FX2N系列PLC在電梯變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的整體提升，作為中國支柱產(chǎn)業(yè)之一的房地產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了跨越式發(fā)展的新階段。在這個(gè)進(jìn)程當(dāng)中，作為建筑物附屬設(shè)備的電梯也有不可估量的發(fā)展空間。目前在電梯中所應(yīng)用的交流雙速或可控硅調(diào)壓調(diào)速控制方式里邏輯部件均由繼電器、選層器完成。但隨著時(shí)間的推移其觸頭就會(huì)磨損、插接口會(huì)嚴(yán)重氧化造成接觸不良，缺少設(shè)備維護(hù)時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)困人、沖頂、亂層、蹾底等現(xiàn)象，所有這些都不利于電梯的維修和安全運(yùn)行。但現(xiàn)有的電梯系統(tǒng)其機(jī)械部分性能良好，所以用變頻器和PLC改造原有的控制系統(tǒng)即可以滿足客戶對電梯的服務(wù)質(zhì)量的要求又可以節(jié)約資金避免不必要的重復(fù)投資。

2 電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹[1]
電梯的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對電梯的起動(dòng)加速、穩(wěn)速運(yùn)行、制動(dòng)減速起著決定性作用。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響電梯的起動(dòng)、制動(dòng)、加減速度、平層精度、乘座的舒適感等指標(biāo)。
由于目前電器電子元件的高速發(fā)展，使得變頻變壓技術(shù)逐步成熟，因此使用變頻變壓(VVVF)調(diào)速系統(tǒng)控制的電梯也投入使用。自1984年日本三菱電機(jī)公司第一臺(tái)變頻變壓控制的電梯問世以來，這種系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電梯其額定速度已越來越高，而利用矢量變換控制的變頻變壓系統(tǒng)的電梯的額定速度可達(dá)14m/s。它們的調(diào)速性能都已達(dá)到了直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電梯的水平，并具有驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備體積小、重量輕、效率高、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前最新的電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)介紹
控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器及旋轉(zhuǎn)編碼器組成。可編程控制器(PLC)負(fù)責(zé)處理各種信號(hào)的邏輯關(guān)系，從而向變頻器發(fā)出起、停等信號(hào)，同時(shí)變頻器也將工作狀態(tài)信號(hào)送給PLC，形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系,它是系統(tǒng)的核心。變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。本文所選用的安川VS-616G5通用變頻器可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想輸出。為滿足電梯的要求，變頻器又要通過與電動(dòng)機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡，完成速度檢測及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸連接，對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測速。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩相脈沖，旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)A、B脈沖的相序，可判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡, PG卡再將此反饋信號(hào)送給變頻器內(nèi)部，以便進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié)。所以旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)運(yùn)行。
3.1 硬件系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)包括信號(hào)采集和PLC控制兩部分
(1) VS-616G5變頻器具有自學(xué)習(xí)功能，在使用矢量控制時(shí)，變頻器能自動(dòng)設(shè)定電動(dòng)機(jī)銘牌范圍的電動(dòng)機(jī)參數(shù)。由此從變頻器專用電動(dòng)機(jī)到通用電動(dòng)機(jī)都可以進(jìn)行矢量控制運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)可最大限度地發(fā)揮作用。VS-616G5可使用PID控制功能實(shí)現(xiàn)簡單的追蹤控制，使用脈沖發(fā)生器等速度檢測器時(shí)，不管負(fù)載大小變化都可使其速度保持一致，更保證了電梯零速制動(dòng)抱閘的要求。
