秦川VVVF电梯PLC控制.docx
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秦川VVVF电梯PLC控制
上海交通大学本科毕业论文
VVVF电梯PLC控制
学生：
秦川
学号：
710940410001
专业：
10秋机电一体化
导师：
王春香
学校代码：
10248
上海交通大学网络教育学院
二Ｏ一二年七月
毕业论文声明
本人郑重声明：
1、此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。
除了特别加以标注和致谢的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。
对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
2、本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。
本人授权上海交通大学网络教育学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。
3、若在上海交通大学网络教育学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担（包括接受毕业论文成绩不及格、缴纳毕业论文重新学习费、不能按时获得毕业证书等），与毕业论文指导老师无关。
作者签名：
日期：
VVVF电梯PLC控制
摘要
在PLC控制技术诞生以前，电梯工业技术控制中广泛应用的便是继电器和接触器。
但是继电器的时代只能满足一些小批量、控制精度要求不高的电梯产品上，而在一些较大型、控制精度要求较高的电梯产品中体现不出其优势，而且继电器接线较多不利于安装和后期的维护工作；在这样的供不应求的大趋势下，势必需要一款可以既能满足当下高控制精度、舒适度、价格低廉、又能安装维护方便、易于理解操控的控制技术产品，而运用变频调速系统（VariableVoltageandVariableFrequency–简称VVVF）的PLC控制技术便是集大成的产品，在现代工业产品包括电梯中被大量的使用。
本文介绍的是一种运用VVVF技术的电梯PLC控制系统。
主要研究内容是用以三菱公司的可编程控制器PLC对电梯进行全过程控制。
整个系统通过PLC程序、逻辑控制电路对电梯的升降、平层、起动、制动控制。
在整个设计研究过程中，变频调速系统（VVVF）电梯PLC电梯控制发觉其结构简单、逻辑易于理解、运行效率高、平层精度高、易于理解与掌握。
关键字：
电梯，PLC控制系统，逻辑控制电路，变频调速
VVVFCONTROLSYSTEMOFELEVATORPLC
ABSTRACT
InthePLCcontroltechnologybeforebirth,elevatortechnologyiswidelyusedinindustrialcontrolisrelayandcontactor.Buttherelaytimescanonlymeetthenumberofsmallquantities,controlprecisionisnothighelevatorproducts,andinsomeofthelarger,highercontrolaccuracyofelevatorproductsdoesnotembodyitsadvantage,andrelaymorefavorabletotheinstallationandmaintenanceoflate;insuchdemandtrend,itisneedtoonecannotonlycansatisfytheprecisionofcontrol,comfort,lowprice,andconvenientinstallationandmaintenance,easytounderstandcontroltechnologyproducts,andtheuseofVVVFsystemPLCcontroltechnologyisintegratedproducts,inmodernindustrialproductsincludingelevatorsarewidelyused.
ThispaperintroducesausingVVVFtechnologyofPLCcontrolsystemforelevators.ThemainresearchcontentistoMitsubishiCoprogrammablecontrollerPLCtoliftthewholeprocesscontrol.ThewholesystemthroughthePLCprogram,alogiccontrolcircuitoftheelevatorlifting,leveling,starting,brakingcontrol.
Throughoutthedesignprocess,variablefrequencyspeedregulationsystem（VVVF）elevatorPLCcontrolthathastheadvantagesofsimplestructure,logiciseasytounderstand,highefficiency,highlevelingaccuracy,easytounderstandandmaster.
