變頻器構成電梯控制系統(tǒng)特性分析
1 引言
隨著城市建設的不斷發(fā)展，高層建筑不斷增多，電梯在國民經濟和生活中有著廣泛的應用。電梯作為高層建筑中垂直運行的交通工具已與人們的日常生活密不可分。實際上電梯是根據(jù)外部呼叫信號以及自身控制規(guī)律等運行的，而呼叫是隨機的，電梯實際上是一個人機交互式的控制系統(tǒng)，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足控制要求的，因此，電梯控制系統(tǒng)采用隨機邏輯方式控制。目前電梯的控制普遍采用了兩種方式:一是采用微機作為信號控制單元，完成電梯信號的采集、運行狀態(tài)和功能的設定，實現(xiàn)電梯的自動調度和集選運行功能，拖動控制則由變頻器來完成;**種控制方式用可編程控制器(plc)取代微機實現(xiàn)信號集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大的區(qū)別。國內廠家大多選擇**種方式，其原因在于生產規(guī)模較小，自己設計和制造微機控制裝置成本較高;而plc可靠性高，程序設計方便靈活，抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠等特點，所以現(xiàn)在的電梯控制系統(tǒng)廣泛采用可編程控制器來實現(xiàn)。
2 電梯理想運行曲線
根據(jù)大量的研究和實驗表明,人可接受的*大加速度為am≤1.5m/s2, 加速度變化率ρm≤3m/s3,電梯的理想運行曲線按加速度可劃分為三角形、梯形和正弦波形，由于正弦波形加速度曲線實現(xiàn)較為困難，而三角形曲線*大加速度和在啟動及制動段的轉折點處的加速度變化率均大于梯形曲線，即+ρm跳變到-ρm或由-ρm跳變到+ρm的加速度變化率，故很少采用，因梯形曲線容易實現(xiàn)并且有良好加速度變化率頻繁指標，故被廣泛采用，采用梯形加速度曲線電梯的理想運行曲線如附圖所示。
德國mico340智能變頻器是為電梯的靈活調速、控制及高精度平層等要求而專門設計的電梯專用變頻器，可配用通用的三相異步電動機，并具有智能化軟件、標準接口、菜單提示、輸入電梯曲線及其它關鍵參數(shù)等功能。其具有調試方便快捷，而且能自動實現(xiàn)單多層功能，并具有自動優(yōu)化減速曲線的功能，由其組成的調速系統(tǒng)的爬行時間少，平層距離短，不論是雙繞組電動機，還是單繞組電動機均可適用，其*高設計速度可達4m/s，其獨特的電腦監(jiān)控軟件，可選擇串行接口實現(xiàn)輸入/輸出信號的無觸點控制。
由mico340變頻器構成的電梯系統(tǒng)，當變頻器接收到控制器發(fā)出的呼梯方向信號，變頻器依據(jù)設定的速度及加速度值，啟動電動機，達到*大速度后，勻速運行，在到達目的層的減速點時，控制器發(fā)出切斷高速度信號，變頻器以設定的減速度將*大速度減至爬行速度，在減速運行過程中，變頻器的能夠自動計算出減速點到平層點之間的距離，并計算出優(yōu)化曲線，從而能夠按優(yōu)化曲線運行，使低速爬行時間縮短至0.3s,在電梯的平層過程中變頻器通過調整平層速度或制動斜坡來調整平層精度。即當電梯停得太早時，變頻器增大低速度值或減少制動斜坡值，反之則減少低速度值或增大制動斜坡值，在電梯到距平層位置4~10cm時，有平層開關自動斷開低速信號，系統(tǒng)按優(yōu)化曲線實現(xiàn)高精度的平層，從而達到平層的準確可靠。
3 電梯速度曲線
電梯運行的舒適性取決于其運行過程中加速度a和加速度變化率p的大小，過大的加速度或加速度變化率會造成乘客的不適感。同時，為保證電梯的運行效率，a、p的值不宜過小。能保證a、p*佳取值的電梯運行曲線稱為電梯的理想運行曲線。電梯運行的理想曲線應是拋物線-直線綜合速度曲線，即電梯的加、減過程由拋物線和直線構成。電梯給定曲線是否理想，直接影響實際的運行曲線。
