淺談變頻調(diào)速電梯控制設(shè)計(jì)

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而電梯作為現(xiàn)代高層建筑的垂直交通工具，與人們的生活緊密相關(guān)，隨著人們對(duì)其要求的提高，電梯得到了快速的發(fā)展，其拖動(dòng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了變壓變頻調(diào)速，其邏輯控制也由PLC代替原來(lái)的繼電器控制。

關(guān)鍵詞：電梯；變頻調(diào)速；控制設(shè)計(jì)

1.變頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng)的選擇

電梯的信號(hào)控制系統(tǒng)從系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法來(lái)看，經(jīng)歷了繼電器控制系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)等多種形式，這些控制方式代表了不同時(shí)期電梯控制系統(tǒng)的主流，并且隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步推陳出新。

1.1電梯繼電器控制系統(tǒng)。隨著電力電子器件的發(fā)展繼電器在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，并取得了相當(dāng)驚人的成就。繼電器控制系統(tǒng)的所有控制功能及信號(hào)處理均由硬件實(shí)現(xiàn)，線路直觀，易于理解和掌握，適合一般技術(shù)人員和技術(shù)工人所掌握。系統(tǒng)的保養(yǎng)、維修及故障檢查無(wú)需較高技術(shù)和特殊的工具儀器。

1.2 微機(jī)信號(hào)控制系統(tǒng)。隨著半導(dǎo)體集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，微機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，國(guó)外電梯制造商己成功的把微機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)，并取得了相當(dāng)驚人的成就。電梯地微機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是使控制算法不再由硬件邏輯完成，而是通過(guò)程序存儲(chǔ)器中的程序來(lái)完成的控制系統(tǒng)。

1.3 PLC信號(hào)控制系統(tǒng)。PLC是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制的專用計(jì)算機(jī)，實(shí)質(zhì)上屬于計(jì)算機(jī)控制方式。PLC與普通微機(jī)一樣，以通用或?qū)Ｓ肅PU作為字處理器，實(shí)現(xiàn)通道（字）的運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，另外還有位處理器（布爾處理器），進(jìn)行點(diǎn)（位）運(yùn)算與控制。在電梯控制中采用了PLC，用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行的自動(dòng)控制，可靠性大大提高。 去掉了選層器及大部分繼電器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外部線路簡(jiǎn)化。PLC可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。 PLC可進(jìn)行故障自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警顯示，提高運(yùn)行安全性，并便于檢修。

2.電動(dòng)機(jī)調(diào)速選擇設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)機(jī)調(diào)速的比較與選擇

三相交流異步電動(dòng)機(jī)改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

由轉(zhuǎn)速公式知，要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要調(diào)節(jié)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)，即改變定子繞組的連接方式，就可得到不同的磁極對(duì)數(shù)。可見(jiàn)，變極調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是磁極只能成倍變化，其轉(zhuǎn)速也成倍變化，級(jí)差特別大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，加上該電動(dòng)機(jī)的效率低，只限于貨梯上使用，現(xiàn)己趨于淘汰[8]。

2.2 變頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

采用變頻器進(jìn)行交流變壓變頻調(diào)速（VVVF）。變頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng)中，變頻器只完成調(diào)速功能，而邏輯控制部分是由PLC來(lái)完成的。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)變頻器也將本身的工作狀態(tài)信號(hào)送給PLC，形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系。變頻器又要通過(guò)與電動(dòng)機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和另配置的PG卡，完成速度檢測(cè)及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示：

3.系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 可編程控制器（PLC）的選型

根據(jù)以上選擇的轎廂樓層位置檢測(cè)法，要求可編程控制器必須具有高數(shù)計(jì)數(shù)器，綜合考慮后，根據(jù)需要控制的開(kāi)關(guān)，設(shè)備并考慮10%-15%的裕量，故選擇S7-200系列的CPU226+3個(gè)直流擴(kuò)展模塊。