Keywords：
elevator,PLCcontrolsystem,alogiccontrolcircuit,frequencyconversionspeedregulation
目录
摘要II
ABSTRACTIII
第一章绪论1
1.1电梯发展简介1
1.2论文主要研究内容2
1.3本章小结2
第二章VVVF电梯的电动机控制系统的控制方式3
2.1基本电梯结构简介3
2.2电梯驱动原理3
2.2.1曳引机5
2.2.2减速箱5
2.2.3曳引轮6
2.2.4调整和提高电梯曳引能力的主要措施6
2.2.5影响钢丝绳寿命的因素6
2.2.6电磁制动器6
2.3本章小结7
第三章VVVF变频电梯的主电路控制系统8
3.1VVVF型电梯的电机基本原理8
3.2电梯的各种调速系统8
3.2.1变极调速系统8
3.2.2交流调压调速系统8
3.2.3变压变频调速系统8
3.3PLC系统构成及原理9
3.3.1PLC系统结构方框图9
3.3.2电梯理想运行曲线图9
3.4本章小结10
第四章VVVF电梯电器元件和设备的选择11
4.1控制系统简述11
4.2轿厢和对重11
4.3补偿装置12
4.4PLC的选型12
4.5PLC的特点13
4.6本章小结13
第五章电梯的控制系统14
5.1变频调速电梯系统及其驱动技术14
5.2变频调速电梯系统的控制技术14
5.3程序流程图15
5.4PLC的I/O分配16
5.4.1输入16
5.4.2输出16
5.5软件设计17
5.5.1程序流程图17
5.5.2程序梯形图25
5.6本章小结25
第六章总结和展望26
5.1论文总结26
5.2研究展望26
参考文献27
致谢28
第一章绪论
1.1电梯发展简介
在现代社会和经济生活中，电梯已成为一个城市的发展的重要标志。
在高层建筑中电梯是不可或缺的垂直传输工具，例如：
金茂大厦、东方明珠、和现在上海最高的建筑物环球金融中心等等电梯都是必不可少的运输工具。
1852年，世界第一台电梯在德国柏林诞生，采用电动机拖动。
1853年，美国奥的斯研究出电梯安全装置，开创了电梯工业的新纪元。
1857年，世界第一台载人电梯问世，为不断提高高度的建筑提供帮助。
1889年奥的斯公司在纽约试制成功第一台电力驱动蜗杆电梯，诞生了名副其实的电梯。
近年来，许多国家出现了变频调速系统（VVVF）交流电梯，最高速度可达到16.8m/s，从而开辟了电梯电力拖动的新领域。
电梯已经成为一个典型的变频系统和典型机电一体化的产品，并融合了多种先进技术。
近代我国电梯控制系统主要有三种方式：
继电器控制系统、微机控制系统和PLC控制系统。
其中PLC控制系统以其显著的优点成为电梯控制系统的主流。
80年代初投入使用的电梯大部分采用继电器控制，此类电梯普遍存在起动电流不稳定、调速性能差、结构繁重、毫无舒适度、能耗大等问题，加之使用年限较长、电梯零部件老化、故障频繁、配件缺乏等原因，于是近年来许多国家提出了采用VVVF变频调速器应用于该类电梯改造成VVVF型电梯。
从90年代后期，利用可编程控制器PLC与VVVF变频器结合，PLC控制系统主要有双速电梯系统和变压变频调速系统，后者采用交流电机对中低速到高速驱动进行控制通过改变电机供电的电压和频率，平整地调节电梯速度，可以获得更好的乘坐舒适感，高平层精度高，而且节省能源，保障了电梯的安全可靠性。
1.2论文主要研究内容
利用三菱公司可编程控制器与变频调速技术相结合，对电梯升降的整个控制程序的逻辑和顺序进行研究。
1.3本章小结
现代电梯产品是多项学科和现代化技术集于一体的先进机电设备，电梯是建筑物中垂直交通工具“风向标”。
在当今社会，为满足和提高人们的生活质量和提供方便，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。
尤其是随着计算机技术、微电子工程和电力电子工程技术的快速发展，现代电梯的科技技术含量日益提高。
在提升电梯性能的同时，对电梯的人性化设计、外观设计、相应管理和维护技术人员都提出了更高的要求。
第二章VVVF电梯的电动机控制系统的控制方式
在上一章节内容中，对电梯和电梯控制系统有了一个粗略的概述，本章介绍一下电梯本体的一些基本结构，按照空间位置不同分为轿厢与对重、机房、井道、悬挂与补偿装置等几部分。
2.1基本电梯结构简介
电梯是复杂的机电一体化产品，其基本组成包括由机械部分和电气部分，从空间上可以划分为以下几部分，如图2-1所示：
轿厢与对重：
