（机械电子工程专业论文）基于通用变频器的电梯plc控制系统的设计.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t thi sth e s i sc e n t e r son the des i gn p 找 兄 e s so fthe e le v a t o rc o ni ro lsys t em c o n s t ru c te dby 1 ak1 n g a t hr e e- store y med i c ale l e v a t o r i n j i angxi c h ang l i n e 1 e v a 拍 r c o mpa n y ast h e c o n t r o l o bj e c t . h avin gana 】 y z e dc o n t r o lw a y so fm o dem c o n ” ” o ul y 一 u 咒 de l e v atorc o nt ro l systemand c o n s i d e r e d the requ i rem ent fo r a re l at i v e l y l o wp rice o f the c 0 n t ro l s y s t e m ， th i sarti c l euse san e wki nd o f c o n t r o l w a y : t b es peed c o n t r o l l i ng c l o se d 一 l o op， c o m p o se do fthe p l ccon 打 o l ler、th egen e ral i nve rt e randt h ei ncre as e 一 y pe 灿o t o e l e c tric e nco d er，has re a l 1 z e d the e le v ator s p e e d adjustm ent， the c o rres ponding swite hpoi nts p aral l e l re l ate tot he p l ci/ 0spo t toc o m p 1 ete the fij n c ti o no f the e l e v ator s i g n a l l o g i c alc o nt ro l l i n g ， 朋dthe t op m ac h ine c o n fi g u r a t 1 o ns o ft ware m o ni to r s r u n n l ng s ta t uso f e l evat or. the g ene ra 1 i n v e rt ero f the c o n t r 0 l w ayd o e s not h a v e the e l e v ator s pe edcurve， sointhe p re m i seo f p r 0 per a t t e n t i 0 n tore q uesto f e l e v at o r c omfo rt a b l ene s s a n d s 初n n e s s ， the to p i c h a s d e s i gne dthe i d e a 1 vel ocity c u r v e一p a r a b o l a一 s i r a i g htl i ne s y ni h e s i s vel oci tyc u r v e w h i c ht h ec 0 n t r o l s y stem nee d s . wh e n we u s e th e h a r d w a r e toc ons t ru c t t h e c o n t rol s y st e m ， t h i s arti c a n a 】 y zes a n dc o m p arest he h a r d w are re al i zati o nw a ya n dt he c h arac te ri s t i co fm a 1 n c o m pos i t i o n l i nko f c o n t r o l sy stem ( c o nt ro l l e r l i nk， freq uency c h a n ger l i nk， pos i t i o n v e l o c i tyfe e d backl i nk) ， 山 u s i t c o m p 1 e te s h a r d wares h api n g a n d des i 画ngo f the e ni irec o n trol s y st em the c o n t ro l s y st e ms o ft w a r e d e s i gno f t hi s arti c l e h ast 叭 心p a rt s : o nei s th e l o wer p o s i t i onm achi n e p l cs o ft w a r e des i gn: it re al i zes l o