基于变频专业技术的电梯PLC控制系统设计.docx
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基于变频专业技术的电梯PLC控制系统设计
基于变频技术的电梯PLC控制系统设计
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基于变频技术的电梯PLC控制系统设计
摘要
国民经济的发展促进了高层建筑和智能化建筑的大量出现，作为交通工具的电梯显得越来越重要。
其性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠，在此基础上还需要满足乘客的舒适感等等。
所以对电梯控制系统的深入研究具有重要的意义。
本文首先在介绍电梯基本结构的基础上，阐述了电梯的控制原理，分析了电梯如何用PLC编制控制程序，研究并提出了电梯变频器的变频调速电梯控制系统的实现方案。
本文采用PLC对电梯信号进行采集并对电梯进行控制，提高了控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。
关键词:
电梯控制系统可编程序控制器变频调速
1.绪论
1.1电梯组成
1.曳引系统：
曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。
曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。
2.导向系统：
导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。
导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。
3.轿厢：
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
轿厢由轿厢架和轿厢体组成。
4.门系统：
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。
门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。
5.重量平衡系统：
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。
系统主要由对重和重量补偿装置组成。
6.电力拖动系统由拽引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。
拽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。
调速装置对拽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，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到用平面的操作。
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，厅门指示灯还用尖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。
1.2电梯的发展现状
1.2.1国外电梯发展情况
电梯是集机电一体的智能系统，设计到机械技术、电子技术、电气技术等。
电梯的生产数量及使用情况成为衡量一个国家经济情况、工业化程度的重要指标。
目前，世界知名的生产电梯的公司主要有美国奥的斯公司、日本三菱公司、日立公司和芬兰科恩等公司，他们占世界一半的电梯市场，其中，尤以美国奥的斯公司的实力最强，也是最早设计、生产电梯的公司。
电梯作为垂直交通工具，已完全参透到人们的生活当中，特别是在高楼大厦中，电梯更发挥着不可替代的作用，是人们必须的交通工具。
随着社会的发展，对电梯的设计要求也不断提高，不仅涉及到机械传动、电气控制、电子技术和土建等工程领域，还设计到电梯的可靠性、舒适性、环保性、美观性等问题。
对于现代电梯，应具有高度安全性并不断往节能，群控，网络化、信息化等方向发展。
