基于VVVF控制的电梯设计毕业设计.doc

1 前言1.1 电梯的发展历史电梯最早出现在公元前236年，当时的阿基米德（古希腊人）制作了一种卷筒式卷扬机，是用人力来驱动的，并且在妮罗宫殿中使用成功。后来阿基米德设计的这种卷筒式卷扬机被人们当作现代电梯的鼻祖。1854年美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯发明了史上第一部安全升降梯，并在纽约世博会上展示了。从此以后该发明在世界范围内得到了广泛应用。1889年，美国奥的斯公司制造了由直流电动机通过蜗杆蜗轮减速器带动卷筒绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机。1990年，交流感应电动机应用到了电梯驱动，简化了电梯的传动系统。1903年，出现了目前电梯的曳引传动的基本构造形式，代替了以前的卷筒方式。增强了电梯系统的安全性。1949年，随着电子技术在电梯控制技术中的大量应用，电梯控制技术也越来越成熟：从直流到交流单速、交流双速再到交流调压调速以及交流变频调压调速控制。电子技术方面的新技术的使用极大地改善了电梯运行的安全性、运行速度、可靠性、舒适感以及节能减耗、平层精度、减少噪声等各方面。70年代，特别是1973年以来，电梯控制柜的控制电路由模拟电路向数字化电路渐渐发展，提高了电梯的可靠性和运行精度。80年代，脉宽调节技术（PWM）开始被人们用来实现对电梯系统中的交流电动机进行调压调频控制，从而达到线性调速的目的。80年代中期，美国奥的斯、日本三菱等电梯公司相继开发VVVF控制的电梯并逐步将其推向市场。90年代。VVVF拖动系统的许多技术、经济指标等明显优于其他电梯系统。随着社会的进步,使用交流电动机变压变频调速拖动系统的电梯(简称VVVF电梯)越来越广泛,这种电梯具有舒适感好、平稳性好、平层准确度高及结构简单、节能、维护保养方便等优点,深受用户的喜爱,是未来电梯更新改造的趋势。1.2 VVVF电梯的优点交流变频调速器（VVVF）起动电流小,制动快,可靠性好,非常便于应用到电梯上。VVVF与过去的一些电梯拖动自控系统相比,主要有几个特点：（1）不需要测速发电机和速度反馈闭环环节,利用VVVF的“转差补偿控制”以使负载的变化引起的转速变化得到有效的补偿,大大简化了系统。（2）整个电梯运行的三段曲线均可通过键盘进行设置。（3）速度的变化在四个象限均能实现平滑过渡,舒适感好,定位制动精度高。VVVF电梯采用交流单速电动机，通过对电动机调节供电电压、供电频率来调节电动机的转速以达到线性化，使交流电动机转速运行曲线线性段区域得到扩大。由于系统采用高精度电光码盘，微机全数字化控制，使电梯平层精度能够达到毫米级，并且能够绝对保证交流电动机零速下闸，舒适感非常好。VVVF控制的电梯与交流双速电梯、交流调压调速电梯(ACVV)相比有十分突出的优点。（1）安全可靠。先进的电脑控制技术、完善的检测、自保护、自诊断功能，最大限度地考虑了电梯在任何情况下出现故障的可能性，设置了各种应急和防故障装置。倘若井道内某个安全装置出现故障，电脑系统将保护不关人、不蹲底、不冲顶。（2）舒适感好。理想的电梯运行速度曲线，根据人体生理的适应能力由高性能微电脑设计而成，采用矢量控制技术对交流电动机进行精确的调节，使电梯运行很平衡、舒适。（3）高速高性能。能高速运行，拥有最佳召唤应答处理和分配方式。可以根据乘客人流情况快速反应自动调节，使电梯的运行迅速合理，最大限度地缩短乘客的候梯时间，使电梯运行效率能够得到充分的发挥。（4）节约电能。电梯采用降频软起动，启动电流很小，不会超过额定电流，在电梯制动阶段，VVVF电梯调速系统处于发电制动状态，无需使用供电网中的电能，从而减少了电能消耗，避免了电机过热。调速系统的功能因数接近1，所以相比于ACVV系统节能40%-50%，比传统机组直流电梯节能达70%左右。（5）节省机房空间。超小型的机房全电脑控制系统与传统的机房控制系统相比，体积减少了1/2以上，重量也大大减轻。