基于PLC的变频调速自动扶梯控制系统设计-毕业论文-精品.doc
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摘要
HEBEIUNITEDUNIVERSITY
毕业论文
GRADUATETHESIS
设计题目：
基于PLC的变频调速自动扶梯控制系统设计
学院：
电气工程学院
摘要
自动扶梯是一台特种结构型式的链式输送机和两台特殊结构型式的胶带输送机组合的，用于不同层高间运载人员上下的一种连续输送机械。
从第一台名义上的自动扶梯诞生以来，自动扶梯的发展迄今为止大约经历了100多年。
自动扶梯作为运送旅客的交通工具，不仅成功地缩小了目标间的距离，而且使超短途（如楼层、月台间等）的大流量人员运输成为可能。
自动扶梯的应用已经改变了我们的生活。
随着自动扶梯进一步向着高科技、节能、智能化的方向发展，变频器在扶梯领域也被广泛地应用。
本文以PLC和变频器为核心的自动扶梯控制系统可根据客户的要求对以往的电梯控制系统进行改造,这不仅避免了旧系统的诸多缺点而且更加节约能源。
本控制系统具有先进、可靠、经济等特色。
关键词：
扶梯系统；PLC；FRB70A变频器
第1章绪论
Abstract
Escalatortypeofchainconveyorisaspecialstructureandspecialstructurebeltconveyorofthecombinationofthetwo,usedtocarrypeopleupanddownbetweendifferentheightofacontinuousconveyormachinery.Sincethefirstescalatorwasborninname,andsofaraboutthedevelopmentoftheescalatorofover100years.Escalatorstocarrypassengersasameansoftransportation,notonlynarrowthedistancebetweenthetargetsuccessfully,andmaketheultrashort（e.g.,floors,platform,etc.）betweentheflowoflargetransportpersonneltomakepossible.Escalatorapplicationshavechangedourlives.Astheescalatorfurtherdevelopmentinthedirectionofthehigh-tech,energysaving,intelligent,inverterhasbeenwidelyusedinthefieldofescalator.BasedonPLCandinverterasthecoreoftheescalatorcontrolsystemaccordingtothecustomer'srequesttomodifypreviouselevatorcontrolsystem,whichnotonlyavoidsthedisadvantagesoftheoldsystemandmoreenergysaving.Thiscontrolsystemisadvanced,reliable,economicandothercharacteristic.
Keywords：
escalatorsystem;PLC;FRB70Ainverter
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章绪论 4
1.1国内外研究现状 4
1.2自动扶梯调速系统的特征 4
1.3.该课题研究的目的和意义 5
1.4自动扶梯系统结构的基本组成 5
第二章扶梯系统的方案论证 8
2.1方案论证 8
2.1.1继电器控制系统 8
2.1.2PLC控制系统 9
2.1.3变频调速系统 9
2.1.4方案的选定 10
第三章控制系统的组成和硬件的选择 11
3.1控制系统的组成 11
3.2硬件的选择 11
3.2.1自动扶梯电动机的选择 11
3.2.2可编程控制器的选择 15
3.2.3变频器的选择 21
3.2.4传感器的选择 35
第四章自动扶梯系统硬件电路设计 38
4.1电路设计及电路图 38
4.1.1系统硬件设计：
38
第五章自动扶梯系统软件设计 45
5.1系统软件设计 45
5.1.1多段频率的选择 45
5.1.2加减速模式 45
5.1.3节能分析 45
5.2自动扶梯控制系统流程图 47
5.3自动扶梯调速节能系统PLC程序设计 50
总结与展望 52
谢辞 53
参考文献 54