g i c alp ro c e s s i n g s w it c h . p o i nt so f p l cc o n t r 0 l sy s te ma n dg uar a n t e ed the e l evat or toc o rrect l y re spo n d t o th e c a 1 l s a n d p roce s s t h e b r e akdown; a s an i m p o rt ant c o nsti t u e n t o f t h e l o wer p o s i t i o nm ac hi nes o ft 认 are d e s i gn， i t h asachi e ved the s p e ed c o ntro l so n w a r e c o 呷i l at i on， the s peedc o ni ro l p r o c e d u reh asus e d the m a t u 匡 e p i dc o n t r o l al gor i l 肠 n toc o n 廿 o l th e p l cs i mul at i o n q u a n t 1 tyo utputtoc o ntro l t hefreq u e n c y c o n v e r s i o n o f th e g e neral i n v e rt e r，and the c l o s e d 一 l o o pc o n t r o l o f e le v a t o r s pee di s th usr e a 】 i z e d ; m o re o v e r， i n o rd e r t o e n abl e t h i s c o n trol s y stemtose rv e the p u it 幻 s e o f the u n l v e r s i t y e x p e r i m e n t t e achi n g ， the th e s i s h a s a l soc omp i l e d t hel o wer inac h i nec o n t r o l p r o g r aj 肚 ， l i ab s t r a c t ai o ngwitht het o p mac h i nec o n fi g u rati o n s o ft w are， toc a n 了 o n 阮 e l e v ator s im u l at i o n movement . t 七 e o t her i s the t o p mac h inec o n fi g u rati o n so n w a r e d e s i gn: i t c o m p l e t e s the d ata c o l l e c t i o n a n dt he mon i to r i ng so n w a r e d e s i gn us i llg k i ng vie ws o ft ware 6 . 5 1 a n dt h em akin go fv arious ani m at i o np i c t u r e s . t o pm a c hi ne co浦g u r at i o n s o n w ar efe at u r e sthe e l e v at o rm o ni t o r i ng fu n c t io n ，the p id p a r a r n e t e rs e tt i ng 九 n c t i o n ， e l e vato r wel l s e l f- s 加 d y fo n c t i o n and t hee 1 e v at o r s i m u l at i o n mov e m e nt 允 n c t io ni nthe 1 a b o r a t o ry with t he abse n c eo ft he m a i ne l evat o rbo勿. t 七 e c o n fi gurati o n s o ft w a rep i c t u r e mov eme nie ffec t i s p ro ved good i nadd i ti o 氏 th i sth e s i sh as e s t a b l i s hedm a i h e m a t i c al m o d e lfo reac hl i nk ac c o rd i n gtomec h a n ic ala n a 1 y s i s o f the e l e v ator c o n trol s y stem ， a n danal y ze d t he re s u ito f t he s im u l atio ne x p erim e ntfo r t he p i da l g o ri t hm usi ng t he s i m u 1 i nk to o l ， w h i c h theo reti c a l l y j u st i fi