节省机房空间，减轻机房承重，从而提高了建筑利用率，进而可节约建筑费用。（6）利用率高。全电脑控制可以方便地对两台、三台、四台以上的电梯进行群控，合理分配，合理安排，提高电梯的运行效率。（7）准确的平层精度。经过电脑高速大量的运算，采用高精度的光电码盘，将速度-转矩-位置全闭环，停车时零速抱闸，平层精度保持在±2mm以内。(8)自学习井道信息功能。自动学习电梯的楼层间距、提升高度，自动根据停靠的距离选择运行的曲线。(9)维护方便。现代化高科技设计，大规模集成电路，全电脑控制和半导体大功率模块在电梯控制中的应用，大大提高了现代电梯控制部分的可靠性、免维护性;新技术、新材料的应用，加强了电梯机械部件的耐磨损程度，提高了机械可靠性;自诊断能力和远程报警功能的实现，使得电梯维修保养工作越来越简单，越来越快速，越来越有针对性。(10)无噪声机房和小噪声运行，使得对环境的影响也大大降低了。2 电梯基本结构的设计本次设计的电梯一个六层办公楼里的客梯，是一个VVVF控制的电梯，额定速度为1.0m/s，减速装置为蜗轮副传动。根据有无司机选择无司机电梯，故控制方式为集选控制方式。驱动方式选用钢丝绳曳引。该客梯的额定载重量为1000kg,乘客人数为13人。电梯的型号为：TKJ1000/1.0JX。2.1 电梯的基本结构电梯是把机械和电气合为一体的复杂产品，其中机械部分相当于人的躯体，电气部分相当于神经。机电的高度合一，使电梯成了现代科学技术的综和产品。2.1.1 电梯的总体构成电梯的整体结构如图2-1所示。图2.1 电梯的整体结构1制动器2曳引电动机3电气控制柜4电源开关5位置检测开关6开门机7轿内操纵盘8轿厢9随行电缆10呼梯盒11厅门12缓冲器13减速箱14曳引机15曳引机底盘16导向轮17限速器18导轨支架19曳引钢丝绳20开关碰块21终端紧急开关22轿箱框架23轿箱门24导轨25对重26补偿链27补偿链导向轮28张紧装置2.1.2 轿厢架的选用轿厢架是固定和悬挂轿厢的框架，由底梁、立柱、上梁和拉杆组成。轿厢架的使用类型及使用特点如表2-1所示。表2.1 轿厢架的类型及使用特点类型使用特点对边形轿厢架适用于具有一面或对面设置轿门的电梯。此类轿厢架受力情况良好，当轿厢内作用有偏心载荷时，只在轿架支撑范围内发生拉力，或在立柱上发生推力，这是大多数电梯所采用的构造方式。对角形轿厢架常用在具有相邻两边设置轿门的电梯上。此类轿厢架在受到偏心载荷时，使各构件不但受到偏心弯曲，而且其顶架还会受到扭转的影响。因受力情况较差，特别对于重型电梯，应尽量避免采用。通过考虑选用对变形轿厢架。2.2 电梯的主要参数电梯的主参数是指电梯的额定载重量和额定速度。 电梯的额定载重量：320，400，630，800，1000，1250，1600，2000，2500 kg 额定速度：0.63，1.00，1.60，2.50 m/s。用户选择电梯时，必须根据电梯的安装地点、运载对象等，正确的选择电梯的类别和有关参数、尺寸。并根据所选的参数和规格尺寸，设计安装电梯的建筑物的井道，否则会影响电梯的使用效果。已知额定载重量为1000kg，设计的电梯的参数与尺寸，如表2-2所示。表2.2 设计的电梯的参数、尺寸主要用途新设计的6层客梯额定载重量/kg1000可乘人数/人13轿厢宽度A/mm1600深度B/mm1400高度/mm2200轿门和层门宽度E/mm800深度F/mm2000形式中分门井道宽度C/mm2400深度D/mm2300底坑深度P/mm1400顶层高度Q/mm4200机房面积20宽度R/mm3200深度T/mm4900高度H/mm2400 R和T为最小尺寸值，实际尺寸应确保机房地面面积至少等于8。地坑深度和顶层高度的实际尺寸必须符合GB7588-1995中5.7的规定。2.3 电梯的保护装置1、刹车。控制电梯曳引机器部分的制动器，可使电梯的轿厢及时停止；2、限位开关。当轿厢开到最高位置或最低位置时，就会碰到此开关不能继续向前运行，只能反方向运行；3、越程开关。轿厢行驶到最高位置或最低位置时，如果限位开关失去控制，轿厢就会继续上升或下降。