dq026用PLC和变频器控制的节能型小高层电梯系统_文
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dq026用PLC和变频器控制的节能型小高层电梯系统_文,毕业设计
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浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 1 第一章 绪论 继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。 可编程序控制器 (PLC)最早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已逐渐被 PLC 控制所代替。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。因此 ，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。 1.1 电梯继电器控制系统的优点和缺点 1.1.1 电梯继电器控制系统的优点 (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。 (2)系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、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，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。 1.1.2 电梯继电器控制系统的缺点 (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 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 2 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。 1.2 PLC 及在电梯控制中的应用特点 1.2.1 PLC 的特点 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 (布尔处理器 )，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。 (一 )可靠性 :对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。 PLC 不需要大量的活动元 件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短； PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了 MTBF.降低了 MTTR.使可靠性提高； PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误； PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高；在 PLC 的 硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件 ;采用先进的工艺制造流水线制造 ;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等 ;对电源的断电保护 ;对存储器内容的保护等； PLC 的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波 ;软件自诊断 ;简化编程语言等。 (二 )易操作性， PLC的易操作性表现在下列几个方面 :操作方便 对 PLC的操作nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 3 包括程序输入和程序更改的操作。大多数 PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的 PLC，编程器采用了 CRT屏幕显示，因此，程序 的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或 CRT上显示；编程方便 PLC 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握 f 地解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程；维修方便 PLC 具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。 (三 )编程简单 ,用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难 于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。 PLC 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前打多数 PLC 均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在 PLC 内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这是微不足道的。 (四 )灵 活性， PLC 的灵活性表现在以下几个方面 :(1)编程的灵活性。 PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图，功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。 (2)扩展的灵活性。 PLC 的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。 (3)操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。 1.2.2 PLC 控制电梯的优点 (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。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 4 (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。 (6)更改控制方案时不需改动硬件接线。 1.3 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。 变频调速电梯的特点 :(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，己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。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 5 第二章 电梯设备与电梯发展动态 2.1 电梯设备 2.1.1 电梯的分类 电梯用途可分为乘客、载货、客货、住宅、服务、船舶、车辆等电梯，以及自扶电梯等 按速度一般可分为低速电梯（ V1m/s）、快速电梯（ V1 2m/s）、高速电梯（ V2 4m/s）超高速电梯（ V5 6m/s）等。目前世界上速度最快的电梯速度可达到 800m/min左右。 按拖动方式可分为： 1 交流电梯 交流电梯曳引电动机是交流电机。当电动机是单速时，称为交流单速电梯，其速度一般不高于 0.5m/s。当电动机是双速时，称为交流双速电梯，其速度一般不高于 1m/s。当电动机具有调压调速装置时称为交流调速电梯，其速度一般不高于 1.75m/s。当电动机具有调压调频调速装置时称为交流调频调压电梯，其速度可达 6m/s。 2支流调速 支流电梯曳引电动机是支流电动机，采用支流发电机 -电动机系统驱动，近年来才用晶闸管 -电动机系统，其速度一般高于 2.5m/s。 3液压电梯 液压电梯是要液压传动的电梯。 4齿 轮齿条式电梯 齿轮齿条试电梯的齿条固定在构架上，电动机 -齿轮传动机构装在轿厢上，靠齿轮的齿条上的爬行来驱动轿厢，一般为工程电梯。 按有无司机可分为有司机电梯、无司机电梯及有 /无司机电梯。 按电梯控制方式可分为： 1手柄操纵控制电梯 手柄操纵是由电梯司机操纵轿厢内的手柄开关，实现轿厢运行的控制。 2按钮控制电梯 按钮控制是操纵层门外侧按钮或轿厢内按钮，均可发出指令，使轿厢停靠层站的控制。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 6 3信号控制电梯 信号控制是将层门外上下召唤信号、轿厢内选层信号及各种专用信号加以综合分析判断后，由司机操纵轿 厢运行的控制。 4集选控制电梯 集选控制是将层门外上下召唤信号，轿厢内选层信号及各种专用信号加以综合分析判断后，自动决定轿厢运行的无司机控制。 5向下集合控制电梯 向下集合控制是各层站的召唤盒有呼梯信号时，只有轿厢向下运行时才能顺向应答召唤停靠的控制。 