3.1.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

信號(hào)控制系統(tǒng)。PLC的輸入信號(hào)有：運(yùn)行方式選擇（如有司機(jī)、檢修、消防運(yùn)行方式等）、運(yùn)行控制、轎內(nèi)指令、層站召喚、安全保護(hù)信息、旋轉(zhuǎn)編碼光電脈沖、開(kāi)關(guān)門(mén)及限位信號(hào)、門(mén)區(qū)和平層信號(hào)。電梯信號(hào)控制由PLC軟件實(shí)現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制的要求應(yīng)具備下列功能，一臺(tái)電機(jī)控制上升和下降；各層設(shè)上/下呼叫開(kāi)關(guān)（最頂層與起始層只設(shè)一只）；電梯到位后具有手動(dòng)或自動(dòng)開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)功能；電梯內(nèi)設(shè)有層樓指令鍵，開(kāi)關(guān)門(mén)按鍵；電梯內(nèi)外設(shè)有方向指示燈及電梯當(dāng)前層號(hào)指示燈；待客自動(dòng)開(kāi)門(mén)，當(dāng)電梯在某層停梯待客時(shí)，按下層外召喚按鈕，應(yīng)能自動(dòng)開(kāi)門(mén)迎客；自動(dòng)關(guān)門(mén)與提早關(guān)門(mén)。在一般情況下，電梯停站4-6秒應(yīng)能自動(dòng)關(guān)門(mén)，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，若按下關(guān)門(mén)按鈕，門(mén)將不經(jīng)延時(shí)提前實(shí)現(xiàn)關(guān)門(mén)動(dòng)作；按鈕開(kāi)門(mén)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中或門(mén)關(guān)閉后，電梯啟動(dòng)前，按下操縱盤(pán)上開(kāi)關(guān)按鈕，門(mén)將打開(kāi)；內(nèi)指令記憶。當(dāng)轎廂內(nèi)操縱盤(pán)上有多個(gè)選層指令時(shí)，電梯應(yīng)能按順序自動(dòng)停靠車門(mén)，并能至調(diào)定時(shí)間，自動(dòng)確定運(yùn)行方向；自動(dòng)定向。當(dāng)轎廂內(nèi)操縱盤(pán)上，選層指令相對(duì)與電梯位置具有不同方向時(shí)，電梯應(yīng)能按先入為主的原則，自動(dòng)確定運(yùn)行方向；呼梯記憶。電梯在運(yùn)行中應(yīng)能記憶層外的呼梯信號(hào)，對(duì)符合運(yùn)行方向的召喚，應(yīng)能自動(dòng)逐一停靠應(yīng)答；自動(dòng)換向。當(dāng)電梯完成全部順向指令后，應(yīng)能自動(dòng)換向，應(yīng)答相反方向的信號(hào)；自動(dòng)關(guān)門(mén)待客。當(dāng)完成全部轎廂內(nèi)指令，又無(wú)層外呼梯信號(hào)時(shí)電梯應(yīng)自動(dòng)關(guān)門(mén)。

4.變頻電梯控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

4.1 提高電梯安全性設(shè)計(jì)

電梯門(mén)的安全保護(hù)環(huán)節(jié)。為避免乘用人員在出入的電梯的過(guò)程中被轎廂門(mén)擠傷，本設(shè)計(jì)中電梯轎廂門(mén)上裝有安全觸板裝置，這種裝置在關(guān)門(mén)過(guò)程中，在轎門(mén)運(yùn)行方向上，能比轎門(mén)超前伸出一定的距離。當(dāng)裝置超前伸出轎門(mén)部分碰壓進(jìn)入轎廂的乘用人員時(shí)，裝置上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，通過(guò)PLC程序控制，立即切斷電梯的關(guān)門(mén)電路并接通開(kāi)門(mén)電路，使門(mén)立即開(kāi)啟，以免擠傷乘用人員。

超速斷繩保護(hù)。為防止電梯超速行駛甚至出現(xiàn)斷繩情況，本系統(tǒng)采用限速器對(duì)電梯運(yùn)行速度進(jìn)行控制。當(dāng)電梯下降速度達(dá)到額定速度的115%時(shí)，限速器上的第一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使電梯自動(dòng)減速；當(dāng)達(dá)到140%，限速器上的第二個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，切斷控制回路使電梯停止運(yùn)行；與此同時(shí)，限速器通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)使限速器鋼絲繩卡死不動(dòng)，而電梯轎廂仍在向下，這樣被卡住的限速器鋼絲繩產(chǎn)生一個(gè)向上提拉力，從而把它與之相關(guān)的轎廂安全鉗向上提起，使仍在下行的轎廂被安全鉗鍥塊緊緊的卡在電梯導(dǎo)軌上，這樣使下行的電梯轎廂被擎停于某一位置而不再下降；同時(shí)把與之相對(duì)應(yīng)的安全鉗開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，進(jìn)一步使電氣控制電路切斷，強(qiáng)令電梯停止[13]。