为了防止轿厢冲顶或沉底，应装置能切断电源但不能自动复位的越程开关。越程开关应装在机房内，不能装在井道内；4、缓冲器。减少轿厢或对重在事故情况下蹲底的冲击力。缓冲器具有吸收运动机构能量并减少冲击。应在缓冲器与轿厢触碰处装置橡皮或海绵，以减少其冲击力；5、安全钳。为了防止由于吊重钢丝绳断裂、绳槽打滑等导致轿厢突然坠落的事故的发生应在轿厢装置上安装安全钳。安全钳能同时切断控制电源和使轿厢停止下坠。如果轿厢额定载重量大于250kg，轿厢上应装设安全钳。6、限速器。为了防止行驶速度超过正常速度，凡三层以上（含三层）的乘客电梯，应装速度控制器，这种机构一般与安全钳联成一体；、7、安全门。为了防止人员头、手、脚伸出井道和物件坠落竖道，轿厢进出口应装安全门。公共场所、家属宿舍和有易燃易爆物的场所等使用的电梯，其竖道门应是封闭式，其轿厢应是满门，井道（厅门）高度不低于1.8m；8、门电开关。防止由于竖道门、乘载厢门、轿顶门未关而发生事故，应在竖道门上和乘载厢门上装置门电开关；9、门联锁。防止有人把竖道门和乘载厢门开动进出或将头、手、脚伸出而发生事故，应在竖道门和乘载厢门上安装门联锁；2.4 电梯曳引系统的设计曳引系统是由曳引机、曳引轮、曳引钢丝绳、导向轮等部件组成。其功能是曳引电梯运行。曳引机是电梯产品的关键部件。而曳引轮、曳引绳、导向轮是承受电梯运行部分的全部重量。因此，在曳引轮安装位置处必须架设承重梁。 曳引系统的组成结构如图2-2所示。图2.2 曳引系统1-轿厢 2-导靴 3-润滑装置 4-钢丝绳 5-电机 6-制动器 7-曳引轮 8-减速器 9-导向轮 10-对重装置2.4.1 曳引钢丝绳的选用曳引钢丝绳也称曳引绳，是电梯上专用的钢丝绳。曳引钢丝绳是连接轿厢的装置，并靠曳引机驱动使轿厢升降。它承载着轿厢、对重重量、额定载重量等重量的总和。为了确保人身和电梯设备的安全，各类电梯的曳引钢丝绳根数以及安全系数必须符合表2-3的规定。表2.3 曳引绳根数与安全系数电梯类型曳引绳根数安全系数客梯、货梯、医梯412杂物梯210选用曳引绳根数为4，曳引绳直径d为16mm。2.4.2 曳引轮的设计曳引轮要承受轿厢、载重量、对重等装置的全部、动静载荷，因此要求曳引轮强度大、韧性好、耐磨损、耐冲击，所以在材料上多用QT600-3A球墨铸铁。曳引轮的构造形式：整体曳引轮分成两部分构成，中间是轮筒（鼓），外面制成轮圈式绳槽切削在轮圈上，外轮圈与内轮筒套装，并用铰制螺栓连接在一起，成为一个曳引轮整体。其曳引轮的轴就是减速器内的蜗杆轴。曳引驱动电梯运行的曳引力是依靠曳引绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力产生的，因此曳引轮绳槽的形状直接关系到曳引力的大小和曳引绳的寿命。常用的曳引轮绳槽形状、类型及使用特点如表2-4所示：表2.4 曳引轮绳槽类别及使用特点类别使用特点半圆槽半圆槽与曳引绳接触面积大，曳引绳变形小。有利于延长曳引绳和曳引轮寿命，但这种绳槽的当量摩擦系数小，因此曳引能力低。为了提高曳引能力，必须用复绕式曳引绳的方法,以增大曳引绳在曳引轮上的包角，它多用在全绕式高速无齿轮曳引电梯上。还广泛用于导向轮、轿顶轮、对重轮的绳槽。V形槽V形槽的两侧，对曳引绳产生很大的挤压力，曳引绳与曳引槽的接触面积小，接触面的单位压力（比压）大，曳引绳变形大，曳引绳与绳槽间具有较高的当量摩擦系数，可以获得很大的驱动力。但这种绳槽磨损较快、当量摩擦系数下降也快。只适用于轻载、低速电梯上。凹形槽（带切口的半圆槽）它是在半圆槽的底部切制了一条楔形槽，曳引绳与绳槽接触面积减小，此压增大，曳引绳在楔形槽处发生弹性变形，部分楔入沟槽中，使当量摩擦系数大为增加，从而使曳引能力增加。 这种形槽既有当量摩擦系数大，又有曳引绳磨损小等特点，因此在曳引轮中运用最多。曳引轮的直径要大于钢丝绳直径的40倍。在实际中，一般都取4555倍，有时还大于60倍。因此初定曳引轮的直径为曳引钢丝绳的50倍，即d=16×50=800mm。由表2-2得出，选用凹形槽作为曳引轮的绳槽，有夹绳钳。