PLC的变频调速电梯控制系统的设计Word格式文档下载.docx

1、微机控制第1章 引言电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。而PLC实际上是一种专用计算机，它采用循回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否

2、则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服

3、务，强调电梯与环境的协调与和谐。目前意义上的“绿色”，一般是强调“天然”的一面，强调与环境的协调与和谐。电梯属于纯粹的工业产品，其天然性应表现为对环境影响的尽可能小，与环境的协调与平衡，以及电梯本身的人性化。这也应是绿色电梯的发展方向。对现代化电梯性能的衡量，主要着重于可靠性、安全性和乘坐的舒适性。此外，对经济性、能耗、噪声等级等方面也有相应要求。本课题设计的主要内容是用可编程控制器和变频器设计二十三层居民楼电梯控制系统。调速系统采用交流变频调速，在各种负载下都有良好的调速性能和准确的停车性能，满足乘客的舒适感和保证平层精度（即准确停车），并能节约大量电能。第2章 电梯的概述本章介绍了电梯系统

4、的基本结构及各种分类方式。电梯控制系统主要分为机械和电气两大部分，详细介绍电梯系统的组成和分类，为下面系统设计做准备。2.1 电梯的基本结构 电梯是机电一体化产品。目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，其机械部分由曳引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。电梯的基本结构如图1所示。 1. 控制柜（屏） 2. 曳引机 3. 曳引钢丝绳 4. 限速器 5. 限速器钢绳 6. 限速器张紧装置 7. 轿厢 8. 安全钳 9. 轿厢门安全触板 10. 导轨 11. 对重 12. 厅门 13

5、. 缓冲器图图1 电梯的基本结构图（1）曳引系统电梯曳系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由曳引机，曳引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。曳引机为电梯的运行提供动力，由电动机，曳引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。曳引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和曳引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加曳引力。（2）导向系统导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。（3）门系统门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在

6、层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门动力源。（4）轿厢轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定。（5）重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。（6）电力拖动系统电力拖动系统由曳引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的

7、作用是对电梯进行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置对曳引电机进行速度控制。（7）电气控制系统电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与

8、厅门地坎达到同一平面的操作。位置显示装置是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯还用箭头指示电梯的运行方向。（8）安全保护系统 安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。第3章 系统结构及基本方案的选择本章确定了系统的总体结构，并针对系统的总体结构，对变频器的类型进行了述，并确定由PLC来实现电梯信号控制，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。课题开发是基于PLC的电梯变频调速系统，采用变频器

9、和PLC组成的变频调速电梯控制系统。电梯的调速部分选用高性能的矢量控制变频器，逻辑部分由PLC来实现。3.1 系统的总体结构 系统采用集中控制方式，主要包括信号控制系统和拖动控制系统两大部分。图3-1为电梯PLC电梯控制系统框图，主要硬件包括PLC主机及扩展、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、安全装置、显示装置、调速装置与主拖动系统等。控制系统的核心为可编程控制器（PLC），操纵盘、呼梯盒、位置、安全保护及变频器工作状态等信号输入PLC，经PLC运算处理后由输出接口分别向显示电路发出呼梯、定向等显示信号，通过变频器向主拖动电动机发出控制信号。图2 电梯控制系统框图课题的核心问题有两个：一是变频器的参数设

10、置以满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求；二是由PLC编程实现电梯运行时各种信号控制。3.2 设计思路（1）信号控制系统电梯信号控制基本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如图3-2所示，输入到PLC的控制信号有：运行方式选择（如自动、有/无司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。 图3 电梯PLC信号控制系统框图拖动控制系统（2）电梯控制系统实现的功能行车方向由内选信号决定，顺向优先执行；行车途中如遇呼梯信号时，顺向截车,反向不截车；内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除；内选信号、呼梯信号

11、、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示；停层时可延时自动开门、手动开门；无内选时延时5s自动关门，但不能自动行车；行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车；长短站减速距离分别设定。3.3 PLC控制系统与其它控制方式的比较3.3.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电气控制的弱点就越来越明显。可编程控制器（PLC）最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目

12、前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制所代替。同时，由于机电交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术已成为现代电梯行业的一个热点。电梯继电器控制系统的优点：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；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；大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；多年来我国一直生产这类电梯、技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉，掌握的人较多。但是，电梯继电器控制系统存在很多的问题：系统触点繁多、接线线路复

13、杂、且触点容易烧坏磨损，成接触不良，因而故障率较高；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；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；系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；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扰，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，还可能出现人身事故。PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微

14、机一样，以通过或专用PLC作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制，PLC控制一般具有可靠性高，易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。PLC控制电梯的优点：（1）在电梯控制中采用了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要改动硬件接线。3.3.2 PL

15、C控制系统与计算机控制系统的比较计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。工控机有通用微机应用发展而来，在硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，能提供实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势，但是，它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识，技术水平较高，且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣的工作环境。可编程控制器对此进行了改进，变通用为专用，有利于降低成本，缩小体积，提高可靠性等特性，更适应过程控制的要求。3.3.3 PLC的选择电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层

16、器。电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定的输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的前提。（1）轿厢位置检测轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的

17、逐步淘汰而淘汰。位置检测方法主要有如下几种：用于簧管磁感应器或其它位置开关。这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。利用稳态磁保开关。这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。利用旋转编码器。目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。 旋转编

18、码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量（主要是转角），并把它们转换成数字形式的输出信号。在电梯中用码盘来检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反馈信号和位置指示信号。旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，进而，算出电梯运行过程中轿厢所处层楼位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等。以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故系统采用此法。（2）可编程控制器（PLC）的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综

