西门子变频调速控制系统设计毕业设计论文Word下载.docx

1、 国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。 1.1 综述电梯的发展 1.1.1 电梯的发展史 在现代社会和经济活动中，电梯已是城市物质文明的一种标志。 在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。 每幢大型高楼都可以说是一座垂直的城市。 电梯不仅是代步的工具，也是人类物质文明的标志。 电梯曳引传动控制技术也经历了由简单到复杂的发展阶段。 从19世纪末电梯问世开始，对于调速性能要求较高的电梯，都是采用直流电机控制。 直流电机控制系统具

2、有调速范围宽、可连续平衡地调速以及控制方便、灵活、快捷、准确等优点。 然而，早期的直流电机控制系统往往是直流发电机一电动机组调速系统，其体积、重量、能耗和噪声都很大。 由于交流单速控制和交流双速控制电梯的结构简单、价格较低、使用维护方便，所以从电梯问世至今，交流单速控制和交流双速控制一直广泛地应用于调速性能要求不高的场合。 交流双速电梯是靠改变定子绕组接线以变换电动机极对数P的方法进行调速。 变极调速转速是成倍地变化，因此调速的平滑性差，但它在每个转速等级运转时，都具有较硬的机械特性，稳定性好，但乘坐舒适感差，普遍应用于货梯。 1967年，出现了交流调压调速（ACVV）控制。 交流调压调速是通

3、过控制电动机定子绕组电压来改变转差率s的方法实现调速。 交流调压调速系统采用调节器调节晶闸管交流调压电路中晶闸管的触发脉冲相位，即调节电动机的端电压，达到改变转速的目的。 交流调压调速控制电梯在起动、稳速及制动的全过程中实现了闭环控制，将速度给定曲线以模拟量或数字量的形式送入电梯传动系统，在反馈控制的作用下，使电机转速跟踪给曲线变化。 其制动减速可采用能耗制动、反接制动等方式，乘坐舒适感、平层精度均优于变极调速双速电梯，其缺点是电动机转子的发热较大、能量消耗较大。 在1980年，出现了将微机用于速度控制和运行管理控制的全电子化交流反馈控制的电梯，其精确的控制使电梯的舒适感和群控性能得到进一步提

4、高。 应用微机取代继电器控制逻辑实现闭环控制，进一步提高电梯的性能和可靠性，并减少现场调试要求，是电梯控制技术的方向。 1984年，由于固态功率器件的不断发展及微机技术的应用，出现了交流变频调速（VVVF）电梯控制系统。 交流变频调速是通过调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率来调速的。 它通过电压、电流和速度的信号反馈，由计算机对交流电动机进行精确调节控制，使电梯运行效率大大提高，运行性能更加完善。 VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层、准确、低噪音、安全等目标。 由于其具有优越的调速性能、显著的节能效果，已取代交流调压调速电梯成为电梯控制方式的主流。 1.1.2

5、 电梯的发展趋势 （1）电梯品种的变化 电梯的品种要随着建筑需求而变化，电梯制造商提供的品种愈多，其市场占有量也一定愈大。 随着超高层建筑的增多，就需要高速、大容量的电梯。 近几年住宅电梯的开发的热潮已出现，多层及小高层大楼配置的廉价、实用可靠的经济型住宅电梯是一个必然趋势。 无机房电梯是在电梯驱动装置及其布置方式上具有独特风格的一种产品。 它代表了电梯技术的一种发展趋势。 （2）电梯的智能化 智能化的电梯首先要与智能化的大厦所有自动化信息系统联网，如与消防、保安、楼宇设备控制等系统交互联系，使电梯成为安全舒适、高效优质的服务工具。 串行通讯以其布线简单，信息传输量大等优点，在电梯控制系统中的

6、应用日益增多，由于去掉了微机接口板上大量输入和输出电路，减少了井道、机房中的布线数量，可靠性大大提高。 电梯困人故障一直因扰着电梯的承包商，远程监控服务系统集通讯、故障、诊断、微处理机为一体，可以通过市话线传递电梯的运行和故障信息到远程服务中心。 （3）绿色电梯 绿色电梯的研究的重点主要在电梯的制造、配置以及安装和使用过程中的节能和减少环境污染等方面。 减少电梯能耗的措施是多方面的，主要包括： 原材料的充分利用和再利用；电梯数量和电梯参数的优化配置；选择高效的驱动系统；减少电梯机械系统的惯性和磨擦阻力；合理应用对重或平衡重；选用节能照明；客流和运货的规划；出入口的布置等。 而减少能耗的另一途径