(2) 旋轉(zhuǎn)編碼器(PG)[2]的選擇。
本文根據(jù)電梯平層精度要求選擇PG。根據(jù)GB1058/T-1997電梯技術(shù)條件中的要求，運(yùn)行速度為0.5m/s調(diào)速電梯的平層精度為±15mm以內(nèi)。而平層精度與鋼絲繩的松緊度，平層干簧管的位移，PLC的輸入脈沖數(shù)有關(guān)。前二者為機(jī)械因素，而PLC的輸入脈沖來自于脈沖監(jiān)視輸出。考慮PLC的自身頻率，為保證輸入脈沖的正確性，設(shè)定PG脈沖監(jiān)視輸出分頻比F1-06功能碼為16，既PG輸出脈沖的1/16作為PLC的輸入脈沖。為盡可能在PG參數(shù)上來保證平層的精度，以1mm誤差計(jì)算。
齒輪箱減速比K為61:2，曳引機(jī)直徑D為0.65m，采用半繞式2:1繞法，N=2，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈電梯上下行程:
L=3.14×D×K×1000/N(mm) (1)
代入式(1)求得L=33.5mm，
PG參數(shù)=33.5×16=536p/rev。根據(jù)PG解析度的分類，選用解析度為600的旋轉(zhuǎn)編碼器。本文采用增量式圓光柵編碼器, 它將測得的轉(zhuǎn)速脈沖反饋給變頻器，形成閉環(huán)控制。
圖1中TA1為變頻器的速度控制卡的脈沖輸入部分，接收來自旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖;TA2為速度控制卡的脈沖輸出部分，向PLC輸出脈沖。
(3) 由于電梯是載人的起重設(shè)備，要求可靠性系數(shù)特別大，為最大程度地滿足乘客的舒適感，使用VS-616G5的帶PG矢量控制，將測速脈沖反饋給變頻器，提高控制精度;為配合脈沖記數(shù)和平層精度，選用三菱公司FX2N系列可編程控制器PLC，其X0-X1端子可采取高速脈沖，滿足了系統(tǒng)記數(shù)，達(dá)到準(zhǔn)確平層的要求。
由電力電網(wǎng)送來的380V動(dòng)力電源變?yōu)榭煽氐闹绷麟姡?jīng)變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)的頻率可變的變頻變壓三相正弦交流電，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。
當(dāng)電梯檢修時(shí)，是點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行方式，PLC向變頻器發(fā)出方向和檢修運(yùn)行信號(hào)，裝置按預(yù)先編好的速度指令向電動(dòng)機(jī)輸送點(diǎn)動(dòng)頻率(10Hz)的交流電，作上、下慢速運(yùn)行。
當(dāng)電梯正常運(yùn)行時(shí)，PLC向變頻器發(fā)出快速命令和方向信號(hào)，系統(tǒng)按預(yù)先編入的頻率指令沿理想曲線上升至滿速(45Hz)運(yùn)行。當(dāng)需要減速時(shí)，PLC斷開高速指令，輸出按理想曲線下降至停止，在降速過程中，由于系統(tǒng)的慣性作用，將動(dòng)能通過能量回饋裝置消耗在制動(dòng)電阻上，因此曳引電動(dòng)機(jī)不會(huì)發(fā)熱，可以不用強(qiáng)迫冷卻風(fēng)機(jī)。變頻器內(nèi)部帶電流反饋和速度反饋。電梯的速度通過脈沖編碼器反饋回變頻器，當(dāng)實(shí)際速度高于或低于給定速度時(shí)，變頻器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓(電流)和頻率，使兩者相等，從而達(dá)到理想的運(yùn)行狀態(tài)。
3.2 軟件部分說明
(1) VS-616G5部分參數(shù)設(shè)置如下表1所示。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

要實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制，必須對PLC進(jìn)行編程，通過程序?qū)崿F(xiàn)PLC與變頻器信息交換的控制。編程的重要依據(jù)是系統(tǒng)的工作過程。電梯的一次完整的運(yùn)行過程，就是曳引電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)、勻速運(yùn)行到減速停車的過程。電梯運(yùn)行方向確定后，在關(guān)門信號(hào)和門鎖信號(hào)符合要求的情況下，電梯開始起動(dòng)運(yùn)行, PLC正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))及高速信號(hào)輸出有效，電動(dòng)機(jī)從0Hz到50Hz開始起動(dòng),起動(dòng)時(shí)間為1.5S，然后維持高速(變頻器參數(shù)設(shè)置，D1202=50Hz)一直運(yùn)行，完成起動(dòng)及運(yùn)行段的工作。在接近目標(biāo)樓層時(shí)，相應(yīng)的接近開關(guān)動(dòng)作，給PLC輸入換速信號(hào)，PLC撤消高速信號(hào)輸出，同時(shí)輸出爬行信號(hào)。爬行的輸出頻率由變頻器參數(shù)設(shè)置(D1203=6Hz)。從高速的頻率到爬行速度的頻率的減速時(shí)間也是1.5S，當(dāng)達(dá)到6Hz的速度后，電梯就以此速度爬行。電梯到達(dá)目標(biāo)樓層時(shí), 給PLC輸入平層信號(hào)，PLC撤消正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))及爬行信號(hào)，電動(dòng)機(jī)從爬行頻率減速到0Hz, 減至0Hz后，零速輸出點(diǎn)斷開，通過PLC抱閘自動(dòng)開門。
