毕业论文__基于三菱FX2N-128MRPLC五层电梯控制系统的设计.doc
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基于三菱FX2N-128MRPLC五层电梯控制系统的设计
本科毕业论文
题目基于三菱FX2N-128MRPLC五层电
梯控制系统的设计
学院工学院
专业农业电气化及自动化
毕业届别二〇〇九届
姓名马婧
指导教师杨婉霞
职称讲师
甘肃农业大学教务处制
二〇〇九年六月
目录
摘要 4
绪论 5
一、 课题名称：
基于三菱FX2N-128MRPLC五层电梯控制系统的设计 5
二、 设计目的及意义 5
三、 设计基本原理及各总模型介绍 7
第一章 电梯设备与电梯发展动态 8
1.1 电梯设备 8
1.1.1 电梯的分类 8
1.1.2 电梯的主要参数 8
1.1.3 电梯的主要组成部分 10
1.1.4 电梯的安全保护装置 11
1.2 PLC电梯控制系统的优点 12
1.3 电梯变频调速控制的优点 12
第二章变频器的选择及其参数设计 13
2.1 变频器的分类 13
2.2 VS-616G5型通用变频器 14
2.2.1 选择VS-616G5型通用变频器的依据 14
2.2.2 VS-616G5型通用变频器电梯调速系统 16
2.3 变频器结构及参数设计 17
2.3.1 参数设计 18
2.3.2 变频器自学习功能的应用方法 20
2.4变频器容量计算 20
2.5 变频器制动电阻参数的计算 21
第三章 PLC的选择及其硬件开发 22
3.1 可编程序控制器（PLC）的选择 22
3.1.1 轿厢位置检测 23
3.1.2 可编程控制器（PLC）的选择 24
3.1.3 FX2N系列PLC的基本构成 24
3.2 PLC控制系统硬件开发 27
3.2.1 设计思想 28
3.2.2 I/O点数的分配及机型的选择 31
3.2.3 硬件主电路图分析 34
第四章 系统软件开发 35
4.1 电梯的三个工作状态 36
4.1.1 电梯的自检状态 36
4.1.2电梯的正常工作状态……………………………………………………………36
4.1.3电梯强制工作状态………………………………………………………………36
4.2系统的软件开发………………………………………………………………..37
4.2.1软件设计要求……………………………………………………………………37
4.2.2软件流程…………………………………………………………………….......37
4.3系统的软件开发…………………………………………………………………39
4.3.1电梯的开关门运行回路…………………………………………………………39
4.3.2系统软件设计……………………………………………………………………40
4.3.3梯形图及原理分析………………………………………………………………42
4.3.4梯形图原理分析……………………………………………………………...........47
第五章 电梯模拟调试及安装………………………………………………………………….48
5.1 电梯模拟调试………………………………………………………………………….48
5.2 电梯安装调试………………………………………………………………………….48
5.3 设备选择……………………………………………………………………………….49
设计总结………………………………………………………………………………………….50
参考文献………………………………………………………………………………………….51
Abstract.........................................................................................................................................52
致谢............................................................................................................................................53
基于三菱FX2N-128MRPLC五层电梯控制系统的设计
谁谁谁
（XXXX大学工学院XXXX级电气化及自动化）
摘要：
电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具，是机电一体化的复杂运输设备。
它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电力拖动系统和土建工程等多个科学领域。
目前我国国产电梯大部分分为继电器及PLC（可编程控制器）控制方式两种，继电器控制系统性能不稳定，故障率高，大大降低了电梯的舒适性、可靠性和安全性，给乘用人员的工作和生活带来了诸多不便，因而PLC在电梯控制中得到了广泛应用。
随着经济的高速发展，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，以电梯为主要标志的现在高层建筑的垂直交通工具，其设计要求稳定性高、安全性高。
随着高层建筑的飞速发展，电梯控制技术也已发展到了调频调压调速，其逻辑控制由PLC代替继电器控制。
本文在针对我国电梯现状的基础上，将PLC、变频器实现五层电梯常规控制，通过合理的选择和设计，大大提高电梯的控制水平，改善电梯运行的舒适感，使电梯达到较为理想的运行效果，并实现电梯的精确位移控制。
在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析电梯的工作原理，阐述PLC的特点和优点，重点分析电梯的硬件设计和软件设计，研究分析并提出基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文进行总结。
关键词：
电梯变频器PLC控制变频调速
绪论
一、课题名称：
基于三菱FX2N-128MRPLC五层电梯控制系统的设计
二、设计目的及意义
进入二十一世纪，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、可靠性要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。
PLC（可编程控制器）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。
鉴于其多种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制取代。
同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式也已由原来的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称为现代电梯行业的一个热点。
