變頻器構(gòu)成電梯控制系統(tǒng)特性分析
1 引言
隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高層建筑不斷增多，電梯在國民經(jīng)濟(jì)和生活中有著廣泛的應(yīng)用。電梯作為高層建筑中垂直運(yùn)行的交通工具已與人們的日常生活密不可分。實(shí)際上電梯是根據(jù)外部呼叫信號(hào)以及自身控制規(guī)律等運(yùn)行的，而呼叫是隨機(jī)的，電梯實(shí)際上是一個(gè)人機(jī)交互式的控制系統(tǒng)，單純用順序控制或邏輯控制是不能滿足控制要求的，因此，電梯控制系統(tǒng)采用隨機(jī)邏輯方式控制。目前電梯的控制普遍采用了兩種方式:一是采用微機(jī)作為信號(hào)控制單元，完成電梯信號(hào)的采集、運(yùn)行狀態(tài)和功能的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)電梯的自動(dòng)調(diào)度和集選運(yùn)行功能，拖動(dòng)控制則由變頻器來完成;**種控制方式用可編程控制器(plc)取代微機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)集選控制。從控制方式和性能上來說，這兩種方法并沒有太大的區(qū)別。國內(nèi)廠家大多選擇**種方式，其原因在于生產(chǎn)規(guī)模較小，自己設(shè)計(jì)和制造微機(jī)控制裝置成本較高;而plc可靠性高，程序設(shè)計(jì)方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，所以現(xiàn)在的電梯控制系統(tǒng)廣泛采用可編程控制器來實(shí)現(xiàn)。
2 電梯理想運(yùn)行曲線
根據(jù)大量的研究和實(shí)驗(yàn)表明,人可接受的*大加速度為am≤1.5m/s2, 加速度變化率ρm≤3m/s3,電梯的理想運(yùn)行曲線按加速度可劃分為三角形、梯形和正弦波形，由于正弦波形加速度曲線實(shí)現(xiàn)較為困難，而三角形曲線*大加速度和在啟動(dòng)及制動(dòng)段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的加速度變化率均大于梯形曲線，即+ρm跳變到-ρm或由-ρm跳變到+ρm的加速度變化率，故很少采用，因梯形曲線容易實(shí)現(xiàn)并且有良好加速度變化率頻繁指標(biāo)，故被廣泛采用，采用梯形加速度曲線電梯的理想運(yùn)行曲線如附圖所示。
德國mico340智能變頻器是為電梯的靈活調(diào)速、控制及高精度平層等要求而專門設(shè)計(jì)的電梯專用變頻器，可配用通用的三相異步電動(dòng)機(jī)，并具有智能化軟件、標(biāo)準(zhǔn)接口、菜單提示、輸入電梯曲線及其它關(guān)鍵參數(shù)等功能。其具有調(diào)試方便快捷，而且能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)單多層功能，并具有自動(dòng)優(yōu)化減速曲線的功能，由其組成的調(diào)速系統(tǒng)的爬行時(shí)間少，平層距離短，不論是雙繞組電動(dòng)機(jī)，還是單繞組電動(dòng)機(jī)均可適用，其*高設(shè)計(jì)速度可達(dá)4m/s，其獨(dú)特的電腦監(jiān)控軟件，可選擇串行接口實(shí)現(xiàn)輸入/輸出信號(hào)的無觸點(diǎn)控制。
由mico340變頻器構(gòu)成的電梯系統(tǒng)，當(dāng)變頻器接收到控制器發(fā)出的呼梯方向信號(hào)，變頻器依據(jù)設(shè)定的速度及加速度值，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，達(dá)到*大速度后，勻速運(yùn)行，在到達(dá)目的層的減速點(diǎn)時(shí)，控制器發(fā)出切斷高速度信號(hào)，變頻器以設(shè)定的減速度將*大速度減至爬行速度，在減速運(yùn)行過程中，變頻器的能夠自動(dòng)計(jì)算出減速點(diǎn)到平層點(diǎn)之間的距離，并計(jì)算出優(yōu)化曲線，從而能夠按優(yōu)化曲線運(yùn)行，使低速爬行時(shí)間縮短至0.3s,在電梯的平層過程中變頻器通過調(diào)整平層速度或制動(dòng)斜坡來調(diào)整平層精度。即當(dāng)電梯停得太早時(shí)，變頻器增大低速度值或減少制動(dòng)斜坡值，反之則減少低速度值或增大制動(dòng)斜坡值，在電梯到距平層位置4~10cm時(shí)，有平層開關(guān)自動(dòng)斷開低速信號(hào)，系統(tǒng)按優(yōu)化曲線實(shí)現(xiàn)高精度的平層，從而達(dá)到平層的準(zhǔn)確可靠。