e s the re a l izati o n o f t hee 1 e v ator s p e e d c o n 1 r 0 l al g o ri t 1u n 4 k 即w o rds :e l evator : c o n t r o l sy s t e m ;s p e e d c o ni r o l l in g :儿ngvie ws o ft w are: p l c; s i mu l at i o n : mo d e l 1 1 1 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其 他 人已 经 发 表 或撰 写 过的 研 究 成 果， 也 不 包 含为 获 得 如妇业扎或 其 他教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已 在论文中作了明 确的 说明 并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ 手 “ 唯 “ 娜签 字 日 期 : 。夕 年 “ / 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关保留 、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印 件和 磁盘，允 许论文被查阅 和借阅。 本人 授权南昌大檬可以将学位论文的全部 或部分内 容编入有关 数据库 进行 检索， 可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 斜(手 “ : 渗 乖 亥 签 字 日 期 : 口年 月 “ 日 导师签名 ( 手写) : 炯) 签字日期:刁年月 了 日 学 位 论 文 作 者 毕 业 后 去 向 : 、幻晶 ， 落 工 作 单 位 : 南务 ” 墓 协 、 咭匆亮 通讯地址: 电话: 邮编: 第一章绪论 第一章绪论 l l前言 从1 8 57年美国 人o ti s 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。 1 . 2曳引电 梯控制系统国内外发展状况 l 2. 1交流曳引电梯调速方式的发展 交流电 梯与交流电机的发展紧密相连，至今已 有三十多年的发展历史，经 历了由简单到复杂、由低级到高级的发展历程，大致可以划分为三个阶段: 第一个阶段是70年代，其主要标志是交流双速电梯，它采用改变牵引电机 极对数来实现调速。电机通常采用两种或两种以上不同极对数的绕组制成，其 中极数少的绕组称为高速绕组，用于电梯的起动及稳速运行，极数多的绕组称 为低速绕组，用于电梯的制动及维修。这种电梯结构简单、价格低廉、使用和 维护都很方便，但调速不够平滑、舒适感较差。 第二个阶段是80年代盛行的交流调压调速电 梯，其性能优越于交流双速电 梯。调压调速的方法是通过改变三相异步电 机定子端的供电电压实现电 机的调 速，其制动多采用能耗制动。 第三个阶段是90年代， 变压变频调速电梯 ( v v v f 电梯) 开始占据了世界电 梯的市场。 v v v f 电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值和频率来实现转速 的调节。电梯传动系统中，由于大量采用微机控制技术和脉宽调制技术 (pwm 技术) ，其运行效率得到了大幅度的提高，电 梯的 体积大为缩小。 现代交流调速 技术向电梯控制领域的渗透，使得交流调速电梯的调速性能几乎完全可以和直 流电梯相媲美。由 于变压变频调速 ( v v v f) 的良 好特点，目 前新制造的电梯都 实 现了 调压调 频调 速控制111 1 。 v v v f 电 梯以 其 独特的 先进技术和性能， 实 现了 节 能、快速、舒适、平层准确、低噪音、安全等目 标。由于其优越的调速性能、 第一章绪论 显著的节能效果， 在很多应用场合己 取代交流调压调速电 梯而成为现在电梯市 场的主流。11 2) 目前，v v v f 电梯己 经遍布世界各国，如日 本的三菱公司、东芝公司、日 立 公司、 美国的奥的斯公司等大的电梯制造厂家在v v v f 电梯的研制和进一步开发 等方面，都取得了骄人的成就。在我国，电梯工业起步较晚，改革开放以来， 也取得了一定的进步，如上海三菱、天津奥的斯、中国迅达、苏州迅达、广州 电梯工业公司等五家电梯生产厂家，其产品都有一定的市场份额和技术含量。 但遗憾的是，这些公司多为合资公司，电梯控制关键部分的变频器、控制器等 重要组成部分很大程度依靠进口，其核心技术牢牢控制在国外大公司手中。 l 2. 2电梯控制系统所用位1、速度传感器的发展 随着微机技术的迅速发展及广泛深入的应用，现代交流调速系统已从传统 的模拟控制向数字控制发展，从一般精度控制向高精度控制方向发展。与之相 适应，直接影响到调速系统性能的位置、速度传感器也越来越向数字化、高分 辨率、高响应速度、高抗干扰的方向发展.目 前在交流调速系统中应用较多的 是光电编码器和无刷旋转变压器。 ( 1) 增量式光电编码器 增量式光电编码器原理简单， 制造方便，可以做到很高的分辨率，抗干扰 能力强，可靠性高。