VS-616G5變頻器在電梯調速控制系統中的應用

摘 要：本文介紹了安川公司VS-616G5變頻器及PLC在電梯控制中的應用。詳細介紹了控制系統結構、主要功能、性能特點及實現方案，并針對客戶要求設計出一種速度曲線模型，通過對現有電梯控制系統的改進，提高了電梯的舒適性、經濟性和可靠性。

關鍵詞：變頻器、可編程控制器、速度曲線、電梯、控制系統

1 引言

　　隨著經濟發展的日新月異，城市建設的步伐不斷加快，電梯成為關系到人們生活和工作的重要工具之一。然而隨著人們生活水平的提高，對于電梯的要求也在逐步提高。電梯乘客對電梯性能的評價十分重要, 作為公共交通工具的電梯系統, 最重要的是為乘客提供安全感和舒適感。然而傳統的電梯控制系統往往忽視了舒適感的要求，針對這一問題，運用VS-616G5變頻器可編寫速度曲線的優點，對現有的電梯調速控制系統進行改進，既可以達到節能的要求又可以最大限度的滿足乘客的要求。

2 控制系統

　　電梯的控制系統主要由變頻器、PLC及旋轉編碼器組成。變頻器用來實現電機的調速。本文所選用的安川VS-616G5 通用變頻器的可自行設置速度曲線的特點來實現平穩操作和精確控制,使乘客在乘坐電梯時更加舒適。為滿足電梯安全性的要求,變頻器通過與電動機同軸連接的旋轉編碼器和PG卡,完成速度檢測及反饋,形成閉環系統。可編程控制器（PLC）負責處理各種信號的邏輯關系,從而向變頻器發出起、停等信號,同時變頻器也將工作狀態信號送給PLC ,形成雙向聯絡關系,這是系統的核心。旋轉編碼器與電動機同軸連接,對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B 兩相脈沖,旋轉編碼器根據AB 脈沖的相序,可判斷電動機轉動方向,并可根據A、B 脈沖的頻率測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈沖輸出給PG卡,PG卡再將此反饋信號送給變頻器內部,以便進行運算調節。所以旋轉編碼器和PG卡實現了閉環運行。控制系統結構圖如下圖1所示。

　　2.1 現有速度曲線的分析

　　乘客對電梯的需要包括生理需求和心理需求，從生理和心理上滿足乘客需要是設計電梯轉速的基本出發點。生理需求是指乘客對其在垂直平面內的運行方式提出的要求。人們在垂直平面內乘坐電梯承受加速度或減速度時，會引起體內器官的相對運動，從而產生不舒服的感覺，這就是重力加速度效應。根據專家經驗[1]，電梯的加、減速度應限制在1.5m/S2以內，且加速度變化率應限制在2.0m/S3以內。以往的速度控制曲線往往如下圖2所示，在A、B、C、D處加速度變化率為正、負無窮大，其它時刻則為0。在VS-616G5變頻器中有15種速度曲線可供選擇，但多數均為如圖2所示的線性，即使少數幾種S型，也不能滿足客戶對電梯性能的要求（加、減速時間為1.5s，額定轉速為1m/s），針對以上的情況，在本文中設計了一種新型的速度控制曲線。如下圖3所示。

　　2.2 改進后速度曲線的確定

　　在AE、FB、CG、HD四段選用拋物線平滑地完成加速、減速，EF、GH兩段選用曲線的切線來完成調速過程。由系統實際要求所知：電梯的額定轉速為1m/s，加、減速所用時間為1.5s，人體所能承受的最大加速度為a_max=1.5m/s²，ρ_max =2m/s³，根據上述要求所用的速度曲線模型如下所示

　　AE：V=0.9t² t∈[0,0.667]

　　EF: V=1.2t-0.4004 t∈[0.667,0.833]

　　FB: V=1-0.9（1.5-t）² t∈[0.833,1.5]

　　CG：V=1-0.9（t_c-t）² t_c=1.5+T₀ t∈[1.5+T₀,2.167+T₀]

　　GH：V=0.6-1.2（t-2.167-T₀） t∈[2.167+T₀,2.334+T₀]

　　HD: V=0.9（t-3-T₀）² t∈[2.334+T₀,3+T₀]

　　其中T₀是電梯以額定轉速運行的時間

　　2.2.1函數分析過程

　　1.曲線的選擇

　　根據系統的快速性和舒適性以及加、減速時間和額定轉速進行以下分析：

　　加速曲線AE ：V=kt² 則可知此段a_AE =2kt、ρ_AE=2k

　　加速切線EF ：V=V_E+2kt_E（t-t_E）則可知此段 a_EF=2kt_E、ρ_E=0

　　設計中考慮到加速的快速性、選擇加速曲線FB與AE對稱，即t_E=t_B-t_F ;

　　勻速運行時電梯的額定轉速是1m/s，這要求B點加速度及加速度變化率均須為0，由此選擇勻速曲線BC : V=VN a=0 ρ=0根據以上分析可知選擇a_m=1.2m/s²<1.5m/s²=a_max ;ρ_m=1.8m/s³<2m/s³=ρ_max

