西门子PLC模块6ES7315-2EH14-0AB0
| 一、引言 随着我国经济的迅速发展，电梯市场异常繁荣，年需求4万多台，成为全世界*为活跃的市场。由于我国电梯受日本产品的影响较大，人们对于电梯舒适感的要求越来越高。如何提高电梯运行的舒适感成为各个电梯厂家关注的一个重要问题。 二、 选用品质优良、稳定的曳引机 电梯控制系统应该说是一个机械系统。电梯运行就是轿箱在导轨上的往复机械运动，由于其载人功能，对其可靠性、振动噪音和舒适感提出了较为苛刻的要求。电梯机械的可靠性由机械设计和材料的选型可以完全保证。轿箱在X、Y方向的机械振动完全靠导轨的安装和导靴的加工精度和质量来保证，而Z方向的机械振动与曳引机及其驱动电机、变频调速器息息相关。 曳引机是电梯运行的驱动装置，其性能直接关系到电梯运行的舒适感。曳引机的机械间隙对电梯的影响主要体现在电梯在加减速过程中，在电机速率发生变化时，电动运行和发电运行状态将发生切换，造成电梯的振动，极大地影响了电梯的舒适感。在电梯S曲线加减速过程中，一般各有一两次明显失重或者超重感觉，并伴随曳引机发出异响。对于一些改造的双速旧梯用曳引机，由于多次高低速切换的巨大冲击，造成连接套轴中的橡胶垫片严重磨损，也会造成上述现象。电梯厂家必须对新选型的曳引机的间隙必须提出明确的要求，并在维保时定期检查连接轴的磨损情况。 曳引机内部齿轮或者涡轮涡杆的加工、安装精度差、动平衡调节不好，也会造成电梯在高速时产生振动和噪音。笔者曾经在某个厂家，发现电梯运行的垂直振动特别大，采用了一切办法均无效的情况下，怀疑为曳引机问题，厂家不相信，更换市场上所有品牌变频器，均无改善，更换曳引机，问题得到解决。结果问题是该曳引机生产厂家规模小，检测手段落后，生产的曳引机，一致性难以保证，给电梯厂造成重大直接和间接的损失。曳引机的选择，不能贪图便宜，必须选择技术实力雄厚，检测手段齐全，质量保证体系健全的厂家。还有一点要强调的是，在同样梯速情况下，以选择曳引机减速比大的曳引机为好。因为减速比大，造成的倒溜现象就小，启动舒适感就容易调整。实践证明，同样梯速下，采用6极电机曳引机比采用4极电机的启动舒适感差。本质原因是6极电机比4极电机的启动转矩并没有大1.5倍以上。 三、选用品质优良的驱动电机 在保证曳引机质量的前提下，与曳引机配套的电机的性能也直接关系到电梯的起制动过程的性能，问题主要表现为启动舒适感的好坏。如果电机的启动转矩大，在电梯松闸的时刻产生的倒溜就会很小。目前，在许多变频器的手册中，有严重误导用户的说法。变频器可以达到200%甚至300%以上的启动转矩，实际上都是没有实际意义的。如果一个电机的设计启动转矩Mst和*大转矩Mmax 小，变频器再好，也不会产生大的输出转矩，还容易产生速度的波动，造成振荡。 根据异步电机的基本知识，电机的M-N曲线如图1（a）所示，图中A点为*初启动转矩点，B点为*大转矩点，C点为额定工作点。其中电机的启动转矩Mst与电机的转差率s有关，转差大，初始启动转矩大，要提高转差，要求转子电阻Rr大，转子电感小，图1（b）示出了转子电阻不同情况下的机械特性曲线。从图上还可以看出，随着转子电阻增大，*大转矩Mmax未发生变化，其对应的*大转差Sm增大，在同等负载下，转差也增大。这就是进口品牌电梯采用高转差电机的原因。可是目前许多进口品牌曳引机为了降低成本，均配备国产低转差电机，转差频率一般小于2.5Hz，其启动性能大打折扣。在选择曳引机品牌时，其配套电机的品牌和性能的选择也同等重要。 异步电机矢量控制是完全基于电机参数的矢量控制，电机参数必须能够进行自动学习。否则，取得不了优越的性能。必须选用能够进行电机参数自学习的变频器。变频器必须具有零速150%以上的转矩输出，可以保证良好的启动和停车舒适感。需要非常好的过载能力，110%的额定负载，必须连续运行，特别对于高层电梯，需要满载运行超过30S以上的，更要考虑这一点。一些国外厂家的变频器，****额定负载，不能够连续运行60S，在用于高层电梯控制的时候，均建议放大一档使用，给用户造成了不必要的经济损失。 选定好变频器后，要做到比较好的舒适感，关键还要调试好变频器的性能及运行曲线。电梯在启动的时候，由于机械导靴有比较大的静摩擦力，可以通过调节启动速度和启动速度保持时间来消除。