硕士学位论文-基于可编程控制器的电梯变频调速系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文基于可编程控制器的电梯变频调速系统的研究姓名：何晓燕申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：陆永忠20060422华中科技大学硕士学位论文摘要电梯是高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控制线路，存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。从技术发展来看，这种系统将逐渐被淘汰。随着电梯拖动技术、控制技术的快速发展，电梯已从直流电动机拖动到交流单速、交流双速电动机驱动，到交流调压调速(Acw，te肌tigcu玎entvoltage)控制，发展到交流调压调频技术(vvvF，variablevoltagevariableFhqu锄cy)控制，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，使得电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、降低噪音等方面得到了极大的发展。新制造的电梯都采用了对电动机实现线性调速的调压调频(、，、n，F，Variable、，oltageiableFrequency)技术，由于vwF电梯采用微机控制，有完善的自检测、自诊断、自保护功能，因而十分安全可靠。在研究电梯基本结构的基础上，阐述了电梯的拖动原理和控制原理，重点分析了电梯改造中如何用变频器和PLc来完善电梯控制系统，研究并提出了基于PLc和变频器的电梯控制系统的实现方案，利用安川vs一616G5型变频器可编制速度曲线的特点为电梯舒适度的提高，提供了技术支持。通过合理分析所得速度控制曲线既可以满足快速性的要求又避免了重力加速度效应，旋转编码器的使用，使PI_c的内部资源和功能得到了充分的利用。采用PLc对电梯信号系统进行控制，开发出了完整的电梯控制软件，提高了电梯的控制水平，并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。该系统具有先进、可靠、经济的特色。该电梯控制系统具有司机运行和无司机运行即手动和自动的功能，并且具有指层、厅召唤、选层、选向等功能。具有集选控制的特点。关键词：软件开发PLc控制变频调速模块化集选式华中科技大学硕士学位论文AbstractTheelevatorisanecessaryvehicleforhighbuildingSperpendiculartransportationThetraditionalelevatoradoptarelay-logicaltocontrolitscirculationSOthatithassomedefects，suchas：accidentproneness，shortlifespan，inconvenienceaintaining，occupyinghugespace，etcAsfarasthetechniquedevelopmentconcerned，thissystemwilldieawaydaybydayAlongwiththerapiddevelopingofdragandcontroltechnique，theelevatorhasbeendevelopedfromtheDCmotordrivetotheACsinglespeedandACdoublespeedmotordrive，tilltheACvariablevoltage(ACVV)controlandthentillthevariablevoltagevariablefrequency(VVVncontr01ItSlogiccontrolalsohasbeenreplacedbyPLCfromcontrolrelaywhichleadstothegreatprogressoftheelevatorSreliabilitysecuritycomfort，floorprecision，liftingspeed，powersavingandnoisepreventingNewmadeelevatorsallhaveemployedtheVVVFSOthattheyworkquitesafelyandreliablycausewhichusemicrocomputercontrollingSOthattherearesomemeritsfollowing：perfectself-test，self-diagnostics，self-protectBasedontheintroductionoftheelevatorSbasicstructure，thisthesisexpatiatesthedriveandcontrolprincipleofelevatogandmainlyanalyzeshowtoadvancetheelevatorScontrolsystemusingthefrequencyconverterandPLCInthisthesisithasstudiedandproposedtheimplementationprojectofelevatorSVVVFcontrolsystembasedonPLCandtransducerThisthesishasbeensupportedtechnicallybythemeritofcompilingspeedcurveusingANCHUANVS-616G5AnalyzingreasonablythecurvewhichcannotonlymeetstheclaimingofrapiditybutalsoavoidstheeffectfromaccelerationofgravityAndtheinteriorresourceandfunctionCanbefullyutilizedusingtherotaryencoderIthasbeendevelopedacompleteelevatorcontrolsoftwareinthisthesis，havingraisedtheelevatorScontrollinglevel，improvedthecozyfeeling，SOtheeffectofcontrolcomesmoreideallyThissystemhasmeritsofadvanced，reliable，economicalII华中科技大学硕士学位论文Thiselevatorcontrolsystemprovidestwocontrolstates：adrivemovementcontrolstateandanondrive-movecontrolstate，namelyanautomaticandamanualoperationstateItalsohassomefunctions，likeindicatinglayerinvokingbyhall，choosinglayerandchoosingdirectionetcInaddition，thissystemhasacharacteristicofcongregatedchoosecontr01Keywords：SoftwareDevelopingPLCcontrolFrequencyConversionModularizationCongregatedChoosingControlin华中科技大学硕士学位论文1绪论随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。电梯是垂直运输工具，属于位能负载，并且要求频繁起停，随着载客量多少的变化、上下行的变换，在空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处于发电状态，而电梯在重载上行或空载下行时，电动机的负载最大，是处于电动状态，这就要求电动机在四象限运行。传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，双速异步电动机在定子回路中串电抗与电阻来实现电动机的调速，这满足不了乘客的舒适感；另外，传统的电梯控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。可编程控制器(PLc：Pro掣砌mableLogiccon仰ller)是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置【“。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。因此，PLC控制技术加变频调速己成为现代电梯行列的一个热点。11电梯及其发展趋势1)电梯设备电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备【21。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直或倾斜角小于15。的刚性导轨之间。由于建筑物的用途不同，客货流量也不同，故需配置各种类型的电梯，因此各个国家对电梯的分类也采用不同方法。根据我国的行业习惯，电梯的种类指梯种、控制类型、控制方式、拖动方式、门的形式、机房形式等来分类【31。如：按速度分类有低速电梯(1ms以下)、快速电梯(12JIls)、高速电梯(2lIls以上)、超高速电梯(4玎怕以上)；按用途分类有乘客电梯、住宅电梯、观光电梯、载货华中科技大学硕士学位论文随着新技术、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。(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VWF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vwF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【12】。(3)安装更方便、更快捷。高效、安全、可重复使用的无脚架安装，将是高层电梯安装的主要方式；随着新技术的开发、应用、电梯的硬件系统给安装带来更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。此外，电梯的双向安全装置，无底坑、无线控制，绿色环保一安全、环保、节能、舒适、也将是未来电梯的重要发展方向。12课题的提出1)PLC的特点、应用领域及发展趋势PLC的主要特点如下：(1)运行稳定，可靠性高由于采取了一系列的保证PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间(MTBF)一般可达到3到5万小时，且能在各种工业环境下运行。(2)编程简单，使用方便PLC采用面向过程、面向问题的“自然语言”编程，如梯形图语言编程方式非常直观、易懂易编，容易推广使用。(3)功能强大现代PLC不仅具有条件控制、计数、定时、步进、跳转、移位等功能，还能完成AD、DA转换、数字运算和数据处理以及通信网络，生产过程监控等功能。(4)硬件配置、安装、使用和维护都很简单方便PLC的接线只需将输入设备(如按钮、开关等)与其输入端子相连，将输出设备(如接触器、电磁阀等)与其输出4华中科技大学硕士学位论文端子相连，十分方便。PLC上有IO指示灯(LED)，哪个Io元件有故障，一目了然。(5)体积小、重量轻，易于实现机电一体化PLC结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为机电一体化十分理想的控制设备旧14l。PLC由于具备以上特点，现在已经广泛应用于国内夕的机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。若按应用类型来划分，PLC的应用领域，大致可分为如下几个领域：(1)开关量逻辑控制PLC最基本的功能就是逻辑运算、计时(定时)计数等。在中、高档数控机床的数控系统中，大多采用PI_C+NC的控制方式，前者实现对开关量(如M功能、T功能)的控制，后者完成插补运算等功能。(2)模拟量的闭环控制一般PLC都有钔)、DA转换及算术运算等功能，因此可以实现模拟量控制。