　　由

　　由

　　由于設定AE與FB對稱則有

　　ΔV_FB=V_E=0.4m/s ;Δt_FB=t_E=0.667s

　　ΔV_EF=V_N-2V_E=1-2×0.4=1-0.8=0.2m/s

　　Δt_EF=并得各點參數入下所示

　　E: t_E=0.667s V_E=0.4m/s

　　F: t_F=t_E+Δt_EF=0.667+0.167=0.833s V_F=V_E+ΔV_EF=0.4+0.2=0.6m/s

　　B: t_B=t_F+t_E=0.833+0.667=1.5s VB=V_F+V_E=V_N=1m/s

　　∴ AE段：V=kt²=ρ/2-t²=0.9t² t∈[0,0.667]

　　EF: V=V_E+a（t-t_E）=0.4+1.2（t-0.667）=1.2t-0.4004 t∈[0.667,0.833]

　　FB:V=V_B-k（t_B-t）2=1-0.9（1.5-t）2 t∈[0.833,1.5]

　　由于加速和減速段曲線是對稱的，由對稱性可知

　　CG：V= V_C-k（t_c-t）2=1-0.9（t_c-t）2 t_c=1.5+T0 t∈[1.5+T₀,2.167+T₀]

　　GH：V=V_G-a（t-t_G）=0.6-1.2（t-2.167-T₀） t∈[2.167+T₀,2.334+T₀]

　　HD: V=k·（t-t_D）2=0.9（t-3-T₀）2 t∈[2.334+T₀,3+T₀]各段曲線分段顯示如下

　　圖4所示。

　　2.曲線的合理性檢驗

　　（1）光滑性

　　V_N=1m/s 、V_E=0.4m/s滿足V_N>2V_E則兩段曲線間存在切線，加速曲線光滑。

　　（2）快速性

　　a_av= 、a_av>a_avb=0.65m/s³

　　（3）最小間距可實現性

　　

　　∴起動段 電梯走了0.75m的距離

　　由對稱性知，降速段亦運行0.75m，∴ H=2×0.75=1.5m

　　由于普通樓層一層樓高度為2.5m，所以在電梯的額定轉速為1m/s，加、減速所用時間為1.5s的前提下所設計的加速曲線滿足最小間距的要求。

　　（4）舒適性

　　在A、B、C、D四點，加速度的變化率均為0，也即此時的生理加速度為0。在整個運行過程中加速度變化率最大值為1.8m/S3，這大大減小了重力效應對人體的影響。

　　2.3 變頻器參數設置

　　變頻器部分參數設置如下表1所示：

　　表1 變頻器參數

3 控制系統特點

　　（1） 采用新型速度控制曲線。針對電梯所運行的不同環境和運行速度要求設計符合人體所滿意的速度曲線，無論在節能方面還是滿意度方面都是傳統電梯控制系統所不能達到的。

　　（2） 采用檢測邏輯控制。當電梯以某一運行方向接近某樓層的減速位置時，判別該樓層是否有同向的呼叫信號（有呼叫請求時，相應寄存器為l，否則為0），如有，將相應的寄存器的脈沖數與比較寄存器進行比較，如相同，則在該樓層減速停車;如果不相同，則將該寄存器數據送入比較寄存器，并將原比較寄存器數據保存，執行該樓層的減速停車。

　　（3） 采用優先級隊列。根據電梯所處的位置和運行方向，在編程中，采用了四個優先級隊列，即上行優先級隊列、上行次優先級隊列、下行優先級隊列、下行次優先級隊列。其中，上行優先級隊列為電梯向上運行時，在電梯所處位置以上樓層所發出的向上運行的呼叫信號，該呼叫信號所對應的樓層所具有的脈沖數存放的寄存器所構成的隊列：上行次優先級隊列為電梯向上運行時，在電梯所處位置以下樓層所發出的向上運行的呼叫信號，該呼叫信號所對應的樓層所具有的脈沖數存放的寄存器所構成的隊列。

　　（4） 靈活的變頻器控制。PLC根據控制的要求，可向變頻器發出正向運行、反向運行、減速以及制動信號，再由變頻器根據一定的控制規律和控制算法來控制電機。

　　（5） 可靠的系統工作狀態。當系統出現故障時，PLC可向變頻器發出信號，者避免了更大事故的發生

4 結束語

　　以變頻器和PLC為核心的電梯控制系統可根據客戶的要求對以往的電梯控制系統進行改造，尤其是安川VS-616G5型變頻器可編制速度曲線的特點為電梯舒適度的提高，提供了技術支持。通過合理分析所得速度控制曲線既可以滿足快速性的要求又避免了重力加速度效應。本控制系統具有先進、可靠、經濟的特色。

參考文獻

　　[1] Ishikaw a T , M iyauch i A , Kaneko M. Supervisory control of elevator group by using fuzzy expert system which also addressing t raveling time [A ]. P roc of the2000 IEEE Int Conf on Industrial Technology [C ].Bangalo re, 2000. 87294.

　　[2] 唐姝潔，變頻調速器在電梯驅動系統中的應用，中國電梯，2004（23）