一般变频器均有速度环PI参数调整功能，通过速度环PI参数调整，可以有效调整变频器的动态响应速度和稳速精度，可提高电梯的启动和稳态运行的舒适感。启动性能与低频PI参数有关，可以先将低频I设定为零或者比较大的值，不考虑平层精度情况下调节KP，增大KP，低频动态响应加快，启动转矩大，KP过大，容易引起振荡，启动和停车爬行的舒适感会变差。必须增大KP到电梯在满载、空载情况下，不振荡为临界，可以逐步减小I参数，达到启动，爬行均满意的效果。高频PI参数调整原则是，保证启动加速和停车减速过程的超调*小，一般小于2%额定速度，又要保证稳速情况下的速度精度，一般不超过0.001m/s。先将高频I设定为零或者比较大的值，调节K，使参数小于电梯在高频稳态产生振荡的临界参数，逐步减小I，使得超调达到要求的指标。对于采用相同曳引机和机械的场合，可以在调好一台电梯情况下，通过键盘参数拷贝来实现复制。上述中，积分时间常数I的单位为时间单位S。特别提醒的是，目前市场上的绝大多数变频器PI参数采用独立的两个数来调整，没有实际物理量概念，此时的I越大，相当于时间常数越小。 对于加减速过程中的舒适感，要通过S曲线调整来解决。一般是加速度和减速度在0.5~1m/s2 之间，开始段急加速和结束段急减速可以调整为0.25~0.5m/s3，结束段急加速和开始段急减速可以在0.5~0.9m/s3 之间。S曲线的调整还与电梯的场所有关，对于医院、疗养院等对舒适感要求很高的场合，需要减小相应参数，对于办公写字搂等需要高效率的场合，可以适当增大相应参数。结束段急加速和开始段急减速的增大，有利于克服间隙造成的加减速过程的抖动。 五、 采用**控制时序 **的控制时序如图2所示，变频器接收到运行命令后，先进入零速运行过程，延时T1，保证电机励磁达到稳态后打开报闸，变频器开始运行启动速度的启动速度保持时间T2后是高速、低速到零速，零速运行T3后，在保证惯性影响为零的情况下，关闭报闸，由于报闸抱紧需要一定时间，必须延迟T4后撤消运行命令。按照此时序，可以保证启动和停车均有理想的舒适感。在艾默生TD3100变频器中，T1由F7.00设定，T2由F3.01设定，T3由F7.01设定，T4由控制决定，如果控制器延迟时间不够，TD3100变频器将自动延长命令保持时间。 1、启动补偿 对于1.75m/s以下的中低速电梯，由于运行速度较低，基本不需要启动补偿就可以达到比较满意的程度。对于1.75m/s以上的中高速电梯，如果启动舒适感要求比较高的场合，就必须添加称重装置，进行启动转矩的补偿。一般有两种称重装置，开关量检测和模拟量检测方式。对于开关量检测具有成本低，但只能够做到有级，一般安装4个开关，可以在空载和满载之间实现任意4点的准确补偿，由于是有级补偿，还不能够做到理想的程度。模拟量传感器可以实现无级补偿，存在的问题是模拟量传感器往往随着电梯的使用，其输出会发生偏移，造成补偿错误，效果有时会比不补偿还差，需要定期对补偿增益进行调整。艾默生TD3100电梯专用变频器启动转矩补偿原理如图所示： 许多电梯厂家，对于减振器选用非常随意。实际上减振器对于提高电梯的舒适感有非常重要的作用。减振器一般有曳引机底座的橡胶减振垫、轿箱底部的减振弹簧或橡胶减振垫、轿箱顶部的钢丝绳减振器三种。曳引机底座的减振垫质量和减振效果千差万别，它直接影响到电梯的舒适感，特别是当电梯上行到顶层2至4层启动、停车时，问题将表现的异常突出。轿箱底部的减振器的质量将直接关系到电梯稳态运行的平稳性，如果弹性系数大，特性太硬，将起不到减振作用，会产生高频振动，人体会感觉到麻脚的感觉，严重时，将造成轿箱的高频振动，产生比较大的噪音。将产生低频振荡，造成人体的下沉感。必须合理选用。钢丝绳的减振作用与轿箱底部的减振器作用相同，必须根据楼层高度，选用弹性系数合理的钢丝绳，在保证满载情况下，伸缩量符合要求的情况下，达到良好的减振效果。在高层电梯上，由于钢丝绳较长，松紧程度一致性差时，容易造成高速运行时钢丝绳的摆动，互相撞击造成轿箱的振动。一个有效的方法就是在钢丝绳末端添加钢丝绳减振器，对于钢丝绳的振动波产生有效的吸收，防止反射而形成差拍现象。 