基于plc的电梯继电器控制系统设计大学论文.docx
《基于plc的电梯继电器控制系统设计大学论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于plc的电梯继电器控制系统设计大学论文.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于plc的电梯继电器控制系统设计大学论文
摘要
随着社会科学技术的发展，高层建筑日益增多，电梯成为高层建筑不可或缺的组成部分。
由于传统电梯采用的是继电气控制的线路，继电器控制线路本身的一些缺陷已经无法满足人们对于电梯性能的要求，比如可靠性、舒适性、低功耗、低噪音等。
而可编程控制器PLC则可以以它处理速度快、可靠性高、功耗小等优势满足人们对于电梯性能的要求。
本文采用PLC和变频器实现对电梯的控制，介绍了变频器的类型以及参数设计的相关知识，同时介绍了PLC的选型以及PLC控制系统的设计思路。
根据电梯系统的设计要求，通过合理的选择和设计提高电梯的控制水平，改善电梯运行的舒适感，使电梯达到比较理想的控制效果，设计出可实现一定功能的PLC电梯控制系统。
关键词：
电梯PLC控制变频器调速
Abstract
Alongwiththesocialthedevelopmentofscienceandtechnology,increasinghigh-risebuilding,theelevatorbecometheindispensablepartofhigh-risebuildings.Becausethetraditionalelevatorusedistheelectricalcontrolline,relaycontrolcircuititselfsomedefectshavebeenunabletomeettherequirementsofthepeopleforelevatorperformance,suchasreliability,comfort,lowpowerconsumption,lownoise,etc.AndprogrammablecontrollerPLCmayinitsprocessingspeed,highreliability,smallpowerconsumptionadvantagestosatisfytherequirementsofthepeopleforelevatorperformance.
BasedonthePLCandfrequencyconvertertorealizethecontrolofelevator,thispaperintroducesthetypesoffrequencyconverterandparameterdesignofrelevantknowledge,atthesametimeintroducesthePLCselectionandPLCcontrolsystemdesign.Accordingtothedesignrequirementsoftheelevatorsystem,throughthereasonableselectionanddesigntoimprovetheelevatorcontrollevel,improvetheelevatoroperationcomfort,maketheelevatortoachieveidealcontroleffect,designedcanrealizeacertainfunctionofPLCelevatorcontrolsystem.
Keywords:
elevatorPLCcontrolfrequencyconverterspeedcontrol
第一章绪论
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。
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，继电器控制的弱点就越来越明显。
可编程序控制器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电梯行业的一个热点。
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题
1.1.1电梯继电器控制系统的优点
（1）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。
（2）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。
（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。
（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。
1.1.2电梯继电器控制系统存在的问题
（1）系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）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。
（3）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。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）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忧。
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。
1.2PLC及在电梯控制中的应用特点
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与普通微机一样，以通用或专用CPU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，进行位运算与控制。
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。
1.3PLC控制电梯的优点
（1）在电梯控制中采用PLC可用软件实现对电梯的自动控制，可靠性大大提高。
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统机构简单，外部线路简化。
（3）PLC可进行的故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