19、合考虑后，系统选择了日本三菱公司生产的FX2N系统PLC。FX2N系统PLC具有以下几方面的优点：FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。FX2N PLC可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器（C251等）能接受脉冲编码器脉冲。FX2N PLC的编程，可用编程器，也要以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE MEDOC进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试

20、和维护提供了极大的方便。3.4 变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，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，其功能较强，使用灵活，但其价格昂贵，因此可以采用通用型变频器，通过合理设计，可使其达到专用变频器的控制效果。为了满足电梯控制上的要求，参数设置比专用型变频器要复杂得多。系统没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设置和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。这是本设计的特点之一。电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择的一项重要内容。系统中

21、拖动调速控制系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感；另外，由于电梯在建筑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。考虑到以上各种因素，系统选用安川VS-616G5型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、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地场合。另外，616G5变频器地起动、制动具有可任意调节地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

22、，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波波形，使电机始终运行于静噪音状态。VS-616G5型变频器的主要性能如下：（1）磁通矢量控制使任何类型的负载都可在低速下平稳启动。VS-616G5具有全频域磁通电流矢量控制的特点。它是根据现代控制理论，采用磁通检测和神经网络控制技术，直接控制电机的转矩。它在低速下（1额定转矩）即使不采用PG反馈，也可提高启动转矩和无故障运行，当增加PG控制时，可以实现零速高转矩控制。（2）可靠的力矩控制。VS-616G5是通过精确的力矩控制功能来控制输出力矩的。万一发生故障时，也能确

23、保无冲击安全运行。VS-616G5在传送带和重型传输机械的应用中证明了它的耐久性和完美的性能。（3）宽调速范围的精确控制。VS-616G5即使在负载变动条件下，也具有全速范围高精度运行的特点。（4）优秀的伺服响应。带PG反馈时，需要选用PG速度控制卡。VS一616G5型变频器的特点如下：（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。第四章 PLC控制系统的设计方案4.1 PLC的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制

24、器必须且有高数计数器。又因为电梯时双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。综合考虑后，本设计选择西门子公司生产的S7200系列机。S7200系列机具有以下优点：1）.体积极小2）.先进美观的外部结构3）.提供多种子系列供用户选用4）.灵活多变的系统配置5）.功能强、使用方便4.2 PLC电梯控制系统设计方向4.2.1 电梯控制的基本结构组成电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖运控制系统两部分组成。图4为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿箱操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为PLC主机

25、，操纵盘、呼梯盘、井道及安全信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。电梯控制系统可分为电力拖动系统和电气控制系统两个主要部分。电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主动拖动电路和轿厢开关电路。二者均采用易于控制的直流电动机作为拖动动力源。主拖动电路采用PWM调试方式，达到了无级调速的目的。而开关门电路上电机仅需一种速度进行运动。电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯、LED七段数码管和控制部分的核心器件等组成。PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。十层电梯控制

26、系统由呼叫到响应形成一次工作循环，电梯工作过程又可细致分为自检、正常工作、强制工作等三种工作状态。电梯在三种工作状态之间来回切换，构成了完整的电梯工作过程。如下图4 电梯PLC控制系统的基本结构图4 电梯PLC控制系统的基本结构4.2.2电梯控制系统原理框图电梯控制系统原理框图如下图所示，主要由轿厢内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、档层显示电路、按钮记忆灯电路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。图5 电梯控制系统原理框图4.2.3电梯控制系统的硬件组成 电梯控制系统的硬件结构如下图所示。包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、PWM控制直

27、流电机无线调速电路、轿厢开关电路、楼层显示电路及一些其它辅助电路等。为建设PLC输入输出点数，采用编码的方式将31个呼叫及指层按钮编码五位二进制码输入PLC。图6 电梯控制系统硬件结构框图4.3其他控制 除了PLC控制外还有其他控制，例如：1）.减速平层控制电梯工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率、改善舒适感，要求电梯能平滑减速到速度为零时，准确平层，不要出现爬行现象或直接停止，要做到这一点关键是准确发出减速信号在接近楼层面是按距离精确地自动矫正速度给定曲线。本设计采用旋转编码器检测轿厢位置，只要电梯一运行，计数器就可以精确的确定起过距离，达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。不论哪种

28、方式产生减速命令，由于负载的变化、电网波动、钢丝绳打滑等，都会使减速过程不符合平层技术要求，为此一般在离楼层100-200mm处需设置一个平层矫正器，以确保平层的长期准确性。 2）.信号控制系统 电梯信号控制基本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如下图所示，输入到PLC的控制信号有：运行方式选择、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。图7 电梯信号控制系统 3拖动控制系统 电梯主要由直流和交流两种拖动方式，PLC控制的拖动系统主电路及调速装置与继电器控制系统相比无需做很多改动。拖动系统的工作状态及部分反馈信号可直接送入PLC，由PL

29、C向拖动系统发出速度切换、起动、运行、平层等控制信号。5 PLC电梯控制系统设计 5.1 系统结构框图 系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成。如图8： 图8 系统结构图图9控制逻辑流程图流程图各部分说明：1）.电梯复位在系统上电以后和楼层显示有误的情况，都要把轿厢的位置恢复到第一层的状态。2）用户输入程序段用户输入包括门厅的按钮和轿厢内的按钮，用户输入后，系统会自动选择执行程序。3）.轿厢开关门程序段：控制轿厢的开关门4）.设定上行、下行指示系统会根据外呼和内选信号及门锁信号综合判断电梯的运行方向。5）.执行上行程序此段程序包括控制电梯上行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。6）.执行下行程序此段程序包括控制电梯下行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且