电梯变频PLC控制系统的设计和应用

    目前电梯的控制普遍采用了两种方式，第一种是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程序控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活。

    本设计在用PLC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。

    1．硬件电路

    系统硬件结构如图5.10所示，其各部分功能说明如下。

    图5.10    电路原理

   Q1-断路器；K1接触器；K2-负载电机通、断控制接触器；VS-变频器；

   BU-制动单元；RB-能耗制动电阻；M-主拖动拽引电机

   (1)变频器部分

    主电路由三相交流输入、变频驱动、拽引机和制动单元几部分组成。由于采用交-直-交电压型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。

    调速部分采用日本安川公司矢量控制电梯专用变频器676VGL或616 G5，该系列变频器具有结构紧凑、运转可靠、性能优良等特点，尤其是其良好的低速运行特性更适合于电梯上的应用。三相电源R、S、T经接线端子进入变频器为其主回路和控制回路供电，输出端U、V、W接电动机的快速绕组，N、P端接制动单元、制动电阻，外接制动单元和制动电阻是为了减少制动时间，加快制动过程。制动过程中电梯机械系统的动能转换成热能，消耗在制动电阻上，因此电梯控制柜要保持良好的散热条件。

    连在电梯电机轴头的旋转编码器用来检测电梯的运行速度和运行方向，编码器和变频器之间用屏蔽电缆相连，该电缆连接于变频器PG-2卡上的TA1端子上，屏蔽端接在PG-B2卡上的TA2端。TA1的2、3分别为给编码器供电的正、负电源+12V、0V。当采用推挽式输出的编码器时，电梯运行时编码器将电梯的实际运行速度反馈给变频器，变频器将实际速度与变频器内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率及电压，使电梯的实际速度跟随变频器内部的给定速度，达到调节电梯速度的目的。为提高控制精度，旋转编码器应选择500PPR以上的产品。

    变频器运行时要求的输入信号为：上、下行方向指令，零速、爬行、低速、高速、检修速度等各种速度指令和外部故障信号（常闭点）。

    变频器输出信号如下。

   1)变频器准备就绪信号JRS。此信号在变频器运转正常时输出，其常开触点闭合，通知控制系统变频器可以正常运行。当变频器出现故障时JRS断开无输出，控制系统根据此信号完成相应处理。

   2)零速信号JL。当电梯运行速度为零时，此信号输出有效；电梯开始运行后，此信号断开。在每个运行过程结束时此信号通知控制系统，控制系统根据此信号完成抱闸、停车等动作。

   3)故障信号FAUL。变频器正常时此信号无输出，当变频器出现故障时，此信号输出，通知控制系统，控制系统作出响应，给变频器断电。

   (2) PLC控制电路

    选用OMRON公司C系列60P型PLC。PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同时．向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。

   (3)电流、速度双闭环电路

    采用YASAKWA公司的VS-616G5CIMRG5A4022变频器。变频器本身设有电流检测装置，由此构成电流闭环；通过和电机同轴连接的旋转编码器，产生a、b两相脉冲进入变频器，在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。

   (4)位移控制电路

    电梯作为一种载入工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。本设计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口0000，通过累计脉冲数，经式(5.1)计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。电梯位移为

   h=SI

式中，I为累计脉冲数；S为脉冲当量：

   S=lpD/pr

    本系统采用的减速机，其减速比l=1/32，拽引轮直径D=580mm，电机额定转速ned=1450r/min，旋转编码器每转对应的脉冲数p=1024，PG卡分频比r=1/18，代入上式得S=1.0mm/脉冲。

    2．程序设计

    利用变频器PG卡输出端(TA2.1)将脉冲信号引入PLC的高速计数输入端0000，构成位置反馈。高速计数器( CNT47)累加的脉冲数反映电梯的位置。高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比较，由此判断电梯的运行距离、换速点、平层点和制动停车点等信号。理论上这种控制方式其平层误差可在±1个脉冲当量范围。在考虑减速机齿轮啮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层精度可达±5mm内，大大低于国标±15mm的标准，满足电梯启、制动平滑，运行平稳，平层准确的要求。电梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置、快速换速点、中速换速点、门区信号和平层位置信号等。由此省去原来每层在井道中设置的上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连线，降低成本。同时在实现集选控制基础上可以新增添楼层计数、快速换速、中速换速、门区和平层信号等子程序。

    3．变频器参数设置

    电梯控制系统中，变频器的参数设置按照以下步骤进行。

   (1)测试电动机的参数

    将电梯的轿厢吊起，将钢丝绳从拽引机上摘下，使整个拽引机不带负载，在测试过程中，控制回路输入信号无效。在进行测试之前，要确保电梯处于停止状态。在测试过程中，由于载波频率为2kHz．所以，电梯运转时有明显的电磁噪声。测试之前，将抱闸线圈通电，使抱闸打开。使变频器进入测试模式AUTOTUNING，根据提示输入电机必要的参数，按RUN按钮即可进行测试。对于616G5测试过程大概需要2min；676VGL所需的时间要长一些。

   (2)参照变频器使用说明书调舒适感

    控制柜出厂时一般都设成开环矢量控制模式，即Al-02=2，调试快车之前要将变频器设成闭环矢量控制方式，即Al-02=3舒适感的调整主要是调节加、减速时间C1-01、C1-02，S曲线时间C2-01、C2-2、C2-03、C2-04，ASR比例增益C5-01，ASR积分增益C5-02。

   (3)调整平层精度

    舒适感调完之后，调平层精度。平层精度调整主要是调整门区的遮磁板，要保证电梯停在每层的平层位置时，门区的遮磁板正好插在门区磁开关的正中间，误差在2mm之内。然后试运行，记录每一层的平层误差，若每一层的同一方向的误差基本一致，则下一步通过调整变频器的爬行速度调整平层，通过调整D1-02爬行速度对应的频率，调好平层。

    变频器参数一览表如表5.4所示。

    表5.4    变频器参数的设置