本科毕业论文基于plc的电梯控制系统设计.docx
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本科毕业论文基于plc的电梯控制系统设计
摘要
随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。
而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密相关，随着人们对其要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由可编程逻辑控制器（PLC）代替原来的继电器控制。
本文在原有的控制系统基础上介绍了一种采用PLC和变频器控制的电梯控制系统，主要阐述了该系统中硬件和软件设计方法，用PLC控制变频器对继电器控制方式的电梯进行改造，采用PLC和变频器实现电梯常规控制的基础上。
利用旋转编码器发生的脉冲信号通过电梯专用变频器的分频输出构成位置反馈，实现电梯的数字位移控制。
通过PLC程序设计实现楼层记数、停车平层的精确控制及减速距离的任意设定，提高了系统的可靠性和平层精度，并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:
可编程逻辑控制器（PLC）变频器电梯控制系统
Abstract
Alongwiththerapiddevelopmentofeconomy,microelectronicstechnology,computertechnologyandautomaticcontroltechnologytorapiddevelopment,communicationfrequencycontroltechnologyhascometoanewera,theusedmoreandmorewidely.Andthelift,asthemodernhigh-risebuildingverticaltransportation,closelyrelatedwithpeople'slife,alongwiththerequirementsofthepeopletoimprove,theelevatoraregrowingrapidly,thetechnologyhastodragFMpressureregulatingspeedregulation,thelogiccontrolalsobyPLCreplacerelaycontrol.BasedontheoriginalcontrolsystemisintroducedbasedonakindofadoptingPLCandinvertercontrolofelevatorcontrolsystem,mainlyelaboratedthesystemhardwareandsoftwaredesignmethod,withprogrammablelogiccontroller（PLC）torelaycontrolfrequencyconvertercontrolmodeofelevatortransformed,adoptingPLCandinverterrealizationofelevatorconventionalcontrolbasis.Useofrotaryencoderhappenpulsesignalthroughtheelevatorinverterfrequencyoutputofpointsapositionfeedback,realizethedisplacementofthedigitalcontrol.ThroughthePLCprogramdesignrealizefloorcount,parkingsmoothlayeristheprecisecontrolandslowdownthedistanceofthesetarbitrary,improvethereliabilityofsystemofpeaceprecision,andimprovetheelevatorrunningintimacy,maketheelevatortotheidealcontroleffect.
Keywords:
Programmablelogiccontroller，Inverter，Elevatorcontrolsystem
第一章绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着国民经济的飞速发展及人们物质生活的提高，电梯不但成为高层宾馆、商店、住宅等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具，也已成为低层建筑的代步工具。
电梯控制系统主要采用以下三种控制方式：
继电器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统[4]。
继电器控制系统由于故障率高，控制方式不灵活及功率消耗大等缺点，目前已逐渐被淘汰。
微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能，但也存在一定的不足之处，即抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，这些都限制了微机控制系统应用的广泛性。
而PLC控制系统由于运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强等优越性，成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
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。
然而我国目前正在使用的电梯中有相当一部分是20世纪80年代安装的，它们大都采用继电器、选层器控制，交流双速或可控硅调压调速，这类电梯起动电流大，调速性能差，结构复杂，舒适感差，耗电量大，运行效率低下[5]。
随着时间的推移，继电器的触点和选层器的触头会磨损造成接触不良，插接口会氧化导致故障频繁，经常出现困人、乱层、冲顶、蹲底等现象，甚至出现了不少人身伤亡和设备事故。
此外，由于年限较长，配件缺乏，维修和保养难，许多此类电梯已处于闲置状态。
这类电梯虽然控制系统不行，但大多数电梯的机械部分仍然状态较好。
因此，本文提出了采用变频调速器和可编程逻辑控制器（PLC）对这些旧梯的控制系统进行改造。
目前，由可编程序控制器（PLC）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向[2]。
总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。
PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。
因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。
1.2电梯的简介
1.2.1电梯的定义及分类
2003年2月19日国务院颁布了《特种设备安全监察条例》，明确规定电梯是特种设备，并对电梯的含义做了叙述：
“电梯是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级（踏板）进行升降或者平行运送人、货物的机电设备”。
这种对电梯的论述，被称作广义电梯概念，既包括上下运送人、货物的升降式电梯，也包括用于水平或倾斜输送乘客的自动人行道（英语PassengerConveyor）和自动扶梯（英语Escalator）[10]。
现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置（如限速器、安全钳和缓冲器等）、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。
这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。
通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。
电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。
电梯的基本参数主要有额定载荷、额定速度、可乘人数、轿厢外廓尺寸和井道型式等[9]。
图1电梯的基本结构剖视图
目前，电梯行业及社会上对电梯的分类大致有以下几种：
（1）按用途分类：
乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、其他专用电梯。
（2）按额定速度分类：
低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯；中速梯，常指速度1.00～2.00m/s的电梯。
高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。
超高速梯，速度超过5.00m/s的电梯。
（3）按驱动方式分类：
交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条式电梯、螺杆式电梯。
（4）按操纵控制方式分类：
手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、向下集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、智能控制电梯。
（5）按电梯专职司机分类：
有司机电梯，电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。
无司机电梯，乘客进入电梯轿厢，按下操纵盘上所需要去的层楼按钮，电梯自动运行到达目的层楼，这类电梯一般具有集选功能。
（6）其他分类方式：
按机房位置分类，则有机房在井道顶部的（上机房）电梯、机房在井道底部旁侧的（下机房）电梯，以及有机房在井道内部的（无机房）电梯。
按轿厢尺寸分类，则经常使用“小型”、“超大型”等抽象词汇表示。
此外，还有双层轿厢电梯等。
1.2.2电梯的国内外研究现状
我国作为全球最大的电梯市场，电梯行业已经具备了很强的生产能力。
先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。
苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。
目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。
自1985年我国参加了国际标准化组织ISO／TCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。
标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。
许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以自己生产了。
国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。
世界上有名的几家电梯公司，诸如：
美国奥的斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51％。
其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。
目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。
此外，家用小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分。
1.3PLC在电梯中的应用及发展前景
PLC实际上是一种专用计算机，它采用巡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，否则电梯不会工作[2]。
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，既无线圈又无触点，使用次数不受限制，因此，它运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。
PLC控制是最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适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。
电梯是载人的机电设备，最终要实现电梯与环境的协调与和谐，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务。
同时，由于电机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己成为现代电梯行业的一个热点。
PLC电梯控制系统应能够达到如下要求：
（1）安全性
电梯是运送乘客的，即使载货电梯通常也有人伴随，因此对电梯的第一要求便是安全。
电梯中设置有必要的安全措施，它们主要有：
①超速保护装置
②轿厢超越上、下极限工作位置时，切断控制电路的装置，交流电梯（除
杂物电梯）还应有切断主电路电源的装置，直流电梯在井道上、下端站前，应有强迫减速装置。
③撞底缓冲装置