其他还有并联控制电梯、群楼程序控制电梯等。 上述几中控制方式一般采用继电器 -接触器控制。近年来国内不少生产产家才用可编程序控制器取代继电器 -接触器控制，他具有接线简单、可靠性高等优点。另外还有采用单板机、单片机、单微机控制、多微机控制等。 2.1.2 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。 2.1.3 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，启动时通电松闸，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，nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 7 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。仅当厅门关上才一允许电梯启动 ;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-VVV F)，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，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。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 8 (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，己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。 (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。 (3)安装更方便、更快捷 高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，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 安全、环保，节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。 第三章 基本方案选择 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 9 本设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中可编程控制器和变频器的选择。 3.1 可编程控制器的选择 3.1.1 可编程控制器控制系统的 I/O 点数估算 根据下表可知要 42 个输入， 20 个输出。 输入 1 X00 检修开门 2 X01 检修关门 3 X02 慢上按钮 4 X03 慢下按钮 5 X04 司机选择 6 X05 检修选择 7 X06 开门限位 8 X07 关门限位 9 X10 平层 10 X11 上平层 11 X12 下平层 12 X13 顶极层 13 X14 底极层 14 X15 顶上极限 15 X16 底下极限 16 X17 厢门限位 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 10 17 X20 内部指令按钮 1 18 X21 内部指令按钮 2 19 X22 内部指令按钮 3 20 X23 内部指令按钮 4 21 X24 内部指令按钮 5 22 X25 内部指令按钮 6 23 X26 内部指令按钮 7 24 X27 内部指令按钮 8 25 X30 外部召唤按钮 1 26 X31 外部召唤按钮 2 27 X32 外部召唤按钮 3 28 X33 外部召唤按钮 4 29 X34 外部召唤按钮 5 30 X35 外部召唤按钮 6 31 X36 外部召唤按钮 7 32 X37 外部召唤按钮 8 33 X40 层楼永磁继电器 1 34 X41 层楼永磁继电器 2 35 X42 层楼永磁继电器 3 36 X43 层楼永磁继电器 4 37 X44 层楼永磁继电器 5 38 X45 层楼永磁继电器 6 39 X46 层楼永磁继电器 7 40 X47 层楼永磁继电器 8 41 X50 开车 42 X51 门锁开关 输出 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 11 1 Y01 关门 2 Y02 开门 3 Y03 起动抱闸 4 Y04 正 /逆转 5 Y05 二段速度运转 6 Y06 三段速度运转 7 Y07 自动滑动 8 Y10 检修运行 9 Y14 上运行指令 10 Y15 下运行指令 11 Y20 层楼指示 1 12 Y21 层楼指示 2 13 Y22 层楼指示 3 14 Y23 层楼指示 4 15 Y24 层楼指示 5 16 Y25 层楼指示 6 17 Y26 层楼指示 7 18 Y27 层楼指示 8 19 Y30 占用指示 20 Y0 终端保护 3.1.2 内存估计 用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。 (一 )内存利用率。 我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为利用率 。 (二 )开关量输入输出的点数。 一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为 6：4。这方面的经验公司是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 12 所需内存字数 =开关量（输入 +输出）总点数 *10 (三 )模拟量输入输出的总点数 只有模拟量输入时 ： 内存字数 =模拟量点数 *100 模拟量输入输出同时存在：内存拟量字数 *200 (四 )程序编写质量 经验计算公式 ： 总存储器字数 =(开关量输入点数 +开关量输出点数 )*10+模拟量点数 *150。然后按计算存储器字数的 25%考虑裕 量。 3.1.3 响应时间 可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接收持续时间小于扫描周期的输入信号。 系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。系统响应时间 =输入滤波时间 +输出滤波时间 +扫描周期。 3.1.4 功能、结构要合理 单片控制往往是用一台可编程控制器控制一台设备，或者一台可编程控制器控制几台小设备。 3.1.5 输入输出模块的选择 可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关、接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模型类型分直流 5、 12、 24、 48、 60V几种；交流 115V 和 220V 两种。 模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。 3.1.6 机型确定 综上所述，根据具体情况，我们选择三菱的 FX 系列。输入输出点数为 42 点，nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 13 电机 20 点，考虑 10%到 15%的 I/O 裕量，我们选择 FX2-128MR 这种型号。 3.1.7 硬件配置简介 PLC 产品出现以来，它以面向工业控制的鲜明特点，普遍受到电器控制领域的欢迎。特别 是中小容量 PLC 成功取代了传统的继电控制系统，使得控制系统的可靠性大大提高。目前各国生产的 PLC 品种繁多，发展速度快。本文所用到的产品是日本三菱 FX 系列超小型的 FX2-128MR。在此简单的介绍该机型的一些技术指标。 技术性能分为：一般性能，功能特性（基本单元），输入性能，输出性能和其它性能。 