基于PLC变频调速电梯控制系统的设计与实现本科毕业设计论文.docx

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基于PLC变频调速电梯控制系统的设计与实现本科毕业设计论文

摘要：

随着现代经济和城市生活的发展，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具，电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著。

传统继电器电梯控制系统，由于继电器本身的机械和电磁惯性大，大大降低了电梯系统的可靠性和安全性。

为了保证电梯运行既高效节能又安全可靠，必须改进电梯控制方式。

根据顺序逻辑控制的需要发展起来的可编程控制器（PLC），它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。

PLC处理速度快，可靠性高，能够保证电梯正常、安全、可靠地运行。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平稳的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。

本文将基于PLC的变频调速方法应用到电梯系统中，并对此方法进行了研究。

首先，分别阐述了电梯继电器控制和PLC控制的特点，突出讲述继电器电梯控制系统暴露的缺点以及PLC电梯控制系统所具有的优点，并对电梯的变频调速控制进行了介绍。

其次，在阅读了大量国内外相关文件资料的基础上，对电梯技术和电梯设备的发展进行了综述。

然后，介绍了变频器类型以及参数设计的相关知识;同时介绍了PLC选型原则以及PLC控制系统的设计思路;在此基础上，根据电梯系统自身的工作状态要求，进行电梯系统的PLC软件开发，通过软件开发的特点，结合PLC自身的控制规律，设计出可实现一定功能的PLC电梯控制系统。

基于PLC的变频调速电梯系统运行效率高，系统安全可靠性强，并且系统构造简单易于实现，满足了对电梯系统期望的要求。

关键词：

电梯;PLC控制;变频调速

ABSTRACT：

Alongwiththedevelopmentofmoderneconomyandcitylife,theelecatorhasbecomeaessentialwalkingtoolforpeopleindailylife,andtheperformanceofelevatorsobviouslyinfluencespeople’slives.Thetraditionalelevatorsystembasedonrelaylargelydecreasesthereliabilityandsecuritysincethemechanicalandelevatorsystembasedonrelaylargelydecreasesthereliabilityandsecuritysincethemechanicalandelectromagneticinertiaofrelayisbig.Inordertoensuretheefficiencyandreliablesecurities,thecontrolmethodofelevatormusebechanged.Theprogrammablelogiccontroller（PLC）,whichdevelopsbasedonsequencelogicalcontrol,isdigitaloperationelectronicdevicespecializedintheindustria;applicationenvironment.PLCpossessesfastprocessspeedandhighreliability.Therefore,PLCcanbeabletoensuretheelevatorrunnormally,securelyandreliably.Inaddition,thedrivemethodofelevatorshasreplacedtheDCvelocitymodulationwithfrequencycontrolduetothedevelopmentofACfrequencycontrolofmotors.Thefrequencycontrolnotonlysatisfiesthecomfortsenseofpassengersandensuresthestableprecision,butalsodecreasesthelossofpower,savesresourcesandreducesexpenses.ThefrequencycontrolmethodbasedonPLCisappliedtotheelevatorshstemandfurtherresearched.

Firstly,theessayrespectivelypresentsthecharacteristicsoftheelevatorsystembasedonrelaycontrolandPLCcontrol,speciallyformulatesthedefdctsexposedfromrelaycontrolsystemandtheadvantagesofPLCcontrolsystem,introducesthefrequencycontrolofelevator.Secondly,basedonreadingmanydomesticandinternationalrelativeliteratures,thedevelopmentofelevatortechniquesandelevatordevicesisoverviewed.Andthen,therelativeknowledgeoffrequency-converterisintroduced;theprincipleofPLCmodelelectionanddesignschemeofPLCcontrolsystemareintroducedaswell.Onthebasisofthese,thePLCsoftwareofelevatorsystemisdevelopedaccordingtotheworkingstatesdemandsoftheelevator.AelevatorsystembasedonPLCcontrolisdesignedthroughcombiningthecharacteristicsofsoftwaredevelopmentandrulesofPLCcontrol.Finally,theelevatorfrequencycontrolbasedonPLCpossesseshighoperationalefficiencyandstrongsystemsecurity.Thesystemstructureissimpleandeasilyrealized,andsatisfiesthedemandsoftheelevatorsystemexpected.

Keywords:

elevator;PLCcontrol;frequencyconversiontiming;

第一章前言

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。

但是，进入九十年代，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代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的问题

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，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，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]。

1.2PLC及在电梯控制中的应用特点

1.2.1PLC的特点

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（布尔处理器），进行点（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。

一．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。

1．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。

2．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，提高了MTBF降低了MTTR使可靠性提高。

3．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。

4．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。

5．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。

6．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。

二．易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面：

1．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。

2．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f地解。

采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。

3．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。

三．灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面：

1．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。

2．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。

3．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[2]。

1.2.2PLC控制电梯的优点

1．在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

2．去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。

3．PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。

4．PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。

5．用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。

6．更改控制方案时不需改动硬件接线。

1.3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，频调速技术的发展也十分迅速。

电动机交流变频调速技术是当今节电交流变工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

改善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，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

变频调速电梯的特点：

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，己逐渐取代直流电机调速。

3．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，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显[3]。

1.4课题的来源

变频器以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。

在电梯业也是如此，目前国内70～80年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，调速方式一般采用变极调速、调压调速、直流调速。