④对三相交流电源应设断相保护的装置和相序保护装置
⑤应设置厅门、轿门电气联锁装置
⑥电梯因中途停电或电气系统有故障不能运行时，应有轿厢慢速移动措施
（2）可靠性
电梯的可靠性也很重要，如果一部电梯工作起来经常出故障，就会影响人们正常的生产、生活，给人们造成很大的不便。
不可靠也是事故的隐患，是不安全的起因。
要想提高电梯的可靠性，首先应提高构成电梯的各个零、部件的可靠性，只有每个零、部件都是可靠的，整部电梯才可能是可靠的。
（3）乘坐舒适感
根据人们生活中的经验证明，在运动速度不变的情况下，速度值的大小对人们的器官基本上没有什么影响，这只是指人们沿地面或空中的沿与地面平行的任意方向运动的情况而言的。
高速的升降运动就和上述运动有所不同。
这是由于在升降运动中，人体周围气压的迅速变化，对人们的器官产生影响。
例如耳膜会感到压力而嗡嗡响等等。
只要采取一定措施，这些影响是可以消除的。
所以目前电梯的运行速度虽已高达10m/s。
仍能使乘客无大的不适感。
（4）快速性
电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的。
快速可以节省时间，这对于在快节奏的现代社会中的乘客是很重要的。
快速性主要通过以下方法得到：
①提高电梯额定速度
②集中布置多台电梯，通过电梯台数的增加来节省乘客候梯时间
③见面可能减少电梯起、停过程中加、减速所用的时间
（5）停站准确性
变频器构成的电梯系统，当变频器接收到控制器发出的呼梯方向信号，变频器依据设定的速度及加速度值，启动电动机。
达到最大速度后，匀速运行，在到达目的层的减速点时，控制器发出切断高速度信号，变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度。
在减速运行过程中，变频器能够自动计算出减速点到平层点之间的距离，并计算出优化曲线，从而能够按优化曲线运行，使低速爬行时间缩短至0.3s,在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜坡来调整平层精度[20]。
即当电梯停得太早时，变频器增大低速度值或减少制动斜坡值，反之则减少低速度值或增大制动斜坡值，在电梯到距平层位置4—10cm时，有平层开关自动断开低速信号，系统按优化曲线实现高精度的平层，从而达到平层的准确可靠。
1.4本课题主要研究的内容
课题所研究的内容主要是用PLC改造电梯自动控制系统。
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。
因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。
针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的PLC来控制电梯。
论文的主要内容如下：
首先对电梯系统及PLC作了比较全面的总结和介绍，接着阐述了电梯控制系统的分类及特点。
电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分，确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，由变频器实现调速，完成了变频器和PLC的选择。
其次是系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。
在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。
最后对改造后的电梯系统进行模拟调试。
本文主要针对四层楼电梯控制系统进行了设计，并在学校实验室里完成了相应的模拟调试工作。
第二章电梯的控制系统
2.1控制系统的组成
本控制系统是采用变频器和PLC组成的变频调速电梯控制系统，电气控制硬件框图如图2所示：
图2电气控制硬件框图
该系统主要由以下几部分组成：
PLC、变频器、曳引机、门机等。
PLC是控制系统的核心。
PLC根据输入的呼梯信号和目前电梯所处的位置自动确定电梯的运行方向及速度，变频器根据PLC的速度指令控制曳引电动机的转速。
到达目的层后，自动平层、停车、开关门，在运行过程中输出电梯的楼层位置和运行方向，同时完成对呼梯信号的登记、保存和消除等工作，对电梯运行中的一些特殊情况（如急停、超载、冲顶、蹲底等）自动进行处理和报警。
该硬件电路具有设计简单、工作可靠等优点。
2.2电梯控制系统的调速部分
电梯调速控制部分对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速、平层精度、乘坐舒适感等起着决定性作用。
在拖动系统中，现在国内多采用电梯专用变频电动机和与之相配套的专用变频器[21]。
专用变频器是为了满足电梯的灵活调速、控制及高精度平层等要求而专门设计的。
变频器控制电动机按理想速度曲线运行。
电动机起动、换速以及转向是，由PLC根据电梯呼梯、减速等信号做出决策，发出信号给变频器。
系统按优化曲线实现高精度的平层，从而达到平层的准确可靠。
2.3PLC控制系统抗干扰措施
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用[1]。
但是由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入，从而引起控制系统的误动作。
PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。
在实际的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要通过系统内交流主电路，模拟量输入信号等引起，可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。
2.3.1硬件抗干扰措施
1PLC控制系统的安装和使用环境
PLC使用环境温度通常在0℃～55℃范围内，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。
环境湿度一般应小于85%，以保证PLC有良好的绝缘。
在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。
此外，如果PLC安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施。
2PLC的电源与接地
通常将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，特殊情况时可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性[13]。
