基于数字变频器与SPLC控制的电梯门机信号接口电路的设计

2018-03-23胡建

软件 2018年2期

胡建

（天津职业技术师范大学，天津 300202）

1 电梯主控系统概述

1.1 电梯的电气控制系统

电梯控制系统是电梯的两大系统之一。电气控制系统由控制柜、操控箱、指层灯箱、召唤箱、限位装置、换速平层装置、轿顶检修箱等十几个部件，以及拽引电动机、制动器线圈、开/关门调速开关、极限开关等十几个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。

可编程控制器和新的数字控制系统出现，不但改善了电梯的性能，而且还提供了电梯的运行可靠性，使我国的电梯工业提高到一个新的水平，基本上实现了乘用安全、可靠、舒适的愿望。

1.2 电梯的门系统

门的关闭、开启的动力源是门电动机，通过传动机构驱动轿门运动，再由轿门带动层门一起运动。

根据电梯的使用要求，可以选择适当的传动系统。传动机构应满足：安全可靠、运行平滑、噪声小、重量轻和体积小等要求。从安全考虑，门在平均关门速度下的动能应不超过10 J，阻止关门力应不超过150 N。

门机一般设在轿厢顶部，门电机的控制箱也设置在轿厢顶部。根据开关门方式，门机可设在轿顶前沿中央或旁侧。电动机可以是交流的也可以是直流的。

2 通用可编程控制器plc

2.1 Plc的工作原理

可编程序控制器是以微处理器为核心的电器设备，它由中央处理单元（微处理器）、存储器、输入输出接口电路和其他一些电路组成，使用时可把它看作是有定时器、记数器、继电器组成的一个基本控制系统，用以取常规的电磁继电器控制电路完成某种工艺要求。

PLC内部等效于继电器，具有等效于触头通断功能，这些继电器称为软继电器或内部继电器，它与普通电磁继电器的结构有本质的区别，即一般的电磁式继电器有铁芯、线圈、动断触头、动合触头，属于硬件和硬件连线逻辑；PLC内的软继电器是靠软件实现的，即编程逻辑，以程序设计实现，而用存储器存储对应软继电器的接通或断开状态，进行类似硬件继电器的控制。

图1 通用plc原理图Fig.1 General plc schematic

2.2 可编程序控制器的类型与结构

2.2.1 类型

可编程序控制器的应用范围很广，且正在日益扩大，目前，其品种越来越多，从 plc的输入，输出点数，存储容量和控制功能来分，我小型、中型、大型三种等级。

2.2.2 输入接口电路

为了保证能在恶劣的工业环境中使用，PLC输入接口都采用了隔离措施。如下图，采用光电耦合器为电流输入型，能有效地避免输入端引线可能引入的电磁场干扰和辐射干扰。

图2 输入接口电路图Fig.2 input interface circuit diagram

2.2.3 输出接口电路

PLC一般都有三种输出形式可供用户选择，即继电器输出，晶体管输出和晶闸管输出。

在线路结构上都采用了隔离措施。

特点：

继电器输出：开关速度低，负载能力大，适用于低频场合。

晶体管输出：开关速度高，负载能力小，适用于高频场合。

晶闸管输出：开关速度高，负载能力小，适用于高频场合。

图3 输出接口电路图Fig.3 Output interface circuit diagram

2.3 可编程序控制器的控制特点

可编程序控制器是执行以定程序指令工作的，即任以时刻只能执行一条指令，执行完一条指令后，再继续执行下一条，如此逐条按顺序处理，这种工作凡是称为“串行”方式，它的工作过程可分为输入端进行扫描，把个输入采样，执行程序合输出刷新三个阶段。

2.4 可编程序控制器的数字输入信号与驱动负载

可编程序控制器有多各输入点和输出点，并可按工艺要求扩展接点，增加功能。

它所接受的输，数字开关发出的主控信号；另一种是从各类传感器产生的信号，如压敏开关，温敏开关，光敏开关及机械式的行程限位开关发入信号有两种来源：一种是主令输入，接受从控制面板或操作器上的按键，按钮，选择开关出的设备运行状态现场信号。