附录 55
附录1扶梯系统程序设计 55
附录2硬件设计电路 57
第一章绪论
第一章绪论
1.1国内外研究现状
在国外一些发达的工业国，电梯的使用已相当普遍，当今世界上最大的电梯生产企业是美国的奥梯斯电梯公司，该公司的产量约占全世界的25%。
其余如瑞士的迅达电梯公司，芬兰的柯尼电梯公司，也是有名的电梯制造企业。
后起之秀的日本电梯制造业，以“日立”、“三菱”为代表，在国际上也有一定的声誉。
我国的电梯生产在解放前是空白，国内城市轨道交通发展较慢，对公共交通型自动扶梯需求量不大。
后来随着我国城市轨道交通的发展，以及为了适应设备国产化的改革要求，企业开始生产公共交通型自动扶梯。
国有自动扶梯企业经历几十年的发展，实力明显增强，基础设施也比较完善。
但是面对当今激烈的自动扶梯市场竞争，如何避免自动扶梯耗能大，机械磨损严重，使用寿命短等缺点，对自动扶梯控制系统的改造势在必行。
目前，自动扶梯节能改造方式主要有两种．即以PLC为核心结合变频器的控制方式和以单片机为核心结合变频器的控制方式。
这里采用第一种控制方式。
1.2自动扶梯调速系统的特征
本文中自动扶梯调速系统的性能特点：
1、无乘客时，电梯低速运行，当有乘客到达入口时，电梯自动转入全速运行。
即应用变频调速可以进行电机软启动；乘客离开电梯后若再无乘客，则电梯自动转回低速运行；启动、停止或速度转换平稳顺畅，舒适性较好；当扶梯处于下行状态时，电机进入发电状态，能量回馈电网，此时电机不受变频器控制。
2、当变频器出现故障时，可以不通过变频器，直接通过电网供电，改造中为了便于系统故障时不影响用户的使用，所以在保留原系统（工频系统）的基础上增加变频系统。
3、检修运行时扶梯以二分之一额定速度运行，便于检修和观察扶梯结构的运动情况，克服了原系统额定速度点动停止不及时的不足。
4、扶梯空载时电流仅为额定速度运行时电流的三分之一，节能效果明显。
由于无人乘梯时运行速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。
5、变频技术的采用大大降低了扶梯启动时对电网的冲击，保证了扶梯启动的平滑、舒适，可有效改善电网的功率因数，降低无功损耗。
变频调速技术作为高新技术、基础技术、和节能技术在国民经济和日常生活中具有重要地位，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。
变频调速技术应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术，被用来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益。
1.3.该课题研究的目的和意义
本文主要介绍佛朗克FRS70A变频器和PLC在自动扶梯调速节能系统中的应用。
该节能方案有以下优点：
1、无人乘梯时：
保证扶梯自动平稳过渡到节能运行，以l/5额定速度运行。
（可以选择当无人乘梯时，扶梯自动停止的功能）；
2、有人乘梯时：
保证扶梯自动以节能速度平稳过渡到额定速度运行，实际测量时得到了验证：
3、扶梯空载时以节能模式运行，电流仅为空载时额定速度运行电流的1/3。
4、检修运行时：
扶梯系统以1/2额定速度运行，便于检修和观察扶梯机构的运行情况，避免了原系统以额定速度运行、点动操作停止不及时的不足。
5、由于无人乘梯时节能运行时速度很低，机械部分的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。
6、变频技术的采用，大大降低了扶梯启动时对电网的冲击，采用变频器可有效改善电网的功率因数，降低无功损耗。
7、改造中充分考虑了变频系统与原系统的并存，便于系统故障时相互切换，不影响用户的使用。
8、改造中借用了原系统的安全条件，加上变频器自身的安全环节使得改造后的系统更安全、更可靠。
9、扶梯节能改造的设备费用与电能节约和机械磨损的费用相比，投入不大，短期内即可收回投资，因此扶梯变频节能安全改造技术的研制和使用成功，能提高现有扶梯安全节能，具有显著的经济效益和社会效益。
1.4自动扶梯系统结构的基本组成
自动扶梯是一台特种结构型式的链式输送机和两台特殊结构型式的胶带输送机组合的，用于不同层高间运载人员上下的一种连续输送机械。
1、驱动装置由于自动扶梯是运载人员的，往往用于人流集中之处特别是服务于公共场所的自动扶梯更是如此。
每天连续运转时间很长。
因此对驱动装置提出较高的设计要求。
所有零、部件应进行详细计算较高的强度和刚度，以保证在短期过载情况下机械具有从分的可靠性。
零件要有较高的耐磨性。
以保证机器在若干年内每天能进行长时间工作。
由于驱动装置设置地点位置的限制，要求机构尽量的紧凑，并要求装拆维修方便。