(3)数字量的智能控制利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备相应的传感器或伺服装置(如环形分配器、功效、步进电机)就能实现数字量的智能控制。(4)数据采集与监控PLC可以在控制现场实现控制，把现场的数据实时显示或采集保存下来，供进一步研究。(5)分布式控制系统通过联网可以把PLC与PLC，或PLC与上位机连接起来，构成多级分布式控制系统。随着微处理技术的发展，可编程控制器也得到了讯速发展，其技术和产品日趋完善。PLC的发展趋势是：(1)向高速度、大存储容量方向发展目前大中型PLC的速度可达02msk步左右，PLC产品的扫描速度已经成为一个重要竞争指标。(2)向多品种方向发展目前PLC产品主要向超小型和超大型两个方向发展。(3)编程语言多样化PI_C系统结构不断发展的同时，编程软件也在不断发展。目前有三种语言占主导地位：一种是标准的继电器梯形图语言，另一种是顺序功能图语言，再一种是模仿过程流程的功能块语言。尽管如此，新的编程语言还是不断出现。现在有部分PLC已经采用高级语言(如BASIC语言等)，这对给PLC的使用者提供了更多的选择。(4)发展智能模块智能输入输出模块本身具有CPU，能独立工作，可与PLC的主CPU并行操作，在可靠性、适应性、扫描速度和控制精度等方面都对PLC作了华中科技大学硕士学位论文补充(如智能通信模块、语言处理模块、专有智能PID控制模块、专有数控模块、智能位置控制模块、智能模拟量模块等)【16171。(5)加强联网和通信功能PLC的联网和通信可分为两类：一类是PLC之间的通信，另一类是PLC与计算机之间的通信。由于可用PLC构成网络，因此，各种个人计算机、图形工作站、小型机等都可以作为PLC的监控主机和工作站。能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持及信息打印等功能。(6)PLC的新进展一软PLC近几年来，计算机软、硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术取得了一系列新的进展。目前有许多工业用自动控制产品、机电一体化产品，开始转向以计算机为平台的控制方式。德国工业界最新推出的以计算机为平台的SoftPLC就是这方面的优秀代表I”J。2)变频调速控制电梯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、高功率因素和节电效果，广泛的适应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。变频调速电梯的特剧19201：(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)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。3)课题的来源变频器以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。在电梯业也是如此，目前国内7080年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，调速方式一般采用变极调速、调压调速、直流调速。维修困难，属于能耗型调速，效率低，发热量大，调速性能指标较差，严重的影响电梯运行质量。应6华中科技大学硕士学位论文2电梯控制系统电梯控制系统可分为调速部分和信号控制部分，调速部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要影响，而信号逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。21电梯信号控制系统分类及特点电梯的信号控制系统从系统的实现方法来看，经历了继电器控制系统、可编程控制器(PLC)系统和微机控制系统等多种形式，这些控制方式代表了不同时期电梯控制系统的主流，并且随着大规模集成电路和计算机技术的发展而逐步推陈出新阻221。1)继电器信号控制系统电梯继电器控制系统有如下优点：(1)所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合一般技术人员和技术工人所掌握。(2)系统的保养、维修及故障检查无需较高技术和特殊的工具仪器。(3)大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。(4)多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。而电梯继电器控制系统也存在着一些问题：(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)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。华中科技大学硕士学位论文可编程控制器(PIc)出于其种种优点，成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。22电梯调速控制技术电梯作为高层建筑的垂直运载工具，其需求量越来越大，性能越来越高，而电梯性能的优劣，在很大程度上取决于电动机转速的调控。例如：平稳启动，平稳加减速，平稳停车，以满足人们快捷、舒适的需求；节能、环保以满足用电质量的要求。电梯是由电动机拖动的，因此对电梯的调速控制，就是对电动机调速的控制，而电动机又分为直流和交流【26271。1)直流电动机调速自从19世纪末，美国奥梯斯公司制造出世界上第一台电梯到20世纪50年代，电梯几乎都是由直流电动机拖动的。其调速的平滑性好、范围广、无噪音，能满足人们快捷、舒适的要求。但直流电动机具有结构复杂，制造和维修困难，体积大，占地面积大等缺点。为此，力图用运行可靠、结构简单、体积小、价格低、便于制造和维修的三相交流异步电动机来代替直流电动机。而代替的关键就在于异步电动机的调速性能。2)三相交流异步电动机改变磁极对数调速交流电动机的转速公式为：n-60fl(1-s)p(21)式中：n一电动机转速，rrain；p一定子绕组的磁极对数：s一电动机的转差率；一电源频率，HZ。