3 利用SPLC开发电梯门机系统设计

3.1 Plc控制电梯的意义

1976年微处理机开始用于电梯，这些改进在当时都为电梯的发展和社会的进步作出了巨大的贡献，可编程控制器（plc）的出现与应用使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期；通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。确保了电梯的使用安全，同样对社会和新技术的发展、创新起到了关键作用。

3.2 利用SPLC开发门机系统概述

Splc的意思是单版式plc。它是在plc基础上研发的，具有实用、经济、稳定的特点。外形尺寸是40x28x20mm3，与一般小型玻璃外壳式控制继电器体积相同，并可以直接插在继电器的底座上接线使用。

Splc可以承担这个任务，相当于信号开关以与变频器之间的接口线路。通常VVVF调速电梯的主控系统有 plc控制的，也有单片机控制的，如果从主机那里分出部分 I/O端口专供变频门机控制也可以，但这样一来不仅要扩展主机容量，而且随动电缆中还要增加十几根导线从机房引到轿頂，增加了不少成本，用splc只需花一百多元就能完成任务，又实现了主机与门机分别控制，便于调试与维修。

3.3 IREX Splc的结构：

Splc分为输入部分、输出部分、电源部分、联机部分。

3.3.1 输入部分：

（1）输入为IN1—IN8共8个输入点。

（2）输入均有输入网关开关，网关开关用OUT1—OUT8来管控，因此要想使用该输入必须将网关开关打开，例如 IN1要使用就必须打开相应得OUT1。

（3）其中IN4—IN8与OUT12—OUT16共同使用同接脚，因此在使用IN4记得OUT12不能使用也不能打开。

（4）输入有效是对地短路，输入无效是开路或大于1伏。

（5）输入共点是与SPLC地点同点。

3.3.2 输出部分：

（1）输出为OUT9-OUT16。

（2）每支脚输出最大流入（sink）是0.35A，总输出流入（sink）是2A。

（3）输出共点是正电源。

3.3.3 电源部分：

（1）MX对电源要求不大，可以在 DC12VDC28V非稳压下使用，但必须是直流。

（2）MX本身耗电只需10ma（12V）其它消耗是外在负载，因此使用者只需考量外在负载耗电既可。

3.3.4 联机部分：

（1）联机必须用LVDT转换器，连接至计算机串口。

（2）SPLC不可直接与计算机串口连接。（3）MX使用速率是2400，N，8，1。

3.4 SPLC的软件程序设计

3.4.1 IREX Splc的软件特点：

阶梯图编辑器IrexMap是一种简洁高工能的阶梯图形编辑器，它具有下列优点：

（1）完整标准阶梯图编辑。

（2）使用者可自行定义组件图形及代表指令（3）直视组件库，每组具51只组件，共同时有153只组件库可使用。

（4）图形编辑可插入，删除，剪下，拷贝，删除一行，拷贝一行。

（5）图形编辑方式，图形定义完毕程序即写好。（6）阶梯图可以存储，加载，打印。

（7）外挂Replace.def档，可预编三菱，欧姆龙，西门子等其它厂牌plc。

3.4.2 设计思路

（1）由于电梯开门、关门时都是要靠限位开关来改变电梯门机速度的，所以在设计时模型用了开关来代替限位开关，在电梯开门、关门时都要遵守慢--快--慢—慢的原则。在这里用到了八种状态他们是000---111，也就是plc通过继电器给变频器的输入信号状态，其中111是一个特殊状态，也就是说在电梯门在开动过程中夹住物或人时此时必须开门，一直开到底在执行关门动作。

（2）此设计重要的部分就是 Splc程序与 Splc的外部I/O接线，程序编辑利用了Splc自带的编辑软件和附加的使用手册。I/O外部接线图与通用Plc的接线方式相同。

（3）变频器具有多级速的性质，利用这一优点通过改变变频器的输入状态与设定其参数来达到变压、变频。

说明：

（1）Splc的梯形图编好后，用专用缆线从电脑传送到SPLC，接线端子如图示第9端与第14分别接红色、绿色线，传递完把线拆下即可，正常工作时，第9端空端。

（2）输入的5个开关不会同时作用，门运行到哪个，哪个动作输出的

（3）3个继电器可以组合成8个状态。

（4）Splc的输入点为 IN1—IN8，输出点位OUT9—OUT16。

4 变频器

4.1 变频器的功用

变频器的功用是将频率固定（通常为工品50 Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0~400 Hz）的三相交流电源。变频器的输入端（R.S.T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U.V.W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。