电梯已成为人们工作、生活的一部分，据相关统计，美国每年乘电梯的人数达
540亿人次，而乘坐其他交通工具的人数却为80亿人次。
近年来，电梯普遍采用变频技术，即VVVF电梯（调频调压调电梯）。
变频调速采用先进的SPWM（脉冲宽度调制）技术，明显改善了电动机供电电源的质量，谐波少，起有效的节能效果。
与传统的交流双速电梯相比，VVVF电梯控制技术采用控制器或微机控制，经过周密计算，电梯在启动、制动及加速时，速度过渡比较平稳，乘坐者都没有明显感觉，可以达到相当高的舒适性。
变频调速电梯以其优异的调速性能、起制动性能以及高功率因素、节能等优点已被广泛应用，是国际上公认的最有发展前途的调速方法，成为现代电梯行业的一个热点。
1.2.2国内电梯发展情况
我国的电梯发展起步比较晚，解放前，全国大概只有2000台电梯，有生产电梯的能力，解放后，才开始出现电梯企业，到20世纪70年代，电梯产业才初具规模。
改革开放以来，由于我国经济的高速发展急剧上升。
通过引进国外知名电梯企业，学习其先进技术，国内对电梯的需求量急逐渐形成了以中外合资为主体的外向型企业队伍，比如中国迅达公司、天津奥的斯公司、上海三菱公司、广州电梯工业公司等企业。
近年来，中国的电梯产业得到快速发展，形成了自主品牌，通过学习发展国家的先进管理方法和技术，不断改善现有产品的结构和管理机制，使得电梯质量、企业综合竞争力得到极大提升并开始推出新一代的产品。
2.电梯调速控制变频器系统
在电梯控制系统中，调速控制变频器系统主要实现对电动机的控制和产生电梯运行时序，保证电梯安全可靠的沿着速度给定曲线运行。
该系统主要由变频器系统、电动机调速系统和驱动装置组成，下面分别作简要介绍。
近年来，电梯普遍采用变频技术，即VVVF电梯（调频调压调速电梯）。
变频调速采用先进的SPWM（脉冲宽度调制）技术，明显改善了电动机供电电源的质量，谐波少，起有效的节能效果。
与传统的交流双速电梯相比，VVVF电梯控制技术采用控制器或微机控制，经过周密计算，电梯在启动、制动及加速时，速度过渡比较平稳，乘坐者都没有明显感觉，可以达到相当高的舒适性。
变频调速电梯以其优异的调速性能、起制动性能以及高功率因素、节能等优点已被广泛应用，是国际上公认的最有发展前途的调速方法，成为现代电梯行业的一个热点。
2.1变频调速原理
由电机学原理可知三相异步电动机的转速可由下式表示
式中：
f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
（l）改变电源频率
（2）改变电机极对数
（3）改变转差率
从上式可看出，在极对数p和转差率s不变的情况下，转速n与电源的频率f成正比，改变电动机的频率t就可以改变电动机的转速，从而实现电梯的零速起动。
2.2变频电梯系统运行原理
电力电网送来的380V动力电源变为可控的直流电，经变频器转变为可调的频率可变的变频变压三相正弦交流电，驱动电动机平稳运行。
若配置交流变频曳引机效果更佳，成本亦低。
当电梯检修时，是点动运行方式，PLC向变频器发出方向和检修运行信号，系统按预先编好的速度指令向电动机输送点动频率的交流电，作上、下慢速运行。
变频器内部带电流反馈和速度反馈。
电梯的速度通过脉冲编码器反馈回变频器，当实际速度高于或低于给定速度时，变频器会自动调节输出电压（电流）和频率，使两者相等。
电梯的速度总是跟随理想曲线的变化而变化的。
2.3电梯运行的速度曲线
为了能准确平层，并使乘客有很好的舒适感，电梯的速度控制是至关重要的环节。
电梯必须按照设定好的速度运行，才能保证电梯平层的准确性。
当PLC接收到平层信息时，必须使轿厢及时降速并停在指定位置。
为使乘客有乘车的舒适感，电梯的速度变化不能跳变，特别是电梯启动和停止的时候，速度变化要缓慢，即轿厢运行的加速度比较小。
综合上述要求，对于电梯的运行速度曲线可采
用下面两种方法:
1线性加减速方式
设置变频器的启动、停止时间，使得电动机的启动、停止时间逐渐变化，如图所示。
图给出了变频器输出电源的频率f与时间的函数变化图，图中，0～t1为加速时间，t3～t4为减速时间。
加/减速时间越长，电梯启动越平稳，线性加减速方式能够基本满足电梯准确平层及乘客乘车的舒适感。