7、是电梯运行过程的能耗控制。 利用电梯空载上行、满载下行时电机处以发电状态的特性，将再生能量反馈给电网。 利用电梯机房在楼顶的优势，充分利用太阳能作为电梯的补充能源也将是新的课题。 （1） 电梯继电器控制系统 （2） 电梯继电器控制系统的优点 （3）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。 （4） 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。 （5）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。 （6） 多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。 1.2.2 电梯继

8、电器控制系统存在的问题 （1） 系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。 （2） 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。 （3） 电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。 （4） 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。 （5） 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；而且检查故障困难，费时费工。 电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。 且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还

9、可能出现人身事故。 1.3 PLC及其在电梯控制中的应用特点 1.3.1 PLC的特点 PLC控制制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用十传统继电器控制系统的技术改造。 PLC是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。 由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。 因此在工业控制方面得到了广泛应用。 自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来，由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用。 并形成了一系列的定型产品。 在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直

10、是主流控制系统。 电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。 调速部分的性能对电梯运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。 为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。 可编程控制器（Programmable Logic controller，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。 它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的二大支柱之一。 1.3.2 PLC控制电梯的优点 （1） 在

11、电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。 （2） 去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 （3） PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 （4） PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 （5） 用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。 （6） 更改控制方案时不需改动硬件接线。 1.4 变频调速控制电梯的特点 变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 （1） 变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容

12、量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。 （2） 变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能;调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。 （3） 变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。 2 方案选择 2.1 变频器的选择 随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。 目前有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强

13、，使用灵活，但价格相对较贵。 2.1.1 变频器的分类 变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类: （1） 按变换频率的方法分 交直交变频器 交交变频器 （2） 按主电路工作方式分 电压型变频器 电流型变频器 （3） 按变频器调压方法的不同分 PAM变频器 PWM变频器 （4） 按工作原理分类 U/f控制变频器 VC控制变频器 SF控制变频器 （5） 按照用途分类 通用变频器 高性能专用变频器 高频变频器 2.1.2 简述通用变频器的概况 通用变频器的发展 上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。 在近20年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个

14、大发展过程： （1） 容量不断扩大 80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。 到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA, 400KVA以下的已经系列化。 前几年主开关器件开始采用IGBT，仅二、四年的时一间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA,随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。 （2） 结构的小型化 变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。 另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜棍合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路

15、、保护电路等封装在一起，构成了一种“能电力模块”（Intelligent Module）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速可靠，传感信号也十分迅速。 （3） 多功能和智能化 电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。 特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。 人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。 日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变

16、成一种具有高度软件控制功能的新机种。 8位、16位及32位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。 32位数字信号处理器（Digital Signal Processes-DSP）的应用将通用变频器的性能提高一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸功能”。 目前，新一代变频器开始采用新的“精简指令集计算机”（Reduced Instruction set Computer-RISC），将指令执行时间缩短到纳秒级。 它是一种矢量（超标量）微处理器，其功能着重点放在常用基本指令的执行效率上，舍弃了某些运算复杂而使用率不高的指令，省下它们所占用的硬件资源用十提高基本的运算速度，达到了以“每秒上亿条指令

17、”为单位来衡量运算速度的程度。 有文献报道，RISC的运算速度可达1000MIPS,即10亿次/秒，相当十巨型计算机水平。 指令计算时间为Ins量级，是一般微处理器所无法比拟的。 有的变频器厂家声称，以RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计计算、PID调节器在线实时运算。 （4） 应用领域不断扩大 通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。 最初通用变频器仅用十风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，

18、其应用领域得到了相当的扩展。 如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器;金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并巨还将继续扩大。 2.1.3 VG-616G5型通用变频器 由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。 考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器。 它具有

19、磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。 另外，VS-616G5变频器的启动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0. 010. 02%使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。 无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。 采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。 VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通

20、用型变频器。 这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速围5。 VS-616G5变频器的特点如下: （1） 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。 （2） 有丰富的内藏与选择功能。 （3） 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。 （4） 保护功能完善、维修性能好。 （5） 通过LCD操作装置，可提高操作性能。 VS-616G5型变频器的标准规格如表2.1所示。 表2.1 VS-616G5型变频器的标准规格 220V级 输出特性 最大输出电压 3相,200/208/220/230V

