FX2N系列PLC在電梯變頻調速控制系統中的應用

1 引言
隨著時代的發展，社會經濟環境的整體提升，作為中國支柱產業之一的房地產業進入了跨越式發展的新階段。在這個進程當中，作為建筑物附屬設備的電梯也有不可估量的發展空間。目前在電梯中所應用的交流雙速或可控硅調壓調速控制方式里邏輯部件均由繼電器、選層器完成。但隨著時間的推移其觸頭就會磨損、插接口會嚴重氧化造成接觸不良，缺少設備維護時甚至會出現困人、沖頂、亂層、蹾底等現象，所有這些都不利于電梯的維修和安全運行。但現有的電梯系統其機械部分性能良好，所以用變頻器和PLC改造原有的控制系統即可以滿足客戶對電梯的服務質量的要求又可以節約資金避免不必要的重復投資。

2 電梯驅動系統介紹[1]
電梯的電力驅動系統對電梯的起動加速、穩速運行、制動減速起著決定性作用。驅動系統的優劣直接影響電梯的起動、制動、加減速度、平層精度、乘座的舒適感等指標。
由于目前電器電子元件的高速發展，使得變頻變壓技術逐步成熟，因此使用變頻變壓(VVVF)調速系統控制的電梯也投入使用。自1984年日本三菱電機公司第一臺變頻變壓控制的電梯問世以來，這種系統驅動的電梯其額定速度已越來越高，而利用矢量變換控制的變頻變壓系統的電梯的額定速度可達14m/s。它們的調速性能都已達到了直流電動機驅動電梯的水平，并具有驅動控制設備體積小、重量輕、效率高、節省能源等優點，成為當前最新的電梯驅動系統。

3 控制系統介紹
控制系統主要由PLC、變頻器及旋轉編碼器組成。可編程控制器(PLC)負責處理各種信號的邏輯關系，從而向變頻器發出起、停等信號，同時變頻器也將工作狀態信號送給PLC，形成雙向聯絡關系,它是系統的核心。變頻器實現電機的調速。本文所選用的安川VS-616G5通用變頻器可實現平穩操作和精確控制，使電動機達到理想輸出。為滿足電梯的要求，變頻器又要通過與電動機同軸連接的旋轉編碼器和PG卡，完成速度檢測及反饋，形成閉環系統。旋轉編碼器與電動機同軸連接，對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B兩相脈沖，旋轉編碼器根據A、B脈沖的相序，可判斷電動機轉動方向，并可根據A、B脈沖的頻率測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈沖輸出給PG卡, PG卡再將此反饋信號送給變頻器內部，以便進行運算調節。所以旋轉編碼器和PG卡實現了閉環運行。
3.1 硬件系統組成
控制系統包括信號采集和PLC控制兩部分
(1) VS-616G5變頻器具有自學習功能，在使用矢量控制時，變頻器能自動設定電動機銘牌范圍的電動機參數。由此從變頻器專用電動機到通用電動機都可以進行矢量控制運行，電動機可最大限度地發揮作用。VS-616G5可使用PID控制功能實現簡單的追蹤控制，使用脈沖發生器等速度檢測器時，不管負載大小變化都可使其速度保持一致，更保證了電梯零速制動抱閘的要求。
(2) 旋轉編碼器(PG)[2]的選擇。
本文根據電梯平層精度要求選擇PG。根據GB1058/T-1997電梯技術條件中的要求，運行速度為0.5m/s調速電梯的平層精度為±15mm以內。而平層精度與鋼絲繩的松緊度，平層干簧管的位移，PLC的輸入脈沖數有關。前二者為機械因素，而PLC的輸入脈沖來自于脈沖監視輸出。考慮PLC的自身頻率，為保證輸入脈沖的正確性，設定PG脈沖監視輸出分頻比F1-06功能碼為16，既PG輸出脈沖的1/16作為PLC的輸入脈沖。為盡可能在PG參數上來保證平層的精度，以1mm誤差計算。
齒輪箱減速比K為61:2，曳引機直徑D為0.65m，采用半繞式2:1繞法，N=2，電機每轉一圈電梯上下行程:
L=3.14×D×K×1000/N(mm) (1)
代入式(1)求得L=33.5mm，
PG參數=33.5×16=536p/rev。根據PG解析度的分類，選用解析度為600的旋轉編碼器。本文采用增量式圓光柵編碼器, 它將測得的轉速脈沖反饋給變頻器，形成閉環控制。
圖1中TA1為變頻器的速度控制卡的脈沖輸入部分，接收來自旋轉編碼器的脈沖;TA2為速度控制卡的脈沖輸出部分，向PLC輸出脈沖。
(3) 由于電梯是載人的起重設備，要求可靠性系數特別大，為最大程度地滿足乘客的舒適感，使用VS-616G5的帶PG矢量控制，將測速脈沖反饋給變頻器，提高控制精度;為配合脈沖記數和平層精度，選用三菱公司FX2N系列可編程控制器PLC，其X0-X1端子可采取高速脈沖，滿足了系統記數，達到準確平層的要求。
由電力電網送來的380V動力電源變為可控的直流電，經變頻器轉變為可調的頻率可變的變頻變壓三相正弦交流電，驅動電動機平穩運行。
當電梯檢修時，是點動運行方式，PLC向變頻器發出方向和檢修運行信號，裝置按預先編好的速度指令向電動機輸送點動頻率(10Hz)的交流電，作上、下慢速運行。
當電梯正常運行時，PLC向變頻器發出快速命令和方向信號，系統按預先編入的頻率指令沿理想曲線上升至滿速(45Hz)運行。當需要減速時，PLC斷開高速指令，輸出按理想曲線下降至停止，在降速過程中，由于系統的慣性作用，將動能通過能量回饋裝置消耗在制動電阻上，因此曳引電動機不會發熱，可以不用強迫冷卻風機。變頻器內部帶電流反饋和速度反饋。電梯的速度通過脈沖編碼器反饋回變頻器，當實際速度高于或低于給定速度時，變頻器會自動調節輸出電壓(電流)和頻率，使兩者相等，從而達到理想的運行狀態。
3.2 軟件部分說明
(1) VS-616G5部分參數設置如下表1所示。

