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基于S120變頻器的電梯控制系統設計


電梯屬于特種設備,其設計、制造和安裝要滿足國標GB7588-2003和GB/T10058-1997的要求。變頻器是驅動電梯曳引電機的核心電氣設備,直接影響著電梯運行的安全性和穩定性。對電梯的安全可靠的運行是非常重要的。許多公司針對電梯的特殊要求,推出了電梯專用變頻器來滿足電梯的特殊要求。常見的有富士,MM440變頻器等。而近年來,西門子公司推出的S120多功能變頻器是一種高性能、高精度的變頻器。集V/F控制、矢量控制、伺服控制等一體化,采用模塊化的設計的多軸驅動系統。該系統由控制單元、整流單元、傳感器單元和編碼器等通過驅動接口連接形成一個大的控制系統。因此在現行電梯控制系統的基礎上,設計一款基于S120變頻器控制系統有重要意義。
1、系統的構成
電梯的控制系統主要有邏輯控制和變頻調速系統構成。電梯控制系統結構如圖1所示,邏輯控制采集現場信號,電機速度型號等,并且輸出顯示信號和報警信號等,另外也能實現電梯內部及后臺之間的通信連接。變頻調速系統接收主板的啟停和速度命令信號驅動曳引電機的運行,并通過電機末端的編碼器把電機的轉速信號反饋主控制板,形成閉環控制,主板根據反饋的信號調整變頻器的轉速。從而保障保障變頻器驅動電機拖動電梯轎廂穩定、安全運行。

圖1電梯控制系統結構
2、基于S120變頻器的電氣系統設計
2.1系統結構
S120變頻器的電氣系統主要控制元件包括主控制器、S120變頻器、編碼器及各種傳感器。主控制器使用HCR5600,其內部集成雙32位單片機,支持CAN、RS485和RS232通信,能夠和變頻通信,并支持而群控、并聯、有線或者無線監控等功能。主控制器響應樓層的呼叫信號、轎廂信號和開關門信號等,向變頻器發送控制命令啟動系統運行。并通過反饋編碼器實現穩定控制。SIEMENSS120變頻器給電機提供頻率可調的交流電源,實現電梯的高速、中速和低速運行,達到節能和穩定控制。變頻調速系統結構如圖2所示,主要有功率單元PM340、控制單元CU320和SMC20三個單元組成。功率單元完成頻率和電壓的變換,控制單元在速度控制模式下最多能控制4個矢量軸或6個伺服軸,可以輕松的完成電梯的控制任務,編碼器模塊單元完成系統的閉環控制。

圖2變頻調速系統結構
2.2主電路設計
系統主電路如圖3所示,三相電源經過變頻器啟動接觸器KM1和KMC與變頻器接口模塊相連,經整流單元后與逆變模塊連接,輸出端U2,V2,W2經接觸器KMY1與曳引電機構成供電主回路。系統上電后,主控板給輸出信號使得KM1、KMC閉合,變頻器主回路接通。同時變頻控制回路初始化,并把該結果經過PLA節點發送給主控制板。但是輸出端接觸器KMY1斷開,只有電梯需用運行時才使得KMY1接通拖動電動機運行。
2.3系統模塊功能
CU320是SINAMICSS120變頻器的控制單元,主要用來控制和調節系統中所有功能模塊,最終完成各軸的速度、電流及位置的精確控制。用一塊CU320可以實現各軸之間的數據交互。即任意一軸都可以識別控制器中其他軸的數據,這項功能被廣泛用于軸之間的簡單同步。SMC20是編碼器接口模塊,最大接收頻率500KHZ,同時是信號轉成DRIVE-CLiQ接口信號。而電源模塊主要有三種:基本型、主動型和智能型,該系統選擇主動型電源模塊,具備整流反饋單元,且直流母線電壓可以調整。
2.4控制回路設計
在曳引機的驅動軸上安裝有旋轉編碼器,永磁同步電機的編碼器為海德漢ERN1387增量式編碼器。編碼器器信號分成兩路,一路反饋至變頻器信號輸入端構成閉環控制;另外一路反饋至主板,使主控制板根據偏差量控制電梯的平穩運行。
多段速控制原理如圖4所示,變頻器以多段速方式運行。主控制板依據電梯內選或者外呼叫信號,計算出目標樓層,此時閉合KMY1變頻主回路接通,根據主控板發出的上行或者下行信號使能變頻器的FWD或者REV端子,并且運行信號RDY有效后,打開抱閘。啟動電機,并根據主板的信號選擇多段速端子SS1、SS2、SS4的頻率組合。變頻器就按照設定的頻率和運行曲線運行。

