胡 建

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300202）

1 電梯主控系統(tǒng)概述

1.1 電梯的電氣控制系統(tǒng)

電梯控制系統(tǒng)是電梯的兩大系統(tǒng)之一。電氣控制系統(tǒng)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(gè)部件，以及拽引電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器線圈、開/關(guān)門調(diào)速開關(guān)、極限開關(guān)等十幾個(gè)分散安裝在電梯井道內(nèi)外和各相關(guān)電梯部件中的電器元件構(gòu)成。

可編程控制器和新的數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)，不但改善了電梯的性能，而且還提供了電梯的運(yùn)行可靠性，使我國的電梯工業(yè)提高到一個(gè)新的水平，基本上實(shí)現(xiàn)了乘用安全、可靠、舒適的愿望。

1.2 電梯的門系統(tǒng)

門的關(guān)閉、開啟的動(dòng)力源是門電動(dòng)機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轎門運(yùn)動(dòng)，再由轎門帶動(dòng)層門一起運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)電梯的使用要求，可以選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足：安全可靠、運(yùn)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(guān)門速度下的動(dòng)能應(yīng)不超過10 J，阻止關(guān)門力應(yīng)不超過150 N。

門機(jī)一般設(shè)在轎廂頂部，門電機(jī)的控制箱也設(shè)置在轎廂頂部。根據(jù)開關(guān)門方式，門機(jī)可設(shè)在轎頂前沿中央或旁側(cè)。電動(dòng)機(jī)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(shè)備，它由中央處理單元（微處理器）、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路和其他一些電路組成，使用時(shí)可把它看作是有定時(shí)器、記數(shù)器、繼電器組成的一個(gè)基本控制系統(tǒng)，用以取常規(guī)的電磁繼電器控制電路完成某種工藝要求。

PLC內(nèi)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(nèi)部繼電器，它與普通電磁繼電器的結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的區(qū)別，即一般的電磁式繼電器有鐵芯、線圈、動(dòng)斷觸頭、動(dòng)合觸頭，屬于硬件和硬件連線邏輯；PLC內(nèi)的軟繼電器是靠軟件實(shí)現(xiàn)的，即編程邏輯，以程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，而用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)軟繼電器的接通或斷開狀態(tài)，進(jìn)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(jié)構(gòu)

2.2.1 類型

可編程序控制器的應(yīng)用范圍很廣，且正在日益擴(kuò)大，目前，其品種越來越多，從 plc的輸入，輸出點(diǎn)數(shù)，存儲(chǔ)容量和控制功能來分，我小型、中型、大型三種等級(jí)。

2.2.2 輸入接口電路

為了保證能在惡劣的工業(yè)環(huán)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(chǎng)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(jié)構(gòu)上都采用了隔離措施。

特點(diǎn)：

繼電器輸出：開關(guān)速度低，負(fù)載能力大，適用于低頻場(chǎng)合。

晶體管輸出：開關(guān)速度高，負(fù)載能力小，適用于高頻場(chǎng)合。

晶閘管輸出：開關(guān)速度高，負(fù)載能力小，適用于高頻場(chǎng)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(diǎn)

可編程序控制器是執(zhí)行以定程序指令工作的，即任以時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，執(zhí)行完一條指令后，再繼續(xù)執(zhí)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(jìn)行掃描，把個(gè)輸入采樣，執(zhí)行程序合輸出刷新三個(gè)階段。

2.4 可編程序控制器的數(shù)字輸入信號(hào)與驅(qū)動(dòng)負(fù)載

可編程序控制器有多各輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，并可按工藝要求擴(kuò)展接點(diǎn)，增加功能。

它所接受的輸，數(shù)字開關(guān)發(fā)出的主控信號(hào)；另一種是從各類傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，如壓敏開關(guān)，溫敏開關(guān)，光敏開關(guān)及機(jī)械式的行程限位開關(guān)發(fā)入信號(hào)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(guān)出的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。

3 利用SPLC開發(fā)電梯門機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 Plc控制電梯的意義