4.2 变频器的类型

4.2.1 按交换环节分

（1）交-交变频器

把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节。故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下（0~fN/2），故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。

（2）交-直-交变频器

先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一种。

4.2.2 按电压的调制方式分

（1）PAM（脉幅调制）

变频器输出电压的大小通过改变直流电压得大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。

（2）PWM（脉宽调制）

变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM)方式，这也是本书所要介绍的方式。

4.2.3 按直流环节的储能方式分

（1）电流型

直流环节的储能元件是电感线圈LF，

（2）电压型

直流环节的储能元件是电容器CF。

4.3 变频器（PWM）工作原理

由交-直-交变频器工作原理可知，逆变器将直流电压转变为频率不同的交流电压。但因为其输出电压方波电压，按傅立叶级数分解，除基波外，在其电压波形中还含有较大成份的高次谐波分量。这样在曳引电动机的供电电源中存在谐波分量，使电动机运行效率降低，矩形波供电的电动机效率将比正弦波供电的效率下降5%~7%左右，功率因数下降8%左右，而电流却要增大 10倍左右。虽可在逆变器的输出端采用交流滤波器来消除高次谐波分量，但又非常不经济，且增大了逆变器的输出阻抗，使逆变器的输出特性变坏。

由于前述原因，目前电梯用VVVF调速系统大多采用脉宽调制控制器PWM。它按一定的规律控制逆变器中功率开关元件的通与断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波，用来近似等效于正弦波。

由于 PWM的控制作用，在逆变器的输出端得到一组幅值等于整流电路的输出电压Ud、宽度按正弦波规律变化的矩形脉冲列。提高 Ud和提高正弦调制波Umsint的幅值就可提高输出矩形波的宽度，从而提高输出等效正弦波的幅值。改变正弦调制波的角频率，就可以改变输出等效正弦波的频率，从而就可以实现变压变频。

4.4 变频调速的工作原理

由式可知，当频率 f连续可调时，电动机的同步转速n0也连续可调。又因为异步电动机的转子转速 nm总是比同步转速 n0略低一些。所以，当 n0连续可调时，nm也连续可调。由于磁极对数p不同的异步电动机在相同频率时的转速是不同的，所以即使频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的。

4.5 采用变频调速的主要优点

1. 大大简化了拖动系统，减小了电动机的容量。减小了静差度。通常，直流调速系统的静差度约小于10%，采用了变频调速后，静差度可小于3%。

2. 下垂特性易于实现。下垂特性是指在电动机严重过载时，能自动地将电流限制在一定范围内，即使堵转，也能将电流限制住。

（1）采用了变频调速后，可以在直流电动机调速系统中，一旦过载，将使换向变坏、火花增大，甚至产生环火，因此，对下垂特性的要求比较严格。而在异步电动机中，由于不存在换向问题，故下垂特性的重要性相对减小。

（2）新系列变频器大多具有转矩控制功能，发生过载时，能自动降低频率和电压，以限制过载电流。

3. 节能效果客观。这是由于

（1）拖动系统简化的结果使附加损耗大为减少。

（2）采用变频调速后，电动机的有效转矩线比较贴近负载的机械特性，提高了电动机的效率。

4.6 松下VF-7F小巧型变频器

松下VF-7F型变频器使用简单、设定参数少、利于多级速的控制、输入、输出方便，操作简单。

（1）松下数字变频器VF-7F型多速SW功能

将SW功能设定为多速功能时的SW输入组合动作如下表所示。

注释1）第1速为用频率设定功能所设定的频率。注释2）第2~8速为用参数P32~38所设定的频率。注释3）所有速度之间切换的时间都默认相同的加/减速时间。（关门）正向第一个光电开关动作后速度变快，正向第二个光电开关动作后速度变慢，正向第三个光电开关动作后速度变慢。（开门）反向第一个光电开关动作后速度变快，反向第二个光电开关动作后速度变慢。

（2）变频器外部接线