3、 编码器的合理选用 编码器是电梯变频器闭环的必要器件，其合理选用对电梯的安全、可靠运行产生重大影响。从安装方式上，轴套式更加可靠，但价格相对连轴式稍贵。目前许多采用连轴式编码器厂家，由于标准连轴器在同轴度不好的情况下，很容易折断，可靠性非常差，就自己采用非常简单的连接方式，给电梯的运行带来安全隐患。从接线方式上讲，有推挽输出的和开路集电极输出的，建议在编码器连线超过5m以上时建议选用开路集电极编码器，以提高抗干扰能力。 编码器的每转脉冲数一般在300以上就可以保证变频器的正常运行，建议在成本许可的情况下，**将编码器每转脉冲数提高到1000到2000，可以大大提高电梯的启动舒适感。原因是每转脉冲数越大，启动溜车就容易实现快速检测，从而达到转矩的快速调整，减小溜车。 4、 控制系统的合理接地 电梯控制系统中，接地是一个影响可靠性的关键问题。由于我国供电的不规范，大多数场合是三相四线制，而非三相五线制，接地问题变得更加突出。在安装调试时必须保证控制柜、曳引机及轿箱可靠接地或零，是编码器接地。要强调的是，目前市场上编码器的规范性较差，有些编码器自身的抗干扰能力差，设计厂家将编码器引线的屏蔽层与编码器外壳连接，这是非常严重的错误。如果用户将编码器屏蔽层与变频器的地相接时，由于两端接地，变频器与电机之间存在电位差，容易产生干扰，轻者造成电梯的低频抖动和随机的过流保护，重者当调试现场曳引机没有接地或者接地不良时，电机的漏电将造成变频器接口板的严重损坏。建议选用屏蔽层与外壳不连接的编码器，实施远端一点接地，可以大大提高系统的可靠性。 5、 制动电阻的合理选取 制动电阻是用于消耗电梯在发电过程中产生的回馈电能，电阻阻值的选取参考变频器说明书有关内容以****制动转矩选取，电阻功率大小直接关系到体积和价格，许多厂家不知道如何选取，同等功率的变频器电阻全部是一样的。这是存在严重隐患的。因为电阻的功率与楼层的高度是有关的，一个6层楼和一个30层大楼，所用变频器可能均是15KW，变频器发电连续运行的时间相差5倍，其功率也需要相差5倍，才可以保证可靠性，延长电阻的寿命。电阻的功率应该先按照连续制动计算，根据不同楼层高度相应地调整功率 |
PAC（可编程自动控制器）应运行而生
当今，在设计与建立控制系统放时，工程师们总是希望能使用比较少的设备来实现更多的功能。尤为当今，他们需要的控制系统不仅能处理数字I/O和运动，还可以集成用于自动化监控和测试的视觉功能和模块化仪器，还必须能实时地处理控制算法和分析任务，并把数据传送回企业。这就是说要求产品能结合**的功能和可靠性对于这复杂的应用，仅单靠PLC或PC的不全面解决方案是困难的，这是什么原因？因基于PC的工业控制有以下弱点：
■稳定性-通用的操作系统常常不够稳定并且生产线会受到系统崩溃和无法预料的重启的影响。
■可靠性-由于磁性硬盘的旋转和有像电源这样的部件，其坚固程度达不到工业标准，PC容易发生故障。
■不熟悉的编程环境-当系统停止时，工厂的操作人员需要恢复系统。对于梯形逻辑，操作人员能知道采用人工方法启动一个线圈或者补充代码来快速恢复一个系统。使用PC系统，操作人员需要学习新工具。
图1：为具有PC软件功能和PLC可靠性功能的新兴可编程自动控制器PAC 示意图
使PLC增加视觉、运动、仪器和分析功能等全方位的自动化技术，显而易见是望尘莫及。必须希望拥有PC的功能和PLC（可编程控制器）的可靠性的**方案，则可编程自动控制器（PAC-ProgrammableAutomationController）就是这样的平台，它能**结合PC和PLC两者的优势（见图1所示），它提供了开放的工业标准，可扩展的领域功能，一个通用的开发平台和一些**性能。这是当今设计与建立控制系统发展的需要，属工业自动化领域中比较完善的新兴控制器。
那"PAC是什么？"PAC这一术语，它定义了一种新类型的控制器.该控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性。PAC采用现有的商业化技术（COTS），非常适合于工业化环境，它具有可伸缩性，易于维护和具有较低的发生故障时间等特性。
关于PAC的平台