为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接专用地线，并且接地点要与其它设备分开，如图3（a）。
若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，如图3（b）。
但是禁止采用串联接地方式，如图3（c），因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰[3]。
此外，接地线要足够粗，接地电阻要小，接地点应尽可能靠近PLC。
接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。
图3PLC的接地
3PLC的输入、输出设备
设计时，应尽量选用可靠性高的元器件及开关，而在对系统可靠性及智能化要求较高的场合，可以根据电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位进行诊断并做相应的处理，从而提高系统工作的可靠性。
若PLC输出端子接有感性元件，则应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点。
为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆；对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地，其处理方式如图4：
图4屏蔽电缆的处理
2.3.2软件抗干扰措施
1利用“看门狗”方法对系统的运动状态进行监控
在设计应用程序时，可以利用"看门狗"方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。
如用PLC控制某一运动部件时，编程时可定义一个定时器作“看门狗”用，对运动部件的工作状态进行监视[6]。
在发出该部件的动作指令时，同时启动"看门狗"定时器。
若运动部件在规定时间内达到指定位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常；否则，说明监控对象工作不正常，发出报警或停止工作信号。
2消抖
在振动环境中，行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号，但抖动时间相对较短，可用PLC内部计时器延时，得到消除抖动后的可靠有效信号，从而达到抗干扰的目的。
第三章电梯控制系统硬件设计
3.1电动机控制电路图
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图5所示。
图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。
FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。
FU1为熔断器，起过电流保护作用。
曳引电机门电机
图5电动机控制电路图
3.2变频器的选择
3.2.1变频器的容量选择
变频器的容量可根据曳引电动机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行选取[18]。
设电梯曳引电动机功率为P1,电梯运行速度为v,电梯自重为W1,电梯载重为W2,配重为W3,重力加速度为g,则Pl=v[（W1+W2-W3）g+F1]
（1）式中，F1=K（W1+W2+W3）g，K=0.04。
W1=2000kg，W2=1000kg，W3=2400kg，g=9．8m／s2，t，=1.6m／s。
则Pl=1.6×（600×9.8+2116.8）W=12.79kW，确定曳引电动机功率后，则可选定变频器的容量。
拖动电动机采用国产CVF-160L-4电梯专用变频电动机，其功率15kW，额定电压380V，Y形接法，转速1450r／min[15]。
与变频电动机配套，选用华为TD3100-4T0150E电梯专用变频器。
变频器额定容量21kW，额定电压380V，三相交流供电，额定输出电流32A，适配电动机15kW。
该变频器综合了国内外多种电梯专用变频器的特点。
该变频器用于电梯拖动的接线图如图6所示。
图6变频器接线图
3.2.2变频器的接线及功能
变频器的上下行驶信号及高低速信号由PLC的输出触点进行控制。
当Y4闭合时，电梯上行，Y5闭合时电梯下行；利用Y6，Y7的通断状态控制电梯的运行速度。
另外在变频器内部可通过参数设置，决定电梯的加减速曲线、加减速时间、各种运行速度、过流过载保护和电流、速度、频率显示功能。
3.2.3变频器的调速
采用双DSP+MCU结构和先进的模块化设计，调速范围为1.50～4.00m/s，可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出。
它除了具备一般电梯专用变频器所具有的基本功能外，还增加了电机参数自学习功能、自动力矩补偿和高起动力矩。
独特的距离控制，可通过变频器的楼层自学习功能，自动测定各层楼距离，采用速度曲线（如图4所示）计算控制变频器运行，实现直接停靠，具有高平层精度、高运行效率。
自动力矩补偿能保证电梯在各种负载状态下速度稳定，例如，电梯正常速度为50Hz（以频率表示），空载上行时，速度较平衡时快，自动力矩补偿一0．5Hz；满载上行时，速度较平衡时慢，转差补偿+0．5Hz。
最大200％的高速起动力矩可安全有效地实现电梯运转，对满载起动时转矩提升非常有效。
为满足电梯的要求，变频器要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和速度检出器（PG）卡，完成速度检测及反馈，构成闭环矢量控制系统。
旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。
旋转编码器轴转动时输出A、B二相脉冲，根据A、B脉冲的相序，可判断电动机转动方向；并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速[22]。
旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送至变频器内部，以便进行运算调节。
旋转编码器与PG卡实现了闭环运行。
图7变频电梯速度曲线
由于控制系统采用了脉冲编码控制技术，故井道内省略了减速感应器，只在轿顶留下了一套平层感应装置，并具有再平层功能。
3.3PLC的选型
本系统控制四层电梯,采用集选控制方式。
为了完成设定的控制任务,主要根据电梯输入/输出点数确定PLC的机型。
根据电梯控制的要求，电梯应具有内呼和
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