基于數字變頻器與SPLC控制的電梯門機信號接口電路的設計

胡 建

（天津職業技術師范大學，天津 300202）

1 電梯主控系統概述

1.1 電梯的電氣控制系統

電梯控制系統是電梯的兩大系統之一。電氣控制系統由控制柜、操控箱、指層燈箱、召喚箱、限位裝置、換速平層裝置、轎頂檢修箱等十幾個部件，以及拽引電動機、制動器線圈、開/關門調速開關、極限開關等十幾個分散安裝在電梯井道內外和各相關電梯部件中的電器元件構成。

可編程控制器和新的數字控制系統出現，不但改善了電梯的性能，而且還提供了電梯的運行可靠性，使我國的電梯工業提高到一個新的水平，基本上實現了乘用安全、可靠、舒適的愿望。

1.2 電梯的門系統

門的關閉、開啟的動力源是門電動機，通過傳動機構驅動轎門運動，再由轎門帶動層門一起運動。

根據電梯的使用要求，可以選擇適當的傳動系統。傳動機構應滿足：安全可靠、運行平滑、噪聲小、重量輕和體積小等要求。從安全考慮，門在平均關門速度下的動能應不超過10 J，阻止關門力應不超過150 N。

門機一般設在轎廂頂部，門電機的控制箱也設置在轎廂頂部。根據開關門方式，門機可設在轎頂前沿中央或旁側。電動機可以是交流的也可以是直流的。

2 通用可編程控制器plc

2.1 Plc的工作原理

可編程序控制器是以微處理器為核心的電器設備，它由中央處理單元（微處理器）、存儲器、輸入輸出接口電路和其他一些電路組成，使用時可把它看作是有定時器、記數器、繼電器組成的一個基本控制系統，用以取常規的電磁繼電器控制電路完成某種工藝要求。

PLC內部等效于繼電器，具有等效于觸頭通斷功能，這些繼電器稱為軟繼電器或內部繼電器，它與普通電磁繼電器的結構有本質的區別，即一般的電磁式繼電器有鐵芯、線圈、動斷觸頭、動合觸頭，屬于硬件和硬件連線邏輯；PLC內的軟繼電器是靠軟件實現的，即編程邏輯，以程序設計實現，而用存儲器存儲對應軟繼電器的接通或斷開狀態，進行類似硬件繼電器的控制。

圖1 通用plc原理圖Fig.1 General plc schematic

2.2 可編程序控制器的類型與結構

2.2.1 類型

可編程序控制器的應用范圍很廣，且正在日益擴大，目前，其品種越來越多，從 plc的輸入，輸出點數，存儲容量和控制功能來分，我小型、中型、大型三種等級。

2.2.2 輸入接口電路

為了保證能在惡劣的工業環境中使用，PLC輸入接口都采用了隔離措施。如下圖，采用光電耦合器為電流輸入型，能有效地避免輸入端引線可能引入的電磁場干擾和輻射干擾。

圖2 輸入接口電路圖Fig.2 input interface circuit diagram

2.2.3 輸出接口電路

PLC一般都有三種輸出形式可供用戶選擇，即繼電器輸出，晶體管輸出和晶閘管輸出。

在線路結構上都采用了隔離措施。

特點：

繼電器輸出：開關速度低，負載能力大，適用于低頻場合。

晶體管輸出：開關速度高，負載能力小，適用于高頻場合。

晶閘管輸出：開關速度高，負載能力小，適用于高頻場合。

圖3 輸出接口電路圖Fig.3 Output interface circuit diagram

2.3 可編程序控制器的控制特點

可編程序控制器是執行以定程序指令工作的，即任以時刻只能執行一條指令，執行完一條指令后，再繼續執行下一條，如此逐條按順序處理，這種工作凡是稱為“串行”方式，它的工作過程可分為輸入端進行掃描，把個輸入采樣，執行程序合輸出刷新三個階段。

2.4 可編程序控制器的數字輸入信號與驅動負載

可編程序控制器有多各輸入點和輸出點，并可按工藝要求擴展接點，增加功能。

它所接受的輸，數字開關發出的主控信號；另一種是從各類傳感器產生的信號，如壓敏開關，溫敏開關，光敏開關及機械式的行程限位開關發入信號有兩種來源：一種是主令輸入，接受從控制面板或操作器上的按鍵，按鈕，選擇開關出的設備運行狀態現場信號。

3 利用SPLC開發電梯門機系統設計

3.1 Plc控制電梯的意義

1976年微處理機開始用于電梯，這些改進在當時都為電梯的發展和社會的進步作出了巨大的貢獻，可編程控制器（plc）的出現與應用使電梯的電氣控制進入了一個新的發展時期；通過數字或模擬的輸入/輸出，完成一系列邏輯、順序、定時、記數、運算等確定的功能，來控制各種類型的機電一體化設備和生產過程。確保了電梯的使用安全，同樣對社會和新技術的發展、創新起到了關鍵作用。