而PLC是一种适用于自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式，与普通计算机一样，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，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。
电梯采用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；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。
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他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；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。
变频器以其优越的性能，在电梯行业广泛应用。
目前国内七八十年代安装完成的电梯绝大部分是以继电器控制，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。
近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的PLC（可编程控制器）来控制电梯，为改善电梯继电器控制的不足取得了良好的市场效果。
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。
课题所研究的内容主要针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在的功能弱、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。
三、设计基本原理及各总模型介绍
根据所需要的输入输出点数进行统计，增加10%～20%的可扩展余量后就得到了输入输出点数的估计数据，以此为依据可以算出I/O总点数约为100点，选择三菱FX2N-128MRPLC，其输入输出总点数为128，符合设计要求。
本文采用PLC和变频器实现电梯常规控制，通过对变频器和PLC芯片的合理选择和设计，利用安川VS-616G5型变频器可编制速度曲线的特点为电梯舒适度的提高提供了技术支持。
并利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，实现电梯的精确位移控制。
通过PLC程序设计实现楼层计数、换速信号、开门控制和平层信号的数字控制，取代井道位置检测装置，提高系统的可靠性和平层精度。
该系统具有先进、可靠、经济的特色。
轿厢操作盘
厅外呼叫厅
安全装置
井道装置
指挥层
调整器
拖动控制
门机控制
输入接口
PLC主机
CPU存储器
输出接口
图1电梯控制PLC系统的基本结构图
拽引机
门机
显示
现场信号
变频器
PLC
电源
PG
图2系统结构框图
第一章电梯设备与电梯发展动态
1.1电梯设备
1.1.1电梯的分类
（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；特种电梯等。
（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；群控等。
1.1.2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）：
由底层端站露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。
1.1.3电梯的主要组成部分
（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）电气设备及控制装置：
由曳引机、选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅外指示器组成。
（4）其他装置：
对重装置、补偿装置等。
1.电梯轿箱的控制要求：
a：
选向：
根据电梯各层内选外呼信号的先后和停止时轿箱所在的楼曾位置决定电梯的运行方向。
b：
选层换速：
指电梯能够根据轿内所选层而决定运行方向，而且遵守或一直向上，或一直向下的原则。
并且在每次平层的时候都能够换速。
c：
楼层位置的指示：
选用了数码管显示的方法。
由于FX2N系列已有内部计数-译码驱动模块，所以只要外部加上LED七段显示管和电源就可以显示楼层了。
2．电梯门的控制要求：
要求当电梯平层的时候，电梯门自动打开，经过10秒钟后电梯门自动关上。
如果遇到有人在门中间的情况，电梯会因为光电开关的作用而自动开门。
1.1.4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机，启动时通电松闸，停层后断电制动。
（2）强迫减速开关：
分别装于井道的顶部可底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上撞块就触动此开关，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。
仅当厅门关上才允许电梯启动，在运行中如出现厅门开关断开时，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）其他的开关：
安全窗开关、钢带轮的断带开关等。
1.2PLC电梯控制系统的优点
（1）在电梯控制中采用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。
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优点
（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技术和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技术和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。
第二章变频器的选择及其参数设计
本设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中变频器的选择。
2.1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类：
交-直-交变频器
交-交变频器
（2）按主电路工作方式分类：
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类：
PAM变频器
PWM变频器
（4）按工作原理分类：