驱动装置的作用是将动力传递给予梯路系统及扶手系统。
一般由电机、减速器、制动器、传东链条及驱动主轴等组成。
2、牵引构件自动扶梯所用牵引构件有牵引链条与牵引齿条两种。
牵引构件是传递牵引力的构件。
一台自动扶梯一般有两根构成闭合环路的牵引链条（或称梯级链）或牵引齿条。
使用牵引链条的驱动装置装在上分支上水平直线区段的末端，即所谓端部驱动式的。
使用牵引齿条的驱动装置装在倾斜直线区段上下分支的当中即所谓中间驱动式的。
3、扶手装置扶手装置是供站立在自动扶梯上的乘客扶手用的。
自动扶梯自从有了活动扶手之后，才真正进入实用阶段。
自动扶梯的活动扶手有如电梯中的安全钳一样，是重要的安全设备。
扶手装置由扶手驱动系统、扶手胶带、栏杆等组成。
扶手装置是装在自动扶梯梯路两侧的两台特种结构形式的胶带输送机。
4、张紧装置重锤式张紧装置是利用重锤的上下的自动调节牵引构件的张力的一种张紧装置。
这种结构复杂和自重大，在自动扶梯中已很少使用。
目前，一般采用弹簧张紧装置这种结构形式的张紧装置链轮轴的两端各装在滑块内，滑块可在固定的滑槽中滑动，以调节牵引链条的张力，使自动扶梯的牵引链条获得必要的初张力，以保证自动扶梯正常运转。
补偿牵引链条在运转过程中的伸长；牵引链条及梯级由一个分支过渡到另一分支的改向功能；梯路导向所必须的部件，如转向壁等均装在张紧装置上的。
5、导向轨道系统如前所述，自动扶梯的梯级沿着金属结构内按一定要求设置的多根轨道运行，以形成阶梯。
自动扶梯梯路导轨系统包括主轮和辅轮的全部导轨、反轨、反板、导轨支架及转向壁等。
导轨系统的作用在于支承由梯级主轮和辅轮传递来的梯路载荷，保证梯级按一定得规律运动以及防止梯级跑偏等。
因此，要求轨道既要满足梯路设计要求，还应具有光滑、平整、耐磨的工作表面，并具有一定得尺寸精度。
6、梯级梯级是特殊结构形式的四轮小车，有两只主轮，两只辅轮。
梯级的主轮的轮轴与牵引链条铰接在一起，而辅轮轴则不与牵引链条连接。
这样，全部梯级通过按一定得规律布置的导轨运行，可以做到在自动扶梯上分支的梯级保持水平，而在下分支的梯级可以倒挂。
在一台自动扶梯中，梯级是数量最多的部件。
一台小提升高度自动扶梯的梯级约需50~100只，大提升高度自动扶梯的梯级多达600~700只梯级。
对梯级的要求是：
自重轻；工艺性能好；装拆维修方便。
采用铝合金整体压铸而成的梯级为整体梯级：
采用铝合金分零件压铸拼装而成的梯级为分体式。
7、电气控制系统自动扶梯是一种连续输送机械，其电气控制系统与电梯电气控制系统相比区别主要体现在：
自动扶梯基本上不带负载起动；自动扶梯的运行速度保持不变；自动扶梯不频繁起制动；无加减速问题；自动扶梯正常运行时不需改变运行方向，自动扶梯无开关门系统；自动扶梯不需要信号登录及信号显示系统；自动扶梯不需要考虑其运行位置及运行状态。
因此，自动扶梯的电气控制系统相对电梯来说简单得多。
8、安全装置自动扶梯常设置多种安全设置。
一般可分为两大类：
一类是必备的安全装置；另一类是辅助的安全装置。
必备安全装置工作制动器；附加制动器；速度监控装置；牵引链条伸长和断裂保护设备；梳齿板保护装置；扶手胶带入口防异物保护装置及扶手带断带监控装置；梯级塌陷保护装置；裙板保护装置；梯级间隙照明装置；电机保护；相位保护；急停按钮；非操纵逆转保护装置。
辅助安全装置：
辅助制动器；机械锁紧装置；梯级上的黄色边框；裙板上的安全刷；扶手胶带同步监控装置。
第二章扶梯系统的方案论证
第二章扶梯系统的方案论证
2.1方案论证
目前，一般国内安装的自动扶梯多采用单速交流电机作为主机，链轮链条式传动，梯级额定速度大多为0.5m/s。
这种扶梯即使在无乘客使用时仍以额定的速度来不停的运行，这样具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命低等缺点。
众所周知，目前生活中现行普遍应用的自动控制系统有三种：
变频调速控制系统、PLC控制系统、继电器控制系统。
下面将着重向大家介绍三种控制系统的优劣区别比较及本课题选用变频控制系统的特色。
2.1.1继电器控制系统
继电器控制系统的组成:
控制系统（输入回路）,被控系统（输出回路）。
继电器控制系统利用具有继电特性的元件进行控制的自动控制系统。
所谓继电特性是指在输入信号作用下输出仅为通、断等几个状态的特性。
继电控制也称通断控制。
例如,电炉温度调节中根据炉温是否超过规定值而断开或接通电源。
这种只有通、断两个状态的控制又称双位式控制。
对于继电控制型伺服系统,继电控制是指驱动电源的全部电压按照控制偏差值符号的正或负,正向或反向地加到执行电动机上。
为避免正反方向之间的持续振荡,在正向和反向之间常设置一个死区。