3 電梯速度曲線
電梯運(yùn)行的舒適性取決于其運(yùn)行過程中加速度a和加速度變化率p的大小，過大的加速度或加速度變化率會(huì)造成乘客的不適感。同時(shí)，為保證電梯的運(yùn)行效率，a、p的值不宜過小。能保證a、p*佳取值的電梯運(yùn)行曲線稱為電梯的理想運(yùn)行曲線。電梯運(yùn)行的理想曲線應(yīng)是拋物線-直線綜合速度曲線，即電梯的加、減過程由拋物線和直線構(gòu)成。電梯給定曲線是否理想，直接影響實(shí)際的運(yùn)行曲線。
3.1 速度曲線產(chǎn)生方法
采用的fx2-64mr plc，并考慮輸入輸出點(diǎn)要求增加了fx-8eyt、fx-16eyr、fx-8eyr三個(gè)擴(kuò)展模塊和fx2-40aw雙絞線通信適配器，fx2-40aw用于系統(tǒng)串行通信。利用plc擴(kuò)展功能模塊d/a模塊實(shí)現(xiàn)速度理想曲線輸出，事先將數(shù)字化的理想速度曲線存入plc寄存器，程序運(yùn)行時(shí)，通過查表方式寫入d/a，由d/a轉(zhuǎn)換成模擬量后將速度理想曲線輸出。
3.2 加速給定曲線的產(chǎn)生
8位d/a輸出0～5v/0～10v，對(duì)應(yīng)數(shù)字值為16進(jìn)制數(shù)00～ff，共255級(jí)。若電梯加速時(shí)間在2.5～3s之間。按保守值計(jì)算，電梯加速過程中每次查表的時(shí)間間隔不宜超過10ms。
由于電梯邏輯控制部分程序*大，而plc運(yùn)行采用周期掃描機(jī)制，因而采用通常的查表方法，每次查表的指令時(shí)間間隔過長，不能滿足給定曲線的精度要求。在plc運(yùn)行過程中，其cpu與各設(shè)備之間的信息交換、用戶程序的執(zhí)行、信號(hào)采集、控制量的輸出等操作都是按照固定的順序以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行的，每個(gè)循環(huán)都要對(duì)所有功能進(jìn)行查詢、判斷和操作。這種順序和格式不能人為改變。通常一個(gè)掃描周期，基本要完成六個(gè)步驟的工作，包括運(yùn)行監(jiān)視、與編程器交換信息、與數(shù)字處理器交換信息、與通訊處理器交換信息、執(zhí)行用戶程序和輸入輸出接口服務(wù)等。在一個(gè)周期內(nèi)，cpu對(duì)整個(gè)用戶程序只執(zhí)行一遍。這種機(jī)制有其方便的一面，但實(shí)時(shí)性差。過長的掃描時(shí)間，直接影響系統(tǒng)對(duì)信號(hào)響應(yīng)的效果，在保證控制功能的前提下，*大限度地縮短cpu的周期掃描時(shí)間是一個(gè)很復(fù)雜的問題。一般只能從用戶程序執(zhí)行時(shí)間*短采取方法。電梯邏輯控制部分的程序掃描時(shí)間已超過10ms，盡管采取了一些減少程序掃描時(shí)間的辦法，但仍無法將掃描時(shí)間降到10ms以下。同時(shí)，制動(dòng)段曲線采用按距離控制原則，每段距離到的響應(yīng)時(shí)間也不宜超過10ms。為滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，在速度曲線的產(chǎn)生方式中，采用中斷方法，從而有效地克服了plc掃描機(jī)制的限制。
起動(dòng)加速運(yùn)行由定周期中斷服務(wù)程序完成。這種中斷不能由程序進(jìn)行開關(guān)控制，一旦設(shè)定，就一直按設(shè)定時(shí)間間隔循環(huán)中斷，所以，起動(dòng)運(yùn)行條件需放在中斷服務(wù)程序中，在不滿足運(yùn)行條件時(shí)，中斷即返回。
3.3 減速制動(dòng)曲線的產(chǎn)生
為保證制動(dòng)過程的完成，需在主程序中進(jìn)行制動(dòng)條件判斷和減速點(diǎn)確定。在減速點(diǎn)確定之前，電梯一直處于加速或穩(wěn)速運(yùn)行過程中。加速過程由固定周期中斷完成，加速到對(duì)應(yīng)模式的*大值之后，加速程序運(yùn)行條件不再滿足，每次中斷后，不再執(zhí)行加速程序，直接從中斷返回。電梯以對(duì)應(yīng)模式的*大值運(yùn)行，在該模式減速點(diǎn)到后，產(chǎn)生高速計(jì)數(shù)中斷，執(zhí)行減速服務(wù)程序。在該中斷服務(wù)程序中修改計(jì)數(shù)器設(shè)定值的條件，保證下次中斷執(zhí)行。