U/f控制变频器
VC控制变频器
SF控制变频器
（5）按照用途分类：
通用变频器
高性能专用变频器
高频变频器
2.2VS-616G5型通用变频器
2.2.1选择VS-616G5型通用变频器的依据
电梯的调度要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，其舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。
本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按照理想给定速度曲线运行，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-616G5型全数字变频器。
安川VS-616G5型变频器具有磁通矢量控制、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，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。
另外，安川VS-616G5型变频器的启动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01～0.02%，使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。
无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。
采用高性能IGBT，载波频率20KHz，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。
安川VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。
这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
VS-616G5型变频器的特点如下：
（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
（2）有丰富的内藏与选择功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
（4）保护功能完善、维修性能好。
（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。
VS-616G5型变频器的标准规格如表2.1。
电压
200V
400V
容量范围
1.2～1100KVA
1.4～460KVA
电源
电压频率
200V:
三相200/200/208/220V
400V:
三相380/400/415/460V
电压允许变动
+10%-15%
频率允许变动
±15%
控制特性
控制方式
正弦波PWM控制：
●无传感器矢量控制（无PG）
●带传感器矢量控制（带PG）
●V/F控制
●带传感V/F控制（用参数切换）
启动转矩
150%Hz（无PG）150%r/min（带PG）
速度控制范围
1：
100（无PG）1：
1000（带PG）
速度控制精度
±0.2%（无PG）0.02%（带PG）
速度响应
5Hz（无PG）30Hz（带PG）
转矩极限
有
转矩精度
±5%
转矩响应
20Hz（无PG）以上150Hz（带PG）以上
频率控制范围
0.1～400Hz
频率精度（温度变动）
数字式指令±0.01%（-10℃～+40℃）
模拟式指令±0.1%（25℃～+10℃）
频率设定分辨率（运算分辨率）
数字式指令0.01Hz/100Hz
模拟式指令0.03Hz/60Hz
输出频率分辨率
0.01Hz
过载量
额定输出电流的150%IN
频率设定信号
-10V～10V，0～10V，4～20MA
加减速时间制动转矩
0.01～6000.0S
约20%带制动选择150%
抑制高次谐波电源
直流电抗器
内带（200V24KVA、400V26KVA以下可选择）
12相整流
不能变动
主要控制空能
瞬停再起动、下降控制、转矩控制、零点伺服控制等
操作装置
16字×2线日语液晶显示器
接通插件板可选择
16种（最多可装3块）
保护功能
电机保护、变频过载、瞬间过电流、电压下降、过电压、输入缺相
2.2.2VS-616G5型通用变频器电梯调速系统
VS-616G5型通用变频器可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩；它适合用于各种应用场合，可以低速下实现平稳起动并且极其精确地运行，其自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制。
VS-616G5将U/f控制、矢量控制、闭环U/f控制、闭环矢量控制四中控制方式融为一体，其中闭环矢量控制是最适合电梯控制要求的。
一、变频器的配置及容量选择
VS-616G5型变频器用在电梯调速系统中时，必须配PG卡及旋转编码器，以提供电动机测速及反馈。
旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。
旋转编码器输出A、B两相脉冲，当A相脉冲超前B相脉冲90°时，可认为电动机处于正转状态。
当A相脉冲滞后于B相脉冲90°时可认为电动机处于反转状态，旋转编码器根据AB相脉冲的相序，可判断电动机旋转方向，并根据AB脉冲的频率（或周期）测得电动机的转速。
旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给VS-616G5内部，以便进行运算调节。
A、B两相脉冲波形图如图2.1所示。
图2.1A、B两相脉冲波形图
VS-616G5用在电梯调速系统中时，还必须配置制动电阻。
当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。
这时同步转速下降，交-直-交变频器的直流部分电压升高，制动电阻的作用就是消耗回馈电能。
抑制直流电压升高。
除PG卡和制动电阻外，VS-616G5还需要配置600脉冲旋转编码器和电梯运行曲线输入板（可选配）。
其容量可选1：
1配置，即电动机容量和变频器容量相等。
最好采用大一数量级选配，即11kW电动机选15kW的变频器、15kW电动机选18kW的变频器。
2.3变频器结构及参数设计
由于采用PLC作为逻辑控制部件，因此变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。
由于VS-616G5是通用型变频器，因而用在电梯控制上位了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要发杂得多。
VS-616G5型变频器共有9组参数，每一组参
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