（4）更改控制方案时不需改动硬件接线。
（5）用于群控调配和管理，并提高电梯的运行效率。
1.4电梯变频调速控制的特点
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。
电动机交流变频技术是当今节电，改善工艺z.程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种手段。
变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛适用范围及其它许多优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
（1）变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
（2）变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能:
调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。
变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能效果明显提高。
第二章电梯技术的发展及电梯设备
2.1电梯的起源与发展
电梯在现代社会中必不可少，在建筑物中至关重要，是应用最多的垂直交通运输工具。
它起源于公元前236年的古希腊，阿基米德设计出了一种人力卷扬机，人们把这视为现代电梯的鼻祖。
在瓦特发明了蒸汽机之后，1850年在美国纽约市出现了世界上第一台由亨利制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。
世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明历史上第一部安全升降梯。
从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。
在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯,随着水压梯的发展，蒸汽梯也就被淘汰了。
后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯。
直到今天，液压梯仍在使用。
1889年，美国奥的斯公司制造的由直流电动机通过蜗杆蜗轮减速器带动卷筒卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机，构成了现代电梯的鼻祖。
为了解决乘客乘坐电梯的安全性和舒适感方面的问题，1892年，美国亨利·华特·列昂那得发明了用调节电动机励磁场来调速的电动机一发电机电力驱动系统，使直流升降机的电力拖动构造有了重大发展。
1900年，交流感应电动机被使用到电梯驱动以后，进一步简化了电梯的传动设备。
以后由交流单速电动机发展到交流双速感应电动机。
1903年，美国奥的斯在电梯传动机构中采用了曳引驱动代替卷筒方式，提高了电梯传动机械的通用性，同时也制造了有齿轮曳引高速电梯。
这种电梯减少了传动设备，增强了安全性能，成为目前电梯曳引传动的基本构造形式。
在电梯控制技术方面，1949年开始应用电子技术，以后出现了电子器件与信息处理的分区控制系统，以后发展到大规模集成电路。
由于电梯拖动技术从直流电动机驱动，到交流单速、交流双速电动机驱动，到交流调压调速（ACVV）控制，交流调压调频调速（VVVF）控制，使得电梯控制技术不断成熟，加上电子技术、电子计算机技术、自动控制技术在电梯中的广泛应用，使电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、减少噪声等方面都有了极大改善。
70年代，从1973年电梯控制柜的控制电路逐渐从模拟电路向数字化电路发展，数字技术显著提高了电梯的可靠性和运性精度。
70年代末到80年代初，高速无齿轮和有齿轮快速电梯都应用微机作为控制的主要部件，每部电梯使用的微机不止一部。
80年代，大功率晶体管模块的问世以及微机和数字调节技术的不断成熟，人们利用脉宽调节（PWM）技术来控制换流器，实现对电梯中交流电动机进行调压调频（VVVF），达到线性调速的目的。
自80年代中期，VVVF控制的电梯先后由美国奥的斯、日本三菱等电梯公司相继开发并逐步推向市场。
90年代，VVVF拖动系统得到较快发展，其许多技术、经济指标，明显优于其它电梯控制系统。
2.2电梯的定义
国家标准《GB7024}I-86电梯名词术语》中对电梯进行了如下定义:
电力驱动，具有乘客或载货轿箱，其运行于垂直的或与垂直方向倾斜不大于15度的两侧刚性导轨之间，运送乘客和（或）货物的固定设备。
此外，国家标准GB7588-87《电梯制造与安装规范》中对电梯的技术含义做出了如下总结：
电梯是服务于规定楼层的固定式的提升设备，包括一个轿箱，轿箱的尺寸与结构形式可使乘客方便的进出,轿厢至少部分的在两根垂直的或与垂直方向成倾斜角小于15度的刚性导轨之间运行。
电梯的含义:
（1）梯是有外力即电力来驱（拖）动的；
（2）轿箱要方便乘客乘坐或运载货物；
（3）电梯是沿着垂直方向运行的一种提升设备，可乘客，也可载货。
2.3电梯的基本结构
电梯是一种特殊的起重运输设备，由轿厢及配重、拖动电机及减速传动机械、井道及井道设备、召唤系统及安全装置构成。
轿厢是载人或装货的部位，配重是为了改变电梯电机负载的特性以提高电梯安全性而设置的。
（1）曳引部分：
通常有曳引机和曳引钢丝绳组成。
电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。
（2）轿厢和厅门：
轿厢由轿架，轿底，轿壁和轿门组成;厅门一般有封闭式、中分式、双折中分式和直分式等。
（3）轿厢和厅门：
轿厢由轿架，轿底，轿壁和轿门组成;厅门一般有封闭式、中分式、双折中分式和直分式等。
（4）其它装置：
对重装置、补偿装置等。
2.1轿厢
1、控制柜；2、曳引机；3、曳引钢丝绳；4、限速器；5、限速器钢丝绳；6、限速器张进装置；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、缓冲器
2.4电梯的控制技术
人们对现代电梯的自动化程度和智能化越来越高，可以有下列基本功能，这些功能有的是厂家作为标准功能配置在电梯上，有的是可按用户要求配置。
但是由于本次设计工作的时间有限，不可能实现下面的所有控制要求，只能完成其中的一些主要的最基本的控制要求。
（1）司机操作。
由司机关门启动电梯运行，由轿内指令按钮选向，厅外召唤只能顺向截梯，自动平层。