3 电梯拖动与控制原理3.1 交流调速概述交流异步电动机转速表达式为: (3.1)式中 N一转速；同步转速； 供电电源的频率；P极对数；S一转差率。从上式可以得出，要改变异步电动机的转速N，有下面几种方法:改变定子绕组的P，即变极调速；改变转差率S，即改变转差率调速；改变供电电源的频率 ，即变频调速。3.1.1 变极调速异步电动机的同步转速（转/分），当改变定子绕组的极对数P时，就可改变同步转速，从而使调节电机转速。可在定子上安装两组独立的绕组，构成不同的极对数，也可通过改变绕组接法的方式来实现变极调速。变极调速仅适用于不需要平滑调速的载货电梯。3.1.2 改变转差率调速当改变转差率S时，也能调节电机的转速。改变转差率调速的方法有:转子电路里串接电阻；改变定子电压；串极。这些调速方法的缺点是:调速过程中会产生大量的转差功率，这些转差功率将消耗在转子电路上，导致转子发热，同时降低了工作效率。目前变压调速在电梯上使用较多，即通过改变定子电压来调速。变压调速的调速范围很窄。所以，电梯上的变压调速均采用闭环控制，以提高调速范围。3.1.3 变频调速当转差率S变化不大时，异步电动机的转速N基本上正比于。故如果可以平滑改变的话，异步电动机的转速N就可以平滑调节。这种方法有很大的调速范围和很好的机械特性，是目前电梯主要的调速方式。3.2 交流双速调速交流双速调速的价格便宜，结构较简单，但调速性能较差。交流双速调速主要有变极调速和带涡流制动器的双速电机调速。以变极调速为例分析如下：由电机学基本原理知，当电动机为一对极数，即p=l时，电机的转子旋转一周，旋转磁场旋转一圈；当p=2时，电机的转子旋转一周，旋转磁场旋转二圈。然而旋转磁场的转速取决于电源和极对数p，并满足。当不变，p=1时，p=2时。由此可知，电动机的极对数p越多，电机的转速就越慢。因此，在改变定子绕组极对数p的同时改变了电动机同步转速，进而改变电动机的转速。在定子绕组上安装两组独立绕组，各接成不同的极对数是一个变极调速比较经济的方法。电梯上的双速电动机的两个绕组极对数p一般为4/16或6/24,速比为4:1，控制线路如图3.1所示。其中:K为总电源开关；SC为上方向接触器；XC为下方向接触器；KC为快速接触器；MC为慢速接触器；1C为加速接触器；2C为第一减速接触器；3C为第二减速接触器；XQ为启动电抗器；XJ为减速电抗器；R为电阻；M交流双速电动机。当电梯启动时，下方向（或者上方向）接触器吸和，KC也吸合，而MC断开，电源接通快速绕组。为减小启动时的加速度和启动电流，提高舒适感，1C未吸合，定子绕组就串入了电抗（或者电阻），这种启动是降压启动。当电机的转速达到一定数值后，逐步减小串联电抗（或者电阻），直到1C吸合，从而完全短接电抗（或者电阻），促使电梯逐步加速，直到电动机达到额定速度，进入稳定运行。当电机需减速时，MC吸合，接通电源，电机减速。为了降低减速度和减小制动电流，在低速绕组中也应串入电抗（或者电阻），即2C、3C断开，在减速过程中逐步吸合2C、3C，使电机逐步减速直到停机。增加电抗（或者电阻），可以减小启、制动电流，增加电梯的舒适感，但会使加、减速时间延长。图3.1 交流双速调速控制线路图变极调速还可以用改变定子绕组的接法。这种电机通常采用鼠笼型转子，转子极对数能自动与定子极对数相对应。这种电机的每一相都有中心抽头，用来改变接线的方式，当定子的极对数减少到一半时，同步转速提高一倍。综上所述可得，无论使用哪种变极方式，变极调速均属于有极调速(速度变化有台阶感)。故变级调速多用于对平层精度、舒适感要求不高的低速货梯上。3.3 闭环控制的交流调压调速（ACVV）交流双速电梯采用串电阻（或电抗）启动，舒适感较差，速度不平稳。闭环控制的交流变压调速，用可控硅取代了启、制动电阻(或电抗)，明显提高了调速效果。当电机电路参数不变，并在一定转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，即。因此，可以通过改变定子外加电压改变其机械特性的函数关系，进而改变电动机在一定输出转矩下的转速。电动机在不同电压下的机械特性如图3.2所示。