这种编码器要在系统上电初始化时刻先确定好零点，才能 提供绝对的位置信号。 (2)绝对式光电编码器 绝对式光电编码器可以输出绝对的位置信号，但其按照二进制编码输出， 故其信号较多，影响了可靠性，因精度取决于位数，所以分辨率有时候受到限 制，且装置复杂，价格比较贵。 ( 3 )混合式光电编码器 混合式光电 编码器把增量制码和绝对制码做在同一个码盘上，绝对制码分 辨率较低，能够适应低精度的应用场合，增量制码分辨率高，能够满足高精度 的要求。这种编码器使用方便，成本不算太高，应用较为广泛。 ( 4 )无刷旋转变压器 无刷旋转变压器按照工作方式的不同，又可分为单相激磁的鉴幅式和双相 激磁的鉴相式，鉴幅式得到的是位置的正、余弦模拟信号， 鉴相式通过模拟或 第一章绪论 者 数 字 鉴 相电 路得 到 位置 的 模 拟 或 数字 信号。 如 果 配有 专 用的 集 成电 路 模 块 旋转变压器/ 数字转换器 ( r d c ) ， 其分辨率可以达到很高，典型的r d c 有10 位、12 位、14位、16 位精度。 无刷旋转变压器与光电编码器相比， 具有价格便 宜、坚固耐用、抗震动能力强的优点，但配有r d c 、高分辨率的无刷旋转变压 器有转换速度慢，价格昂贵等缺点。 l 2. 3现代交流调速算法的发展 交流电机本身是一个多变量、非线性、强祸合的控制对象，其复杂性很难 用精确的数学模型描述，如何对其实施有效的控制一直国外众多学者孜孜以求 的愿望。 19 71年， 德国学者f. blas hke 提出了 交流电 动机的磁场定向 控制理论( 即 矢量变换控制) ，它有效地实现了对电 机磁场和转矩的解祸控制，为高性能的交 流传动 控制奠定了 理论基础114 1 。 但矢量变换的 复杂性以 及电 机参数变化的随动 性，难以实现电机的高精度控制，直接转矩控制理论的提出，它有效地避免了 复杂的矢量变换过程，大大简化了控制结构，特别地，它模糊了对控制对象参 数的要求，在中高速段表现出良好的控制特性。但它同时又面临着低速下输出 转矩脉动，带负载能力差、容易引起震荡等不良因素的影响，极大地限制了电 机的调速范围. 微处理器技术的发展，使得现代控制理论中的一些先进的控制策略应用到 交流调速系统中成为可能。滑模变结构控制可以使系统结构在动态过程中根据 系统当时的偏差及其导数以 跃变的方式做出有目 的的改变， 使系统的性能达到 最佳指标，同时它还可以使系统具有很强的抗参数变化和干扰的能力，对系统 的数学模型和参数的准确性要求不高，鲁棒性强，但状态切换过程中，过渡不 平滑是 其 最大的 缺点 115 1 ， 模型参考自 适应控制 ( m r a c ) 可以 使受控对象渐进 地跟踪参考模型的输出，从而得到理想的控制性能11 6 ， :自 校正的自 适应控制 ( s t c ) 能够自 动地辨识系统的参数( 如定子电阻、 转子时间常数、 转动惯量等) ， 并根据其变化自行地调整控制器，以适应系统的变化，增强系统得鲁棒性 11; tl 811 191 12 0 ， 具有状态 估计功能的 卡尔 曼滤波器可以 获得系 统无 法实测的 状态信 息， 滤除模型及测量的随机噪声干扰， 获得以 最小方差为指标的最优状态估计 121 目 前， pi d 算法、 模糊控制算法等正逐步应用到交流调速系统中， 这必将导 致交流调速系统得进一步职能化。 第一章绪论 l 2. 4电 梯用微控制器技术的发展 几十年来，电梯的控制系统从早期的继电器控制系统及单板机控制系统发 展到现在的下列几种控制系统。 “)电梯的p l c控制 p l c是可编程控制器的简称，它是一种用于自 动控制的专用微机，实质上 属于微机控制方式， 但可编程控制器具有其自身的特点: l) p l c在设计和制造上采取了 许多抗干扰措施， 输入输出 均有光电隔离。 能在较恶劣的各种环境里工作，可靠性高，适合于安全性要求较高的电梯控制。 2) p l c将c p u 、 存储器、沁 接口等做成一体， 使用方便， 扩展容易。具 有继电器系统的直观、易懂、易学，应用操作和调试方便等优势，因此，目 前 在国产电梯及中低档的客梯广泛采用了p l c控制系统，特别适合在用电梯的技 术改造和控制器开发。 ( 11 ) 单片机控制 单片微型计算机尽管其功能在不断加强，但利用它实现电梯控制时无论在 接口、计算速度等方面均有软硬件资源不足的问题。利用多个单片机分别构成 相互独立的子系统，或多个单片机构成并行处理系统，仍然不能适应较复杂的 控制算法和故障诊断的要求。它不如多片微机 可以 根据系统要求随意扩展， 使 系统达到最佳化。 ( 111)单微机控制 整个电梯的操作控制系统采用一个 c p u构成小系统。例如奥的斯公司的 e l e v o n i c 彻几、 mp3系统采用俐t e l 8 o s s c p u ， 迅达公司的m i c o n i c s采用 了mc 4 5 0 o( i c u)等。这些产品都具有系统设计最佳化、经过长期工业上的检 验而公益质量稳定等优点，从而提高了电梯的控制性能和运行可靠性。系统设 计最佳化就是以最小系统硬件资源和丰富的软件资源来实现电梯的基本控制功 能的同时，还可以实现高可靠性、维修升级方便性等功能。 系统自 诊断、冗余容错;热备用电路及重新启动;故障状态显示、故障预 警;速度、电源、门区安全和地震等保护;这些附加功能的实现，主要依靠软 件来实现， 硬件成本的增加微乎其微。 