1976年微處理機(jī)開始用于電梯，這些改進(jìn)在當(dāng)時(shí)都為電梯的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步作出了巨大的貢獻(xiàn)，可編程控制器（plc）的出現(xiàn)與應(yīng)用使電梯的電氣控制進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期；通過數(shù)字或模擬的輸入/輸出，完成一系列邏輯、順序、定時(shí)、記數(shù)、運(yùn)算等確定的功能，來控制各種類型的機(jī)電一體化設(shè)備和生產(chǎn)過程。確保了電梯的使用安全，同樣對(duì)社會(huì)和新技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新起到了關(guān)鍵作用。

3.2 利用SPLC開發(fā)門機(jī)系統(tǒng)概述

Splc的意思是單版式plc。它是在plc基礎(chǔ)上研發(fā)的，具有實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的特點(diǎn)。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(dān)這個(gè)任務(wù)，相當(dāng)于信號(hào)開關(guān)以與變頻器之間的接口線路。通常VVVF調(diào)速電梯的主控系統(tǒng)有 plc控制的，也有單片機(jī)控制的，如果從主機(jī)那里分出部分 I/O端口專供變頻門機(jī)控制也可以，但這樣一來不僅要擴(kuò)展主機(jī)容量，而且隨動(dòng)電纜中還要增加十幾根導(dǎo)線從機(jī)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(wù)，又實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與門機(jī)分別控制，便于調(diào)試與維修。

3.3 IREX Splc的結(jié)構(gòu)：

Splc分為輸入部分、輸出部分、電源部分、聯(lián)機(jī)部分。

3.3.1 輸入部分：

（1）輸入為IN1—IN8共8個(gè)輸入點(diǎn)。

（2）輸入均有輸入網(wǎng)關(guān)開關(guān)，網(wǎng)關(guān)開關(guān)用OUT1—OUT8來管控，因此要想使用該輸入必須將網(wǎng)關(guān)開關(guān)打開，例如 IN1要使用就必須打開相應(yīng)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(duì)地短路，輸入無效是開路或大于1伏。

（5）輸入共點(diǎn)是與SPLC地點(diǎn)同點(diǎn)。

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(diǎn)是正電源。

3.3.3 電源部分：

（1）MX對(duì)電源要求不大，可以在 DC12VDC28V非穩(wěn)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(fù)載，因此使用者只需考量外在負(fù)載耗電既可。

3.3.4 聯(lián)機(jī)部分：

（1）聯(lián)機(jī)必須用LVDT轉(zhuǎn)換器，連接至計(jì)算機(jī)串口。

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

3.4 SPLC的軟件程序設(shè)計(jì)

3.4.1 IREX Splc的軟件特點(diǎn)：

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(yōu)點(diǎn)：

（1）完整標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(chǔ)，加載，打印。

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

3.4.2 設(shè)計(jì)思路

（1）由于電梯開門、關(guān)門時(shí)都是要靠限位開關(guān)來改變電梯門機(jī)速度的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)模型用了開關(guān)來代替限位開關(guān)，在電梯開門、關(guān)門時(shí)都要遵守慢--快--慢—慢的原則。在這里用到了八種狀態(tài)他們是000---111，也就是plc通過繼電器給變頻器的輸入信號(hào)狀態(tài)，其中111是一個(gè)特殊狀態(tài)，也就是說在電梯門在開動(dòng)過程中夾住物或人時(shí)此時(shí)必須開門，一直開到底在執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作。

（2）此設(shè)計(jì)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(cè)。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(jí)速的性質(zhì)，利用這一優(yōu)點(diǎn)通過改變變頻器的輸入狀態(tài)與設(shè)定其參數(shù)來達(dá)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(shí)，第9端空端。

（2）輸入的5個(gè)開關(guān)不會(huì)同時(shí)作用，門運(yùn)行到哪個(gè)，哪個(gè)動(dòng)作輸出的

（3）3個(gè)繼電器可以組合成8個(gè)狀態(tài)。

（4）Splc的輸入點(diǎn)為 IN1—IN8，輸出點(diǎn)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(xù)可調(diào)（多數(shù)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(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電，接至電動(dòng)機(jī)。