3.2 利用SPLC開發門機系統概述

Splc的意思是單版式plc。它是在plc基礎上研發的，具有實用、經濟、穩定的特點。外形尺寸是40x28x20mm3，與一般小型玻璃外殼式控制繼電器體積相同，并可以直接插在繼電器的底座上接線使用。

Splc可以承擔這個任務，相當于信號開關以與變頻器之間的接口線路。通常VVVF調速電梯的主控系統有 plc控制的，也有單片機控制的，如果從主機那里分出部分 I/O端口專供變頻門機控制也可以，但這樣一來不僅要擴展主機容量，而且隨動電纜中還要增加十幾根導線從機房引到轎頂，增加了不少成本，用splc只需花一百多元就能完成任務，又實現了主機與門機分別控制，便于調試與維修。

3.3 IREX Splc的結構：

Splc分為輸入部分、輸出部分、電源部分、聯機部分。

3.3.1 輸入部分：

（1）輸入為IN1—IN8共8個輸入點。

（2）輸入均有輸入網關開關，網關開關用OUT1—OUT8來管控，因此要想使用該輸入必須將網關開關打開，例如 IN1要使用就必須打開相應得OUT1。

（3）其中IN4—IN8與OUT12—OUT16共同使用同接腳，因此在使用IN4記得OUT12不能使用也不能打開。

（4）輸入有效是對地短路，輸入無效是開路或大于1伏。

（5）輸入共點是與SPLC地點同點。

3.3.2 輸出部分：

（1）輸出為OUT9-OUT16。

（2）每支腳輸出最大流入（sink）是0.35A，總輸出流入（sink）是2A。

（3）輸出共點是正電源。

3.3.3 電源部分：

（1）MX對電源要求不大，可以在 DC12VDC28V非穩壓下使用，但必須是直流。

（2）MX本身耗電只需10ma（12V）其它消耗是外在負載，因此使用者只需考量外在負載耗電既可。

3.3.4 聯機部分：

（1）聯機必須用LVDT轉換器，連接至計算機串口。

（2）SPLC不可直接與計算機串口連接。（3）MX使用速率是2400，N，8，1。

3.4 SPLC的軟件程序設計

3.4.1 IREX Splc的軟件特點：

階梯圖編輯器IrexMap是一種簡潔高工能的階梯圖形編輯器，它具有下列優點：

（1）完整標準階梯圖編輯。

（2）使用者可自行定義組件圖形及代表指令（3）直視組件庫，每組具51只組件，共同時有153只組件庫可使用。

（4）圖形編輯可插入，刪除，剪下，拷貝，刪除一行，拷貝一行。

（5）圖形編輯方式，圖形定義完畢程序即寫好。（6）階梯圖可以存儲，加載，打印。

（7）外掛Replace.def檔，可預編三菱，歐姆龍，西門子等其它廠牌plc。

3.4.2 設計思路

（1）由于電梯開門、關門時都是要靠限位開關來改變電梯門機速度的，所以在設計時模型用了開關來代替限位開關，在電梯開門、關門時都要遵守慢--快--慢—慢的原則。在這里用到了八種狀態他們是000---111，也就是plc通過繼電器給變頻器的輸入信號狀態，其中111是一個特殊狀態，也就是說在電梯門在開動過程中夾住物或人時此時必須開門，一直開到底在執行關門動作。

（2）此設計重要的部分就是 Splc程序與 Splc的外部I/O接線，程序編輯利用了Splc自帶的編輯軟件和附加的使用手冊。I/O外部接線圖與通用Plc的接線方式相同。

（3）變頻器具有多級速的性質，利用這一優點通過改變變頻器的輸入狀態與設定其參數來達到變壓、變頻。

說明：

（1）Splc的梯形圖編好后，用專用纜線從電腦傳送到SPLC，接線端子如圖示第9端與第14分別接紅色、綠色線，傳遞完把線拆下即可，正常工作時，第9端空端。

（2）輸入的5個開關不會同時作用，門運行到哪個，哪個動作輸出的

（3）3個繼電器可以組合成8個狀態。

（4）Splc的輸入點為 IN1—IN8，輸出點位OUT9—OUT16。

4 變頻器

4.1 變頻器的功用

變頻器的功用是將頻率固定（通常為工品50 Hz）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續可調（多數為0~400 Hz）的三相交流電源。變頻器的輸入端（R.S.T）接至頻率固定的三相交流電源，輸出端（U.V.W）輸出的是頻率在一定范圍內連續可調的三相交流電，接至電動機。