包括较厢、对重、门、门机及轿厢内召唤按钮箱和轿厢位置指示等。
机房包括：
曳引机、限速器、控制柜、机械式限位开关、选层器等
井道部分：
包括导轨、缓冲器、限位及极限装置、补偿链、随行电缆、底坑及井道照明等。
层门部分：
包括层门、召唤盒、层楼显示装置等。
悬挂装置：
包括钢丝绳、绳头组合和补偿绳等。
2.2电梯驱动原理
电梯曳引驱动机构中，钢丝悬挂在曳引轮上，其一端与轿厢连接，另一端与对重连接。
当曳引轮转动时，曳引钢丝绳与曳引绳轮槽之间产生磨擦力，克服轿厢和对重在曳引钢丝绳上产生的拉力差，从而保证轿厢和对重随着曳引轮的转动而升降，实现上升和下降运动。
电梯曳引机的主要组成部分有：
曳引轮、曳引绳、导向轮、反绳轮等，如图2-2所示。
图2-1轿厢与对重、机房、井道、层门、悬挂装置
图2-2电梯曳引机示意图
2.2.1曳引机
曳引机是电梯的主拖动机械，它驱动电梯的轿厢和对重装置作上、下运动。
其组成部分主要有：
曳引机动机、减速齿轮箱、电磁制动器、曳引轮、底座。
根据电动机与曳引轮之间是否有减速箱，可分为有齿曳引机和无齿曳引机，如图2-3，图2-4所示。
图2-3有齿轮曳引机的结构示意图
1—减速器2—曳引轮3—制动器4—电动机
图2-4无齿轮曳引机
1—底座2—直流电动机3—电磁制动器4—制动器抱闸5—曳引轮6—支座
2.2.2减速箱
一般电动机额定输出转速通常接近1000r/min，这个速度带动曳引轮，轿厢运行速度过快，因此需要在曳引电动机转轴和曳引轮轴之间安装减速箱，目的是将电动机轴输出的较大转速降低到曳引轮所需的较低转速，同时得到较大的曳引轮矩，以满足电梯运行的要求。
2.2.3曳引轮
曳引轮是嵌挂在曳引钢丝绳的轮子，也称驱绳轮，其作用是通过与钢丝绳的相对运动产生磨擦力带动轿厢上下运行。
对于有齿轮曳引机，它安装在减速器中的蜗轮轴上，而对于无齿轮曳引机，则装在制动器的旁侧，与电动机轴、制动器轴在同一轴线上。
曳引轮要承受电梯轿厢自重、曳引绳重、载重和对重的全部重量。
2.2.4调整和提高电梯曳引能力的主要措施
（1） 增加钢丝绳在绳槽中的摩擦系数
（2） 增大包角
（3） 增加轿厢自重
（4）采用符合绕绳或非金属绳
2.2.5影响钢丝绳寿命的因素
一般也同样影响曳引轮的寿命，有如下几方面的因素：
（1） 曳引轮本身
（2） 钢丝绳的构造，材质及其物理性能
（3） 轿厢运行高度
（4） 载荷
（5） 环境和保养
2.2.6电磁制动器
制动器是制动器在结构上包括电磁铁、制动壁、制动闸瓦、压缩弹簧等部件组成。
制动器是电梯的一个重要安全装置，对主动转轴起制动作用。
除了安全钳以外，只有它能使工作中的电梯轿厢停止运行，另外它还可以使轿厢停靠准确，同时使电梯停止时，不会因轿厢与对重差重而产生滑移。
对于有齿轮曳引机，制动器安装在电动机的旁边，即在电动机轴与蜗轮轴相联的制动轮处；若是无齿轮曳引机，则安装在电动机与曳引轮之间。
电磁制动器的工作原理是：
当电梯运行时，控制系统指令制动器电磁线圈通电，铁芯迅速吸合，带动制动臂克服弹簧压缩力使闸瓦打开，让主轴可以自由转动，使电梯运行；当电梯需要停止时，控制系统令制动器电磁线圈断电，线圈中的铁芯在制动弹簧的作用下复位，制动闸瓦抱紧，使电梯停止。
2.3本章小结
本章主要介绍了电梯的基本结构，例如轿厢与对重、机房、井道、悬挂与补偿装置等机械结构、并以示意形式简明扼要的表示了电梯的基本结构。
同时对电梯的重要机械组成部分曳引机、减速箱、电磁制动器有了一个较完整的说明和简单的原理阐述。
第三章VVVF变频电梯的主电路控制系统
电梯的电力驱动系统对电梯的启动加速，稳速运行，制动减速起着控制作用。
驱动系统的优劣直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘座的舒适性等指标。
3.1VVVF型电梯的电机基本原理
根据电机学理论可知:
交流电动机的转速公式为:
（3-1）
式中：
为定子的电源频率，
为电动机定子绕组的极对数，
为转差率，
为转速。
由公式可知:
转速
与三个变量（因素）有关。
3.2电梯的各种调速系统
3.2.1变极调速系统
改变电机极对数p可以改变电机转速，这就是“交流双速梯”采用的调速方法。
电机极数少的绕组称为快速绕组，极数多的绕组称为慢速绕组。
变极调速是一种有极调速，调速范围不大，因为过大地增加电机的极数，就会显著地增大电机的外形尺寸。
快速绕组作为起动和稳速之用，而慢速绕组作为制动和慢速平层停车用。
3.2.2交流调压调速系统
