MM440变频器在电梯中的应用.docx

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MM440变频器在电梯中的应用

摘要

本文介绍一种电梯变频器控制系统。

电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。

它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。

而控制电梯运行的PLC系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。

该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成。

其中包括交流异步电动机、继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器和MM440变频器组成为一体的控制系统。

本设计控制单元采用以西门子的可编程控制器PLC对机器进行全过程控制,采用MM440变频器进行速度调节，达到运行安全、可靠、舒适的要求。

整个系统通过PLC、逻辑控制电路对电梯的升降；加、减速；平层；起动、制动控制。

其结构简单、运行效率高、平层精度高、易于理解与掌握。

关键词：

电梯，PLC控制系统，变频器

Abstract

ThistextintroducesthecontrolsystemofakindofelevatorPLC.Theelevatorisperpendiculardirectionaloftheconveyanceequipmentsbeindispensableinthehighbuildingoftransportationequipments.Itdependselectricpower,draggingalongtomoveacarthatcancarrypersonorthingandleadatrackinthebuildingofthewellwayupdoperpendicularitytoascendanddescendsport,thereisprominentfunctioninthepeople'slife.AndthecontrolelevatorcirculateofthePLCsystemalsohasmoreandmorehighrequest,requesttoattainthemovementpurposeof"steady,quasi-,quick"ofelevatormovement.ThatsystemmainlyfromPLC,logiccontroltheelectriccircuitconstitute.Includeanexchangesdifferencetotreadelectricmotoramongthem,aftertheelectricappliances,getintouchwithamachine,routeoftravelswitchandpressbutton,giveoutlighttheindicatorconstituteandMM440transducerforthecontrolsystemofintegralwhole.ThethismachinecontrolunitadoptioncarriesonwholeprocessacontroltothemachinebytheprogrammablecontrollerPLCofSiemenscompany.

ThewholesystempassesPLC,logiccontroltheelectriccircuitistotheriseandfallofelevator;Add,decelerate;Evenlayer;Start,maketomoveacontrol.Itsstructureissimpleandcirculateanefficiency,evenlayeraccuracy,beeasytocomprehensionandcontrol.

Keywords：

elevator，PLCcontrolssystem，transducer

致谢……………………………………………………………………47

前言

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梯;百货大楼和宾馆需要有客梯,电梯在现代社会已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。

据统计,美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。

当今世界,电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。

追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。

当时有个叫阿基米德的人设计出-----人力驱动的卷筒式卷扬机。

1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而又在英国出现水压梯。

1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。

1900年还出现了第一台自动扶梯。

1949年出现了群控电梯,首批4—6台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。

1955年出现了小型计算机（真空管）控制电梯。

1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。

1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。

1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。

1971年集成电路被应用于电梯。

第二年又出现了数控电梯。

1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。

实际上，电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足要求的，因此，电梯控制系统应采用随机逻辑控制方式控制。

目前电梯的控制普遍采用两种控制方式：

一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯的信号采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。

从控制方式和性能上来说，这两种方式并没有太大的区别。

国内厂家大多采用第二种方式，其原因在于用PLC控制有许多优点：

1，可靠性高，由于采取了一系类的PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间一般可达3-5万小时。

而且PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠地工作；2，编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。

这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。

当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；3，体积小、结构紧凑、安装、维修方便。

PLC的体积小，重量轻，便于安装。

一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能。

可编程控制器不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学、调试和查错都很容易。

用户买到所需要的PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可以灵活而方便地将PLC应用于生产实践，而且用户程序的编制、修改和调试都不需要具有专门的计算机编程语言知识。

PLC现在已经成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代有大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的继电-接触控制系统，在机械、化工、石油、冶金、轻工、电子、纺织、食品、交通等各行各业都得到广泛的应用。

自20世纪80年代初通用变频器问世以来，通用变频器更新换代了五次：

第一代是80年代初的模拟式通用变频器，第二代是80年代中期的数字式通用变频器，第三代是90年代初的智能型通用变频器，第四代是90年代中期的多功能通用变频器，本世纪研制上市了第五代集中型通用变频器。

