PLC控制交流变频调速电梯.docx
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PLC控制交流变频调速电梯
绪论
1.1选题的背景、意义及研究状况
从1857年美国人OTIS发明出真正意义上的电梯以来[1]，电梯控制技术就越来越显示出其重要性，电梯控制技术的先进与否，主要体现在电梯控制系统的设计上，所以对电梯控制系统进行研究和设计，有利于促进我国电梯控制技术的发展。
利用通用变频器和PLC实现对电梯的控制，提高了电梯运行的可靠性，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。
随着人们对电梯运行安全性、高效性、舒适性等要求的提高，电梯控制系统的研究得到了迅速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。
现在绝大部分电梯采用的变频器都是专用变频器，这种变频器使用起来比较方便，但是价格却很高，若采用PLC加通用变频器的控制系统，价格大幅度下降，性价比大大提高。
1.2电梯继电器控制系统存在的问题
（1）系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。
（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。
电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。
且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。
1.3PLC及在电梯控制中的应用特点
1.3.1PLC的优点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器，进行点位运算与控制。
PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
1.3.2PLC控制电梯的特点
（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。
（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率[2]。
1.4电梯变频调速控制的特点
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。
电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
变频调速电梯的优点:
（1）变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。
（2）变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速[3]。
（3）变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。
电梯设备与电梯发展动态
2.1电梯设备
2.1.1电梯的主要组成部分
（1）曳引部分通常由曳引机和曳引钢丝绳组成。
电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。
（2）轿厢和厅门轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成；厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等。
（3）电器设备及控制装置有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅站指示器组成。
（4）其它装置对重装置、补偿装置等。
2.1.2电梯的安全保护装置
（1）电磁制动器，装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电闸，停层后断电制动。
（2）强迫减速开关，其分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上的撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。
（3）限位开关，当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。
（4）行程极限保护开关，当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。
（5）急停按钮，装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。
（6）厅门开关，每个厅门都装有门锁开关。
仅当厅门关上才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。
（7）关门安全开关，常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。
（8）超载开关，当超载时轿底下降，开关动作，电梯不能关门和运行。
（9）其它的开关，安全窗开关，钢带轮的断带开关等。
2.2电梯的发展动态
随着现代建筑的发展，日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要标志，作为高层建筑的垂直运载工具——电梯得到了快速发展。
2.2.1电梯技术发展概况
（1）电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。
（2）电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。
逐步被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。
交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由以前的变级调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。
（3）电梯的逻辑控制己从过去简单的继电器——接触器控制发展为可编程序控制器（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等[4]，电梯可靠性得到很大提高。
（4）电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足用户的使用功能要求。
如紧急停车操作、消防员专用、防捣乱系统等。
（5）智能群控管理得到广泛应用。
（6）机械传动方面，由于国际上机械加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。
2.2.2电梯发展展望
（1）结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。
随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。
同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展[5]。
（2）技术含量更高，性能更好。
电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流，由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF技术。
另外，网络控制和智能群控系统，以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流[6]。
（3）安装更方便、更快捷。
3控制方案选择
3.1变频器的选择