在plc的內(nèi)部寄存器中，減速曲線表的數(shù)值由大到小排列，每次中斷都執(zhí)行一次“表指針加1”操作，則下一次中斷的查表值將小于本次中斷的查表值。門區(qū)和平層區(qū)的判斷均由外部信號(hào)給出，以保證減速過程的可靠性。
4 電梯控制系統(tǒng)
4.1 電梯控制系統(tǒng)特性
在電梯運(yùn)行曲線中的啟動(dòng)段是關(guān)系到電梯運(yùn)行舒適感指標(biāo)的主要環(huán)節(jié),而舒適感又與加速度直接相關(guān),根據(jù)控制理論,要使某個(gè)量按預(yù)定規(guī)律變化必須對(duì)其進(jìn)行直接控制,對(duì)于電梯控制系統(tǒng)來說,要使加速度按理想曲線變化就必須采用加速度反饋,根據(jù)電動(dòng)機(jī)的力矩方程式:m—mz=δm=j(dn/dt)，可見加速度的變化率反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的變化，控制加速度就控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩δm=m—mz。故在此段采用加速度的時(shí)間控制原則，當(dāng)啟動(dòng)上升段速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%時(shí)，將系統(tǒng)由加速度控制切換到速度控制，因?yàn)樵诜€(wěn)速段，速度為恒值控制波動(dòng)較小，加速度變化不大，且采用速度閉環(huán)控制可以使穩(wěn)態(tài)速度保持一定的精度，為制動(dòng)段的**平層創(chuàng)造條件。在系統(tǒng)的速度上升段和穩(wěn)速段雖都采用pi調(diào)節(jié)器控制，但兩段的pi參數(shù)是不同的，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。
在系統(tǒng)的制動(dòng)段，既要對(duì)減速度進(jìn)行必要的控制，以保證舒適感，又要嚴(yán)格地按電梯運(yùn)行的速度和距離的關(guān)系來控制，以保證平層的精度。在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降至120r/min之前，為了使兩者得到兼顧，采取以加速度對(duì)時(shí)間控制為主，同時(shí)根據(jù)在每一制動(dòng)距離上實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的偏差來修正加速度給定曲線的方法。例如在距離平層點(diǎn)的某一距離l處，速度應(yīng)降為vm/s，而實(shí)際轉(zhuǎn)速高為v′m/s，則說明所加的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠，因此計(jì)算出此處的給定減速度值-ag后，使其再加上一個(gè)負(fù)偏差ε，即使此處的減速度給定值修正為-(ag+ε)使給定減速度與實(shí)際速度負(fù)偏差加大，從而加大了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使速度很快降到標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降到120r/min以后，此時(shí)轎廂距平層只有十幾厘米，電梯的運(yùn)行速度很低，為防止未到平層區(qū)就停車的現(xiàn)象出現(xiàn)，以使電梯能較快地進(jìn)入平層區(qū)，在此段采用比例調(diào)節(jié)，并采用時(shí)間優(yōu)化控制，以保證電梯準(zhǔn)確及時(shí)地進(jìn)入平層區(qū)，以達(dá)到準(zhǔn)確可靠平層。
4.2 電梯控制構(gòu)成