2) PLC部分程序清單
0 LD M8000
1 AND C10
2 DMOV K3431 D303
11 DMOV K6557 D305
20 LD T11
21 SET S1
23 LDI T11
24 RST S1
26 LD M8000
27 OUT C235 K8888888
32 LD Y010
…………
33 RST M8235
875 DZCPP D305 D307 C235 M64
892 LDI X020
893 AND M65
894 AND M151
895 MOV K3 D230
900 LD M151
901 OUT T50 K50
904 LDI M151
905 OUT T51 K10
908 LD T50
909 OUT M152
910 LD M50
911 OR X005
912 RST M151
913 LD X004
914 OUT Y043
915 END
(3) 電梯變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC的I/O分配如下表2所示。
表2 PLC的I/O分配

4 控制系統(tǒng)特點(diǎn)
4.1 采用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列
根據(jù)電梯所處的位置和運(yùn)行方向，在編程中，采用了四個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，即上行優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、上行次優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、下行優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、下行次優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。其中，上行優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為電梯向上運(yùn)行時(shí)，在電梯所處位置以上樓層所發(fā)出的向上運(yùn)行的呼叫信號(hào)，該呼叫信號(hào)所對應(yīng)的樓層所具有的脈沖數(shù)存放的寄存器所構(gòu)成的隊(duì)列:上行次優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為電梯向上運(yùn)行時(shí)，在電梯所處位置以下樓層所發(fā)出的向上運(yùn)行的呼叫信號(hào)，該呼叫信號(hào)所對應(yīng)的樓層所具有的脈沖數(shù)存放的寄存器所構(gòu)成的隊(duì)列。
4.2 采用檢測邏輯控制
當(dāng)電梯以某一運(yùn)行方向接近某樓層的減速位置時(shí)，判別該樓層是否有同向的呼叫信號(hào)(有呼叫請求時(shí)，相應(yīng)寄存器為l，否則為0)，如有，將相應(yīng)的寄存器的脈沖數(shù)與比較寄存器進(jìn)行比較，如相同，則在該樓層減速停車;如果不相同，則將該寄存器數(shù)據(jù)送入比較寄存器，并將原比較寄存器數(shù)據(jù)保存，執(zhí)行該樓層的減速停車。
4.3 采用先進(jìn)先出隊(duì)列
根據(jù)電梯的運(yùn)行方向，將同向的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中非零單元(有呼叫時(shí)此單元為七零單元，無呼叫時(shí)則此單元為零)送入寄存器隊(duì)列(先進(jìn)先出隊(duì)列FIFO), 利用先進(jìn)先出讀出SFRDP指令，將FIFO第一個(gè)單元中的數(shù)據(jù)送入比較寄存器。
4.4 對變頻器的靈活控制
PLC根據(jù)控制的要求，可向變頻器發(fā)出正向運(yùn)行、反向運(yùn)行、減速以及制動(dòng)信號(hào)，再由變頻器根據(jù)一定的控制規(guī)律和控制算法來控制電機(jī)。
4.5 可靠的系統(tǒng)工作狀態(tài)
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PLC可向變頻器發(fā)出信號(hào)，則避免了更大事故的發(fā)生。
5 結(jié)束語
以PLC和變頻器為核心的電梯控制系統(tǒng)可根據(jù)客戶的要求對以往的電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，這不僅避免了舊系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)而且更加節(jié)約能源。本控制系統(tǒng)具有先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)的特色。