可以看出，当电动机带有恒转距负载时，在改变定子电压时，电机稳定的工作点为A、B、C，转差率的变化范围在0之间。从图可见，此时电机的调速范围非常小。在实际中，定子电压越低，机械特性越软，转速随转矩变化越大，必然限制了调压调速的范围。针对这一问题，当恒转矩性质的负载时，通常采用带转速负反馈的闭环控制系统。如图3.3所示。图中，是给定电压，TG为电机测速装置。SmSn0nABC0.5U0.7UU0.TLTg0.1.图3.2异步电动机在不同电压下的机械特性 图3.3带转速负反馈调压调速系统图3.4为带转速负反馈调压调速系统的机械特性。当系统带负载在A点运行时，由于负载增大而引起转速下降时，电机测速装置TG(光电编码器)立即将电机的转速信息反馈回系统，将信息与给定电压进行比较，然后根据两个信息的差值提高定子电压，从而在新机械特性曲线上找到工作点。同理，负载减小时，电机转速上升，电机测速装置TG（光电编码器）立即将电机转速信息反馈回系统，将信息和给定电压进行比较后，降低定子电压，从而在新机械特性曲线上找到工作点。综上所述得，带转速负反馈调压调速系统实际上是利用测速装置的反馈信息来调节定子电压，进而保证电机转速与给定电压一致。当改变电压时，即可改变电机转速n。注意，图3.4中所示的额定电压下的机械特性与最小输出电压下的机械特性是带转速负反馈调压调速系统左右两边的极限。当负载变化达到极限时，该系统就失去了控制能力。TLTe0Ua1Ua2Ua3U1com时的机械特性U1min时的机械特性nAAA图3.4 转速负反馈闭环控制交流调压调速特性该系统中，转速的变化能够反过来影响电动机定子电压，进而控制转速的变化，故称为闭环控制。当电机转速变化对整个控制系统没有任何反馈控制作用时，即输出不能控制输人电压时，称为开环控制。3.4变压变频调速（VVVF）异步电动机的转速为 (3.2)当转差率S变化不大时，S<<1。所以，N基本上正比于。故要改变交流电动机的转速，仅改变定子频率就行。但在改变转速的同时，最好将励磁电流和功率因数基本保持不变。磁通太弱时就没有充分利用铁芯，电机容许的输出转速会下降，电机的功率得不到充分利用造成浪费；如果增大磁通，会引起磁路过分饱和使励磁电流增加，功率因数会降低，严重时会因绕组过热而损坏电动机。在交流异步电动机中 (3.3)式中 定子每相的气隙磁通感应电势有效值；定子频率；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；-每极气隙磁通量。对于固定电机，、为常量。因此，要在改变的同时保持磁通不变，只需同步改变，使=常值 然而感应电势是难以直接控制的。电势较高时，可忽略定子绕组的漏磁阻抗压降此时定子相电压。因此当=常值时，基本上恒定。当频率较低时，和都较小，定子绕组的漏磁阻抗压降就不能忽略。这时可简单地把电压适当抬高，以便近似地补偿定子压降，如图3.5所示。a线代表不带定子压降补偿，b线代表带定子压降补偿。f1nf1abU1nU1图3.5 恒压频比控制特性从图3.5可看出，与实际是一次函数关系。以上是在定子频率低于额定频率的情况下进行的。实际上,可以高于。只是当高于时，电压无法增加的比额定电压更大，最多只能保持。由公式可知，当时，磁通将与频率成反比地降低。根据电力拖动原理得，在的情况下的变频调速为“恒转矩调速”。在的情况下的调速为“恒功率调速”。在电梯变频调速系统中，电机的实际最大转速是其额定转速。因此，电梯的变频调速属于“恒转矩调速”。综上所述可得，只有同时改变电源的电压和频率时，才能满足变频调速的要求。这样的装置统称为变压变频装置，即VVVF装置(Variable Voltage Variable Frequency)。4 VVVF电梯控制系统设计通常电梯的控制部分（PLC及速度曲线发生器）与变频器之间只有一个速度给定信号线，速度反馈仅仅在变频器内部实现，电梯控制部分对对当前速度的情况一无所知。一旦速度给定部分发生故障或变频器内部发生故障导致电梯速度失控，电梯控制部分不能及时作出相应的反应（如抱闸、切断电源、切断信号等），这样轻则导致舒适感恶化、平层精度差，重则会引起轿厢的冲顶或蹲底事故。