由于電梯的運(yùn)行是根據(jù)樓層和轎廂的呼叫信號(hào)、行程信號(hào)進(jìn)行控制，而樓層和轎廂的呼叫是隨機(jī)的，因此，系統(tǒng)控制采用隨機(jī)邏輯控制。即在以順序邏輯控制實(shí)現(xiàn)電梯的基本控制要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)隨機(jī)的輸入信號(hào)，以及電梯的相應(yīng)狀態(tài)實(shí)時(shí)地控制電梯的運(yùn)行。另外，轎廂的位置是由脈沖編碼器的脈沖數(shù)確定，并送plc的計(jì)數(shù)器來進(jìn)行控制。同時(shí)，每層樓設(shè)置一個(gè)接近開關(guān)用于檢測系統(tǒng)的樓層信號(hào)。
為便于觀察，對(duì)電梯的運(yùn)行方向以及電梯所在的樓層進(jìn)行顯示，采用led和發(fā)光管顯示，而對(duì)樓層和轎廂的呼叫信號(hào)以指示燈顯示(開關(guān)上帶有指示燈)。
為了提高電梯的運(yùn)行效率和平層的精度，系統(tǒng)要求plc能對(duì)轎廂的加、減速以及制動(dòng)進(jìn)行有效的控制。根據(jù)轎廂的實(shí)際位置以及交流調(diào)速系統(tǒng)的控制算法來實(shí)現(xiàn)。為了電梯的運(yùn)行**，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置可靠的故障保護(hù)和相應(yīng)的顯示。采用plc實(shí)現(xiàn)的電梯控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成。
(1) plc控制電路
plc接收來自操縱盤和每層呼梯的召喚信號(hào)、轎廂和門系統(tǒng)的功能信號(hào)以及井道和變頻器的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)程序判斷與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電梯的集選控制。plc在輸出顯示和監(jiān)控信號(hào)的同時(shí)，向變頻器發(fā)出運(yùn)行方向、啟動(dòng)、加/減速運(yùn)行和制動(dòng)停梯等信號(hào)。
(2) 電流、速度雙閉環(huán)電路
變頻器本身設(shè)有電流檢測裝置，由此構(gòu)成電流閉環(huán);通過和電機(jī)同軸聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)編碼器，產(chǎn)生a、b兩相脈沖進(jìn)入變頻器，在確認(rèn)方向的同時(shí)，利用脈沖計(jì)數(shù)構(gòu)成速度閉環(huán)。
(3) 位移控制電路
電梯作為一種載人工具，在位勢負(fù)載狀態(tài)下，除要求**可靠外，還要求運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，停靠準(zhǔn)確。采用變頻調(diào)速雙環(huán)控制可基本滿足要求，利用現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成速度環(huán)的同時(shí)，通過變頻器的pg卡輸出與電機(jī)速度及電梯位移成比例的脈沖數(shù)，將其引入plc的高速計(jì)數(shù)輸入端口，通過累計(jì)脈沖數(shù)，經(jīng)式(2)計(jì)算出脈沖當(dāng)量，由此確定電梯位置。
電梯位移: h=si (1)
式中，i—累計(jì)脈沖數(shù);
s—脈沖當(dāng)量;
s=πλd/(pρ) (2)
式中,λ—減速比;
d—牽引輪直徑;
p—旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù);
ρ—pg卡分頻比。
(4) 端站保護(hù)
當(dāng)電梯定向上行時(shí)，上行方向繼電器、快車輔助接觸器、快車運(yùn)行接觸器、門鎖繼電器、上行接觸器均得電吸合，抱閘打開，電梯上行。當(dāng)轎廂碰到上強(qiáng)迫換速開關(guān)時(shí)，plc內(nèi)部鎖存繼電器得電吸合，定時(shí)器tim10、tim11開始定時(shí)，其定時(shí)的時(shí)間長短可視端站層距和梯速設(shè)定。上強(qiáng)迫換速開關(guān)動(dòng)作后，電梯由快車運(yùn)行轉(zhuǎn)為慢車運(yùn)行，正常情況下，上行平層時(shí)電梯應(yīng)停車。如果轎廂未停而繼續(xù)上行，當(dāng)tim10設(shè)定值減到零時(shí)，其常閉點(diǎn)斷開，慢車接觸器和上行接觸器失電，電梯停止運(yùn)行。在驕廂碰到上強(qiáng)迫換速開關(guān)后，由于某些原因電梯未能轉(zhuǎn)為慢車運(yùn)行，及快車運(yùn)行接觸器未能釋放，當(dāng)tim11設(shè)定值減到零時(shí)，其常閉點(diǎn)斷開，快車運(yùn)行接觸器和上行接觸器均失電，電梯停止運(yùn)行。因此，不管是慢車運(yùn)行還是快車運(yùn)行，只要上強(qiáng)迫換速開關(guān)發(fā)出信號(hào)，不論端站其他保護(hù)開關(guān)是否動(dòng)作，借助tim10和tim11均能使電梯停止運(yùn)行，從而使電梯端站保護(hù)更加可靠。
