毕业设计（论文）-12层工业电梯控制系统设计.doc

东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 目 录 目 录 绪 论1 1. 电梯的工艺说明.2 1.1 电梯的基本结构 2 1.2 电梯的三个工作状态 3 1.2.1 电梯的自检状态 3 1.2.2 电梯的正常工作状态 3 1.2.3 电梯强制工作状态 3 1.3 电梯的安全运行 4 1.4 电梯的开关设置 6 1.5 电梯的主要性能指标 8 2. 电梯硬件系统的组成及其原理.9 2.1 电梯控制系统的硬件组成 9 2.2 电梯的速度控制 9 2.3 电梯的传动系统 .11 2.3.1 双速电机介绍 .12 2.3.2 变频器的基本介绍 .13 2.4 自动开关门的系统控制原理 .21 2.5 电梯运行控制系统 .23 2.5.1 可编程控制器的简介 .23 2.5.2 plc 结构和工作原理23 2.6 本设计 plc 输入、输出口设计介绍 .27 2.7 显示模块介绍 .30 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 目 录 2.7.1 led 显示方法30 2.7.2 七段数码管 .30 2.7.3 数码驱动管 .31 2.8 plc 在电梯控制系统中的应用特点32 2.9 电梯控制系统原理图 .34 2.9.1 电梯控制系统结构图 .34 2.9.2 电梯控制系统原理图 .34 3. 控制系统的软件设计35 3.1 电梯的软件设计 .35 3.1.1 电梯软件设计技术的介绍 .35 3.2 电梯控制系统的主流程图 .37 3.3 模块化编程 .39 结 论.40 致 谢.41 参考文献.42 附录一.43 附录二.44 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 绪 论 1 绪绪 论论 随着现代化经济的发展人民居住水平的提高，在城市里出现了许多现代化的高 楼。现代化的高层建筑离不开电梯，随着国民经济的高速发展和多功能现代化的建 筑群不断涌现，全社会使用电梯的数量正在迅速增加。电梯是一种垂直起重运输设 备，又是比较复杂的机电一体化的大型工业产品，它既有完善的机械专用构造，又 有复杂的电气控制系统。 可编程控制器（plc）既保留了继电器控制系统的简单易懂、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、维修方便等诸多高品质性能。 因此，plc 在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。 本系统是对 plc 控制电梯进行研究的，设计的是十二层电梯的 plc 控制。在电 梯停靠的每一层都有上行、下行呼叫按钮，需要上楼的乘客按“上”向的按钮，需 要下楼的乘客按“下”向的按钮。在每一层厅站的门外有个七段指示器，它用来显 示轿厢此刻所在的位置。 本文的第一章主要是对电梯的一些介绍，说明，第二章介绍其硬件组成，及其 原理，第三章主要讲的是电梯的 plc 系统软件设计。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电梯的工艺说明 2 1. 电梯的工艺说明电梯的工艺说明 1.1 电梯的基本结构电梯的基本结构 电梯是机电合一的大型复杂产品,机械部分相当于人的躯体,电器部分相当于人 的神经.机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综和产品。对于电梯的结构 而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯 的特点。下面简单介绍电梯机械部分的结构,而我们的主要目的是怎样来控制它。 1.曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力,使电梯运行.曳引系统主要 由曳引钢丝绳,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,开门机,门锁装置组成。 5.重量平衡系统 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,保证电梯的曳引传动正常。