3.1.7.1一般性能（见下表 3.1.7.1） 表 3.1.7.1 一般性能 电源 AC110120V/220240V 单相 50/60Hz 电源波动 AC93.5132V/187264V， 10ms 以下瞬时断电，控 制不受影响 环境温度 055 度 环境湿度 45%95%，无凝露 抗振动 1055Hz， 0.5mm，最大 2g（重力加速度） 抗冲击 10g， 3 轴 X、 Y、 Z 方向各 3 次 抗噪声 1000V,1us,30100Hz(噪声仿真器 ) 绝缘耐压 AC 1500V， 1min(各端子与接地端之间 ) 绝缘电阻 5M ,500V DC(各端子与接地端之间 ) 接地 小于 100（如果不可能，也可以不接地） 环境 无腐蚀气体，无导电尘埃 3.1.7.2输入性能（见表 3.1.7.2） 表 3.1.7.2 输入性 能 输入类型 无电压触点或 NPN 集电极开路晶体管 绝缘 光 -电隔离 输入电压 内部电源 DC24V 4V,外部电源 DC24V 8V nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 14 输入阻抗 近似 3.3K 工作电流 OFF-ON DC4mA(最小 ) ON-OFF DC1.5mA（最大） 响应时间 OFF-ON 近似 10ms(有 8 点可改变从 060ms) ON-OFF 近似 10ms（有 8 点可改变从 060ms） 3.1.7.3功能特性（见下表 3.1.7.3） 表 3.1.7.3 功能特性 执行方法 周期执行存储的程序，集中输入 /输出 执 行速度 平均 12us/步 程序语言 继电器和逻辑符号（梯形图） 程序容量 1000 步 指 令 逻辑指令 20 条（包括 MC/MCR,CJP/EJP,S/R） 步进梯形指令 2 条（ STL,REJ） 功能指令 87 个（包括 +， -， =，等 程序记忆 内部配置 CMOS-RAM,EPROM/EEPROM 卡 辅助继电器 无锁存 128 点 锁存 64 点 状态（锁存） 64 点 特殊 16 点 数据寄存器 64 点 定时器 0.1s 定时器 24 点（延时接通） 0.1999s 0.01s 定时器 8 点（延时接通） 0.0199.9s 计数器（锁存） 30 点，减法计数（ 0999） 高速计数器（锁存） 1 点，加 /减计数（ 0999999），最大 2KHz 电池保护 锂电池，寿命约 5 年 诊断 程序检查（和，语法，电路），定时监视，电池电压，电源电压 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 15 3.1.7.4输出性能（见下表 3.1.7.4） 表 3.1.7.4 输出性能 输出类型 继电器输出 绝缘 继电器绝缘 输出负荷 电阻负荷 2A/点 感性负荷 35V/A/300000 次接通断开 灯泡负荷 100W 漏电流 0mA 响应时间 OFF-ON 近似 10ms ON-OFF 近似 10ms 3.1.7.5其它功能（见下表 3.1.7.5） 表 3.1.7.5 其它功能 型号 输入点 输出点 端子块 功耗 输入传感器电源 F2-128MR 64 点 64 点 可拆卸端子 40V/A 0.2A 3.2 变频器的选择 随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，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早己问世，一其功能较强，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。 3.2.1 通用变频器概况 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 16 3.2.1.1 通用变频器的发展 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 JGBT两个大发展过程。 (一 )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 600KVA,400KVA 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 变频器的单机容量己达 1800KVA 随着 IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。 (二 )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 (LSD)和全数字控制技术，结构设计上采用 “平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。 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” (Intelligent Module,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。 (三 )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 结了交流调速电气传动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 (Digital Signal Processer-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” (Reduced Instruction SetComputer-RISC)，将指令执行时间缩短到纳秒级。它是一种矢量 (超标量 )微处理器，其功能着重点放在常nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 17 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 I OOOMIPS，即 10亿次砂，相当于巨型计算机水平。指令计算时间为 Ins 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。 目前出现了一类 “多控制方式”通用变频器。例如本设计所采用的安川公司的 VS616-G5 变频器就有 :(1)无 PG(速度传感器 )V/f 控制 ;(2)有 PG V/f 控制 ;(3)无 PG 矢量控制 :(4)有 PG 矢量控制等四种控制方式。通过控制面板，可以控制土述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。 (四 )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、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。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乃至数控机床、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。 3.2.1.2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 : (一 )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 : 1.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nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 18 低噪声传动。电动机的金属鸣响声因振动频率超过了人耳可感 知的程度而 “消失”。 2.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。 3.由于 IGBT 为电压驱动型，因而简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成木降低。 4.主开关器件如果采用 IPM，上述效果将更加明显。 (二 )网侧变流器的 PWM控制的变频器 目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。 现己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，每个桥臂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，并且能量可以双向流通。 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，对于制动频繁的或 可逆运行的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 . （三）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。 电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他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nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 19 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，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。 另外， 616G5 变频器的起动、制动具有可任意调节的 S曲线和零频仍可输 150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达 0.01%-0.02%,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流波形，使电机始终运行于静噪音状态。 3.2.2 VS-616G5 型变频器简介 3.2.2.1 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。 