该类系统设计可以在开发系统上进行计算机仿真，然后再按仿真的结果进 行工业试验。这样可以大大地缩短产品的开发周期。但没有长期的工业现场试 验，就难以发现许多与现场条件有关的隐患，只有对系统的硬件和软件进行长 第一章绪论 期考核，才 能完成产品的工业化过程 现阶段我国的电梯全微机化控制宜在吸收消化国外先进技术的基础上开发 国产电梯控制用微机。工业先进国家广泛采用表面组装技术和专用集成电路， 这可以 使控制系统微型化。目前我国的表面组装技术正处于起步阶段，但表面 组装用的集成电路芯片大部分都与标准系列的集成电路相对应，因此系统硬件 是完全可以国产化的。系统软件可以由同时具备电梯硬件设计和汇编语言程序 设计能力的工程技术人员，逐条语句进行剖释，在真正理解的基础上，就能成 功地进行移植和修改以保证系统功能的实现。 ( iv)多微机控制 由于微型计算机技术的迅速发展，其体积小、价格低、功能多、 灵活性高 等优点，使得其应用的范围越来越广。现在多微机并行处理的控制系统在国外 也已普遍得到推广。因为它具有电梯系统中单微机无法实现的许多功能，电梯 控制系统得多微机化也日 渐受到人们的重视。 奥的斯公司的m c s 控制系统就是采用多微机的灵活性较高的控制系统。 该 系统使用了5个微处理器和 1 个先进的串行通讯系统，能够容纳大量的电梯交 通信息，并能进行快速和准确的处理。该系统包括 5个子系统，其间有完善的 接 口 和 合 理 的 分 工 。 每 台 电 梯 所 具 备 的 硬 件 和 软 件 资 源 ， 可 以 实 现 所 有 单 梯 运 行和梯群调度的功能，因 此不需要另外的 梯群控制器。 由于每个微处理器均能与其他微处理器协调高效地完成控制所有电梯的功 能，因而这一系统更可靠、 更灵活、具有更高的运行质量和最大的安全性。同 时能够在不改变硬件和停梯的 情况卞就可在现场迅速而经济地改变控制系统的 参数，从而可适应多种建筑物、多种人员流量和多种使用模式的功能要求。 另外，按照专用要求定做的大规模集成电路，使用串行通讯网络把电梯的 呼叫信号传送给控制器。此网络系统大量地减少了并行的总线从而提高了 整个 系统得可靠性。据统计， 应用串 行通讯系统可节约 50% 的导 线， 还可以 减少安 装时间。若用光导纤维传输控制器之间的信息， 还可避免电 磁噪声侵入信息传 输网络。 多微机并行处理本身就是计算机技术领域的一个重要分支。 但它的系统结 构、互联方式、信息交换、系统死校和出错恢复等方面都存在许多技术难关. 加之与电梯控制系统的配合使系统设计和调试更加复杂，因此必须具有相应的 大型开发系统， 才能满足设计生产这种系统的要求，否则它是难以实现的。 第一章绪论 l 2. 5我国交流调速电 梯控制技术遇到的问题 电梯作为现代建筑中的重要交通工具，它与一般的交通工具有着较大的差 别。良好的电梯控制技术是电梯高质量运行的重要保障，电梯运行安全舒适、 高效、节能、控制器价格的低廉等都是电梯技术发展面临的重大问题. ( 1) 节能问题 越来越多的电 梯进入高层建筑，电梯的节能运行是电梯开发和使用的关键。 从控制的角度来看，有效地改善供电电能的质量、充分地利用电能是一个良 好 的举措， 现代v v v f电 梯普遍采用的变频装置是对上述问 题的一个有效解决方 案1 ， 2 。 ( 2 )高效问题 电梯作为一种位能型负载， 运行过程中需要作频繁地升降运动， 研究一种或 多种电梯速度给定曲线，合理地选择运行速度曲线，是提高运行效率至关重要 的一环，而目前国内生产的大多数电梯存在着给定速度曲线实现困难、资源耗 用率高 等系列不足122 112 3 ， 极大地限制了电 梯高效地运行。 ( 3 )控制器性价比低 目前国内的电梯厂家采用的电梯控制核心设备大部分都是国外进口产品， 核心技术和知识产权为国外大公司所有。而少数自己开发的控制器也有开发周 期长，开发成本高等缺点。 另外国内的绝大部分v v v f电梯采用的变频器都是电梯用专用变频器，这 种变频器虽然使用起来很方便， 但其价格却是同类通用变频器的1 . 5 到2 陪， 使 整个控制系统的 性价比 大大下降i2l。 若采用p l c加通用变频器的控制模式能够 实现进口控制器加专用变频器的控制功能，这将使控制系统的价格大幅度下降、 性价比大大提升，具有很好的市场前景。 总之，电梯是一个复杂的机电一体化系统，只有兼顾到各方面的因素，综 合考虑、精心地设计，才能满足人们对电梯的高质量、高水平、高标准的要求。 1 .3本课题主 要研究内 容 本课题的目的是在全面了解国内外电梯发展现状的基础之上，以江西长林 电梯公司的一个三层电梯本体为控制对象，开发出以e m e rso n公司 e c 20一 201 2 b r a 型p lc为电 梯控制器、 采用t d 1 0 0 0 一 t oll 0p型通用变频器的电 梯 第一章绪论 控制系统， 重点解决目前v v v f 电梯发展过程中所存在的控制器性价比低、 速度 曲线实现难的问题，围绕这一主题，所开展的工作如下: ( 1) 根据长林公司提出的三层梯的控制的性能指标，确定一种新型的、以 p l c 、 通用变频器、 光电编码器组成的实现大闭 环调速的控制方案， 按该种方案 组建的控制系统价格将大幅下降。 ( 2 )采用e me r s o n 公司e c 2 0 一 2 0 1 2 b r a型p l c 的编程开发软件c o n t r o l s t a r 开发出本控制器软件， 实现了本电梯逻辑信号的控制、 速度的 pid 大闭环的控制， 满足所要求的性能的控制。 ( 3) 采用国内使用最广的工业控制组态软件组态王6 .5 1 ，开发出本电梯的 上位机组态程序，实现了上位机对电梯系统的监测控制，可以使用该组态程序 对电梯进行调试运行和实时监控。 ( 4 ) 对该电梯系统进行数学分析，实现了控制机理的建模，在此基础上， 从而对曳引电梯系统特性进行了分析，为控制策略实现和改进提供理论依据。 第二章曳引电梯p l c控制系统硬件设计 第二章曳引电梯p l c控制系统硬件设计 2. 1电 梯的技术要求及分析 本文电梯的相关主要技术参数如下: 电梯层站数:三层三站 楼层层高:3 米; 曳引钢丝绳绕法:1 :1 绕法: 电梯的额定速度:1 . s n 公 5 曳引轮节径:5 30们 1 们 口 减速器传动比:2 :53 电梯载重:800 k g 曳引机功率:l l k w 从上面本电梯的基本参数可以看出， 本电 梯的额定速度为1 .5 而5 ， 属于中低 速电梯， 该类电梯一般需要采用齿轮减速机构。 本电梯的减速器传动比是2 : 53。 2. 2控制系统产品选型及硬件设计 2. 2 . 1系统的总体结构 一般的国内v v v f电梯控制器由于采用专用变频器进行调速，使得整个控 制系统的成本居高不下，性价比无法达到理想的水平。鉴于此，本课题经过大 量的调研和分析，为了克服上一章中提到的现代电梯碰到的各种缺点，确定出 如图2 . 1所示的控制方案: 第二章 曳引电 梯p lc 控制系统硬件设计 图2 . 1 本课题电 梯控制方案 本控制系统是一个全并口电梯控制系统，采用集中控制的方式，主要包括 信号控制和拖动调速控制两大部分。控制系统得核心是 p l c 。呼梯信号、门机 系统信号、 位置、 安全保护及变频器工作状态等信号并行输入p l c ，经p l c运 算处理后由输出借口分别向显示电路发出呼梯、定向等显示信号，向门机系统 和通过变频器向曳引电机发出相应的控制信号。 从系统框图可以看出，本课题的控制方案的最大优势是把一般电梯控制系 统中用的专用变频器改为了 通用变频器，使用p l c与通用变频器以及旋转编码 盘共同组成速度控制的大闭环，这种机构不但可以很好地保证速度曲线的实现， 而且使整个控制系统的成本大为下降，具有良 好的市场前景。另外，本课题也 实现了电梯控制系统的上位机组态，可以通过上位机组态程序产生跟真实电 梯 中 一样的各种控制信号， 从而完成对控制系统的检测控制以 及模拟运行。 2. 2. 2控制系统的产品选型 2. 2. 2 . 1变频调速系统的分析及选择 8 0 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b j t 到采用igb t 两个大的进展过程。目前从一般要 求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多 机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。因此可以 说在电 气调速传动领域内， 第二章曳引电梯p l c控制系统硬件设计 以变频器应用技术为代表的交流调速传动己经成为电气调速传动的主流。 在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定 ( 通常为工频50h z) 的交 流电( 三相的或单相的) 变换成频率连续可调 ( 多数为0 一 ooh z)的三相交流 电。如图2 2 所示， 变频器的输入端 ( r . 5 . t )接至频率固定的三相交流电源， 输出 端 ( u . v.w) 输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电， 接至电 动机1 1 7 1 。 二n曰 图2 . 2 变频器的使用 一 变频器的基本构成 通用变频器的基本构成如图2. 3 所示，主要由主电路 ( 包括整流器、中间直 流环节、逆变器) 和控制电路组成。 网侧变频器1中间直流环节111负载侧变频器11 运行指令 图2 . 3 变频器的基本构成 1 、整流器电网侧的变流器1 是整流器，它的作用是把三相 ( 也可以是单相) 交流电整流成直流电。 2 、逆变器负载侧的变流器h 为逆变器。 最常见的结构形式是利用六个半导 体主开关器件组成三相桥式逆变电路。只要有规律地控制逆变器中主开关器件 的通与断，就可以得到任意频率的三相交流电输出。 第二章 曳引电 梯p l c控制系统硬件设计 3 、中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电 动机处于电动状态或是发电制动状态，其功率因数总不会为1 。因此，在中间直 流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节 的储能组件 ( 电容器或电抗器)来缓冲。所以又称中间直流环节为中间直流储 能环节。 