改造定子绕组电压大小来改变转差率s以达到调速目的，这就是“交流调速梯”采用的调速方法。
双速梯采用串电阻或电抗起动，变极减速平层，一般起制动加减速度大，运行不平稳。
因此可用可控硅取代，制动用电阻，电抗器，从而控制起，制动电流，并实现系统闭环控制。
通常采用速度反馈，运行中不断检查电梯运行速度是否符合理想速度曲线要求，以达到起制动舒适，运行平稳的目的。
这种系统由于无低速爬行时间，使电梯的总输送效率大大提高，而且按距离制动直接停靠楼层，电梯的平层精度可控制在±10mm之内。
3.2.3变压变频调速系统
改变定子电源频率f也可达到调速目的，但f最大不能超过电机额定频率，电梯作为恒转矩负载，调速时为保持最大转矩不变，根据转矩公式：
（3-2）
式中：
为电机常数，
为转子电流，
为电机气隙磁通，
为转子功率因数。
必须保持恒定。
又根据电压公式：
U=4.44fWK（3-3）
（3-4）
式中
为定子电压，
为定子电压频率，
为定子绕组匝数，
为电机常数）。
必须保持
为常数，即：
变频器必需兼备变压、变频两种功能，简称为VVVF型变频器，这亦就是VVVF型电梯的基本控制原理。
交流异步电动机的转速是施加于定子绕组上的交流电源频率的函数，均匀且连续地改变定子绕组的供电频率，可平滑地改变电机的同步转速。
但是根据电机和电梯为恒转矩负载的要求，在变频调速时需保持电机的最大转矩不变，维持磁通恒定。
这就要求定子绕组供电电压要作相应的调节。
因此，其电动机的供电电源的驱动系统应能同时改变电压和频率。
即对电动机供电的变频器要求有调压和调频两种功能。
使用这种变频器的电梯常称为VVVF型电梯。
3.3PLC系统构成及原理
3.3.1PLC系统结构方框图
以PLC为控制中心，由外围设备曳引机、现场信号时时参数反馈给PLC，使其不断调整输出与实际值的偏差，不断地纠正；曳引机通过变频器能够达到使电梯上行与下行、平层都能平稳的过渡。
图3-1PLC系统结构方框图
3.3.2电梯理想运行曲线图
图3-2抛物线—直线综合速度曲线
通过许多研究实验表明，人能够接受的最大加速度为am≤1.5m/s2，加速度变化率ρm≤3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正弦波形，但是正弦波形的加速度曲线实现比较困难，而三角形曲线最大加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线，即+ρm跳变到-ρm或由-ρm跳变到+ρm的加速度变化率，故很少采用，因梯形曲线容易实现且有较好的加速度变化率频繁指标，故被广泛采用。
3.4本章小结
本章主要介绍了变频电梯的基本控制原理和主电路控制系统，分别阐述了三种不同的变速控制系统并比较了其不同的性能和优缺点，也给出了PLC的系统结构方框图介绍了其控制对象，介绍了变频器构成的电梯系统的优点。
第四章VVVF电梯电器元件和设备的选择
上一章节对电梯系统的主电路控制系统作了一个简单的设计，接下来对几个主要控制部件和机械部件做个简明阐述。
4.1控制系统简述
选用日本安川变频器（型号为VS-616G5-CIMRG5A4015）及旋转编码器（或称脉冲发生器—PG）。
其主要参数:
512p/r，带A、B相输出）构成VVVF闭环系统，只用原电机的高速绕组（四极绕组），而低速绕组（六极绕组）及涡流绕组均不用。
图4-1VVVF闭环系统框图
4.2轿厢和对重
轿厢一般由轿厢架，轿底，轿壁，轿顶等主要构件组成。
各类电梯的轿厢基本结构相同，由于用途不同在具体结构及外形上将有一定的差异。
轿厢架是轿厢的主要承载构件，它由立柱，底梁，上梁和拉条组成。
轿厢体由轿底板，轿厢壁，轿厢顶等组成。
轿内设置：
一般轿内设有如下部分或全部装置，操纵电梯用的按钮操作箱；显示电梯运行方向及位置的轿内指示板；通讯联络用的警铃，电话或对讲系统；风扇或抽风机等通风设备；保证有足够照明度的照明器具；标有电梯额定载重量，额定载客数及电梯制造厂名称或相应识别标志的铭牌；电源及有/无司机操纵的钥匙开关等。
轿厢的称重装置分为机械式，橡胶块式和负重传感器式。
对重是曳引电梯不可缺少的部件，它可以平衡轿厢的重量和部分电梯负载重量，减少电机功率的损耗。
4.3补偿装置
电梯在运行中，轿厢侧和对重侧的钢丝绳以及轿厢下的随行电缆的长度在不断变化。
随着轿厢和对重位置的变化，这个总重量将轮流地分配到曳引轮的两侧。
为了减少电梯传动中曳引轮所承受的载荷差，提高电梯的曳引性能，宜采用补偿装置。
补偿装置的型式采用补偿链，补偿绳或补偿缆。