继电控制中使用的元件并不限于电磁式继电器,也可用别的手段来实现继电特性。
例如,在双位式温度调节中,常采用双金属片作为敏感元件,温度变化时双金属片因两部分金属的膨胀系数不同而弯曲变形,接通或断开触点。
其他如液压和气动阀等也是具有继电特性的元件。
继电控制系统的主要分析方法有相平面法和描述函数法。
继电控制系统的主要优点是控制装置比较简单。
对于同样的功率，继电控制装置的重量和体积在各类控制系统中几乎是最小的。
其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
但现在由于扶梯自动化及安全性能的逐步提高，仍采用传统的继电器控制方式已不能满足更高性能的要求另外由于继电器控制方式的固有缺点，如：
控制烦琐、布线杂多、占用空间大、故障率高、不易检修等缺点，因此随着电子逻辑器件、大规模集成电路的出现；诸如像单片机、PLC在控制系统上的应用也越来越多。
尤其是变频调速系统在使用节能、高科技、智能化方面得到了进一步的提高，被广泛应用。
2.1.2PLC控制系统
现今自动扶梯的使用越来越高技术含量、高可靠性、高品质、安全、舒适的方向发展。
以继电器为控制系统的自动扶梯已逐渐受到高技术要求的冲击。
总之,技术含量高,物超所值的产品将越来越被消费者所青睐。
PLC控制的自动扶梯系统以其可靠性好、稳定性好、编程简单、使用方便、维护检修方便等显著优点,加上现今逐渐时兴电脑化控制的电气设备,PLC控制的自动扶梯正好迎合了人们的心态,与市场需求紧密相连。
与继电器比较:
PLC控制系统结构紧凑,体积小；PLC内部全为“软接点”，动作快；PLC控制功能改变，一般仅修程序即可，极其方便；PLC控制系统的设计、施工与调试比继电接触控制系统周期短；PLC控制的自检和监控功能比继电接触控制的强；PLC的适用范围比继电接触控制的广泛；PLC可靠性比继电接触控制的高。
但PLC有其应用的局限性，比如说输入输出对电源电压的要求、价格高等因素，因此在自动扶梯的控制上采用PLC并不是最理想的。
2.1.3变频调速系统
80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管交流变成直流，再逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。
它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。
现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电40%-60%,节水15%-30%。
由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平分，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。
尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。
2.1.4方案的选定
变频控制系统是集现代变频调速技术、PLC技术、监控技术和计算机技术为一体的控制系统。
系统采用变频器、可编程控制器（PLC）等现代控制技术，对自动扶梯进行闭环控制，具有手动、自动操作方式。
该系统还配有完善的故障自诊断、故障检修手动工作方式等功能，使维修工作十分轻松快捷。
由于控制回路与负载回路之间是通过中间继电器实现电隔离和信号耦合的，因此系统的抗干扰能力强。
随着自动扶梯进一步向着高科技、节能、智能化的方向发展，变频器在扶梯领域也被广泛地应用。
应用变频器和可编程控制器（PLC）构成变频调速系统对传统扶梯进行节能改造，能够有效节约能源，降低运行成本。
传统的控制方式都有各自的缺点，都造成了很明显的能源浪费。
本文在PLC控制系统的基础上再加上变频器，使自动扶梯的速度可调。
自动扶梯通过变频器起动以后，以额定速度（0.5m/s）运行，在系统设定的时间2分钟内，若没有检测到有人进入扶梯，则2分钟后扶梯经过变频器调节频率使扶梯以五分之一额定速度（0.1m/s）运行（不让扶梯停止是为了提示乘客乘梯的方向，以免人们误以为电梯坏了）；如变频器故障，则自动扶梯可由变频转换到工频状态运行（不节能状态），以保证自动扶梯正常工作。
河北联合大学电气工程学院
第三章控制系统的组成和硬件的选择
3.1控制系统的组成
光电信号检测
安全信号检测
运行状态检测
电源
PLC
变频器
电机
MT
3~
故障运行指示
图3.1控制系统框图
该系统主要由以下几部分组成：
电源、PLC、变频器等。
PLC是控制系统的核心，PLC根据输入的光电信号是否有效确定高速运行指令的输出，变频器根据PLC的高速运行指令控制扶梯的运行速度，完成扶梯的快慢及快慢停循环运行。