4 、控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动 电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以 及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变 频器目 前己 经采用微型计算机进行全数字控制，尽可能简化硬件电路，主要依 靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控 制方式难以完成的控制。 二变 频 器的 主 要 类 型 和 特点 138 ” ，40l 对异步电机进行变频调速，首先需要对电机提供一个频率可变的电源。在 许多场合，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，这就 要求定子供电电压也要作相应调节。因此，对电动机供电的变频器一般都要兼 有调压 ( v v ) 和调频 ( v f ) 这两种功能。 变频器按装置形式可分为交一交变频 器和交一 直一 交变频器;按无功能量处理方式不同可分为电压源型变频器和电流 源型变频器。 1 、按装置形式分类 交一交 变频器 u r 整流器 u l 变频器 图 2. 4 交一 交变频器图 2 .5 交一 直一 交变频器 1)交一 交变频器交一 交变频器又称直接变频器。 它把某一固定频率、 固定电 压的交流电源变换成电 压和频率都可调的交流电源，如图2. 4 所示。 2)交 一 直 一 交 变 频 器 交 一 直 一 交 变 频 器 又 称间 接 变 频 器。 它 把 交 流电 源 先 整 流成幅值可变的直流电 源。然后再将此直流电源变换成频率可调的交流电 源。 这种变频器实际上是由 可控整流器和逆变器组成的，如图 2. 5 所示。 2 、按无功能量处理方式分类 在变频调速系统中，变频器的负载通常是异步电 动机， 其电 流落后于电压， 功率因素是滞后的，负载需要向电源吸取无功能量，因此在直流环节和负载之 第二章曳引电梯p l c控制系统硬件设计 间 将有无 功功率 的 传输。 为了 缓冲无功能 t ， 在直流 环节 和负 载 之间 必 须设置 贮 能元件，根据贮能元件类型的不同，可以形成电压源型和电流源型的变频器。 _一二、 _ _ 毕 _ 一工 士 二习 vsl 口二 二一习 cl p 图2 . 6电压源型变频器图图27电流源型变频器 1) 电压源型变频器图2. 6 所示是一种典型的电压源型变频器。 这种变频器的 特点是在直流侧并联一个大电容c ， 用电容贮能来缓冲电 源和负载之间的无功功 率传输.从直流输出端看，电源因并联大电容，其等效阻抗变得很小，大电容 又使电 源电 压稳定，因此具有恒电压源特点。逆变器输出电压接近矩形波。 2) 电流源型变频器图2. 7 是一种典型的电流源型变频器， 这种变频器的特点 是在直流回路中串入大电感，利用大电感来限制电流的变化。用以吸收无功功 率。因串联了大电感故电源的内阻抗很大，类似于恒流电流源。逆变器输出电 流接近矩形波。 三 变频器的选择 变频器自80年代进入实际应用以 来，主要以交流电 动机的节能应用为主。 但是进入90年代后，变频器得到了迅猛发展。变频器的应用主要有两个方面: 一方面是为了节能需要而进行的变频器的应用:另一方面是为了满足生产工艺 调速的要求而进行的变频器的应用。目 前通用变频器己 经在机械、冶金、石化、 医药、造纸等行业得到了广泛的应用。随着变频器性能价格比的提高，使得交 流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。 当前的v v v f 电梯控制器的调速方式一般采用的是电梯用专用变频器调速， 这种变频器的特点是功能较强，使用灵活，编程简单，维护方便。但其价格却 是同类型通用变频器的1 .5 、 2 倍， 这使得整个控制系统的成本居高难下。 鉴于此， 本文尝试使用另一种控制方案，使用价格比专用变频器低廉很多的通用变频器 和p l c控制器组成速度控制的大闭环形式来完成调速.经过性价比的比较，根 据曳引机的功率大小，本文选择采用的变频器是艾默生网络能源有限公司出产 的t d i 0 0 0 系列的t d 1 0 0 0 一 4 t0l l 0 p 型通用变频器。 t d 10o o 系列变频器是艾默生网络能源有限公司自 主开发生产的高品质、多 功能、 低噪音、 面向世界推出的21 世纪通用变频器。 用全模具设计， 体积小巧。 具有独立风道。面板上集成了调速电位器， 操作更加方便。 t d i 0 00系列变频器 第二章曳引电梯p l c控制系统硬件设计 具有优越速度控制特性和高转矩的面向现场矢量传动装置，这种变频器实现了 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。主要适合于和纺织机械、卷烟机械、塑料 机械、 加工生产线、 空调及电梯曳引机等设备配套。 其中t d i 0 00-4 t 0 1 10p 型通 用 变 频 器 的 主 要 性 能 参 数如 下 i4 0j: 表2 . 1 变频器的主要性能参数 容许电 压波动范围: 输出频率范围: 输出频率精度: 显 示方式 p wm 控制方式: 额定电压士 20% 0 一00 hz 0. 