所以，速度保护在电梯安全保护中占有举足轻重的地位。VVVF电梯是将变频器的工作状态回送到电梯的控制部分，再根据变频器的工作情况来决定电梯下一步的运行状况。通过变频器已有的状态输出信号，变频器通常有完好信号、零速信号和在速信号，将它们送到控制器，经控制器综合分析判断后决定电梯具体的运行控制。4.1 PLC控制系统4.1.1 PLC控制系统的结构电梯的PLC控制系统结构图如图4.1所示。操纵箱呼梯盒井道装置安全装置输入接口PLC输出接口指层灯门机控制变频器曳引机旋转编码器楼层脉冲图4.1 电梯PLC控制系统结构图PLC主机是电梯控制系统的核心，来自操纵箱、呼梯盒、井道装置、安全装置的外部信号通过输入接口进入PLC，经过处理的信号通过输出接口分别传递给指层灯、门机控制、变频器，进而实现电梯的控制。因为继电器控制系统里的中间继电器和时间继电器的逻辑计算功能被PLC内部的逻辑运算和处理功能所取代，所以系统中继电器的使用数量大大减少了，进而提高了系统的可靠性，降低了故障率，减少了控制柜的体积，降低了成本。4.1.2 用PLC控制电梯的优点（1）用软件实现了对电梯运行的自动控制，大大提高了可靠性。（2）省去了选层器和大部分继电器，使得控制系统简单化，外部线路简单化。（3）PLC能够实现各种复杂的控制系统，可以很方便的增减或改变控制功能，使用方便。（4）PLC能够进行故障自动检测和报警显示，提高了电梯的运行安全性，并为检修提供了很大的方便。（5）PLC能够用于群控调配和管理，提高了运行效率。（6）更改控制方案时一般不需要改动硬件接线。4.2 PLC设计方法及步骤4.2.1 分析总体功能的要求，确定系统的硬件配置通过对电梯需要实现的控制功能、调速方式、安全方面等方面的综合分析，对电梯的接触器、继电器、PLC型号、调速器等硬件系统进行总体安排。4.2.2 PLC的I/O点数根据所确定的电梯的层站数、梯型、控制方式等，计算出PLC的输入信号及输出信号的数量。电梯控制系统输入信号：10个门厅按钮，6个楼层感应传感器，9个轿厢内按钮，2个轿厢门限开关，1个检修开关，2个平层传感器，2个减速传感器，1个过载测量传感器，PG卡1个，1个障碍检测光电传感器，总共35个输入信号。输出信号:：9个轿厢内指示灯，10个门厅召唤按钮指示，7个楼层显示用七段码显示器引脚，2个开关门电动机驱动线圈，8个变频器控制引脚，2个电梯上下行指示灯，总共38个输出信号。4.2.3 内存容量的估算内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。所以，用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。所需总内存字数=开关量I/O总点数×（1015）+模拟量I/O总点数×（150250），再按30%左右的预留余量。估算本系统需要大约2K字节的内存容量。4.2.4 机型选择FX2，FX1，FX2C系列是三菱公司新推出的高性能小型可编程控制器。FX0S，FX0N,FX2N系列是微型可编程控制器。它们体积都比较小，但功能强大，内置高速计数器，外观、高度、深度等都差不多，但性能和价格差别很大如表4.1所示。表4.1 FX0S，FX0N，FX2N性能比较型号I/O数用户程序步数功能指令通信功能基本指令执行时间模拟量模块FX0S10-30800步EEPROM50无1.6-3.6微秒无FX0N24-1282k步EEPROM55较强1.6-3.6微秒有FX2N16-2568k步RAM298强0.08微秒有FX0S的功能简单，价格便宜，可以用于小型开关量的控制系统。FX0N可以用在对控制要求较高的中小型控制系统中。FX2N功能最强，可以用在对控制要求很高的控制系统中。由前面分析可知，输入信号为35个，输出信号为38个。根据PLC的I/O节点使用原则，即留出一定的I/O点作为扩展时用，和系统设计实际需要的I/O点数的使用，以及指令的执行速度，故选用三菱公司的FX2N系列的FX2N-80MR。