淺析PLC控制交流變頻調速電梯系統

摘 要：隨著科學技術的進步，電梯的自動化、智能化受到了越來越多關注。電梯的拖動方式已從最早的直流電動機調速發展到現如今的交流變頻調速。電梯控制系統也已從繼電器控制逐步轉變為可編程控制器PLC控制。文章基于PLC與交流變頻技術相關知識，對PLC控制交流變頻調速系統進行簡要分析并對電梯未來的發展趨勢進行展望。

關鍵詞：PLC；交流變頻；調速

繼電器作為早期的電梯控制系統由于其線路復雜，可靠性、安全性差，維護費用高等缺點，已經逐步退出歷史舞臺。取而代之的是可編程控制器PLC。PLC因其可靠性、通用性強，編程簡單，使用方便等優點，被廣泛使用。

電梯的拖動方式經歷了直流電動機調速、交流單速電動機調速、交流雙速電動機調速、到現今的交流變頻調速。交流變頻調速以其平穩、高效、節能等優點，受到了廣泛的認可。現在這兩項技術結合在電梯控制系統中極為廣泛，下面就對PLC控制交流變頻調速電梯系統進行簡單的介紹。

1 PLC的工作原理及特點

PLC工作過程可分為三個階段，即輸入采樣、程序執行和輸出刷新。每完成一次輸入采樣、程序執行、輸出刷新即稱為一個掃描周期。掃描周期是由PLC中的CPU掃描速度決定的。在輸入采樣階段，PLC以掃描的方式按序依次讀入輸入程序（常用梯形圖），并將其存放在I/O映像區的特定單元中；接著執行程序，PLC按照固定順序（由上至下，由左至右）執行輸入程序；最后在輸出刷新階段，CPU按照I/O映像區內的狀態、數據刷新輸出到鎖存電路，再由輸出電路驅動外設，完成PLC的輸出。

PLC控制系統的特點：（1）PLC控制是由軟件對電梯進行自動控制，可靠性強；（2）結構簡單，外部線路簡化；（3）操作簡便，運行效率高；（4）在更改電梯控制系統方案時，只需通過改變軟件編程即可實現，不需改動硬件接線。

2 電梯變頻調速的原理及特點

通過均勻連續地改變供電電源的頻率，改變電梯的轉速。這同時也改變了電動機的最大轉矩。而電梯運行要求恒定轉矩負載即要求在調速時最大轉矩保持不變。因此改變頻率的同時必須改變電壓，這種調速實質上是變頻變壓調速。

變頻調速的特點：（1）變頻調速使用的是異步電動機，具有體積小、成本低、結構簡單和可靠性高等優點；（2）變頻調速電源使用先進SPWM和SVPWM技術，具備控制精度高、動態性能強和調速范圍廣等優點；（3）變頻調速電梯效率高，節能效果顯著。

3 電梯的控制系統

電梯控制系統的硬件由操縱盤、廳門信號、電源、PLC、變頻器和調速系統組成，其結構圖如圖1所示。

這里，轎廂的調速主要是由PLC與變頻器協作完成的。PLC與變頻器是雙向關聯的。變頻器將其本身的工作狀態傳送至PLC中，同時PLC中的邏輯控制處理各種信號，并將該信號（如正轉、反轉、加速、減速等）傳送至變頻器。變頻器依據相關控制參數與算法對電動機進行控制。此外，電梯控制系統中還配備了與電動機同軸的旋轉編碼器，來檢查電梯運行速度。變頻器中的制動電阻是為了抑制電梯減速運行時，電動機向變頻器回饋電能時，直流電壓升高。

3.1 調速系統的設計

3.1.1 變頻器的容量

變頻器的功率取決于曳引機電動機功率P1、電梯的自重W1、電梯的額定載重W2、電梯的配重W3和電梯的速度v。在正常工作的條件下，電梯上升時所需的電動機功率P2為[1]：

由于變頻器的功率P接近于電動機的功率P1，相較于P2又存在較大裕量，故按經驗值，變頻器的功率P≈1.5·P2。經驗證按照此種方法選取變頻器，在滿足要求的前提下，可有效的避免浪費與高成本。

3.1.2 變頻器制動電阻

電梯負載屬于位能負載，其運行過程中會產生再生能量，故要求變頻調速裝置應具備一定的制動功能。就現今技術水平而言，最為經濟且效果顯著的非制動電阻莫屬。該方法是將再生能量通過制動單元以能耗的方式消耗在制動電阻上。設制動電阻為R1，制動電流為I1，按要求制動電流應小于或等于額定電流I的1/2，故：

其中，Uo為變頻器的額定電壓。這里要注意的是制動電阻的工作時間是間歇性不連續的，因此其功率遠遠小于通電時消耗的功率。

3.2 PLC控制系統的設計思路

3.2.1 信號控制系統

電梯的信號控制系統主要由PLC軟件進行實現。輸入到PLC中的信號包括：運行方式的選擇（如自動、檢修、消防運行等）、運行控制信號、轎內指令、層站召喚、安全保護信息、旋轉編碼器光電脈沖、開關門及限位信號、門區和平層信號等[2]，電梯控制系統框圖如圖2 所示。

3.2.2 電梯操作方式

（1）轎廂下集選控制登記所有轎廂和廳門的下行召喚；轎廂上行只應答轎廂召喚直至頂層，自動改變運行方向為下行，應答門廳下行召喚；（2）單轎廂全集選登記所有門廳與轎廂召喚；上行時順序應答轎廂和門廳的召喚直至頂層，自動反向應答下行召喚與轎廂召喚[3]。

3.2.3 速度給定曲線

設計合理的電梯速度給定曲線，能夠有效保證電梯的運輸效率和運行的正確性。而速度給定曲線的平滑度是影響電梯舒適度的重要因素。

4 展望

隨著城市化進程的加快，電梯將成為千家萬戶必不可少的運輸工具之一。電梯的舒適性、環保性和智能化將成為日后電梯發展的著眼點。

（1）舒適性。舒適性的保障不僅僅體現在電梯硬件設施上，合理、人性化的軟件編程將受到越來越多的關注；（2）環保性。隨著人們環保意識的日益增強，綠色電梯的概念得到廣泛的認可，即要求電梯不僅噪聲低、電磁兼容性強、壽命長，更要滿足節能、環保的要求；（3）電梯控制系統的智能化。電梯控制系統的智能化主要依托于計算機軟硬件，使之更適應電梯運輸的不確定性、控制目標多樣性等動態特征；（4）網絡信息化。將電梯控制系統與網絡技術相結合，用網絡實現電梯的監測與維護，節約人力和成本。

參考文獻

[1]黃立培.變頻器應用技術及電動機調速[M].北京：人民郵電出版社，1998.

[2]肖軍，孟令軍.可編程序控制器原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]皮壯行.可編程控制器的系統設計與應用實例[M].北京：機械工業出版社，2000.