4.4PLC的选型
用PLC组成的控制系统，省掉了接口电路的制作，系统结构简单、紧凑、可靠性高。
直接将电梯的内外呼梯信号、层位检测信号、限位信号、开门关门信号等开关量接到PLC的开关量输入端，PLC提供的24V直流电源可作为指示灯的电源，用PLC的输出点直接控制变频器实现电机的正转、反转、停等。
系统的硬件构成如图4-2所示。
图4-2系统硬件构成图
考虑到以下几个方面，因此选用（FX2N-48MR）来实现四层楼电梯的电气控制:
（1）FX2N的输入输出点数能满足系统要求，且FX2N配置灵活，除主机外，还可以扩展I/O模块，A/D模块，D/A模块和其它功能模块；
（2）FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快；
（3）FX2NPLC的内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器C的功能和数量能满足系统控制要求。
（4）FX2NPLC的体积比FX2PLC小50%以上，但控制功能和性能相同；
（5）FX2NPLC的编程，可用编程器，也可以在电脑上使用三菱公司的专用编程软件FXGP_WIN-C进行，编程语言可用梯形图或指令表。
4.5PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC的平均故障间隔时间可达几十万小时。
硬件方面：
隔离是抗干扰的主要手段之一。
在微处理器与I／O电路之间，采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入CPU模块。
滤波是抗干扰的又一主要措施．对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可消除或抑制高频干扰，用良好的导电、导磁材料屏蔽CPU等主要部件可减弱主间电磁干扰。
对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。
（2）软件方面
当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉。
这样，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。
设置故障检测与诊断程序。
PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测系统硬件是否正常，锂电池电压是否过低，外部环境是否正常，如掉电、欠电压等；
（3）设计、安装容易，维护工作量小
PLC已实现了产品的系列化、标准化和通用化，用PLC组成控制系统，在设计、安装、调试和维修等方面，表现出了明显的优越性。
PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试，用模拟试验开关代替输入信号，其输出状态可通过PLC上的发光二极管指示得知。
（4）功能完善，通用性强
逻辑运算、定时、计数、顺序控制；
A／D、D／A转换，数值运算和数据处理；
PLC具有通信联网功能，可与相同或不同类型的PLC联网，并可与上位机通信构成分布式的控制系统。
4.6本章小结
本章主要讲述了电梯的机械设备的选择、PLC和变频器的选型，并主要介绍了PLC的相关功能和特点。
第五章电梯的控制系统
5.1变频调速电梯系统及其驱动技术
采用PLC控制的变频调速电梯系统原理图如图5-1所示。
图5-1PLC控制的变频调速电梯系统原理框图
从该原理框图中可以读出电梯需要处理较多的时时信号，所以在做该系统的设计时，能够考虑到处理速度问题。
故要采用时下相对比较先进驱动控制技术，其中包括U/F控制、矢量控制、直接转矩控制的高性能变频调速器。
图5-1中，主要有楼层信号，呼梯、选层信号，定向信号，升降信号，主控制电机信号等。
将变频器技术应用于电梯控制时，这种类型的电梯常称为VVVF电梯。
一般变频器分为两种直接变压和间接变压。
对于间接变频器，可以按直流环节电压、电流的特点（由滤波的电容量和电感量决定）划分为电压型和电流型变频器。
电梯属于恒转矩负载，电梯一旦载客后，由于人数是不变的，所以无论是快是慢，负载的力矩是恒定的，对于恒转矩负载，最适合压频比V/f为常数的控制方法。
目前，虽有电梯专用
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