3.2.2.2 616G5型变频器的标准规格 616G5型变频器的标准规格如表 3.2.2.2 表 3.2.2.2 616G5 型变频器的标准规格 电压 200V 400V 容量范围 1.2-110kVA 1.4-460kVA 电压频率 20OV:三相 200/208/220V nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 20 电 源 400V:三相 380/400/415/440/460V 电压允许变动 +10% -15% 频率允许变动 5% 控 制 特 性 控制方式 正弦波 PWM控制 : 无传感器矢量控制 (无 PG) 带传感器矢量控制 (带 PG) V/f控制 带传感器 V/f控制 (用参数切换 ) 启动转矩 150%/l Hz(无 PG) 150%/0 r/min(带 PG 速度控制范围 1:100(无 PG) 1:1000(带 PG) 速度控制精度 士 0.2%(无 PG) 0.02%(带 PG) 速 度响应 5H 式无 PG) 30Hz(带 PG) 转矩极限 有 转矩精度 士 5% 转矩响应 20Hz(无 PG)以上 150HZ(带 PG)以上 频率控制范围 0.1-400Hz 频率精度 (温度变动 ) 数字式指令士 0.010/0(-10C十 40C) 模拟指令 10. %(25C- 1 l OC) 频率设定分辨率 (运算分辨率 ) 数字式指令 0.01 Hz/I OOHz 模拟 式指令 0.03Hz/60Hz 输出频率分辨率 0.01 Hz 过载量 额定输出电流的 150% 1 min 频率设定信号 -10 V-10 V, 0-IOV, 4-20mA 加减速时间 0.01-6000.Os 制动转矩 约 20% 带制动选择 150% 抑制高次谐波 电源 直流电抗器 内带 (200V 24kVA 400V 26kVA 以下可选择 ） 12 相整流 不能变动 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 X2 线日语液晶显示器 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 21 接通插件板可选择 16种 (最多可装 3块 ) 保护功能 电机保护，变频器过载，瞬间过电流，电压下降，过电压，输入缺相 第四章 系统硬件设计 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 22 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 . 4.1.1 VS-616G5 变频器的参数 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 4.1.1。 表 4.1.1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 G组 确定偏差标准 4.1.2 参数设置 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 OHz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 4.1.2 表 4.1.2安川 616G5变频器主要参数设置表 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 23 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-O1 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-O1 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-O1 输入电压设置 380V E1-04 最高输出频率 50Hz E1-05 最大电压 380V E1-O6 额定电压频率 50Hz E1-09 最低输出频率电压 0V E2-O1 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-O1 PG常数 根据旋转编码器铭牌设置 F1-O2 PG断线检测时的动作选择 0 F1-03 超速时的动作选择 0 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 24 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 4.1.3 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，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。 4.1.4 变频器容量计算 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 其中 F1=K(WI +W2-W3)g+ S为摩擦力， S 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 1.5 P2. 4.1.5 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 I2的值不超过变频 器额定电流的一半，即 I2=Ud/Rz I/2 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 25 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 . 4.2 PLC 控制系统设计 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. 2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. 2电梯 PLC控制系统的基本结构图 4.2.1 设计思想 4.2.1.1 信号控制系统 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 26 电梯信号控制基本由 PLC 软件实现。电梯信号控制系统如图 4.2 所示，输入到PLC的控制信号有 :运行方式选择 (如自动、有司机、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 、开关门及限位信号、门区和平层信号等。 图 4.2.1电梯 PLC信号控制系统框图 4.2.1.2 电梯控制系统实现的功能 (1)一台电机控制上升和下降 (2)各层设上 /下呼叫开关 (最顶层与起始层只设一只 ) (3)电梯到位后具有手动或自动开门关门功能 (4)电梯内设有层楼指令键，开关门按键，警铃风扇及照明按键 (5)电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯 (6)待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮 ，应能自 动开门迎客 (7)自动关门与提早关门 在一般情况下，电梯停站 4-6 秒应能自动关门；在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作， (8)按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 27 (9)内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。 (10)自动定向。当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。 (11)呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。 (12)自动换向。当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。 (13)自动关门待客。当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。 (14)自动返基站。当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。 4.2.1.3电梯操作方式 (1) 单轿厢下集选控制 登记所有轿厢和厅门下行召唤 ;轿厢上行是只答应轿厢召唤，直 至最高层 ;自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。 (2) 单轿厢全集选 登记所有厅门和轿厢召唤 ;上行时顺应答轿厢和厅门上召唤。直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。 本设计采用全集选操作方式。 4.2.1.4 速度给定曲线 为了满足舒适感提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。 为了获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线 (S
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