21、（对应于输入电压） 额定输出频率 最大400Hz 额定输入电压和 频率 3 相，200/208/220V 50Hz 200/208/220/230V 60Hz 电源 允许电压波动 +10%，-15% 允许频率波动 5% 400V级 输出特性 最大输出电压 3相,380/400/415/440/460V（对应于输入电压） 额定输出频率 最大400Hz 额定输入电压和 频率 3相,380/400/415/440/460V 50-60Hz 电源 允许电压波动 +10%，-15% 允许频率波动 5% 控制 特性 控制方式 正弦波PWM （V/f控制、带PG反馈的V/F控制、开环矢量、闭环矢量控制4种控

22、制方式任选性） 启动力矩 150%/1Hz（带PG, 150%/Ormin） 速度控制范围 1:100（带PG, 1:1000） 速度控制精度 0. 2%（带PG，0. 02%） 速度响应 5Hz（带PG, 30Hz） 力矩限制 可采用（参数设定： 4级可变） 力矩精度 5% 力矩响应 20Hz（带PG, 40Hz） 频率控制范围 0. 1400Hz 频率控制精度 数字指令:0. 01% （ -10 0C+40 ） 模拟指令:0.1% （25010 ） 2.1.4 变频器的参数设置 由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。 （1） VS-616G5变频器的

23、参数 616G5变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。 常用参数如表2.2所示。 参数 功用 A组 B组 C组 D组 E组 F组 G组 确定控制模式 选择运行功能 确定加减速时间及转矩补偿时间 选择频率 确定运行压频曲线 保护设置 确定偏差标准 （2） 参数设计的原则： 减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些。 提高了运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车击。 零速一般设计为0Hz，速抱闸功能将影响舒适感。 变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置如表2.3安川616G5变频器主要参数设置

24、表 表2.3 安川616G5变频器主要参数设置 参数 名称 设定值 说明 A1-02 控制方式选择 2 不带PG矢量控制方式 B1-01 频率指令选择 1 B1-02 运行指令选择 1 B1-03 停止方法选择 0 表2.3 安川616G5变频器主要参数设置 续表1 B1-04 反转禁止选择 0 B2-01 零速电平选择 0.1Hz B2-04 停止时直流制动时间 1.0S C1-03 加速时间2 2.0S C1-04 减速时间2 2.0S C2-01 加速开始时s型曲线时间 0.6S C2-02 加速完了时s型曲线时间 0.6S C2-03 减速开始时s型曲线时间 0.6S C2-04 减速

25、完了时s型曲线时间 0.6S C5-01 ASR比例增益1 5 C5-02 ASR积分时间1 3S D1-09 检修速度 200rpm E1-01 输入电压设置 380 E1-04 最高输出频率 50Hz E1-05 最大电压 380 E1-06 额定电压频率 50Hz E1-09 最低输出频率电压 0V E2-01 电机额定电流 按电机铭牌设置 E2-02 电机额定滑差 按电机铭牌设置 E2-03 电机空载电流 按电机铭牌设置 E2-04 电机极数 按电机铭牌设置 F1-01 PG常数 根据旋转编码器铭牌设置 F1-02 PG断线检测时的动作选择 0 F1-03 超速时的动作选择 0 F1-

26、04 超度偏差过大时的动作选择 0 F1-05 PG分频比 根据电机极数设置 2.2 PLC的选择 2.2.1 PLC的定义 1980年PLC问世后，由美国电气制造商协会对PLC下过如下的定义: PLC是一种数字式的电子装置。 它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。 1982年，国际电工委员会（International Electrical Committee IEC）颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义： PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作

27、的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。 2.2.2 PLC的主要功能和应用 PLC的主要功能和应用如下： （1） 开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。 它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。 （2） 模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，

28、这些都属于模拟量。 为了实现工业领域对模拟量 控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。 特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。 另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。 （3） 定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。 其定时时间间隔可以由用户加以设定。 对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。 （4） 数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据

29、传送，而还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。 （5） 信号连锁系统信号连锁是安全生产所需的。 在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。 对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。 （6） 通信把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。 2.2.3 PLC的选型 在工程应用中可选用的PLC机型很多，比如三菱公司的FX系列、OMRON公司的C系列、西门

30、子等，它们功能都差不多，在工程应用中各有千秋，至于要选择哪种机型，就要根据自己的设计需要及应用水平。 因为根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。 又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。 SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。 其中，小型的有SIMATIC S7-200系列，最小配置为8 DI/6DO，可扩展27个模块，最大I/O点数为64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATIC S7-300系列；中高档性能的有S7-400系列。 SIMATIC S7系列PLC都采用了模块化、无排风扇结构且具有易于用户掌握等特点，使