由转速公式知，要调节电动机的转速，只要调节定子绕组的磁极对数，即改变定子绕组的连接方式，就可得到不同的磁极对数。可见，变极调速具有结构简单、价格较低等优点；其缺点是磁极只能成倍变化，其转速也成倍变化，级差特别大，无法实现平稳运行，加上该电动机的效率低，只限于货梯上使用，现已趋于淘汰。10华中科技大学硕士学位论文3)交流异步电动机改变电压调速ACVV(AlternatingCurrentVariableVoltage)ACW是根据电动机的转速随定子所加电压ut的减小而降低；或随定子所加电压u，的增加而升高来实现变压调速的。常用反并联晶闸管或双向晶闸管组成变压电路，通过改变晶闸管的导通来改变输出电压的有效值，从而改变转速。晶闸管可选择在负载电源过零时自行关断的。而不必另加换流电路。变压调速就有结构简单，效率较高，电梯运行平稳，较舒适的优点；缺点是当电压较低时最大转矩锐减，低速运行可靠性差，而电压又不能高于额定电压，声，降低了功率因数等。而变压变频调速电梯可避免ACW电梯的不足【2”。4)交流变压变频调速VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)由公式21可知，转速n和电源频率f1成正比，连续均匀地改变供电电源的频率，就可平滑地改变低档机的转速，但同时也改变了电动机的最大转矩，而电梯为恒转矩负载，要求调速时保持最大转矩不变。因此，改变频率的同时必须改变电压(ul。El=444f1W1巾。，转矩T=C。巾。12Cos士。，如Ul=常数，则巾。随f1地增加而减小，或巾。随f1的减小而增加，改变了转矩。因此，改变频率的同时必须改变电压)，可见这种调速实际是变压变频(VVVF)调速12。早期的变频装置是一套旋转变频机组，体积大，效率低，价格高，仅局限于对调速要求较高的少数电梯。随着电力电子技术和微电子技术以及现代控制理论的发展，相继开发出各种各样的变频装置，如PAM、PWM、SVPWM等专用变频器，其性能越来越高，越来越完善。、，、，F电梯的核心是变频器，可以说，交流异步电动机电梯的调速性能取决于变频器的性能。23本章小结本章阐述了电梯控制系统的分类及特点。由于电梯安全可靠运行的关键是信号逻辑控制部分，故对各种信号控制方式进行了比较分析。针对调速部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要性，对各种调速方式进行了全面的比较分析。华中科技大学硕士学位论文3系统的架构及其基本方案的选择课题开发是基于PLc的电梯变频调速系统，采用变频器和PLc组成的变频调速电梯控制系统。电梯的调速部分选用高性能的矢量控制变频器，逻辑部分由PLc来实现。31系统的总体结构系统采用集中控制方式，主要包括信号控制系统和拖动控制系统两大部分，其系统框图如图31所示。控制系统的核心为可编程控制器(PLc)，操纵盘、呼梯盒、位置、安全保护及变频器工作状态等信号输入Pl_c，经PLc运算处理后由输出接口分别向显示电路发出呼梯、定向等显示信号，通过变频器向门机和主拖动电动机发出控制信号【30】。图31电梯控制系统框图课题的核心问题有两个：一是变频器的参数设置以满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求；二是由PLc实现电梯信号控制及其软件开发。设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。12华中科技大学硕士学位论文32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。目前，有为电梯控制而设计的专用变频器，其功能较强，使用灵活，但其价格昂贵，因此可以采用通用型变频器，通过合理设计，可使其达到专用变频器的控制效果。为了满足电梯控制上的要求，参数设置比专用型变频器要复杂得多。系统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、设置和编程，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。1)通用变频器概况上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。在近20年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。(1)容量不断扩大。80年代初采用的BJT的PwM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600K、，A，400K、，A以下的已经系列化。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达到1800瓯，A，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。(2)结构的小型化。变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措旋，促进了变频电源的小型化【3ll。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”(IIltelligentModule，IPM)这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速【32J。华中科技大学硕士学位论文(3)多功能和智能化。电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。人们总结了交流调速电气控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。8位、16位及32位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。32位数字信号处理器(DigitalSignalProcesser-DSP)的应用将通用变频器的性能提高一大步。实现了转矩控制，推出了“无跳闸功能”。目前，新一代变频器开始采用新的“精简指令集计算机”(ReducedInstructionSetComputer-RISC)，将指令执行时间缩短到纳秒级。