（2）集选控制。
集选控制是将轿厢内指令与厅外召唤等各种信号集中进行综合分析处理的高度自动控制功能。
它能对轿厢指令、厅外召唤登记，停站延时自动关门起动运行，同向逐一应答，自动平层自动开门，顺向截梯，自动换向反向应答，能自动应召服务。
（3）下行集选。
只在下行时具有集选功能，因此厅外只设下行召唤按钮，上行不能截梯。
（4）独立操作。
只通过轿内指令驶往特定楼层，专为特定楼层乘客提供服务，
不应答其它层站和厅外召唤。
（5）特别楼层优先控制。
特别楼层有呼唤时，电梯以最短时间应答。
应答前往时，不理会轿内指令和其它召唤。
到达该特别楼层后，该功能自动取消。
（6）停梯操作。
在夜间、周末或假日，通过停梯开关使用电梯停在指定楼层。
停梯时，轿门关闭，照明、风扇断电，以利节电、安全。
（7）满载控制。
当轿内满载时，不响应厅外召唤。
（8）清除无效指令。
清除所有与电梯运行方向不符的轿内指令。
（9）开门时间自动控制。
根据厅外召唤、轿内指令的种类以及轿内情况，自动调整开门时间。
（10）按客流量控制开门时间。
监视乘客的进出流量，使开门时间最短。
（11）开门时间延长按钮。
用十延长开门时间，使乘客顺利进出轿厢。
（12）故障重开门。
因故障使电梯门不能关闭时，或者在关门的过程中又有乘客进入的时候，使门重新打开再试关门。
（13）强迫关门。
当门被阻挡超过一定时间时，发出报警信号，并以一定力量强行关门。
（14）光电装置。
用来监视乘客或货物的进出情况。
（15）光幕感应装置。
利用光幕效应，如关门时仍有乘客进出，则轿门未触及人体就能自动重新开门。
（16）副操纵箱。
在轿厢内左边设置副操纵箱，上面设有各楼层轿内指令按钮，便于乘客较拥挤时使用。
（17）电子触钮。
用手指轻触按钮便完成厅外召唤或轿内指令登记工作。
（18）灯光报站。
电梯将到达时，厅外灯光闪动，并有双音报站钟报站。
（19）停电时紧急操作。
当市电电网停电时，用备用电源将电梯运行到指定楼层待机。
（20）火灾时紧急操作。
发生火灾时，使电梯自动运行到指定楼层待机。
（21）消防操作。
当消防开关闭合时，使电梯自动返回基站，此时只能由消防员进行轿内操作。
（22）故障检测。
将故障记录在微机的内存里（一般可存入8-20个故障），并以数码显示故障性质。
当故障超过一定数量时，电梯便停止运行。
只有排除故障，清除内存记录后，电梯才能运行。
大多数微机控制电梯都具有这种功能。
第三章变频器的选择及应用
3.1变频器的分类
变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类：
（1）按变换频率的方法分为交一直一交变频器、交一交变频器；
（2）按主电路工作方式分为电压型变频器、电流型变频器；
（3）按变频器调压方法的不同分为PAM变频器、PWM变频器；
（4）按工作原理分为U/f控制变频器、VC控制变频器、SF控制变频器；
（5）按照用途分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器；
3.2变频器的选择
变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对于系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质，显然是选择时的重要考虑方面。
同时，设备的平均寿命的长短是一个重要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验和口碑仍然是主要依据。
在同一品牌中选择具体型号时，则主要依据已经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定。
变频器的选择需要满足一些条件：
（1）根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型；
（2）所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配；
（3）为降低电梯成本，首选通用变频器；
（4）电梯的启动和停车都要平稳；
（5）变频器带有防止失速功能；
（6）变频器具有优良的转矩特性；
第四章可编程控制器PLC
4.1可编程控制器PLC的定义
可编程控制器是在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上为工业控制应用}fn设计制造并迅速发展起来的。
早期的可编程控制器称作可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）它主要用来代替继电器实现逻辑运算、计数、定时等功能。
随着技术的发展，这种装置除了逻辑控制的范围，还增加了算术运算、数据处理、通信与联网等各种强大的功能，因此，现在这种装置被称作可编程控制器（ProgrammableController，简称PC）。
但是为了避免与个人计算机（（personalcomputer）的简称混淆，仍将可编程控制器简称为PLC。
4.2可编程控制器PLC的发展
首台PLC是由美国通用汽车公司于1969年研制出来的，并在汽车生产线控制中取得了很好的效果，此后PLC得到了长足的发展。
第一台PLC具有可扩充、模块化等特性，易于安装，占用空间小，可以重复使用。
70年代初，金属业和制造业等工业部门在利用PLC控制系统上迈出了很大一步。
70年代中期，PLC有了质的飞跃，提高了运算速度，扩大了输入，输出规模。
4.3可编程控制器PLC的特点
PLC具有一些其他软件没有的特点，这使它有了长足的发展。
（1）可靠性:
对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
A.PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
B.PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，可靠性提高。
C.PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
D.PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
E.在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如，采用可靠性的元件:
采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