随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用[7]。
目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。
因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。
这是本设计的特点之一。
目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。
3.1.1变频器的原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现代使用的变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源提供给电动机，变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形。
中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
变频器是利用输出功率可改变的交流电力拖动设备。
变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电。
以此为电源再供给电机使用。
3.1.2变频器的选择
电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。
本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感；另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。
考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能[8]，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。
3.1.3VS-616G5型变频器的特点
VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。
这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
VS-616G5变频器的特点如下:
（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
（2）有丰富的内藏与选择功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
（4）保护功能完善、维修性能好。
（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。
3.2可编程控制器（PLC）的选择
电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。
电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的必要前提。
3.2.1轿厢楼层位置检测方法
主要方法有如下几种:
（1）用干簧管磁感应器或其它位置开关:
这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。
（2）利用稳态磁保开关:
这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，但它是无权代码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大[9]。
（3）利用旋转编码器:
目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。
由以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故本设计采用此法。
3.2.2PLC的选型
根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。
又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。
综合考虑后，本设计选择了日本OMRON公司生产的C系列P型机。
C系列P型机具有以下几方面的优点：
（1）P型机专用于开关量控制，其体积小，安装起来节省空间；
（2）其功能较强，具有2kHz的高速计数器，可作为定位控制的标准硬件使用；在指令方面，P型机有编码、译码、数据转换、可逆计数等功能。
从结构上看:
P型机包括主机单元、I/O扩展单元、I/O链接单元、A/D转换单元、D/A转换单元等；
（3）P型机采用的是箱体结构，其价格便宜，可靠性高；
（4）P型机的任一种CPU箱和任一种扩展箱均可配置在一起，因此，用户可根据所需的I/O点数进行选件配置，使用灵活、方便。
4系统硬件设计
4.1变频器结构及参数设置
由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。
由于616G5是通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多。
4.1.1VS-616G5变频器参数及参数设置
616G5变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。
常用参数如表4-1[10]
表4-1变频器参数
参数
功用
A组
确定控制模式
B组
选择运行功能
C组
确定加减速时间及转矩补偿时间
D组
选择频率
E组
确定运行压频曲线
F组
保护设置
H组
确定偏差标准
参数设置的原则:
（1）为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；
（2）为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击；（3）零速一般设置为0Hz，速抱闸功能将影响舒适感；（4）变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置见表4-2
参数
名称
设定值
说明
A1-02
控制方式选择
2
不带PG矢量控制方式
B1-01
频率指令选择
1
B1-02
运行指令选择
1
B1-03
停止方法选择
0
B1-04
反转禁止选择
0
B2-01
零速电平选择
0.1Hz
B2-04
停止时直流制动时间
1.0s
C1-03
加速时间2
2.0s
C1-04
减速时间2
2.0s
C2-01
加速开始时S型曲线时间
0.6s
C2-02
加速完了时S型曲线时间
0.6s
C2-03
减速开始时S型曲线时间
0.6s
C2-04
减速完了时S型曲线时间
0.6s
C5-01
ASR比例增益1
5
C5-02
ASR积分时间1
3s
D1-09
检修速度
200rpm
E1-01
输入电压设置
380v
E1-04
最高输出频率
50Hv
E1-05
最大电压
380
E1-06
额定电压频率
50Hv
E1-09
最低输出频率电压
0v
E2-01
电机额定电流
按电机铭牌设置
E2-02
电机额定滑差
按电机铭牌设置
E2-03
电机空载电流
按电机铭牌设置
E2-04
电机极数
按电机铭牌设置
F1-01
PG常数
按电机铭牌设置
F1-02
PG断线检测时的动作选择
0
F1-03
超速时的动作选择
0
F1-04
超度偏差过大时的动作选择
0
F1-05
PG分频比
根据电机极数设置
表4-2安川616G5变频器主要参数设置表
4.1.2变频器自学习功能的应用方法
为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习[11]，而616G5就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:
