基于PLC控制变频调速电梯毕业设计论文.docx

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基于PLC控制变频调速电梯毕业设计论文

基于PLC控制变频调速电梯

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得到了迅速发展，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。

近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展．一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。

更新换代生产更新型的电梯，电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份，随着自动控制理论与微电子技术的发展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化，交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。

目前电梯控制系统主要有三种控制方式：

继电路控制系统（“早期安装的电梯多位继电器控制系统）、PLC控制系统、微机控制系统。

继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。

微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。

而PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。

本文在已有的通变频器的基础上

采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平

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：

PLC控制变频调速电梯舒适感，PLC电梯，可控式编程器

ABSTRACT

Withthedevelopmentoftheeconomy,microelectronictechnology,computertechnologyandtheautomatictheoryaredevelopedrapidly,theACvariablefrequencytechnologyhasbeeninanewstate.Itsapplicationisbecomingmoreandmorewidely.Buttheelevatorasanimportanttrafficinskyscraper，italsohasdevelopedquicklywiththeimprovingrequirementofthepeople.therecentyears,ourcountry'selevatorproductiontechnologyobtainedtherapidlyexpand.Someelevatorfactoryunceasinglyisalsoimprovingthedesign,therevisioncraft.Therenewalproductionrenewal'selevator,theelevatormainlydividesintothemechanicalsystemandthecontrolsystemtwomajorparts,alongwiththeautomaticcontroltheoryandmicroelectronictechnology'sdevelopment,elevator'sdraggingwayandthecontrolmethodhashadtheverybigchange,theexchangevelocitymodulationisthecurrentelevatordraggingmaindevelopmentdirection.Atpresenttheliftcontrolsystemmainlyhasthreecontrolmodes:

Followingelectriccircuitcontrolsystem（“earlyinstallmentelevatormanyblack-whitecontrolsystem）,PLCcontrolsystem,microcomputercontrolsystem.Becausetheblack-whitecontrolsystemthefailurerateishigh,thereliabilityisbad,controlmodenotnimbleaswellasconsumedpowerbigandsoonshortcomings,atpresenthasbeeneliminatedgradually.

Thearticleisbasedonthenow-beinggeneralfrequencyconverter,usingPLCtocontroltheelevator,thereliabilityisimprovedandthefeelingofcomfortisbetterthroughthereasonableselectionanddesign,sotheeffectofcontrolismoreideal.

KEYWORDS：

PLCcontrolfrequencyconversiontimingelevatorfeelingofcomfort，PLCelevator，controllable-likeprogrammer

1.引言

1.1课题的必要性与发展概况

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:

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;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;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;系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大;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。

可编程序控制器（PLC）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已成为现代电梯行业的一个热点。

PLC是一种用于自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方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

电梯采用了PLC控制，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

控制系统结构简单，外部线路简化.另外可方便地增加或改变控制功能。

也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。

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。

电动机交流变频调速技术是当今节电、改善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。

变频调速以其优异的调速性能和起制动性能、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。

变频调速电梯使用了先进的SPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能;调速范围广、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，几乎可与直流电机媲美。

同时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，节能显著。

1.2电梯的起源和发展

电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具，多层厂房和多层仓库需要有货梯；高层住宅需要有住宅客梯；百货大楼和宾馆需要有客梯、自动扶梯……在现代社会，电梯已像汽车飞机一样，成为了人类不可或缺的交通运输工具。

据估计，目前全球在用电梯已超过635万台，其中垂直电梯约610万台，自动扶梯和自动人行道约25万台。

电梯已成为人类现代生活中使用最广泛的交通工具。

电梯，为人们快捷高效舒适的现代化生活提供了保证，没有了电梯，现代化的楼宇将陷于瘫痪。

当今世界，电梯的使用量已经成为衡量现代化程度的标志之一。

追溯电梯的起源，在我国和国外都能找到其雏形。

如我国公元前1700多年出现的桔？

，是一种用于提水的升降装置。

公元前1100多年出现的辘轳，是一种用于提水或升举重物的升降装置。

在古代希腊，于公元前236年出现的阿基米德绞车，是一种升降重物的装置。

他们的共同特点都是由支架、卷筒、绳索、摇杆、盛物装置几部分组成的最原始、最简单的升降机械，由木材料制成，靠人力和畜力驱动在很低速度下运行。

自1889年美国奥蒂斯升降机公司推出世界上第一部以直流电机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。

如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们对电梯的运行的平稳性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能提出了更高的要求。

由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率高、可靠性差、接线复杂，一旦完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。

可编程控制器（以下简称PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂，而且具备控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口连接、维修方便等诸多高品质性能。

因此，PLC在电梯领域得到了广泛而深入的应用。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC在工业控制领域内得到广泛地应用。

PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程控制器的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入\输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

1.3电梯的工作原理

牵引绳两端分别连着轿厢和对重（又称配重），缠绕在牵引轮和导向轮上，牵引电动机通过减速器变速后带动牵引轮转动，靠牵引绳与牵引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输的目的。

固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往返升降运动，防止轿厢在运动中偏斜或摆动。

常闭式制动器在电动机工作时松闸，是电梯运转，在失电的情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。

轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。

补偿装置用来补偿牵引绳运动中的张力和重量变化，使牵引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。

电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。

指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。

安全装置保证电梯运行安全。

2.PLC与变频器

在整个设计系统中，主要有两大控制部件：

PLC及变频器。

PLC主要实现各种控制功能，变频器实现双变速。

2.1PLC

2.1.1PLC的原理及其应用

PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。

微机一般采用等待命令的工作方式。

PLC则采用循环扫描工作方式。

在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符又返回第一条。

如此周而不断循环。

每个循环成为一个扫描周期。

一个扫描周期大致分为1/0刷新和执行指令两个阶段。

所谓1/0刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。

这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故成为“1（输入）/0（输出）刷新”。

由此可见，若输入变量在1/0刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出对输入产生了响应。

反之，若在本次1/0刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一步扫描期间输出才会产生响应。

由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。

扫描时间的长短主要受PLC的运算速度，程序长度和每条指令占用时间长短的影响。

PLC在初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制，但近年来由于微处理器芯片及其有关元件价格的下降，大大降低了PLC的制造成本，同时又由于PLC功能显著增强，使得PLC的应用越来越广泛。

PLC的应用通常有以下五种类型:

（1）顺序控制

这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电气顺序控制系统。

PLC可应用于单机控制、多机群控，生产自动线控制等。

如注塑机、印刷机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

（2）运动控制

PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模版。

在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。

每个轴移动时，位置控制模块保持最适当的速度和加速度，确保运动平滑。

相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。

（3）闭环过程控制

PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

PID模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。

（4）数据处理

在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC与计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。

著名日本FANUC公司推出的System10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。

为了实现PLC与CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。

通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。

美国GE公司的CNC设备的新机种也同样使用了具有数据处理的PLC，预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。

（5）通信和联网

为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统）（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。

作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。

2.1.2PLC在电梯中的发展现状

自1889年美国奥蒂斯升降机公司推出世界上第一部以直流电机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。

如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们对电梯的运行的平稳性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能提出了更高的要求。

由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率高、可靠性差、接线复杂，一旦完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。

可编程控制器（以下简称PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂，而且具备控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口连接、维修方便等诸多高品质性能。

因此，PLC在电梯领域得到了广泛而深入的应用。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC在工业控制领域内得到广泛地应用。

PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程控制器的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入\输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

2.1.3PLC控制电梯的优势

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。

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；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；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；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；用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率；更改控制方案时不需改动硬件接线。

2.2变频器

上个纪80年代初，通用变频器实现了商品化。

在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。

2.2.1容量不断扩大

80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。

到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了b00KVA,400KVA以下的已经系列化。

前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时一间，IGBT变频器的单机容量己达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。

2.2.2结构的小型化

变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。

另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”（IntelligentModule,IPM）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。

2.2.3多功能和智能化

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。

特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。

日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。

8位、16位及32位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。

32位数字

信号处理器（DigitalSignalProcesser-DSP）的应用将通用变频器的性能提高一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸功能”。

目前，新一代变频器开始采用新的“精简指令集计算机”（ReducedInstructionSetComputer-RISC），将指令执行时间缩短到纳秒级。

它是一种矢量微处理器，其功能着重点放在常用基本指令的执行效率上，舍弃了某些运算复杂而使用率不高的指令，省下它们所占用的硬件资源用于提高基本的运算速度，达到了以“每秒上亿条指令”为单位来衡量运算速度的程度。

有文献报道，RISC的运算速度可达1000MIPS，即10亿次/秒，相当于巨型计算机水平。

指令计算时间为ins量级，是一般微处理器所无法比拟的。

有的变频器厂家声称，以RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计计算、PID调节器在线实时运算。

目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。

例如本设计所采用的安川公司的VS）16-G5变频器就有:

（1）无PG（速度传感器）V/f控制;

（2）有PGV/f控制;（3）无PG矢量控制:

（4）有PG矢量控制等四种控制方式。

通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。

2.1.4应用领域不断扩大

通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。

最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。

如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器;金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

3硬件设计

3.1电梯的硬件分析

（1）牵引系统

牵引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

牵引系统主要的牵引机、牵引钢丝绳、导向轮、反绳轮组成。

（2）导向系统

导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

（3）轿厢

轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

（4）门系统

门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

门系统由轿厢门、层门、开机门、门锁装置组成。

（5）重量平衡系统

重量平衡系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的牵引传动正常。

重量平衡系统主要由对重和重量补偿装置组成。

（6）电力拖动系统

电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

电力拖动系统由牵引电动机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置等组成。

（7）电气控制系统

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成。

（8）安全保护系统

保证电梯的安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由限速器、安全组、缓冲器、端站保护装置组成。

1.减速器18.补偿链

2.戈引轮19.补偿链导轮

3.戈引机底座20.张紧装置

4.导向轮21.缓冲器

5.限速器22.底炕

6.机座23.层门

7.导轨支架24.呼梯盒

8.戈引钢丝绳25.层楼指示灯

9.开关磁铁26.随行电缆

10.紧急终端开关27.轿壁

11.导靴28.轿内操纵箱

12.轿架29.开门机

13.轿门30.并道传感器

14.安全钳31.电源开关

15.导轨32.控制器

16.绳头组合33.引电机

17.对重34.制动器

3.2变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速已应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。

目前，有为电梯控制而设计的专用变频器，其功能较强，使用灵活，但其价格昂贵。

因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。

目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。

电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择的一项重要内容。

本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感;另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。

考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-61665型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电