它是一种矢量(超标量)微处理，其功能着重点放在常用基本指令的执行效率上，舍弃了某些运算复杂而使用率不高的指令，省下它们所占用的硬件资源用于提高基本的运算速度，达到了以“每秒上亿条指令”为单位来衡量运算速度的程度。有文献报道，RISC的运算速度可达1000MIPS，即10亿次秒，相当于巨型计算机水平。指令计算时间为lns量级，是一般微处理器所无法比拟的。有的变频器厂家声称，以RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法，转速估计计算，PID调节器在线实时运算【34351。目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。例如系统所采用的安川公司的VS-616G5变频器就有：无PG(速度传感器)v伊控制、有PGV伊控制、无PG矢量控制、有PG矢量控制等四种控制方式。通过控制面板可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。(4)应用领域不断扩大。通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺地适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机，泵类负载地节能调速和化纤工业中高速缠绕地多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩14华中科技大学硕士学位论文展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器：金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床及至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都己应用通用变频器；在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大【361。2)通用变频器的功率输出驱动技术动向采用变频器的调速传动技术，近年来取得惊人的进步。从技术发展动向来看，大致有如下几个方面：(1)IGBT的应用。最近几年来，IGBT的应用正在迅速推进。其显著的特点是：开关频率高，驱动电路简单。用于通用变频器时，有如下明显的效果：由于载波效率的提高(20KHZ或更高)，负载电动机的噪声明显减少，实现了低噪声传动，电动机的金属鸣响声因震动频率超过了人耳可感知的程度而“消失”。同样由于载波频率的提高，使电动机的电流(特别是低速时的电流)波形更加趋于正弦波，因而减少了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。由于IGBT电压驱动型，因而简化了驱动电路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成本降低。主开关器件如果采用口M，上述效果将更加明显。(2)网侧变流器的PWM控制的变频器。Et前上市的绝大多数通用变频器，其网侧变流器采用不可控的二极管整流器。虽然控制简单，成本较低，但也有它的缺点。比如，网侧电流波形严重畸变，影响电网的功率因数，谐波损耗大，电动机制动时的再生能量无法回馈给电网等。现已开发出一种新型的采用PWM控制方式的自换相交流器，并已经成功地用作变流器中的网侧变流器，电器结构形式与逆变器完全相同，每个桥壁均由一个自关断器件和一个二极管反并联组成。其特点是：直流输出电压连续可调，输入电流(网侧电流)波形基本为正弦功率因数可保持为1，并且能量可以双相流通。华中科技大学硕士学位论文网侧变流器采用PWM控制交流器又称为“双PWM控制变频器”。这种再生能量回馈式高性能通用变频器，代表着另一个新的技术动向。它的大容量化，对于制动频繁地或可逆运行地生产设备十分有意义。但因其价位高、投资大，所以在某种程度上限制了它的发展速度【37381o(3)矢量控制变频器的通用化。在造纸、轧钢等应用领域，要求精度高，响应快，一般性的通用变频器已经不能胜任，往往要采用矢量控制方案，但是矢量控制往往需要速度传感器，运算复杂、调整麻烦，对电动机的参数依赖性较大，目前国内正在努力使矢量控制变频器实现通用化。因此，对无速度传感器的矢量控制系统的理论研究和实用化的开发代表着另一个新的技术发展方向【39】。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的一项重要内容。系统中拖动调速控制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。考虑到以上各种因素，系统选用安川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，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地场合。另外，616G5变频器地起动、制动具有可任意调节地s曲线和零频仍可输出150力矩地特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达O01O02，使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦波波形，使电机始终运行于静噪音状态。3)vS一616Gs型变频器简介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，VS一616G5作为通用变频器适合任何应用场合，在低速下能够实现平稳启动(1o60额定转速)并且极其精确地运行。它的自动调整功能可使世界各地生产的电动机达到高性能运行。VS-616G5将四种控制方式融为一体，包括磁通矢量和传统的、佃控制，16华中科技大学硕士学位论文VS-616G5在精密机械及驱动多台电机的任何应用中，都可以实现极佳的驱动效果。它是改善品质和提高生产效率特别理想的选择。vS一616G5型变频器的主要性能如下：(1)磁通矢量控制使任何类型的负载都可在低速下平稳启动。