控制系統(tǒng)短路保護(hù)。一般的電氣設(shè)備均應(yīng)有短路保護(hù)，在本電梯的電氣控制系統(tǒng)中也和其他電氣設(shè)備一樣，采用不同容量的熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。

曳引電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)。本系統(tǒng)中電機(jī)采用熱繼電器保護(hù)這種常用的過(guò)載保護(hù)，當(dāng)電梯長(zhǎng)期過(guò)載（即電動(dòng)機(jī)中的電流大于額定電流），熱繼電器中的雙金屬片經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（該時(shí)間將隨電動(dòng)機(jī)中電流大小而變化）后變形而斷開(kāi)串接在安全保護(hù)回路中的熱繼電器觸點(diǎn)，從而切斷全部控制電路，強(qiáng)令電梯停止運(yùn)行，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)不因長(zhǎng)期過(guò)載而燒蝕。

強(qiáng)迫減速保護(hù)。強(qiáng)迫減速開(kāi)關(guān)安裝在井道的頂端和底部，當(dāng)電梯失控沖向井道的頂端和底部時(shí)，首先經(jīng)過(guò)的是強(qiáng)迫減速開(kāi)關(guān)。強(qiáng)迫減速開(kāi)關(guān)通常在正常換速點(diǎn)相應(yīng)位置動(dòng)作，能保證電梯有足夠的換速距離。電梯在短距離運(yùn)行（如單層運(yùn)行）時(shí)因未有足夠的距離使電梯加速到滿速。通常需要減小減速距離，在強(qiáng)迫減速時(shí)亦考慮到這一點(diǎn)，加設(shè)一單層強(qiáng)迫減速開(kāi)關(guān)，其位置在多層強(qiáng)迫減速開(kāi)關(guān)之后，使井道頂層和底層各有兩個(gè)強(qiáng)迫減速開(kāi)關(guān)[14]。

4.2 提高PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

PLC是專門(mén)為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，一般不需要采用什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但是，每PLC都有自己的工作環(huán)境技術(shù)條件，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)環(huán)境條件要盡可能的改善PLC的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，達(dá)到延長(zhǎng)其工作壽命，提高系統(tǒng)可靠性的目的[17 ]。

PLC控制系統(tǒng)是一種特殊的微機(jī)控制系統(tǒng)，它以數(shù)字電子元件為主，工作靈敏度高，易于受到各種電磁干擾。微機(jī)系統(tǒng)受到干擾后，輕則丟失存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，重則電控系統(tǒng)失控，使系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)想不到的危險(xiǎn)狀態(tài)。雖然PLC在設(shè)計(jì)、制造中已周密地完善了主機(jī)地抗干擾措施，如濾波、屏蔽、隔離和接地，使PLC主機(jī)本身具有了足夠的抗干擾能力，但PLC控制系統(tǒng)在進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)及安裝、配線工藝時(shí)，仍需充分重視整個(gè)PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力。

電磁干擾的形式多種多樣，但都是通過(guò)傳導(dǎo)和輻射這兩種耦合方式進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)，產(chǎn)生干擾。一般情況下抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾的措施，如屏蔽、隔離、接地和濾波等技術(shù)手段，PLC生產(chǎn)廠家已在制造過(guò)程中予以解決，因此PLC控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)防止過(guò)程通道的干擾。

為盡量減少過(guò)程通道的干擾，本設(shè)計(jì)中采用雙絞線、屏蔽電纜傳輸。

在社會(huì)文明高度發(fā)展的今天，電梯作為一種垂直交通工具，已成為我們生活中不可或缺的一部分。電梯不僅是代步的工具，也是人類物質(zhì)文明的標(biāo)志。電梯技術(shù)的發(fā)展水平體現(xiàn)了社會(huì)的科學(xué)水平。電梯控制系統(tǒng)是經(jīng)典控制系統(tǒng)，同時(shí)電梯又是我們生活當(dāng)中不可或缺的一部分，研究和學(xué)習(xí)它不僅具有理論意義，還具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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