维修困难，属于能耗型调速，效率低，发热量大，调速性能指标较差，严重地影响电梯运行质量。

应对这些电梯进行更新和改造。

但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。

近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。

利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。

1.5课题的主要研究内容

课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）和变频器改造在用电梯自动控制系统。

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、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。

调速系统采用交流变频调速，在各种负载下都有良好的调速性能和准确的停车性能，满足乘客的舒适感和保证平层精度（即准确停车），并能节约大量电能。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）、变频器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，变频器实现变频调速，完成了变频器和可编程控制器（PLC）的选择。

然后是系统硬件开发，完成了变频器的参数设置及PLC的选型、I/O点数分配以及旋转编码器与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实例。

第二章电梯设备与电梯发展动态

2.1电梯设备

2.1.1电梯的分类

电梯的分类有各式各样:

1．按用途分类乘客电梯；载货电梯；客货电梯；病床电梯；杂物电梯；住宅电梯；特种电梯；

2．按速度分类低速电梯1m/s以下；

中速电梯1-2m/s；

高速电梯2m/s以上；

超高速电梯4m/s以上；

3．按驱动电源分类交流电梯速度一般小于2m/s；

直流电梯速度一般大于2m/s；

4．按控制方式分类有层间控制；简易集选控制；集选控制；有/无司机控制；群控等。

2.1.2电梯的主要组成部分

1．曳引部分:

通常由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、双折式，双折中分式和直分式等。

3．电器设备及控制装置有曳引机：

选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅站指示器组成。

4．其它装置：

对重装置、补偿装置等。

2.1.3电梯的安全保护装置

1．电磁制动器，装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。

2．强迫减速开关，其分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上的撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。

3．限位开关，当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。

4．行程极限保护开关，当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。

5．急停按钮，装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。

6．厅门开关，每个厅门都装有门锁开关。

仅当厅门关上才一允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。

7．关门安全开关，常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。

8．超载开关，当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。

9．其它的开关，安全窗开关，钢带轮的断带开关等。

2.1.4电梯的技术参数

1．载重量（kg）制造和设计规定，电梯的额定载重量。

2．轿厢尺寸（mm）宽*深*高。

3．轿厢形式有单或双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿处理，颜色的选择，对电话的要求等等。

4．轿门形式有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、封闭式双折中分。

5．开门宽度（mm）轿厢门和层门完全开启时的净宽度。

6．开门方向人在轿外面对轿厢门向左方向开启的为左开门，门向右方向的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称中分门。

7．曳引方式常用的有半绕1:

1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的度。

半绕2:

1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一半。

全绕1:

1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。

8．额定速度（m/s）制造和设计所规定的电梯运行速度。

9．电气控制系统包括控制方式、拖动系统的形式等。

如交流电机拖动或电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。

10．停层站数（站）凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均称为站。

11．提升高度（mm）由底层端站楼面至顶层端站楼面之间的垂直距离。

12．顶层高度（mm）由底层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构间的垂直的距离。

电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。

13．底坑深度（mm）由底层端站楼面至井道底面之间的垂直距离。

电梯的运度越快，底坑一般越深。

14．井道高度（mm）由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之垂直距离。

15．井道尺寸（mm）宽*深。

电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据。

用户选用电梯时，必据电梯的安装使用地点、载运对象等，按标准的规定，正确选择电梯的类别和有数与尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯设备，否则会影响电梯的使用效果。

2.2电梯的发展动态

2.2.1电梯的产生

1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，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。

以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始了她辉煌的旅程。

150年以来，她己经发展成为世界、亚洲和中国领先的电梯公司。

自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具一电梯，其需求量日益增长。

各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。

为了确保电梯正常运行、安全使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。

2.2.2电梯的发展概况

随着现代建筑的发展，日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要的标志，作为高层建筑的垂直运载工具---电梯得到了快速发展。

电梯是服务于三分之一楼层的固定式升降设备。

它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直上的倾斜角小于15°的刚性导轨之间。

轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。

它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。

追溯电梯这种提升设备的历史，早在公元前我国就有利用人力作动力和简单提升设备，直到现在我国北方部分农村仍用手摇轱辘提取井水的升降提水装置，所以说，我国是世界上最早出现这种提升设备――电梯雏形的国家之一。

随着电子工业的发展，新技术、产品不断用于电梯控制系统，如可编程控制器的应用；单片机的应用；无触点半导体逻辑控制晶闸管（俗称可控硅）的应用；集成电路及数字控制、计算机群控制及调频调压技术的应用、拖动系统简化、性能提高等。

吉林大学工程硕士学位论文第二章电梯设备与电梯发展动态。

生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。

电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新－手柄开关操纵，按钮控制，信号控制，集选控制、人机对话等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿箱电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势，变速式自动人行道扶梯大大节省了行人的时间；不同外形的扇形、三角形、半棱形、圆形观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。

一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升现代人生活质量的承诺。

2.2.3电梯技术发展概况

1．电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。

2．电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。

逐步流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。

交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由以前的变级调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。

3．电梯的逻辑控制已从过去简单的继电器——接触器控制发展为可编程序控制器PLC和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、控等，电梯可靠性得到很大的提高。

4．电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足拥护的使用功能要求。

如紧急停车操作，消防员专用、防捣乱系统等。

5．智能群控管理得到广泛应用。

6．机械传动方面，由于国际上机构加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化[4]。

2.2.4电梯发展的前景展望

1．结构不断紧凑化，随体积不断轻型化、小巧化。

随着新技术、新结构、新材料，新工艺的发展，电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。

同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。

2．技术含量更高，性能更好。

电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准