VS-616G5具有全频域磁通电流矢量控制的特点。它是根据现代控制理论，采用磁通检测和神经网络控制技术，直接控制电机的转矩。它在低速下(1额定转矩)即使不采用PG反馈，也可提高启动转矩和无故障运行，当增加PG控制时，可以实现零速高转矩控制。(2)可靠的力矩控制。VS-616G5是通过精确的力矩控制功能来控制输出力矩的。万一发生故障时，也能确保无冲击安全运行。VS-616G5在传送带和重型传输机械的应用中证明了它的耐久性和完美的性能。(3)宽调速范围的精确控制。VS-616G5即使在负载变动条件下，也具有全速范围高精度运行的特点。(4)优秀的伺服响应。带PG反馈时，需要选用PG速度控制卡。vS一616G5型变频器的特点如下：(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。VS-616G5型变频器的标准规格如表31：17华中科技大学硕士学位论文表31V$-616G5型变频器的标准规格电压200V400V容量范围12110K1446c瞩：电压频率200V：三相200208220电400V：三相380400415440460V源电压允许变动+10一15频率允许变动+一5正弦波PWM控制：无传感器矢量控制(无PG)控控制方式带传感器矢量控制(带PG)VF控制带传感器V腰控制(用参数切换)制启动转矩150Hz(无PG)1500rrain(带PG)速度控制范围1：100(无PG)1：1000(带P研速度控制精度+02(无PG)002吲带PG)特速度响应5Hz(无PG)30Hz(带PG)转矩极限有转矩精度+一5性转矩响应加Hz(无PG)以上150Hz(带PG)以上频率控制范围014眦频率精度数字式指令+001(一100C一+400C)(温度变动)模拟指令+一O1(25oc+一100c)频率设定分辨率数字式指令001Hz100Hz(运算分辨率)模拟式指令003Hz60Hz输出频率分辨率001过载量额定输出电流的150lmin频率设定信号一加V10V，010V，420mA加减速时间00160000s制动转矩约20带制动选择150抑制直流电抗器内带(200V24KVA400V26KVA以下可选择)高次谐波12相整流不能变动电源主要控制功能瞬停再起动，下降控制，转矩控制，零点伺服控制等)操作装置16字2线日语液晶显示器接通插件板可选择16种娶葶溺j度荪酗彤华中科技大学硕士学位论文33可编程序控制器(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软件如何根据给定的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前提。1)轿厢位置检测轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰【41】。位置检测方法主要有如下几种：(1)用于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，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。(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。旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量(主要是转角)，并把它们转换成数字形式的输出信号。在电梯中用码盘来检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反馈信号和位置指示信号。旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，进而，算出电梯华中科技大学硕士学位论文运行过程中轿厢所处层楼位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等【42】。以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故系统采用此法。2)可编程控制器(PLC)的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后，系统选择了日本三菱公司生产的默2N系统PLC。FX2N系统PLC具有以下几方面的优点：(1)FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展IO模块，AD模块，DA模块和其它特殊功能模块。(2)FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。(3)FX2NPLC可用内部辅助继电器M，肤态继电器s，定时器T，寄存器D，计数器c的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器(C251等)能接受脉冲编码器脉冲。(4)FX2NPLC的编程，可用编程器，也要以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSEMEDOC进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便【43】。34本章小结本章确定了系统的总体结构，并针对系统的总体结构，对变频器的类型进行了概述，并确定由PLC来实现电梯信号控制，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。20华中科技大学硕士学位论文4系统硬件开发电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLc、变频器、调速系统构成，控制系统结构图如图41所示。电源图41控制系统结构图图中变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLc完成的。PLc负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系。系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。