3.1 速度曲線產生方法
采用的fx2-64mr plc，并考慮輸入輸出點要求增加了fx-8eyt、fx-16eyr、fx-8eyr三個擴展模塊和fx2-40aw雙絞線通信適配器，fx2-40aw用于系統(tǒng)串行通信。利用plc擴展功能模塊d/a模塊實現(xiàn)速度理想曲線輸出，事先將數(shù)字化的理想速度曲線存入plc寄存器，程序運行時，通過查表方式寫入d/a，由d/a轉換成模擬量后將速度理想曲線輸出。
3.2 加速給定曲線的產生
8位d/a輸出0～5v/0～10v，對應數(shù)字值為16進制數(shù)00～ff，共255級。若電梯加速時間在2.5～3s之間。按保守值計算，電梯加速過程中每次查表的時間間隔不宜超過10ms。
由于電梯邏輯控制部分程序*大，而plc運行采用周期掃描機制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令時間間隔過長，不能滿足給定曲線的精度要求。在plc運行過程中，其cpu與各設備之間的信息交換、用戶程序的執(zhí)行、信號采集、控制量的輸出等操作都是按照固定的順序以循環(huán)掃描的方式進行的，每個循環(huán)都要對所有功能進行查詢、判斷和操作。這種順序和格式不能人為改變。通常一個掃描周期，基本要完成六個步驟的工作，包括運行監(jiān)視、與編程器交換信息、與數(shù)字處理器交換信息、與通訊處理器交換信息、執(zhí)行用戶程序和輸入輸出接口服務等。在一個周期內，cpu對整個用戶程序只執(zhí)行一遍。這種機制有其方便的一面，但實時性差。過長的掃描時間，直接影響系統(tǒng)對信號響應的效果，在保證控制功能的前提下，*大限度地縮短cpu的周期掃描時間是一個很復雜的問題。一般只能從用戶程序執(zhí)行時間*短采取方法。電梯邏輯控制部分的程序掃描時間已超過10ms，盡管采取了一些減少程序掃描時間的辦法，但仍無法將掃描時間降到10ms以下。同時，制動段曲線采用按距離控制原則，每段距離到的響應時間也不宜超過10ms。為滿足系統(tǒng)的實時性要求，在速度曲線的產生方式中，采用中斷方法，從而有效地克服了plc掃描機制的限制。
起動加速運行由定周期中斷服務程序完成。這種中斷不能由程序進行開關控制，一旦設定，就一直按設定時間間隔循環(huán)中斷，所以，起動運行條件需放在中斷服務程序中，在不滿足運行條件時，中斷即返回。
3.3 減速制動曲線的產生
為保證制動過程的完成，需在主程序中進行制動條件判斷和減速點確定。在減速點確定之前，電梯一直處于加速或穩(wěn)速運行過程中。加速過程由固定周期中斷完成，加速到對應模式的*大值之后，加速程序運行條件不再滿足，每次中斷后，不再執(zhí)行加速程序，直接從中斷返回。電梯以對應模式的*大值運行，在該模式減速點到后，產生高速計數(shù)中斷，執(zhí)行減速服務程序。在該中斷服務程序中修改計數(shù)器設定值的條件，保證下次中斷執(zhí)行。
在plc的內部寄存器中，減速曲線表的數(shù)值由大到小排列，每次中斷都執(zhí)行一次“表指針加1”操作，則下一次中斷的查表值將小于本次中斷的查表值。門區(qū)和平層區(qū)的判斷均由外部信號給出，以保證減速過程的可靠性。
4 電梯控制系統(tǒng)
4.1 電梯控制系統(tǒng)特性