4.2 變頻器的類型

4.2.1 按交換環(huán)節(jié)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(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)。故變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)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(dòng)系統(tǒng)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(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因此，在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善變頻后電動(dòng)機(jī)的特性等方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前迅速地普及應(yīng)用的主要是這一種。

4.2.2 按電壓的調(diào)制方式分

（1）PAM（脈幅調(diào)制）

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

（2）PWM（脈寬調(diào)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(jìn)行調(diào)制。目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM)方式，這也是本書所要介紹的方式。

4.2.3 按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式分

（1）電流型

直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電感線圈LF，

（2）電壓型

直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)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(zhuǎn)變?yōu)轭l率不同的交流電壓。但因?yàn)槠漭敵鲭妷悍讲妷?，按傅立葉級(jí)數(shù)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(dòng)機(jī)的供電電源中存在諧波分量，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率降低，矩形波供電的電動(dòng)機(jī)效率將比正弦波供電的效率下降5%~7%左右，功率因數(shù)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(jīng)濟(jì)，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(diào)速系統(tǒng)大多采用脈寬調(diào)制控制器PWM。它按一定的規(guī)律控制逆變器中功率開關(guān)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(guī)律變化的矩形脈沖列。提高 Ud和提高正弦調(diào)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(diào)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(shí)現(xiàn)變壓變頻。

4.4 變頻調(diào)速的工作原理

由式可知，當(dāng)頻率 f連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào)。又因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 nm總是比同步轉(zhuǎn)速 n0略低一些。所以，當(dāng) n0連續(xù)可調(diào)時(shí)，nm也連續(xù)可調(diào)。由于磁極對(duì)數(shù)p不同的異步電動(dòng)機(jī)在相同頻率時(shí)的轉(zhuǎn)速是不同的，所以即使頻率的調(diào)節(jié)范圍相同，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍也是各異的。

4.5 采用變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)

1. 大大簡化了拖動(dòng)系統(tǒng)，減小了電動(dòng)機(jī)的容量。減小了靜差度。通常，直流調(diào)速系統(tǒng)的靜差度約小于10%，采用了變頻調(diào)速后，靜差度可小于3%。

2. 下垂特性易于實(shí)現(xiàn)。下垂特性是指在電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載時(shí)，能自動(dòng)地將電流限制在一定范圍內(nèi)，即使堵轉(zhuǎn)，也能將電流限制住。

（1）采用了變頻調(diào)速后，可以在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，一旦過載，將使換向變壞、火花增大，甚至產(chǎn)生環(huán)火，因此，對(duì)下垂特性的要求比較嚴(yán)格。而在異步電動(dòng)機(jī)中，由于不存在換向問題，故下垂特性的重要性相對(duì)減小。

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

3. 節(jié)能效果客觀。這是由于

（1）拖動(dòng)系統(tǒng)簡化的結(jié)果使附加損耗大為減少。

（2）采用變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線比較貼近負(fù)載的機(jī)械特性，提高了電動(dòng)機(jī)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(shè)定參數(shù)少、利于多級(jí)速的控制、輸入、輸出方便，操作簡單。

（1）松下數(shù)字變頻器VF-7F型 多速SW功能

將SW功能設(shè)定為多速功能時(shí)的SW輸入組合動(dòng)作如下表所示。

注釋1）第1速為用頻率設(shè)定功能所設(shè)定的頻率。注釋2）第2~8速為用參數(shù)P32~38所設(shè)定的頻率。注釋3）所有速度之間切換的時(shí)間都默認(rèn)相同的加/減速時(shí)間。（關(guān)門）正向第一個(gè)光電開關(guān)動(dòng)作后速度變快，正向第二個(gè)光電開關(guān)動(dòng)作后速度變慢，正向第三個(gè)光電開關(guān)動(dòng)作后速度變慢。（開門）反向第一個(gè)光電開關(guān)動(dòng)作后速度變快，反向第二個(gè)光電開關(guān)動(dòng)作后速度變慢。

（2）變頻器外部接線

（3）其它有關(guān)參數(shù)

（1）多級(jí)速輸入選擇參數(shù)P20 P21 P22

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