4.2 變頻器的類型

4.2.1 按交換環節分

（1）交-交變頻器

把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續可調的交流電源。其主要優點是沒有中間環節。故變換效率高，但其連續可調的頻率范圍窄，一般為額定頻率的1/2以下（0~fN/2），故它主要用于容量較大的低速拖動系統中。

（2）交-直-交變頻器

先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續可調的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電的環節較易控制，因此，在頻率的調節范圍，以及改善變頻后電動機的特性等方面，都具有明顯的優勢。目前迅速地普及應用的主要是這一種。

4.2.2 按電壓的調制方式分

（1）PAM（脈幅調制）

變頻器輸出電壓的大小通過改變直流電壓得大小來進行調制。在中小容量變頻器中，這種方式幾近絕跡。

（2）PWM（脈寬調制）

變頻器輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比來進行調制。目前普遍應用的是占空比按正弦規律安排的正弦波脈寬調制（SPWM)方式，這也是本書所要介紹的方式。

4.2.3 按直流環節的儲能方式分

（1）電流型

直流環節的儲能元件是電感線圈LF，

（2）電壓型

直流環節的儲能元件是電容器CF。

4.3 變頻器（PWM）工作原理

由交-直-交變頻器工作原理可知，逆變器將直流電壓轉變為頻率不同的交流電壓。但因為其輸出電壓方波電壓，按傅立葉級數分解，除基波外，在其電壓波形中還含有較大成份的高次諧波分量。這樣在曳引電動機的供電電源中存在諧波分量，使電動機運行效率降低，矩形波供電的電動機效率將比正弦波供電的效率下降5%~7%左右，功率因數下降8%左右，而電流卻要增大 10倍左右。雖可在逆變器的輸出端采用交流濾波器來消除高次諧波分量，但又非常不經濟，且增大了逆變器的輸出阻抗，使逆變器的輸出特性變壞。

由于前述原因，目前電梯用VVVF調速系統大多采用脈寬調制控制器PWM。它按一定的規律控制逆變器中功率開關元件的通與斷，從而在逆變器的輸出端獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖波，用來近似等效于正弦波。

由于 PWM的控制作用，在逆變器的輸出端得到一組幅值等于整流電路的輸出電壓Ud、寬度按正弦波規律變化的矩形脈沖列。提高 Ud和提高正弦調制波Umsint的幅值就可提高輸出矩形波的寬度，從而提高輸出等效正弦波的幅值。改變正弦調制波的角頻率，就可以改變輸出等效正弦波的頻率，從而就可以實現變壓變頻。

4.4 變頻調速的工作原理

由式可知，當頻率 f連續可調時，電動機的同步轉速n0也連續可調。又因為異步電動機的轉子轉速 nm總是比同步轉速 n0略低一些。所以，當 n0連續可調時，nm也連續可調。由于磁極對數p不同的異步電動機在相同頻率時的轉速是不同的，所以即使頻率的調節范圍相同，轉速的調節范圍也是各異的。

4.5 采用變頻調速的主要優點

1. 大大簡化了拖動系統，減小了電動機的容量。減小了靜差度。通常，直流調速系統的靜差度約小于10%，采用了變頻調速后，靜差度可小于3%。

2. 下垂特性易于實現。下垂特性是指在電動機嚴重過載時，能自動地將電流限制在一定范圍內，即使堵轉，也能將電流限制住。

（1）采用了變頻調速后，可以在直流電動機調速系統中，一旦過載，將使換向變壞、火花增大，甚至產生環火，因此，對下垂特性的要求比較嚴格。而在異步電動機中，由于不存在換向問題，故下垂特性的重要性相對減小。

（2）新系列變頻器大多具有轉矩控制功能，發生過載時，能自動降低頻率和電壓，以限制過載電流。

3. 節能效果客觀。這是由于

（1）拖動系統簡化的結果使附加損耗大為減少。

（2）采用變頻調速后，電動機的有效轉矩線比較貼近負載的機械特性，提高了電動機的效率。

4.6 松下VF-7F小巧型變頻器

松下VF-7F型變頻器使用簡單、設定參數少、利于多級速的控制、輸入、輸出方便，操作簡單。

（1）松下數字變頻器VF-7F型 多速SW功能

將SW功能設定為多速功能時的SW輸入組合動作如下表所示。

注釋1）第1速為用頻率設定功能所設定的頻率。注釋2）第2~8速為用參數P32~38所設定的頻率。注釋3）所有速度之間切換的時間都默認相同的加/減速時間。（關門）正向第一個光電開關動作后速度變快，正向第二個光電開關動作后速度變慢，正向第三個光電開關動作后速度變慢。（開門）反向第一個光電開關動作后速度變快，反向第二個光電開關動作后速度變慢。

（2）變頻器外部接線

（3）其它有關參數

（1）多級速輸入選擇參數P20 P21 P22

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