将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。
显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。
4.1.3变频器容量及制动电阻参数的计算
（1）变频器容量的计算
变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。
设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为v，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。
在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2,
P2=[（W1+W2-W3）g+F1]v（4-1）
其中F1=K（W1+W2-W3）g+f为摩擦力，f可忽略不计。
电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P≈1.5P2
（2）变频器制动电阻参数的计算
由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。
带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高。
采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。
能耗制动电阻Rz的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即
IZ=UD/RZ≤IN/2（4-2）
其中UD为额定情况下变频器的直流母线电压。
由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。
4.2PLC控制系统设计
（1）电梯PLC控制系统
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
图4-1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。
系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。
图4-1电梯PLC控制系统的基本结构图
（2）I/0点数的分配及机型的选择
本设计按七层的电梯为例，根据需要控制的开关、设备大约有52个输入点，34个输出点需进行控制，考虑10%-15%的裕量，故选择C60P主机模块+C40P扩展单元，其I/O点数可达56/44个，I/O分配如下:
表4-3中间继电器
1000～1006
楼层位置信号通道
1308
关门信号通道
1700～1706
轿内指令登记信号通道
1309
本层开门中间信号通道
1400～1406
选层信号通道
1310
定上向信号通道
1200～1206
呼梯信号通道
1311
定下向信号通道
1215
下召唤直驶和反向信号
1312
检修定上向信号通道
1214
上召唤直驶和反向信号
1313
检修定下向信号通道
1301
上行顺向截梯
1314
人员进出红外线信号通道
1302
下行顺向截梯
1100～1102
高数计数器输出通道
1303
电梯运行状态
1208
上行前沿微分通道
1304
顺向截梯
1209
下行前沿微分通道
1305
反向截梯
1408
消防上升沿微分通道
1306
换速信号通道
1409
消防下降沿微分通道
1307
平层中间继电器
1411
门连锁信号通道
表4-4输入部分
0000
高速计数器输入端
0013
轿内检修向下运行按钮
0001
硬件复位
0014
底层钥匙开关
0002
开门开关
0015
消防开关
0003
有/无司机操作方式转换
0100～0106
轿内指令通道
0004
轿厢门锁
0107
红外线传感开关
0005
开门限位开关
0108～0114
厅门锁
0006
关门限位开关
0200～0205
1～6层上召唤按钮
0007
超载触点
0206～0207
上/下极限开关
0008
直驶开关
0208～0209
轿内、轿顶检修
0009
检修开关
0210
急停按钮
0010
警铃按钮
0211
变频器“运转”信号
0011
关门开关
0300～0305
2～7层下召唤按钮
0012
轿内检修向上运行按钮
0306～0307
上/下行强迫换速开关
0211
变频器故障信号
表4-5输出部分
0607～0612
1～6层上召唤信号指示灯
0500
上行接触器
0700～0705
2～7层下召唤信号指示灯
0501
下行接触器
0800～0806
内选指示灯
0502
开门继电器
0600～0606
电梯运行位置指示灯
0503
关门继电器
0706
蜂鸣器
0505
点动检修继电器
0504
换速信号继电器
0506
平层停车继电器
表4-6其他
名称
功用
特殊
功能
继电器
1808
备用电池失效为ON
1807
高数计数器软件复位
1813
监视PLC操作状态
1900～1902
产生0.1s、0.2s、1s时钟脉冲
1906
执行CMP时，结果相等为ON
时间
继电器
TIM00
开门限位开关失效，定时使开门停
TIM01
定时断开红外线检测回路
TIM02
自动关门定时
TIM03
关门限位失效，定时使关门停
TIM04
自动开门定时
计数器
高数计数器
FUN98
可逆计数器
CNTR46
4.3系统结构框图
系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成，如图4-2所示。
图4-2系统结构框图
5系统软件设计
5.1控制流程图
（1）主程序流程图
系统流程图如图5-1所示：
图5-1主程序流程图
（2）子程序流程图
开关门子程序主要实现电梯的开门和关门功能。
流程图如图5-2所示：
图5-2子程序流程图
5.2控制系统程序设计
（1）开关门控制
①本层开门
本层开门是指电梯在停车状态和非检修（有/无司机）条件下，当轿厢所在层楼有上召唤且没有定下方向，或有下召而没有定上方向时，电梯自动开门。
电梯本层开门的条件也可简化为，在停车状态下当轿厢所在层楼有厅外召唤时，电梯自动开门。
如假设轿厢现停在二层，则1001为ON，当二层厅外有上召唤信号时0201为ON，在没有定下方向，且停车状态下，1309为ON，发出本层开门控制信号。
②关门控制
关门的条件有以下几种:
停车状态下按关门按钮、无司机状态下自动关门时间到、锁梯时钥匙开关断开。
停止关门或不关门的条件:
关门到位碰关门限位开关、有开门信号、开门继电器吸合、超载开关动作。
如锁梯时，0014闭点为ON，可使0503为ON,执行关门动作；而超载时，闭点0007为OFF,0503也为OFF，不能关门运行。
在关门梯形图中也设置了关门安全保护，因为关门限位开关若不动作或失灵，同样容易将门电机烧毁。
与开门过程保护一样，可在开始关门后通过定时器计时，超过正常关门时间，自动停止关门，以保护门电机。
（2）内指令外召唤信号的登记消除及显示
①内指令信号处理
内指令信号的处理包括信号的登记，显示基本层（停车）消息。
信号的登记采用自锁原理，不论电梯上行或下行，当轿厢运行至有内指令的楼层时，均要换速停车，并消除登记信号，不需反向信号[12]。
将1-7层轿内指令按钮信号输入到PLC的0100~0106端子，1000~1007为1-7层楼层位置信号，1700~1706为内指令登记信号。
如有人想到4层时，按下4层的内指令按钮，则0103为ON；若轿厢不在4层，则1003闭点为ON，所以1703为ON,信号被登记；当轿厢到4层时1003为OFF，起消号作用。
②外召唤信号处理
厅外召唤信号同样需要进行登记、显示本层停车信号，此外还具有反向运行保号功能。
当1214或1215为ON时，分别进行
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