在電梯運行曲線中的啟動段是關系到電梯運行舒適感指標的主要環(huán)節(jié),而舒適感又與加速度直接相關,根據(jù)控制理論,要使某個量按預定規(guī)律變化必須對其進行直接控制,對于電梯控制系統(tǒng)來說,要使加速度按理想曲線變化就必須采用加速度反饋,根據(jù)電動機的力矩方程式:m—mz=δm=j(dn/dt)，可見加速度的變化率反映了系統(tǒng)動態(tài)轉矩的變化，控制加速度就控制系統(tǒng)的動態(tài)轉矩δm=m—mz。故在此段采用加速度的時間控制原則，當啟動上升段速度達到穩(wěn)態(tài)值的90%時，將系統(tǒng)由加速度控制切換到速度控制，因為在穩(wěn)速段，速度為恒值控制波動較小，加速度變化不大，且采用速度閉環(huán)控制可以使穩(wěn)態(tài)速度保持一定的精度，為制動段的**平層創(chuàng)造條件。在系統(tǒng)的速度上升段和穩(wěn)速段雖都采用pi調節(jié)器控制，但兩段的pi參數(shù)是不同的，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應指標。
在系統(tǒng)的制動段，既要對減速度進行必要的控制，以保證舒適感，又要嚴格地按電梯運行的速度和距離的關系來控制，以保證平層的精度。在系統(tǒng)的轉速降至120r/min之前，為了使兩者得到兼顧，采取以加速度對時間控制為主，同時根據(jù)在每一制動距離上實際轉速與理論轉速的偏差來修正加速度給定曲線的方法。例如在距離平層點的某一距離l處，速度應降為vm/s，而實際轉速高為v′m/s，則說明所加的制動轉矩不夠，因此計算出此處的給定減速度值-ag后，使其再加上一個負偏差ε，即使此處的減速度給定值修正為-(ag+ε)使給定減速度與實際速度負偏差加大，從而加大了制動轉矩，使速度很快降到標準值，當電動機的轉速降到120r/min以后，此時轎廂距平層只有十幾厘米，電梯的運行速度很低，為防止未到平層區(qū)就停車的現(xiàn)象出現(xiàn)，以使電梯能較快地進入平層區(qū)，在此段采用比例調節(jié)，并采用時間優(yōu)化控制，以保證電梯準確及時地進入平層區(qū)，以達到準確可靠平層。
4.2 電梯控制構成
由于電梯的運行是根據(jù)樓層和轎廂的呼叫信號、行程信號進行控制，而樓層和轎廂的呼叫是隨機的，因此，系統(tǒng)控制采用隨機邏輯控制。即在以順序邏輯控制實現(xiàn)電梯的基本控制要求的基礎上，根據(jù)隨機的輸入信號，以及電梯的相應狀態(tài)實時地控制電梯的運行。另外，轎廂的位置是由脈沖編碼器的脈沖數(shù)確定，并送plc的計數(shù)器來進行控制。同時，每層樓設置一個接近開關用于檢測系統(tǒng)的樓層信號。
為便于觀察，對電梯的運行方向以及電梯所在的樓層進行顯示，采用led和發(fā)光管顯示，而對樓層和轎廂的呼叫信號以指示燈顯示(開關上帶有指示燈)。
為了提高電梯的運行效率和平層的精度，系統(tǒng)要求plc能對轎廂的加、減速以及制動進行有效的控制。根據(jù)轎廂的實際位置以及交流調速系統(tǒng)的控制算法來實現(xiàn)。為了電梯的運行**，系統(tǒng)應設置可靠的故障保護和相應的顯示。采用plc實現(xiàn)的電梯控制系統(tǒng)由以下幾個主要部分構成。
(1) plc控制電路
plc接收來自操縱盤和每層呼梯的召喚信號、轎廂和門系統(tǒng)的功能信號以及井道和變頻器的狀態(tài)信號，經程序判斷與運算實現(xiàn)電梯的集選控制。plc在輸出顯示和監(jiān)控信號的同時，向變頻器發(fā)出運行方向、啟動、加/減速運行和制動停梯等信號。
(2) 電流、速度雙閉環(huán)電路
變頻器本身設有電流檢測裝置，由此構成電流閉環(huán);通過和電機同軸聯(lián)接的旋轉編碼器，產生a、b兩相脈沖進入變頻器，在確認方向的同時，利用脈沖計數(shù)構成速度閉環(huán)。
(3) 位移控制電路
電梯作為一種載人工具，在位勢負載狀態(tài)下，除要求**可靠外，還要求運行平穩(wěn)，乘坐舒適，停靠準確。采用變頻調速雙環(huán)控制可基本滿足要求，利用現(xiàn)有旋轉編碼器構成速度環(huán)的同時，通過變頻器的pg卡輸出與電機速度及電梯位移成比例的脈沖數(shù)，將其引入plc的高速計數(shù)輸入端口，通過累計脈沖數(shù)，經式(2)計算出脈沖當量，由此確定電梯位置。