表1 變頻器參數設置

要實現對變頻器的控制，必須對PLC進行編程，通過程序實現PLC與變頻器信息交換的控制。編程的重要依據是系統的工作過程。電梯的一次完整的運行過程，就是曳引電動機從起動、勻速運行到減速停車的過程。電梯運行方向確定后，在關門信號和門鎖信號符合要求的情況下，電梯開始起動運行, PLC正轉(或反轉)及高速信號輸出有效，電動機從0Hz到50Hz開始起動,起動時間為1.5S，然后維持高速(變頻器參數設置，D1202=50Hz)一直運行，完成起動及運行段的工作。在接近目標樓層時，相應的接近開關動作，給PLC輸入換速信號，PLC撤消高速信號輸出，同時輸出爬行信號。爬行的輸出頻率由變頻器參數設置(D1203=6Hz)。從高速的頻率到爬行速度的頻率的減速時間也是1.5S，當達到6Hz的速度后，電梯就以此速度爬行。電梯到達目標樓層時, 給PLC輸入平層信號，PLC撤消正轉(或反轉)及爬行信號，電動機從爬行頻率減速到0Hz, 減至0Hz后，零速輸出點斷開，通過PLC抱閘自動開門。
2) PLC部分程序清單
0 LD M8000
1 AND C10
2 DMOV K3431 D303
11 DMOV K6557 D305
20 LD T11
21 SET S1
23 LDI T11
24 RST S1
26 LD M8000
27 OUT C235 K8888888
32 LD Y010
…………
33 RST M8235
875 DZCPP D305 D307 C235 M64
892 LDI X020
893 AND M65
894 AND M151
895 MOV K3 D230
900 LD M151
901 OUT T50 K50
904 LDI M151
905 OUT T51 K10
908 LD T50
909 OUT M152
910 LD M50
911 OR X005
912 RST M151
913 LD X004
914 OUT Y043
915 END
(3) 電梯變頻調速系統PLC的I/O分配如下表2所示。
表2 PLC的I/O分配

4 控制系統特點
4.1 采用優先級隊列
根據電梯所處的位置和運行方向，在編程中，采用了四個優先級隊列，即上行優先級隊列、上行次優先級隊列、下行優先級隊列、下行次優先級隊列。其中，上行優先級隊列為電梯向上運行時，在電梯所處位置以上樓層所發出的向上運行的呼叫信號，該呼叫信號所對應的樓層所具有的脈沖數存放的寄存器所構成的隊列:上行次優先級隊列為電梯向上運行時，在電梯所處位置以下樓層所發出的向上運行的呼叫信號，該呼叫信號所對應的樓層所具有的脈沖數存放的寄存器所構成的隊列。
4.2 采用檢測邏輯控制
當電梯以某一運行方向接近某樓層的減速位置時，判別該樓層是否有同向的呼叫信號(有呼叫請求時，相應寄存器為l，否則為0)，如有，將相應的寄存器的脈沖數與比較寄存器進行比較，如相同，則在該樓層減速停車;如果不相同，則將該寄存器數據送入比較寄存器，并將原比較寄存器數據保存，執行該樓層的減速停車。
4.3 采用先進先出隊列
根據電梯的運行方向，將同向的優先級隊列中非零單元(有呼叫時此單元為七零單元，無呼叫時則此單元為零)送入寄存器隊列(先進先出隊列FIFO), 利用先進先出讀出SFRDP指令，將FIFO第一個單元中的數據送入比較寄存器。
4.4 對變頻器的靈活控制
PLC根據控制的要求，可向變頻器發出正向運行、反向運行、減速以及制動信號，再由變頻器根據一定的控制規律和控制算法來控制電機。
4.5 可靠的系統工作狀態
當系統出現故障時，PLC可向變頻器發出信號，則避免了更大事故的發生。
5 結束語
以PLC和變頻器為核心的電梯控制系統可根據客戶的要求對以往的電梯控制系統進行改造，這不僅避免了舊系統的諸多缺點而且更加節約能源。本控制系統具有先進、可靠、經濟的特色。