圖3電氣系統主回路原理圖

圖4多段速控制原理圖
當需要停止時,主板APCR在預設的減速距離時把多段速度改為爬行速度給變頻器的數字量端子,電梯就會按照變頻器設定的速度曲線運行至爬行速度。當快到平層時多段速信號關閉,然后激活下閘信號,最后停掉方向信號,完成一個流程。
2.5S120變頻器參數設置
確認S120驅動系統各部分已通過通訊線纜正確連接,并且CF卡正確插入S120驅動系統中CPU模塊內。至此,驅動控制系統硬件連接已就位。確保控制柜內其它電氣線路準確無誤后,上電。待S120驅動系統各模塊就位,狀態指示燈RDY為綠色,此時,硬件就位。使用標準網線分別接入CPU模塊以太網口與電腦RJ45以太網口,完成調試設備與S120硬件通訊硬件連接。設置前電機的抱閘開放,參數設置主要包括電機參數整定、角度學習與空載動態優化三個部分。
(1)電機參數整定
打開Vector_02參數組,修改參數P340=1,把電動機的功率、電壓等銘牌參數寫入變頻器,設置完成P340恢復為0;然后更改參數P1910=1,進入CU320數據組,打開輸入輸出參數表,把參數X122中DI1改成Simulation方式并激活,使能整流模塊,同時開始電機參數整定,結束時把P1910恢復成0,并撤除DI1的激活狀態。
(2)角度學習
修改專家參數組中P1990=1,進入CU320參數組中的輸入輸出參數表,把X122中DI1設為Simulation控制方式并激活,使能整流模塊,此時角度學習開始,電機緩慢轉動,學習結束后P1990自動恢復為0,手動撤除DI1激活狀態;學習完成后,查看參數P431角度學習值。之后,重復學習3次角度值觀察P431數值變化,如基本保持不變則將此角度值保存寫入變頻器。
(3)空載動態優化
設置Vector_02參數組中,專家參數列表中的P1960=1,之后CU320參數組中的Iuputs/outputs子參數表,將X122中DI1設為Simulation控制方式并激活,使能整流模塊,此時動態優化開始,電機高速轉動,學習結束后P1960自動恢復為0,手動撤除DI1激活狀態。試運行。
完成上述3項參數設置后,短接控制柜內輸出端子進行各段速下空載運行,觀察各段速下曳引機轉動是否正常,平穩,有無異響。
3、系統控制流程
主控制器使用HCR。系統工作過程如圖5所示,上電程序初始化,接到呼叫電梯信號后電梯運行,中途如果有順向信號則響應信號。達到目標樓層時,電機減速平開關門。如果沒有呼叫信號,則流程結束。如果有呼叫信號,則返回重新運行。系統順向信號優先,逆向樓層信號暫存。等順向呼叫信號執行完畢后,執行逆向信號。

圖5系統工作流程
4、結束語
通過對S120電梯變頻調速系統進行分析和設計,對變頻調速各模塊之間的拓撲結構進行優化。并對變頻調試的主電路和控制回路進行設計。經過對S120設定的參數進行多年測試,運行穩定可靠,直接由變頻器引發電梯故障幾乎為零。S120變頻器強大的功能,能夠保障使電梯運行穩定、故障少,具有廣闊的應用空間。

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