當(dāng)電梯需要下行，只要有了選梯指令，下行方向繼電器得電其常開點(diǎn)閉合，鎖存繼電器被復(fù)位，tim10和tim11均失電，其常閉點(diǎn)閉合為電梯正常下行做好了準(zhǔn)備。下端站的保護(hù)原理與上端站保護(hù)類似不再重復(fù)。
(5) 樓層計(jì)數(shù)
樓層計(jì)數(shù)采用相對(duì)計(jì)數(shù)方式。運(yùn)行前通過自學(xué)習(xí)方式，測出相應(yīng)樓層高度脈沖數(shù)，對(duì)應(yīng)17層電梯分別存入16個(gè)內(nèi)存單元dm06～dm21。樓層計(jì)數(shù)器(cnt46)為一雙向計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)竭_(dá)各層的樓層計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)運(yùn)行方向進(jìn)行加1或減1計(jì)數(shù)。
運(yùn)行中，高速計(jì)數(shù)器累計(jì)值實(shí)時(shí)與樓層計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，相等時(shí)發(fā)出樓層計(jì)數(shù)信號(hào)，上行加1，下行減1。為防止計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)脈沖高電平期間重復(fù)計(jì)數(shù)，采用樓層計(jì)數(shù)信號(hào)上沿觸發(fā)樓層計(jì)數(shù)器。
(6) 快速換速
當(dāng)高速計(jì)數(shù)器值與快速換速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)相等時(shí)，若電梯處于快速運(yùn)行且本層有選層信號(hào)，發(fā)快速換速信號(hào)。若電梯中速運(yùn)行或雖快速運(yùn)行但本層無選層信號(hào)，則不發(fā)換速信號(hào)。
(7) 門區(qū)信號(hào)
當(dāng)高速計(jì)數(shù)器cnt47數(shù)值在門區(qū)所對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)門區(qū)信號(hào)。
(8) 脈沖信號(hào)故障檢測
脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確采集和傳輸在系統(tǒng)中顯得尤為重要，為檢測旋轉(zhuǎn)編碼器和脈沖傳輸電路故障，設(shè)計(jì)了有無脈沖信號(hào)和錯(cuò)漏脈沖檢測電路，通過實(shí)時(shí)檢測確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。為消除脈沖計(jì)數(shù)累計(jì)誤差，在基站設(shè)置復(fù)位開關(guān)，接入plc高速計(jì)數(shù)器cnt47的復(fù)位端。
5 結(jié)束語
采用mic340電梯專用變頻器構(gòu)成的電梯控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電梯控制的智能化，但由于候梯和電梯轎內(nèi)的人到達(dá)各層的人數(shù)是智能電梯無法確定的，即使采用aitp人工智能系統(tǒng)，傳輸?shù)慕煌土餍畔⒁彩悄：模瑸榻鉀Q電梯這一垂直交通控制系統(tǒng)的兩大不可知因素，需要我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦腥ゲ粩嗟难芯亢吞剿鳌?div>上海智忱科技發(fā)展有限公司專業(yè)維修及銷售各品牌變頻器，伺服,PLC，配件備貨全，專業(yè)的維修隊(duì)，報(bào)價(jià)實(shí)惠，如有需要?dú)g迎來電咨詢
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