)存入該單元，這樣表中的樓號數(shù)據(jù)也是*的（沒有呼喚時(shí)相關(guān)表格內(nèi)填寫0）。
確定前方停層站的程序如圖10-22所示。停層判斷在每次電梯啟動(dòng)后進(jìn)行，每次只查詢本方向前一站是否停層，程序中先將轎廂當(dāng)前層數(shù)加1（下降時(shí)減1），然后將加過1后的層數(shù)與內(nèi)呼及外喚表中數(shù)據(jù)比較，查找表中有否與前方層站數(shù)相同的數(shù)字，如有就發(fā)出停層信號。如沒有，前方站則不停，當(dāng)轎廂越過不停的站時(shí)，隨著轎廂位置當(dāng)前值的變化，下一輪的查詢工作又開始進(jìn)行。查表順序?yàn)橄炔閮?nèi)停層命令表，查不到再查同向的外招喚表。
圖10-20 查表指令例及說明
圖10-21 內(nèi)外如喚通道安排
圖10-22 停層信號的產(chǎn)生
五、采用模糊控制原理的平層控制
在發(fā)出了停層信號且轎廂運(yùn)行到達(dá)平層開始位置時(shí)，電梯開始乎層過程。采用變頻器供電時(shí)，制動(dòng)主要針對變頻器的各端子操作，先斷開變頻器的運(yùn)行控制端，變頻器依事先設(shè)定的停車曲線控制輸出頻率的變化，并在到達(dá)下閘位置時(shí)，斷開電磁抱閘的電源，電機(jī)強(qiáng)行制動(dòng)。
采用高速計(jì)數(shù)器定位電梯平層控制的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是平層開始位置可以根據(jù)電梯的實(shí)際載重計(jì)算得出。如電梯平層前速度是常值，電梯乘坐的人越多，則電梯總的運(yùn)行慣量就越大，制動(dòng)越困難，為了準(zhǔn)確平層則需要將平層開始的位置提前。這在使用固定位置傳感器的電梯中是無法做到的。
為了得到較高的平層精度，平層控制采用模糊控制實(shí)現(xiàn)。電梯中一般都裝有載荷傳感器，zui一般的功能是超荷報(bào)警?，F(xiàn)采用載荷傳感器將實(shí)際乘客質(zhì)量分為輕(S)、偏輕(MS)、中等(M)、偏重(MB)、重(B)五擋，并安排五擋平層距離如表10-5所列。平層距離欄中字母分別代表距離小、較小、中等、較大及大等五擋。
表10-5 初始平層距離表
這樣的安排并不一定能獲得滿意的結(jié)果，因?yàn)楸碇械膶?shí)際數(shù)據(jù)都是憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的。
為了得到準(zhǔn)確的平層距離數(shù)據(jù)，還設(shè)計(jì)了平層距離調(diào)整表如表10-6所示。表中e為平層誤差，參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，定義為±15mm，共分為負(fù)大(NB)、負(fù)偏大(NMB)、負(fù)中(NM)、負(fù)偏小( NMS)負(fù)小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正偏小(PMS)、正中(PM)、正偏大( PMB)、正大(PB)等十一擋，表中m為前邊說過的五擋質(zhì)量，表的中部為平層距離調(diào)整系數(shù)。
表10-6 平層距離調(diào)整表
電梯運(yùn)行時(shí)，先執(zhí)行表10-5，得到一個(gè)平層距離并以此平層，得到平層誤差，再執(zhí)行表10-6得到一個(gè)調(diào)節(jié)量，并依據(jù)調(diào)節(jié)量對表10-5中得到的平層距離進(jìn)行修正。此過程反復(fù)進(jìn)行，直到得到的平層誤差為NS、ZE或PS為止，這時(shí)所得到的修正過的表10-5就是合適的平層距離了。具體編程時(shí)，可對表10-6作出處理，并對每個(gè)格子用縱橫坐標(biāo)編號，就可以用前邊所提到過的查表指令實(shí)現(xiàn)模糊運(yùn)算。這里就不再敘述了。
平層控制在確定在某層停車后執(zhí)行，先調(diào)用該層的理想平層?？繑?shù)據(jù)，再結(jié)合模糊控制計(jì)算得出平層開始時(shí)轎廂的位置數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)開始平層動(dòng)作。
采用高速計(jì)數(shù)器作為轎廂的定位設(shè)備在樓層較少時(shí)并沒有什么明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在高層建筑中的優(yōu)勢是不言而喻的。本例電梯位置計(jì)量采用值計(jì)數(shù)方式，另還有相對值計(jì)數(shù)編程方式，對層高相等的高層建筑電梯比較適用。
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