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至其他能量变换系统中得到广泛应用。

从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。

为了满足电梯安全、可靠、舒适运行的要求，本设计采用西门子MM440变频器进行速度控制以达到以上要求。

在典型的升降系统的轿厢控制中，要与配重相结合，系统表现为很大的惯性复杂性。

所以传动装置必须有很大的起动力矩。

西门子MM440变频器可以控制电梯从静止到平滑起动期间提供200%三秒钟的过载能力。

MM440变频器的矢量控制和可编程的S曲线功能，使轿厢在任何情况下都能平稳的运行且保证乘客的舒适感，特别在轿厢突然停止和突然起动时。

MM440变频器高力矩输出和过载能力保证电梯可靠、无跳闸运行，通过调节变频器的调制频率，可以使电梯静音运行。

S形曲线设定保证电梯平滑操作，提高乘坐舒适感。

电梯采用变频器控制，减少了电梯的机械维护量。

总之，电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能与自身的功能已经无法满足与适应电梯控制的要求和发展，与PLC相比较，存在质的差别。

电梯使用继电接触器控制的时代，很难设计出质量优良的电梯控制系统，而现在，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了更广阔的空间。

同时，MM440变频调速使用了先进的SPWM技术，具有优异的调速性能和起制动性能、高效率和节电效果，得到广泛的应用。

可编程控制器和MM440变频器相结合，使得电梯的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠、抗干扰性能增强、机械与电气部件有机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。

因此它已成为电梯运行中的关键技术。

第一章方案论证

随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，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，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行高效节能又安全可靠。

电梯是垂直运输工具，属于位能负载，并且要求频繁起停，随着载客量多少的变化、上下行的变换，在空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处于发电状态，而电梯在重载上行或空载下行时，电动机的负载最大，是处于电动状态，这就要求电动机在四象限运行。

传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，双速异步电动机在定子回路中串电抗与电阻来实现电动机的调速，这满足不了乘客的舒适感；另外，传统的电梯控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。

可编程控制器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，不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。

因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。

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，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【1】。

（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扰。

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及其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，实现字运算和数据存储，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。

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。

（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，编程错误率大大降低，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，采用软件滤波等；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：

（1）操作方便

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，容易掌握和理解。

采用布尔助记符编程语言，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减低。

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：

（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。

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【2】。

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，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，改善工艺流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。

（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。

（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，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。

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课题研究的实际意义

在电梯的控制中其控制量多、逻辑性强、随机性大是其主要特点，对于PLC控制设计来说，电梯控制系统具有很强的实用性和典型性，研究、分析电梯的逻辑关系，进而实现控制，对于理解和学习PLC都具有很好的意义。

控制电梯运行的PLC系统要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。

该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成。

其中包括交流异步电动机、继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器和变频器组成为一体的控制系统。

本机控制单元采用以西门子公司的可编程控制器PLC对机器进行全过程控制。

整个系统通过PLC、逻辑控制电路对电梯的开关门，升降，加、减速，平层，起动、制动控制。

要求其达到结构简单、运行效率高、平层精度高、使其能够易于理解与掌握。

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。

第二章电梯设备及其主要参数

2.1电梯的出现

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，她已经发展成为世界、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―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【3】。

2.2电梯设备

2.2.1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；高速电梯1~2m/s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）按控制方式分类层间控制；简易集选控制；集选控制有无司机控制；群控

2.2.2电梯的主要参数

（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、轿壁的处理，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、封闭式双折中分门等。

（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，门向右方向开启的为右开门，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运行速度。

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。

如交流电机拖动或直流电机拖动，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件之间的垂直的距离。

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。

电梯的运行速度越快，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间的垂直距离。

（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，必须根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关参数与尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物，否则会影响电梯的使用效果。

2.2.3乘客电梯参数尺寸

本题目选取新国家标准GB/T7025.1-7025.3－97中的规定中的乘客电梯作为设计对象，为适应我国电梯产品迅速发展的要求，原部颁标准JB1435－74和国标GSB7025－86已远不能适应电梯产品的发展的需求。

因此，国家在1997年又正式颁发具有国际水平的新的国家标准GB/T7025.1-7025.3－97以取代前述各标准。

新国标GB/T7025.1-7025.3－97对已批量生产的乘客电梯、住宅电梯，载货电梯，病床电梯，杂物电梯等类别电梯的主要参数及轿厢、井道、机房的形式与尺寸作了具体规定。

2.3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