快速增长的PAC平台是基于PXI。由于PXI结合了PCI总线的电路特性和CompactPCI坚固的欧罗卡机械结构，这种结构已在工业环境中成功使用了许多年，当今NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供应商现在可提供1，000多种独特的I/O模块，包括模拟I/O、数字I/O、视觉、运动和高精度数据采集。典型的可提供以下四种PAC硬件平台。
■PXl对工业化PC做了改善，具有实时OS，标准的散热，可选的不旋转固态硬盘和内置的模块间同步。PXl标准要求所有的机箱能为每个模块插槽提供25W的空气流制冷，这样甚至在使用高功率继电器，高速PXl或CompactPCI卡时也不会使工作系统过热或者缩短寿命。PXl也提供了能严格同步各个模块的功能，工程师可以为高速控制应用设计运动，视觉和I/O系统，这些应用包括产品包装和半导体器件处理。
■CompactFieldPoint使用工业级的部件来抗强冲击和振动，其工作温度范围为-40℃到70℃。它也采用传导式制冷来代替旋转风扇，由于不使用活动部件而提高了可靠性。由于有运行实时OS的浮点处理器，CompactFieldPoint系统具有PC功能，用于记录数据的CompactFlash驱动和用于通信的以太网口。
■Compact Vision系统是为机器视觉而专门设计的坚固的控制器。它使用，IEEE标准1394FireWire接口，可以在视觉应用中和16台摄像机通信。CompactVision系统也采用不活动的部件和传导式制冷，您可以把系统固定在机器附近。它提供29个内置的数字I/O通路，这些通路可由LabVlEWRT或使用LabVlEWFPGA的嵌入式FPGA来直接控制。
■CompactRIO是新型的可重复设置的嵌入式系统，它基于LabVlEWFPGA和LabVlEW。实时技术.CompactRIO系统采用具有3百万门的FPGA芯片来控制模块化的数字和模拟I/O。这些FPGA芯片可以运行嵌入在芯片里的代码，它的数字循环的速率高达MHz，模拟循环的速率为150kHz。FPGA可以把信息传回到运行LabVlEWRT的浮点处理器以进行**计算和数据记录和通信。由于有金属外壳和传导式制冷，该控制器非常适合用于严酷的环境。
PAC定义的几种特征和性能（见图2）。
图2： 为PAC特征性能图解示意
■供通用发展平台和单一数据库，以满是多领域自动化系统设计和集成的的通用开发平台；
■一个轻便的控制引擎，可以实现多领域的功能包括：逻辑控制、过程控制、运动控制和人机界面等，为统一平台；
■允许用户根据系统实施的要求在同一平台上运多个不同功能的应用程序，井根据控制系统的设计要求，在各程序间进行系统资源的分配；
■采用开放的模块化的硬件架构以实现不同功能的自由组合与搭配，减少系统升级带来的开销；
■支持IEC 611 58现场总线规范，可以实现基于场总线的高度分散性的工厂自动化环境；
■支持事实上的工业以太网标准，可以与工厂的EMS，ERP系统轻易集成；
■对于网络协议、语言等，使用既定事实标准来保证多供应商网络的数据交换。
PAC可执行较多的**任务
■实时的振动分析、图像处理．运动控制和CAN；
■执行自动调节的PID控制，或可调增益的PID控制．模糊逻辑；
■使用内置Web服务器、FTP服务器和e-mail功能进行通讯。
PAC应用举例
用PAC结合NI PXI和图形软件LabVIEWRT（实时）实现钢条高精度监控和高可靠闭环控制系统-自动化处理设计方案。.
项目设计
由于金属工业系统需要冷轧钢厂生产出统一厚度的钢条（以钢卷的形式），为此这些轧钢厂需要由对生产的钢条规格进行监控的高可靠闭环控制系统.这就是本PAC应用的设计任务
系统技术要求
该系统能进行高精度监测和控制并以更快的响应时间（比传统PLC）；可保证每周七天、每天24小时连续的高可靠工作，并且*大限度地减少人工操作。
系统设计方案
钢条规格的高精度监测
由于NI基于PXI和实时的PAC平台非常适合用于高精度监测，故可利用NI 公司的图形软LabVlEWRT（实时）和PXI硬件开发出基于NI可编程自动控制器（PAC）的规格监测和控制系统.用PAC控制系统实时地监测钢片的厚度并以快速而确定的响应时间控制计量仪。