淺談變頻調(diào)速電梯控制設(shè)計

摘要：隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)進入一個嶄新的時代，其應(yīng)用越來越廣泛。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)，隨著人們對其要求的提高，電梯得到了快速的發(fā)展，其拖動技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了變壓變頻調(diào)速，其邏輯控制也由PLC代替原來的繼電器控制。

關(guān)鍵詞：電梯；變頻調(diào)速；控制設(shè)計

1.變頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng)的選擇

電梯的信號控制系統(tǒng)從系統(tǒng)的實現(xiàn)方法來看，經(jīng)歷了繼電器控制系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)等多種形式，這些控制方式代表了不同時期電梯控制系統(tǒng)的主流，并且隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術(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)展繼電器在各個領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，并取得了相當驚人的成就。繼電器控制系統(tǒng)的所有控制功能及信號處理均由硬件實現(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)、維修及故障檢查無需較高技術(shù)和特殊的工具儀器。

1.2 微機信號控制系統(tǒng)。隨著半導(dǎo)體集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，微機在各個領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，國外電梯制造商己成功的把微機技術(shù)應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)，并取得了相當驚人的成就。電梯地微機控制系統(tǒng)實質(zhì)上是使控制算法不再由硬件邏輯完成，而是通過程序存儲器中的程序來完成的控制系統(tǒng)。

1.3 PLC信號控制系統(tǒng)。PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計算機，實質(zhì)上屬于計算機控制方式。PLC與普通微機一樣，以通用或?qū)Ｓ肅PU作為字處理器，實現(xiàn)通道（字）的運算和數(shù)據(jù)存儲，另外還有位處理器（布爾處理器），進行點（位）運算與控制。在電梯控制中采用了PLC，用軟件實現(xiàn)對電梯運行的自動控制，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)簡單，外部線路簡化。PLC可實現(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可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。

2.電動機調(diào)速選擇設(shè)計

2.1 電動機調(diào)速的比較與選擇

三相交流異步電動機改變磁極對數(shù)調(diào)速。交流電動機的轉(zhuǎn)速公式為：

由轉(zhuǎn)速公式知，要調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，只要調(diào)節(jié)定子繞組的磁極對數(shù)，即改變定子繞組的連接方式，就可得到不同的磁極對數(shù)。可見，變極調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡單、價格較低等優(yōu)點；其缺點是磁極只能成倍變化，其轉(zhuǎn)速也成倍變化，級差特別大，無法實現(xiàn)平穩(wěn)運行，加上該電動機的效率低，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)計方案

采用變頻器進行交流變壓變頻調(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來完成的。PLC負責處理各種信號的邏輯關(guān)系，從而向變頻器發(fā)出起停等信號，同時變頻器也將本身的工作狀態(tài)信號送給PLC，形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系。變頻器又要通過與電動機同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和另配置的PG卡，完成速度檢測及反饋，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

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

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法，要求可編程控制器必須具有高數(shù)計數(shù)器，綜合考慮后，根據(jù)需要控制的開關(guān)，設(shè)備并考慮10%-15%的裕量，故選擇S7-200系列的CPU226+3個直流擴展模塊。

3.1.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

信號控制系統(tǒng)。PLC的輸入信號有：運行方式選擇（如有司機、檢修、消防運行方式等）、運行控制、轎內(nèi)指令、層站召喚、安全保護信息、旋轉(zhuǎn)編碼光電脈沖、開關(guān)門及限位信號、門區(qū)和平層信號。電梯信號控制由PLC軟件實現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制的要求應(yīng)具備下列功能，一臺電機控制上升和下降；各層設(shè)上/下呼叫開關(guān)（最頂層與起始層只設(shè)一只）；電梯到位后具有手動或自動開門關(guān)門功能；電梯內(nèi)設(shè)有層樓指令鍵，開關(guān)門按鍵；電梯內(nèi)外設(shè)有方向指示燈及電梯當前層號指示燈；待客自動開門，當電梯在某層停梯待客時，按下層外召喚按鈕，應(yīng)能自動開門迎客；自動關(guān)門與提早關(guān)門。在一般情況下，電梯停站4-6秒應(yīng)能自動關(guān)門，在延時時間內(nèi)，若按下關(guān)門按鈕，門將不經(jīng)延時提前實現(xiàn)關(guān)門動作；按鈕開門。在開關(guān)過程中或門關(guān)閉后，電梯啟動前，按下操縱盤上開關(guān)按鈕，門將打開；內(nèi)指令記憶。當轎廂內(nèi)操縱盤上有多個選層指令時，電梯應(yīng)能按順序自動停靠車門，并能至調(diào)定時間，自動確定運行方向；自動定向。當轎廂內(nèi)操縱盤上，選層指令相對與電梯位置具有不同方向時，電梯應(yīng)能按先入為主的原則，自動確定運行方向；呼梯記憶。電梯在運行中應(yīng)能記憶層外的呼梯信號，對符合運行方向的召喚，應(yīng)能自動逐一停靠應(yīng)答；自動換向。當電梯完成全部順向指令后，應(yīng)能自動換向，應(yīng)答相反方向的信號；自動關(guān)門待客。當完成全部轎廂內(nèi)指令，又無層外呼梯信號時電梯應(yīng)自動關(guān)門。