41调速系统的硬件开发1)变频器的容量选择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Pl，电梯运行速度为v，电梯自重为w。，电梯载重为w2，配重为w3，重力加速度为g，变频器功率为P0，在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2：P2=【(w1+w2一w3)g+F1】V(41)其中F1=K(W1+W2一W3)g+S为磨擦力，S可忽略不计。因为：K-002，w1=2000Kg，w2=1000，W3=2400Kg，g=98MS2，V=15MS，华中科技大学硕士学位论文所以：P2=(600+9“108498)+15104Kw(42)电机功率P1=185Kw，变频器的功率P应接近于电机功率Pl，相对于P2留有较大裕量，可取P15P2=156Kw。由于原电机是按能耗型调压调速系统选择的，容量偏大。现采用变频调速，效率高。依照计算结果选15倍裕量，取变频器容量为15Kw，而不必根据电机185Kw容量选择，避免容量浪费和选价过高。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删。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=UDR：bZ(43)而R：2UD，IN=2+513355289Q(44)其中，uD为额定情况下变频器的直流母线电压，取Rz=300，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，即：PZa：uD2R：=O4451323035KW(45)最后，选用了两只60Q、2Kw的电阻并联使成为制动电阻。3)Vs_缶16G5变频器的参数设置选用安川616G5cIMRG5A4022通用变频器，技术特性为：可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩；适用于各种应用场合，在低速下实现平稳起动并且极其精确的运行；它的自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制；它将u，f控制、矢量控制、闭环uf控制、闭环矢量控制四种控制方式融为一体，其中闭环矢量控制最适合电梯控制要求。vs616G5变频器用在调速系统中时，必须配PG卡，旋转编码器及制动电阻。旋转编码器与主电动机同轴连接，通过PG卡(又名编码器连接板)对电动机测速和反馈电梯的位置。选用OMRON公司的1024脉动增量式光电脉冲旋转编码器。旋转华囊耘“霉辇莉仁季蟊纠|霸31V$-616G5臣E抓椭赫蛰鞋墼f霉薹茎季雾琴强鳟鳟鋈黔善耋i：一110荔妻i。羹一堑晷兰i毫妻囊每鎏W群rL200V：晶g200208220400VI菘浊380400415440460V囊i鬟童lg誊囊芦蠢酎蝴”差兰弘力电葫加槲蔺璀样PWM涓；=馏型副挪剑翔缎!荠PG)反翟僵瑗耋堇=VF到丌拦婶关：趾氡南鬟鬻撒婪l薯套每划l塞增哩150Hz；薛PGi1500rrain出PG)鬻善一研囊；j100i丞PG)1：1000(硐羔硼蛐斟钳拍翻掰华中科技大学硕士学位论文舒适感；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42：表42安川616G5变频器主要参数设置表参数各名称设定值说明A1_02控制方式选择2不带PG矢量控制方式B101频率指令选择1B1_02运行指令选择1B103停止方法选择0B1_04反转禁止选择0B2-Ol零速电平选择o1kB204停止时直流制动时间1OSC1-03加速时间220SC1-04减速时间22OSC2-01加速开始时S型曲线时间O6SC202加速完了时s型曲线时间O6SC2-03减速开始时S型曲线时间06SC2-04减速完了时s型曲线时间06SC5m1ASR比例增益l5C5_02AsR积分时问13SD109检修速度200叩mE101输入电压设置380VE1-04最高输出频率50HzE105晟大电压380VE106额定电压频率50HzE109最低输出频率电压0VE201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E203电机空载电流按电机铭牌设置E204电机极数按电机铭牌设置F1-01PG常数根据旋转编码器铭牌设置F102PG断线检测时的动作选择0F1-D3超速时的动作选择OF104超度偏差过大时的动作选择0F105PG分频比根据电机极数设置4)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24华中科技大学硕士学位论文机进行自学习，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的轴脱离，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的有关参数，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。42PLC控制系统硬件开发电梯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42为电梯PLc控制系统的基本结构图，主要硬件包括PIc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。豳一图42电梯P【C控制系统的基本结构图系统控制核心为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。1)设计思想(1)信号控制系统电梯信号控制基本由PI_c软件实现。电梯信号控制系统如图43所示，输入到PLc的控制信号有：运行方式选择(如自动、有，无司机、检修、消防运行方式等)、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及留圈华中科技大学硕士学位论文限位信号、门区和平层信号等。遥抒方斌蕊棒由指令信号外指专信号光掘昧冲运行控耐信号变垒保护信号小辕嫩接口匦妄