電梯位移: h=si (1)
式中，i—累計脈沖數(shù);
s—脈沖當量;
s=πλd/(pρ) (2)
式中,λ—減速比;
d—牽引輪直徑;
p—旋轉編碼器每轉對應的脈沖數(shù);
ρ—pg卡分頻比。
(4) 端站保護
當電梯定向上行時，上行方向繼電器、快車輔助接觸器、快車運行接觸器、門鎖繼電器、上行接觸器均得電吸合，抱閘打開，電梯上行。當轎廂碰到上強迫換速開關時，plc內部鎖存繼電器得電吸合，定時器tim10、tim11開始定時，其定時的時間長短可視端站層距和梯速設定。上強迫換速開關動作后，電梯由快車運行轉為慢車運行，正常情況下，上行平層時電梯應停車。如果轎廂未停而繼續(xù)上行，當tim10設定值減到零時，其常閉點斷開，慢車接觸器和上行接觸器失電，電梯停止運行。在驕廂碰到上強迫換速開關后，由于某些原因電梯未能轉為慢車運行，及快車運行接觸器未能釋放，當tim11設定值減到零時，其常閉點斷開，快車運行接觸器和上行接觸器均失電，電梯停止運行。因此，不管是慢車運行還是快車運行，只要上強迫換速開關發(fā)出信號，不論端站其他保護開關是否動作，借助tim10和tim11均能使電梯停止運行，從而使電梯端站保護更加可靠。
當電梯需要下行，只要有了選梯指令，下行方向繼電器得電其常開點閉合，鎖存繼電器被復位，tim10和tim11均失電，其常閉點閉合為電梯正常下行做好了準備。下端站的保護原理與上端站保護類似不再重復。
(5) 樓層計數(shù)
樓層計數(shù)采用相對計數(shù)方式。運行前通過自學習方式，測出相應樓層高度脈沖數(shù)，對應17層電梯分別存入16個內存單元dm06～dm21。樓層計數(shù)器(cnt46)為一雙向計數(shù)器，當?shù)竭_各層的樓層計數(shù)點時，根據(jù)運行方向進行加1或減1計數(shù)。
運行中，高速計數(shù)器累計值實時與樓層計數(shù)點對應的脈沖數(shù)進行比較，相等時發(fā)出樓層計數(shù)信號，上行加1，下行減1。為防止計數(shù)器在計數(shù)脈沖高電平期間重復計數(shù)，采用樓層計數(shù)信號上沿觸發(fā)樓層計數(shù)器。
(6) 快速換速
當高速計數(shù)器值與快速換速點對應的脈沖數(shù)相等時，若電梯處于快速運行且本層有選層信號，發(fā)快速換速信號。若電梯中速運行或雖快速運行但本層無選層信號，則不發(fā)換速信號。
(7) 門區(qū)信號
當高速計數(shù)器cnt47數(shù)值在門區(qū)所對應脈沖數(shù)范圍內時，發(fā)門區(qū)信號。
(8) 脈沖信號故障檢測
脈沖信號的準確采集和傳輸在系統(tǒng)中顯得尤為重要，為檢測旋轉編碼器和脈沖傳輸電路故障，設計了有無脈沖信號和錯漏脈沖檢測電路，通過實時檢測確保系統(tǒng)正常運行。為消除脈沖計數(shù)累計誤差，在基站設置復位開關，接入plc高速計數(shù)器cnt47的復位端。
5 結束語
采用mic340電梯專用變頻器構成的電梯控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)電梯控制的智能化，但由于候梯和電梯轎內的人到達各層的人數(shù)是智能電梯無法確定的，即使采用aitp人工智能系統(tǒng)，傳輸?shù)慕煌土餍畔⒁彩悄：模瑸榻鉀Q電梯這一垂直交通控制系統(tǒng)的兩大不可知因素，需要我們在今后的工作中去不斷的研究和探索。上海智忱科技發(fā)展有限公司專業(yè)維修及銷售各品牌變頻器，伺服,PLC，配件備貨全，專業(yè)的維修隊，報價實惠，如有需要歡迎來電咨詢
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