4.變頻電梯控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計

4.1 提高電梯安全性設(shè)計

電梯門的安全保護環(huán)節(jié)。為避免乘用人員在出入的電梯的過程中被轎廂門擠傷，本設(shè)計中電梯轎廂門上裝有安全觸板裝置，這種裝置在關(guān)門過程中，在轎門運行方向上，能比轎門超前伸出一定的距離。當裝置超前伸出轎門部分碰壓進入轎廂的乘用人員時，裝置上的微動開關(guān)動作，通過PLC程序控制，立即切斷電梯的關(guān)門電路并接通開門電路，使門立即開啟，以免擠傷乘用人員。

超速斷繩保護。為防止電梯超速行駛甚至出現(xiàn)斷繩情況，本系統(tǒng)采用限速器對電梯運行速度進行控制。當電梯下降速度達到額定速度的115%時，限速器上的第一個開關(guān)動作，使電梯自動減速；當達到140%，限速器上的第二個開關(guān)動作，切斷控制回路使電梯停止運行；與此同時，限速器通過機械結(jié)構(gòu)使限速器鋼絲繩卡死不動，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；同時把與之相對應(yīng)的安全鉗開關(guān)斷開，進一步使電氣控制電路切斷，強令電梯停止[13]。

控制系統(tǒng)短路保護。一般的電氣設(shè)備均應(yīng)有短路保護，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行短路保護。

曳引電動機過載保護。本系統(tǒng)中電機采用熱繼電器保護這種常用的過載保護，當電梯長期過載（即電動機中的電流大于額定電流），熱繼電器中的雙金屬片經(jīng)過一定時間（該時間將隨電動機中電流大小而變化）后變形而斷開串接在安全保護回路中的熱繼電器觸點，從而切斷全部控制電路，強令電梯停止運行，從而保護電動機不因長期過載而燒蝕。

強迫減速保護。強迫減速開關(guān)安裝在井道的頂端和底部，當電梯失控沖向井道的頂端和底部時，首先經(jīng)過的是強迫減速開關(guān)。強迫減速開關(guān)通常在正常換速點相應(yīng)位置動作，能保證電梯有足夠的換速距離。電梯在短距離運行（如單層運行）時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，在強迫減速時亦考慮到這一點，加設(shè)一單層強迫減速開關(guān)，其位置在多層強迫減速開關(guān)之后，使井道頂層和底層各有兩個強迫減速開關(guān)[14]。

4.2 提高PLC控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計

PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的控制裝置，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)計控制系統(tǒng)時，對環(huán)境條件要盡可能的改善PLC的現(xiàn)場工作環(huán)境，達到延長其工作壽命，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。微機系統(tǒng)受到干擾后，輕則丟失存儲器數(shù)據(jù)，重則電控系統(tǒng)失控，使系統(tǒng)進入預(yù)想不到的危險狀態(tài)。雖然PLC在設(shè)計、制造中已周密地完善了主機地抗干擾措施，如濾波、屏蔽、隔離和接地，使PLC主機本身具有了足夠的抗干擾能力，但PLC控制系統(tǒng)在進行外圍電路設(shè)計及安裝、配線工藝時，仍需充分重視整個PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力。

電磁干擾的形式多種多樣，但都是通過傳導(dǎo)和輻射這兩種耦合方式進入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)廠家已在制造過程中予以解決，因此PLC控制系統(tǒng)在設(shè)計中應(yīng)重點防止過程通道的干擾。

為盡量減少過程通道的干擾，本設(shè)計中采用雙絞線、屏蔽電纜傳輸。

在社會文明高度發(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)文明的標志。電梯技術(shù)的發(fā)展水平體現(xiàn)了社會的科學(xué)水平。電梯控制系統(tǒng)是經(jīng)典控制系統(tǒng)，同時電梯又是我們生活當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)實意義。

參考文獻：

[1]趙洪恕，PLC控制交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在電梯中的應(yīng)用[J]，基礎(chǔ)自動化2000，49～51

[2] 張漢杰，現(xiàn)代電梯控制技術(shù)，修訂版[M]，哈爾濱，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001，11～14