3.2硬件的选择
3.2.1自动扶梯电动机的选择
在使用标准的通用异步电机运行变频调速时，由于变频器的性能和电动机自身运行工况的改变的原因，在确定电动机的参数时，除按常规方法选择电动机的型号及参数外，还必须考虑电动机在各个频率段恒速运行时从未考虑过的一些新问题。
1、电动机类型的选择
电动机选择的基本原则是：
在满足工作机械对于拖到系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。
因此，在选择电动机种类时，若工作机械对拖动系统无过高要求，应优先考虑选用交流电动机。
在交流电动机中笼型异步电动机结构最简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统应优先考虑使用。
某些工作机械如桥式起重机、电梯、锻压机等，工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动、制动时间，同时还有一定的调速要求。
对这类工作机械，可考虑选用绕线转子异步电动机。
对于电动机的类型，除了根据使用状况和被传动机械的要求，合理选择结构形式、安装方式（如轴的方向和轴伸，底脚安装或凸缘安装等）以及与传动机械的连接方式（直接连接、齿轮箱、带轮、链传动）外，还应根据温升情况和使用环境选择合适的通风方式和防护等级等。
2、电压等级及转速的选择
交流电动机电压等级的选择应考虑运行场所供电电网的电压等级。
中等功率以下的交流电动机额定电压一般为380V，大功率交流电动机的额定电压多为3KV或6KV。
电动机额定转速的选择是否恰当，关系到电动机的价格和运行效率，甚至关系到生产机械的生产率。
额定功率相同的电动机，额定转速越高，其体积越小，重量越轻，价格也越低。
因此工作于长期工作制的工作机械，原则上应选用额定转速较高的电动机。
但额定转速高必须导致传动机构的复杂化，实际上选用时应作全面权衡。
对于经常工作于起动、制动状态下的电动机，应考虑额定转速对起动、制动时间和起动、制动过程中能量损耗的影响。
可以证明，从缩短起动、制动时间和减小起动、制动过程中能量损耗的角度考虑，应选用GD2与额定转速n乘积最小的电动机。
3、电动机磁极对数的选择
电动机的磁极对数一般由生产工艺决定，不易随意选择。
如果通用变频器具有矢量控制功能，若有条件，最好选择2p=4的电机，因为多数矢量控制通用变频器是以2p=4的电机作为模型进行设计的。
4、电动机工作频率范围的选择
电动机工作频率的范围应包含负载对调速范围的要求。
由于某些通用变频器低速运行特性不理想，所以最低频率越高越好。
5、电动机容量的选择
选择电动机容量的基本原则是：
能带动负载，在生产工艺所要求的各个转速点长期运行不过热，在旧设备改造时，要尽量可能地留用原设备的电动机。
选择电动机容量时应考虑如下几点：
电动机容量、起动转矩必须大于负载所需要的功率和起动转矩；电源电压下降10%~15%的情况下,转矩仍能够满足起动或运行中的需要；从电动机温升角度考虑，为了不降低电动机的寿命，温升必须在绝缘所限制的范围以内；如果电动机每次在最低频率时连续工作地时间不长，则可留用原有电动机，反之如果在最低频率时连续运行的时间较长，则电动机的容量应提高一档。
6、使用变频器传动时电动机的几个问题
笼型异步电动机由通用变频器传动时,由于高次谐波的影响和电动机运行速度范围的扩大,将出现一些新的问题,与工频电源传动时的差别比较差别较大，因此，在旧设备改造留用原有电动机时要特别注意以下问题:
低速时的散热能力（可采用设置恒速冷却风扇改善散热问题）；额定频率运行时有温升提高（可适当留有裕量）；电动机运行时出现噪声增大（可重新设定载波频率）。
本系统采用Y系列三相交流电动机，下面是Y系列的交流电动机的一些参数。
如图表3-1所示：
表3-1Y系列交流电动机的参数
型号
额定
功率（KW）
额定
电流（A）
转速
r/min
效率
%
功率
因数
堵转
电流（A）
重量
（Kg）
同步转速1500r/min（4极）
Y160M-4
11
22.6
1460
88.4
0.84
7.0
122
Y160L-4
15
30.3
1460
89.4
0.85
7.0
142
Y180M-4
18.5
35.9
1470
90.0
0.86
7.0
174
Y180L-4
22
42.5
1470
90.5
0.86
7.0
192
Y200L-4
30
56.8
1470
91.4
0.87
7.0
253
Y
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