它的输入继电器X000-X047共40个，输出继电器为Y000-Y047共40个，程序容量是8k字节，完全满足要求，也为以后功能扩展留了足够的空间。4.2.5 I/O单元输入点输出点的分配表4.2 I/O单元输入点输出点分配表输入功能输入点输出功能输出点轿箱内控制按钮X0-X10轿厢内按钮指示灯Y0-Y10楼层感应传感器X11-X16七段码显示器引脚Y11-Y17门厅按钮X17-X30门电机正反转Y20-Y21检修按钮X31变频器控制信号Y22-Y26门限位继电器X32-X33变频器控制信号Y43-Y45过载测量X34门厅召唤按钮指示灯Y27-Y40光电传感器X35电梯上下行指示灯Y41-Y42平层传感器X36-X37减速传感器X40-X41PG卡X424.3 PWM脉宽调制为了保证恒转矩调速,在改变频率的同时应该相应改变电动机的输入电压.目前为止,要直接可连续的改变三相交流电源的频率和电压的难度很大,造价也很高.所以采用PWM逆变器。PWM逆变器输入恒定不变的直流电压，控制线路按一定的规律控制逆变器中功率元件的通断，在逆变器的输出端得到一组等幅不等宽的矩形脉冲波形来近似等效正弦电压波形。PWM脉宽调制方法的优点：（1）因为输入直流电压不变，故整流环节不用考虑调压因素，直流电源可采用简单的不可控整流器，从而提高电网的功率因数。（2）调频调压的过程在逆变器的内部实现的，响应速度由控制回路决定，不受直流回路的滤波系数影响。（3）输出波形接近正弦波，谐波的分量小，负载电动机的发热和低频转矩脉动降低，电动机的运行性能得到提高，从而降低了成本。4.4 变频装置4.4.1 选用变频器主要考虑的方面在选择变频调速器及主电路功率元件时，主要考虑的有三个方面：（1）变频控制方式。目前用于电梯控制的变频器的控制方式大体分两类：压频比方式和矢量变换方式。压频比方式是用电压与频率之比等于常数的规律来控制变频器的输出电压和频率。是交流电机变频调压的传统方法。矢量变换控制方式是一种全新的交流电机调速控制方法，基于现代电机理论，将施加在交流电机上的交流电压和电流等参量视为空间矢量，通过实测和计算将这种矢量转换成产生电机磁场和扭矩的两个彼此正交的分量，运用直流电机的控制思路分别控制交流电机的磁场和扭矩，进而使交流电机获得和直流电机相似的调速特性。（2）速度控制方式。速度控制方式分为：开环式和闭环式。开环控制只需按照设定的规律改变变频器的输出频率，不检测被控对象的实际速度，是一种简单的控制方式。但只用于对速度精度要求不高的场合。闭环控制是通过旋转编码器来检测电机的实速，与给定的速度指令进行比较，通过调节运算改变变频器的输出，使被控对象的实际速度准确跟踪速度指令曲线，实现速度的精确控制。在变频调速电梯控制系统中，应选用闭环控制。（3）主电路功率元件及PWM调制频率。目前交-直-交变频器大多采用脉宽调制（PWM）技术。这种系统中，主电路选用的功率元件很重要。在低于百千瓦的变频器中,主电路采用的功率元件分3种：大功率晶体管（GTR），绝缘门晶体管（IGBT），智能功率模块（IPM）。早期的变频调速器大多采用GTR作为主电路元件，工作时产生噪声比较大。IGBT将控制电路极大简化了，本身的开关特性也得到了很大的提高。IPM是在IGBT基础上增加了智能保护电路，提高了安全性。IGBT和IPM的制造技术日益成熟，成本不断降低，所以被普遍采用。通过提高PWM频率降低运行噪声的话，会增加开关元件的损耗和发热。故PWM频率不是越高越好，比较合理的范围是712KHZ。除了上述主要因素外，产品的制造工艺、生产批量情况、技术支援能力等，在选型时还是应该考虑的。4.4.2 变频器的选型选用IMH4A2电梯专用变频器。IMH4A2系列为广日电梯专用型，采用最新的智能功率IPM模块，集驱动、保护、功率交换与一体，使整机的可靠性大大提高。而且采用优化PWM生成技术，输出谐波小，对系统及周围设备的干扰小，在并联以及群控时更显得突出。变频器的部分主要参数设置表如表4.3所示。