按照此速度运行，当电梯运行在楼层之间时，高速运行，接收到平层信号时，电梯轿厢改为低速运行并准确平层。
2．S形加减速方式
变频器具有S形曲线输出功能，以非线性的形式工作。
它的特点是在起始的一段时间，加速速度相对缓慢;在起动之后，基本成线性运行，加速度不变，而后，加速度逐渐减为零。
这样，在整个加速过程中，速度与时间成关系呈S形方式，如图所示。
电梯轿厢按照S形速度曲线运行，会使得乘客的舒适感大大提高。
在0～t3时间内加速启动阶段，其中0～t1和t2～t3时间内为抛物线速度曲线，在t1～t2时间内为直线速度曲线;t3～t4时间内为稳速运行阶段;t4～T时间内为减速制动阶段。
减速制动阶段速度曲线与加速起动阶段相对称。
2.4电梯的主电路
如图所示
采用直流侧能耗方式的变频调速电梯主电路
由于直流侧电容的容量很大，在其电压为零时突然加上高压会引起特别大的充电电流，这将造成整流二极管VD1～VD6的过电流损坏。
为了保护整流二极管，图中设置了预充电环节，当接通电源时，首先经预充电电路向电容C1充电，由于预充电电路中R的限制使充电电流不至于过大，当C1的电压上升到一定程度时，再将接触器Q1吸合，整流桥投入工作，电梯可以正常运行。
目前市售变频器中通常不专门设预充电整流电路，而通过在直流侧串入限流线绕电阻R来实现预充电，预充电完毕，接通一接触器Q1，接触器的动合触头将限流电阻短路，变频器转入正常运行状态。
曳引电动机回馈的能量通过晶体管T和能耗电阻R吸收。
通用变颇器用于变颇调速电梯的主电路
3.电梯控制软件系统
本章主要讨论在可编程控制器的控制下，结合电梯模型的控制要求及特点，对PLC控制系统进行系统配置，设置变频器的相关参数。
本章设计了电梯控制器的具体硬件电路及电气控制电路图，使电梯能够按照S形曲线运行，并阐述了利用光电编码器定位电梯轿厢位置的原理。
3.1可编程控制器机型的选择
为了完成设定的控制任务，主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。
本系统为八层楼的电梯，采用集选控制方式。
所需输入/输出点数与内存容量估算如下:
1）输入/输出点的估算。
本设计按八层的电梯为例，根据需要有40个输入点，24个输出点，I/0分配如下:
输入部分
I0.0～I0.7
一楼内呼～八楼内呼
I4.1
超载输入
I1.0～I1.7
一楼限位开关~八楼限位开关
I4.2
光码盘脉冲输入
I2.0～I2.6
一楼外上呼一七楼外上呼
I4.3
电机过热输入
I2.7～I3.5
二楼外下呼一八楼外下呼
I4.4
检修状态输入
I3.7
手动关门
I4.6
消防输入
I4.0
手动开门
I4.7
限速输入
I4.5
电梯急停输入
I5.0
开门限位开关
I5.2
底层钥匙开关
I5.1
关门限位开关
I5.3
直驶开关
I5.4
有/无司机转换
I5.5
轿厢门锁
I5.6
警铃按钮
I5.7
计数器输入端
输出部分
Q0.0
曳引机正转输出
Q0.2
关门输出
Q0.1
曳引机反转输出
Q0.3
开门输出
Q0.4～Q1.3
一楼内呼显示～八楼内呼显示
Q1.5～Q2.3
二楼外下呼显示～八楼外下呼显示
Q2.4～I3.2
一楼外上呼显示一七楼外上呼显示
Q3.3
向上运行显示
Q3.4
向下运行显示
Q3.5
七段码输出a
Q3.6
七段码输出b
Q3.7
七段码输出c
Q4.0
七段码输出d
Q4.1
七段码输出e
Q4.2
七段码输出f
Q4.3
七段码输出g
Q4.4
多段速0选择
Q4.5
多段速1选择
Q4.6
多段速2选择
Q5.1
多段速3选择
Q5.0
爬行速度
Q5.3
检修速度
Q5.2
零速度输出
Q5.0
故障复位信号
2）内存容量的估算
用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。
因此，在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。
本系统有开关量I/O总点数有67个，模拟量I/O数为0个。
利用估算PLC内存总容量的计算公式:
所需总内存字数二开关量I/O总点数×（10～15）+模拟量I/O总点数×（150～250）再按30%左右预留余量。