01% x 最高频率 四位l e d显示 空间电压矢量控制 p i m十 o s p i p 2 0 壁挂 铸模十 塑模 i i kw 主要功能及特点: 内置pl 调节器和输出2 4 v电源; 载波频率1 一 1 5 k连续可调; 标准4 8 5 口，与t d 2 0 0 0 、t dz 1 0 0 相同的通讯协议; 模拟和数字频率表输出: 运转频率的4 一 2 0 m a输出 端口: 自带调速电位器; 带键盘锁定功能; 内置制动单元; 带控制信号自 动断线保护功能; 优化的空间电 压矢量控制技术，输出谐波少，电压输出能力强 ; 最先进的硬件组合:d s p + c p l d + m c u ， 高效完成电 机实时控制算法 : 宽电压工作范围，能在3 04v 4 5 6 v范围正常工作; 采用最新的智能功率模块 (i p m) 和集成功率模块 ( pim)，极大提高整 机可靠性 : 第二章曳引电梯p l c控制系统硬件设计 死区补偿技术，采用实时死区补偿技术，消除由于上下掺臂开关死区引 起的转源泳动 : 标准的 r s 2 3 2 /4 85 接口， 配以规范的通信协议， 实现多台变频器网络控 制; 无源功率因数校正( p fc) 的技术， 满足输入功率因数92% 的要求， 并能抑制变频器 对电网的干扰; 2 2. 2. 2位置及速度检测设备的 分析及选择 电梯的位置检测装置是用来采样轿厢的运动位置并将它反馈给电梯主控制 器的。现今，位置检测装置主要有井道磁开关、 旋转编码器和绝对值编码器等。 在某种程度上来说，位置检测装置决定了电梯速度运行的高低、速度控制的精 度和电梯乘坐的舒适感。 1) 双稳态磁开关。磁开关元件主要是千簧管开关和维持状态磁体。 在受到 外界磁场的作用时，干簧管触点会改变其机械化方向，触点视极性的不同打开 或闭合。由于扫描是无接触的，所以磨损很小，而且没有任何开关噪声。采用 磁开关作为信号装置，需要在轿厢上安装三个双稳态开关，分别扫描上换速、 下换速和门区信号。当轿厢运动时，磁开关与磁体的相对运动产生反应轿厢位 置的 信号:电 梯上行时， 每当遇到下换速信号时， 楼层数加1 ;电梯下行时， 每 当遇到上换速信号时，楼层数减 1 。 2) 旋转编码器。旋转编码器又叫增量式编码器，它实际上是一个脉冲发生 装置。内部结构是在其圆盘的边缘上开有相同间距的缝隙，圆盘两侧分别按转 红外发光器件和光敏元件。使用时将其与曳引电机同轴连接，当其随电机旋转 时，没转过一个缝隙，就产生一个电脉冲，将这些脉冲送入p l c控制器的高速 脉冲输入端对其进行计数，就可以得到电梯运行的距离信号。这种方法的优点 是测量准确、无磨损，测量信号便于计算机处理。利用增量编码器不仅可以测 量电 梯的速度和距离，还可以测出电梯运行的方向和曳引机的转速。 3) 绝对值编码器可以 安装在井道顶部的导轨上，通过齿形带与轿厢连接。 它也可以安装于轿厢顶部，通过随行电缆与控制器连接。采用绝对值编码器， 能预先算出减速距离，也就能预先算出减速速度和平层速度并准确执行。所以 采用该种编码器适合于在线计算速度的电 梯速度控制系统。 在早期的电梯控制系统中，位置检测装置一般使用双稳态磁开关，它简单 实用，可靠性较高。但使用这种位检装置，需要在井道中布置大量开关，这使 第二章曳引电梯p l c控制系统硬件设计 得井道布线和开关安装非常复杂繁琐，对系统的维护也变得非常困难.所以近 代的电 梯系统己 经很少使用这种位置检测方式了 112 气 绝对编码器使用方便，曳引绳打滑对其也没有影响，可以把井道开关减少 到最少的 程度，并且具有较高的精度。但它价格昂贵，出现故障的概率相对于 旋转编码器要高. 旋转编码器价格便宜，使用方便，可靠性也很高。但使用旋转编码器作位 置检测装置时， 曳引 绳的打滑和伸缩都会影响到电 梯的 平层精度。 鉴于上述原因，为了兼顾成本和精度，本文采用的位置检测方式是旋转编 码器和井道磁开关共同完成位置检测。轿厢在井道中的位置可以通过旋转编码 器输出的脉冲通过换算得到，同时为了克服曳引绳的打滑和伸缩对平层精度的 影响，在每层的平层位置，需要安装一个井道磁开关，作为平层校正开关和计 数器复位标志:另外，为了提高系统的安全可靠性，控制系统的上下强迫换速 位置以 及上下极限位置也必须由 井道磁开关来完成。 本文选用etf 50 光电增量 式编码器。其主要参数如下: 工作电压s v d c 9 一 2 6 v d c 工作温度 0 to +70 、 一 0 to +l00 最大转速6 ，oo0 rpm( m a x ) 最大脉冲 2500p p r 2. 2. 2. 3可编程序控制器的分析和选择 一 可编程序控制器 ( p l c )的原理 可编程控制器是一种以微型计算机为主体、具有强大控制功能和抗干扰能 力的工业控制装置。所以它的组成与一般计算机系统基本一致，有中央处理单 元、存储单元、输入单元、输出单元、输入输出接口、外围设备接口以及电 源 等部分组成，其中输入输出单元又分为模拟量、数字量及智能型输入输出单元 等: 扩展单元按自 身带不带c p u 也可分为简单型和智能型两种: 外部设备主要是 编程器、彩显、打印机等。 。可编程控制器的基本结构框图如图2. 8 所示。 第二章 曳引电 梯p