表4.3 变频器的部分主要参数设置表组名参数代码功能内容设定范围应用B101运行指令选择操作器/外部端子控制/串行口/扩展卡03B102频率指令选择操作器/外部端子控制/模拟口02B103停止方式选择惯性停止/减速停止/有时限减速停止/有零伺服惯性停止03曲线时序C101加速时间从最高输出频率的0100%所需加速时间0.10600sC102减速时间从最高输出频率的100%到0所需减速时间0.10600sC109非常停止减速时间设定非常停止时辰从最高输出频率的100%到0%所需减速时间0.1020.0sC201加速起始拐角时间时间C202C203C204C201图示输出频率0.012.50sC202加速起始拐角时间0.012.50sC203减速结束拐角时间0.012.50sC204减速结束拐角时间0.012.50sC301起动励磁时间变频器收到运转指令后执行起动初期励磁的时间0.002.50sC302开闸延迟时间变频器执行起动初期励磁完毕到发出抱闸信号的时间0.002.50sC303停车锁定时间变频器撤销运转指令后切断变频器输出的延迟时间0.002.50sIMH4A2变频器的端子功能如图4.2所示。图4.2 IMH4A2变频器端子图5 基于PLC和变频器的电梯控制系统5.1 控制系统的原理控制系统原理图如图5.1所示。呼叫信号位置信号楼层显示呼叫显示牵引机PLC门电机变频器电源PG图5.1 控制系统原理图控制系统由曳引机、门电机、变频器、PLC以及其他电气元件构成。调速部分选用高性能的矢量控制变频器，通过光电编码器测量曳引机的转速，构成闭环矢量控制系统。电梯控制的实现：（1）PLC控制电路去接收来自操纵盘和每层呼梯的召唤信号，轿厢和门系统的功能信号，井道和变频器的状态信号，经程序处理后实现电梯的集选控制。PLC输出显示和监控信号时，同时向变频器发出运行方向信号，启动加、减速运行的制动停梯等信号。（2）变频器通过旋转编码器产生两个脉流冲进变频器，以确认方向并利用脉冲计数构成速度闭环。其中，脉冲编码器与电机同轴连接。（3）通过变频器的PG卡输出和电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，并将其引入PLC的高速计数输入端口。累计脉冲数计算出脉冲当量，以确定电梯的具体位置，测出相应楼层高度脉冲数。（4）运用测出相应楼层高度脉冲数对应n层电梯分别存入n-1个内存单元。楼层计数器是一个双向计数器，当运行到各层计数点时，自动加1或减1计算。5.2程序流程图及部分梯形图电梯的控制挺复杂，需要满足多位置、多控制。电梯在接受输入信号的的同时，还要不间断的处理各种离散信号。系统按照图5.2所示的程序流程进行编程。在程序设计过程中应该遵循轿内指令优先、顺向截车、就近停靠原则。开始工作方式正常运行检修有呼梯？点动控制停止运行信号登记于显示程序定向程序选层程序本层不动运行程序开关门程序运行？结束YNYNYN图5.2 程序流程图用户输入程序段接收用户对门厅按钮或者轿厢内按钮的操作，并保存到一定的逻辑线圈中，每个触点对应的逻辑线圈说明如表5.1所示。表 5.1输入点触点说明对应线圈X0轿厢内一楼按钮M10X1轿厢内二楼按钮M11X2轿厢内三楼按钮M12X3轿厢内四楼按钮M13X4轿厢内五楼按钮M14X5轿厢内六楼按钮M15X6轿厢内开门按钮M16X7轿厢内关门按钮M17X10轿厢内报警按钮M20X17六楼下行按钮M27X20五楼上行按钮M30X21五楼下行按钮M31X22四楼上行按钮M32X23四楼下行按钮M33X24三楼上行按钮M34X25三楼下行按钮M35X26二楼上行按钮M36X27二楼下行按钮M37X30一楼上行按钮M40表5.2 参数初始值元件名含义D100电梯当前位置变量D101电梯上行最近目标D102电梯下行最近目标M101电梯上行标志M102电梯下行标志M103电梯空闲标志M104电梯开门标志M105电梯关门标志M106电梯关门完毕标志D10电梯开门延时时间常数M0电梯系统启动电梯的部分梯形图程序如下所示：电梯的运行程序如图5.3所示,图5.3 电梯运行程序电梯开门