F.PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如，采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。
（2）易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:
A、操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。
更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
B、编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。
采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。
C、维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
（3）灵活性，
PLC的灵活性表现在以下几个方面：
A.编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
B.扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
C.操作的灵活性。
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
4.4可编程控制器PLC的选择
对于PLC的选择要详细了解被控对象的控制要求从各方面权衡利弊、合理的选择机型才能达到经济适用的目的。
一般对PLC的选择要本着满足系统要求的目的，不要盲目追求高效，以免造成投资和设备的浪费。
为了满足本次系统的设计要求选用三菱公司生产的FX2N系统的PLC，FX2N系统PLC具有以下优点：
（1）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，D/A模块，A/D
（2）模块和其他特殊功能模块。
（3）FX2N可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，
（4）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。
（5）FX2N的编程可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSEMEDOC来进行。
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。
为调试和维护提供了极大的方便。
（6）FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。
4.5PLC控制系统的硬件开发
4.5.1控制系统的组成
电梯控制系统硬件由轿厢操作盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统组成，控制系统如图4.1：
图4.1
变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLC完成的。
PLC负责处理各种信号的逻辑关系，向变频器发出起、停信号，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系。
系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。
此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。
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动控制系统两部分组成。
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、轿厢操纵盘、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、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过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。
4.2电梯PLC控制系统的基本结构图
4.5.2控制系统的设计
4.3电梯PLC信号控制系统框图
电梯信号控制基本由PLC软件实现。
电梯信号控制系统输入到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。
电梯的控制系统实现如下功能：
（1）一台电机控制上升和下降，各层设上和下呼叫开关（最高层与起始层各设一只）。
（2）电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。
（3）电梯内设有方向指示灯和电梯当前层号指示灯及层楼指令键、照明。
（4）当电梯在某层待客时，按下层外召唤按钮，能自动开门。
当完成全部轿厢内指令，又没有层外呼叫信号时，电梯应自动关门，在设定时间内自动关闭轿厢照明。
（5）自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站5s应能自动关门;在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前运行关门动作。
（6）按钮开门。
在开关门过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。
（7）内指令记忆。
当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门，并能到调定时间，自动确定运行方向。
（8）自动定向，当轿厢内操纵盘选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先进先出的原则，自动确定运行方向。
自动换向，当电梯完成全部顺向指令后,应自动换向，应答相反方向的信号。
（9）呼叫记忆与顺向截停。
电梯在运行中应能一记忆层外的呼叫信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。
（10）自动返回基站。
当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动返回基站，停机待客。
4.5.3电梯的操作的方式
单台电梯的操作方式有手柄操纵控
升级会员 