估算本系统需要约2K字节的内存容量。
3）可编程控制器机型的选择
FXOS的功能简单，价格便宜，可以用与小型开关量的控制系统，FXON可用于控制要求较高的中小型控制系统，FX2N的功能最强，可用与控制要求很高的控制系统。
根据输入/输出点数与内存容量的要求，再留出一定的I/O节点与内存空间以供扩展时使用，以及指令的执行速度，因此选用三菱公司的FX2N系列的FX2N-80MR。
它的输入继电器X000-X047共40个，输出继电器Y000-Y047共40个，
程序容量为8K字节，完全满足要求。
也给以后功能扩展留了足够的空间。
3.2电梯控制软件系统原理
目前国产电梯广泛采用可编程控制器技术的智能化控制。
由于这种控制属于随机控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之间相互关联，逻辑关系处理起来非常复杂，这就给PLC编程带来很大难度。
从某种意义上来说，PLC编程水平的高低就决定电梯运行状态的好环，因此PLC应用在电梯控制中的编程技术就成为控制电梯运行的关键技术。
PLC的编程工作主要是针对各种信号进行逻辑判断和处理。
电梯控制系统原理如图:
电梯控制系统原理框图
电梯控制主程序流程图
楼层显示程序流程图
楼层显示程序流程图
3.2.1.开门控制
正常情况下，开门的条件有以下几种:
本层开门、停车状态按轿内开门按钮、关门过程中有红外线检测信号（这种情况下将重新开门）、正常运行换速平层停车自动开门。
开门到位后，若没有碰到开门限位开关，或限位开关失灵，门电机会发生堵转，时间一长电机可能烧毁.为此设计了门电机保护程序，当开门动作时间超过正常开门时间2-3秒后，通过定时器计时自动断开开门信号，停止开门。
1）本层开门
本层开门是指电梯在停车状态和非检修（有/无司机）条件下，当轿厢所在层楼有上召唤且没有定下方向，或有下召而没有定上方向时，电梯自动开门。
电梯本层开门的条件也可简化为，在停车状态下当轿厢所在层楼有厅外召唤时，电梯自动开门。
如假设轿厢现停在二层，则M0.1为ON，当二层厅外有上召唤信号时I0.1为ON，在没有定下方向，且停车状态下Ml.2为ON，发出本层开门控制信号。
2）开门控制及安全保护
正常情况下，开门的条件有以下几种:
本层开门、停车状态按轿内开门按钮、关门过程中有红外线检测信号〔这种情况下将重新开门）、正常运行换速平层停车自动开门。
开门到位后，若没有碰到开门限位开关，或限位开关失灵，则由于开门继电器吸合，门电机会发生堵转，时间一长电机可能烧毁。
为此设计了门电机保护程序，
当开门动作时间超过正常开门时间2-3秒后，通过定时器计时自动断开开门信号，停止开门。
如没有外界开门信号，即I0.4和Ml.2为ON，则定时器#TIM00开始计时，当计时时间到，如限位开关仍未动作，则通过TIM00闭点断开Q0.3，停止开门。
并由TIM00开点使定时器自锁，Q0.3维持OFF。
当有开门信号时I4.0或Ml.2为ON，其闭点。
定时器复位，TIM00闭点为ON，可再次进行开门控制。
3.2.2.关门控制
正常悄况下，关门的条件有以下几种二停车状态下按关门按钮、无司机状态下自动关门时间到、锁梯时钥匙开关断开。
停止关门或不关门的条件:
关门到位碰关门限位开关、有开门信号、开门继电器吸合、超载开关动作。
如锁梯时，I5.2闭点为ON，可使Q0.2为ON，执行关门动作。
而超载时，闭点I4.I为OFF,Q0.2也为OFF，不能关门运行。
在关门梯形图中也设置了关门安全保护，因为关门限位开关若不动作或失灵，同样容易将门电机烧毁。
与开门过程保护一样，可在开始关门后通过定时器计时，超过正常关门时间、自动停止关门、以保护门电机。
3.2.3内指令信号处理
内指令信号的处理包括信号的登记，显示基本层（停车）消息。
信号的登一记采用自锁原理，不论电梯上行或下行，当轿厢运行至有内指令的楼层时，均要换速停车，并消除登记信号，不需反向信号。
将1～8层轿内指令按钮信号输入到PLC的I0.0～I0.7端子，M0.0～M0.7为1～8层楼层位置信号，M2.0～M2.7为内指令登记信号。
如有人想到4层时，按下4层的内指令按钮，则I0.3为ON:
若轿厢不在4层，则M0.3闭点为ON，所以M2.3为ON，信号被登记:
当轿厢到4层时M0.3为OFF,起消号作用。
3.2.4反向截梯
1.司机内选定向
有司机操作时I5.4开点为OFF，则M3.0为OFF，因而M3.1,M3.2均为OFF。
此时只有内指令信号登记通道M2.0～M2.7能对选层信号通道M4.0～M4.7对应位置位，而厅外上下召唤信号登记通道15CH,16CH的信号不能对14CH置位。
当M4.0～M4.7中有选层信号后，是定上行方向还是定下行方向，取决于内指令信号在轿厢所处楼层的上方还是下方。
即位置通道M0.0～M0.7中某一位为ON时，其闭点OFF，将定向梯形图中M4.0～M4.7的各点分为两部分，若M4.0～M4.7中选层信号的最高位低于M0.0～M0.7中状态为ON的位，则定下方向Ml.7为ON，反之M4.0～M4.7选层信号位高于M0.0～M0.7中状态为ON的位，则定上方向Ml,6为ON。
2.无司机内选外呼定向
无司机状态下I5.4为ON，当满足门I5.5为ON的条件时，M3.0为ON，在停车状态下M3.I和M3.2均为ON，所以厅召唤信号M5.0～M5.7,M6.0～M6.7中的各位可对M4.0～M4.7置位，发出选层信号。
即而可进行定向，其原理与有司机定向相同。
无论在有司机或无司机运行状态，对内指令，电梯均需换速平层停车，并且直驶时只停内选层站，当外召唤方向与电梯运行方向相同时，电梯换速停车，即顺向截车，只有在无司机运行状态，电梯才对反向召唤信号应招服务。
当有多个反向呼梯信号时，先应招最远的反向呼梯信号，即最远反向截梯，然后再以顺向截车方式应招其他外召唤信号。
外召唤信号的作用主要在于顺向截梯与最远反向截梯。
梯形图中，电梯上行时M3.1为ON，因而厅外上召唤信号M2.0～M2.7可对M4.0～M4.7置位，M3.1起上行顺向截梯的作用，同理，M3.2用于下行顺向截梯。
反向截梯时，若轿厢向上运行，位置通道M0.0～M0.7中数据为1的位逐位上移，其闭点为OFF。
当呼梯信号通道M8.0～MB.7中较高位有外呼信号时，则M3.4,M3.5为ON,M3.2为OFF，则M3.2为OFF,所有下召唤信号不能对M4.0～M4.7置位，即反向呼
梯信号不能选层换向停车。
在无司机状态下，只有当轿厢运行到最高位，M0.6为ON,其闭点为OFF，则M3.5为OFF，其闭点为ON,M3.2为ON，下召唤信号才能对M4.0～M4.7置位，进行最远反向截梯。
3.2.5消防运行
1.消防自动返回下基站
当接通消防开关I4.6为ON，并由其产生一个信号MIO.I，该信号用于将所有内选外呼消一号。
当电梯正在上行时，Q0.0为ON，由M3.6立即发出消防强迫换速信号，就近平层，在停车后自动使内选一层信号M2.0为ON:
如电梯处于停车状态或正在下行，自动消号后，电梯也将自动内选一层返回基站。
2.消防员专用
电梯自动返回下基站停车后M0.0为ON，并使开门信号Q0.3为ON，则消防员专用信号M4.7接通，并自保。
同时切断消防上行强迫换速Q0.4和自动内选一层M2.0程序，在消防员专用状态下，恢复内选功能。
由消防员内选关门后，电梯只按内选指令正常运行换速平层停车，且在每次运行停止，由M10.2发出信号，用于每次运行停车后消除所有登记信号。
如需再次运行，必须再次选择内指令信号。
4结论
设计基本达到了设计目的，完成电梯的变频控制。
利用通用变频器和PLC控制器实现了对电梯的调速控制，通过合理的控制器系统配置、参数设置和软件设计，提高了电梯运行的可靠性，改善了电梯运行的舒适感，并节约了电能。
当然，系统设计中，还存在着其他的很多不足，望老师不吝指正。
通过本次设计，我的知识领域得到进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同时增强了分析和解决工程实际的综合能力。
另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。
参考文献
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