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 动系统由曳引电动机,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(柜),平层装置,选层器等组成。 8.安全保护系统 保证电梯安全使用,防止一切危及人身安全的事故发生。由限 速器,安全钳,缓冲器,端站保护装置组成。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电梯的工艺说明 3 1.21.2 电梯的三个工作状态电梯的三个工作状态 1.2.11.2.1 电梯的自检状态电梯的自检状态 将程序下载到西门子公司的 s7-200 型 plc 后上电，plc 中的程序已开始运行， 但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在 plc 中的程 序作出响应。为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态已 知楼层且电梯门处于关闭状态。电梯自检过程的目标为：为先按下启动按钮，再按 下恢复正常工作按钮，电梯首先电梯门处于关闭状态，然后电梯自动向上运行，经 过两个平层点后停止。 1.2.21.2.2 电梯的正常工作状态电梯的正常工作状态 电梯完成一个呼叫响应的步骤如下 1.电梯在检测到门厅或轿箱的呼叫信号后将此楼层信号与轿箱所在楼层信号比 较，通过选向模块进行运行选向。 电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿箱运动。轿箱运动速度要经过低速转变 为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。 2.当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态， 由中速变为低速，并以低速运行至平层点停止。 3.平层后，经过一定延时后开门，直至碰到开关到位行程开关；再经过一定延 时后关门，直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿箱所在楼层。 1.2.31.2.3 电梯强制工作状态电梯强制工作状态 当电梯的初始位置需要调整或电梯需要检修时，应设置一种状态使电梯处于该 状态时不响应正常的呼叫，并能移动到导轨上、下行极限点间的任意位置。控制台 上的消防/检修按钮按下后，使电梯立刻停止原来的运行，然后按下强迫上行（下行） 按钮，电梯上行（下行） ；一旦放开该按钮，电梯立刻停止，当处理完毕时可用恢复 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电梯的工艺说明 4 正常工作按钮来使电梯跳出强制工作状态。 1.31.3 电梯的安全运行电梯的安全运行 电梯的安全性除了在结构的合理性、可靠性，电气控制和拖动的可靠性方面充 分考虑外，还针对各种可能发生的危险，设置专门的安全装置。 （1）防超越行程的保护 为防止电梯由于控制方面的故障，轿厢超越顶层或底层端站继续运行，必须设 置保护装置以防止发生严重的后果和结构损坏。 防止越程的保护装置一般是由设在井道内上下端站附近的强迫换速开关、限位 开关和极限开关组成。防止越程的保护装置只能防止在运行中控制故障造成的越程， 若是由于曳引绳打滑、制动器失效或制动力不足造成轿厢越程，该保护装置无能为 力。 （2）防电梯超速和断绳的保护 电梯由于控制失灵、曳引力不足、制动器失灵或制动力不足以及超载拖动绳断 裂等原因都会造成轿厢超速和坠落，因此，必须有可靠的保护措施。防超速和断绳 的保护装置是安全钳限速器系统。安全钳是一种使轿厢（或对重）停止向下运动 的机械装置，凡是由钢丝绳或链条悬挂的电梯轿厢均应设置安全钳。当底坑下有人 能进入的空间时，对重也可设安全钳。安全钳一般都安装在轿架的底梁上，成对地 同时作用在导轨上。 限速器是限制电梯运行速度的装置，一般安装在机房。当轿厢上行或下行超速 时，通过电气触电使电梯停止运行，当下行超速电气触点动作仍不能使电梯停止， 速度达到一定值后，限速器机械动作，拉动安全钳夹住导轨将轿厢制停；当断绳造 成轿厢（或对重）坠落时，也由限速器的机械动作拉动安全钳，使轿厢制停在导轨 上。安全钳和限速器动作后，必须将轿厢（或对重）提起，并经专业人员调整后方 可恢复使用。 （3）防人员剪切和坠落的保护 在电梯事故中人员被运动的轿厢剪切或坠入井道的事故所占的比例较大，而且 这些事故后果都十分严重，所以防止人员剪切和坠落的保护十分重要。防人员坠落 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电梯的工艺说明 5 和剪切的保护主要由门、门锁和门的电气安全触点联合承担。 （4）缓冲装置 电梯由于控制失灵、曳引力不足或制动失灵等发生轿厢或对重蹲底时，缓冲器 将吸收轿厢或对重的动能，提供最后的保护，以保证人员和电梯结构的安全。 电梯发生人员被困在轿厢内时，通过报警或通信装置应能将情况及时通知管理 人员并通过救援装置将人员安全救出轿厢。 1)报警装置 电梯必须安装应急照明和报警装置，并由应急电源供电。 2)救援装置 电梯困人的救援以往主要采用自救的方法，即轿厢内的操纵人员 从上部安全窗爬上轿顶将层门打开。随着电梯的发展，无人员操纵的电梯广泛使用， 再采用自救的方法不但十分危险而且几乎不可能。因此现在电梯从设计上就确定了 救援必须从外部进行。救援装置包括曳引机的紧急手动操作装置和层门的人工开锁 装置。 （5）停止开关和检修运行装置 停止开关一般称急停开关，按要求在轿顶、底坑和滑轮间必须装设停止开关。 检修运行是便于检修和维护而设置的运行状态，由安装轿顶或其它地方的检修运行 装置进行控制。 （6）消防功能 发生火灾时井道往往是烟气和火焰蔓延的通道，而且一般层门在 70以上时也 不能正常工作。为了乘客的安全，在火灾发生时必须使所有电梯停止应答召唤信号， 直接返回撤离层站，即具有火灾自动返基站功能。消防员在用电梯或有消防员操作 功能的电梯（一般称消防电梯） ，除具备火灾自动返基站功能外，还要供消防员灭火 和抢救人员使用。消防电梯的布置应能在火灾时避免暴露于高温的火焰下，还能避 免消防水流入井道。一般电梯层站宜与楼梯平台相邻并包含楼梯平台，层站外有防 火门将层站隔离，层站内还有防火门将楼梯平台隔离，这样在电梯不能使用时，消 防员还可利用楼梯通道返回。 （7）电气安全保护 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电梯的工艺说明 6 对电梯的电气装置和线路必须采取安全保护措施，以防止发生人员触电和设备 损毁事故。 1)直接触电保护 绝缘是防止发生直接触电和电气短路的基本措施。 2)间接触电的防护 间接触电是指人接触正常时不带电而故障时带电的电气设 备外露可导电部分，如金属外壳、金属线管、线槽等发生的触电。在电源中性点直 接接地的供电系统中，防止间接触电最常用的防护措施是将故障时可能带电的电气 设备外露可导电部分与供电变压器的中性点进行电气连接。 3)电气故障防护 按规定交流电梯应有电源相序保护，直接与电源相连的电动 机和照明电路应有短路保护，与电源直接相连的电动机还应有过载保护。 4)电气安全装置 电气安全装置包括：直接切断驱动主机电源接触器或中间继 电器的安全触点；不直接切断上述接触器或中间继电器的安全触点和不满足安全触 电要求的触点。但当电梯电气设备出现故障，如无电压或低电压；导线中断；绝缘 损坏；元件短路或断路；继电器和接触器不释放或不吸和；触头不断开或不闭合； 断相错相等时，电气安全装置应能防止出现电梯危险状态。 1.4 电梯的开关设置电梯的开关设置 （1）下行机械缓速开关 当电梯运行到将近底层时，轿厢挡块撞开下行机械缓速开关，使快速准备接触 器断电释放，强行换速。 （2）上行机械缓速开关 当电梯运行到将近顶层时，轿厢挡块撞开上行机械缓速开关，使快速准备接触 器断电释放，强行换速。 （3）下行限位开关 故障时，轿厢运行到底层仍不停车，将撞开下行限位开关，使下行方向接触器 断电，强行停车。 （4）上行限位开关 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电梯的工艺说明 7 故障时，轿厢运行到顶层仍不停车，将撞开上行限位开关，使上行方向接触器 断电，强行停车。 （5）极限开关 如果上行限位开关和下行限位开关都不起作用，轿厢运行超出一定的行程后， 通过钢丝绳和碰块的作用，将极限开关拉开，切断总电源，以免发生更大的事故。 （6）安全钳开关 当电梯超速时，电梯属于故障运行，对人身安全威胁很大，此时限速器动作， 触头断开，通过紧急停机继电器进行保护。 （7）限速器张紧开关 当限速器钢丝绳拉长变形时，张紧开关动作，触头动作，通过紧急停机继电器 进行保护。 （8）选层器钢带张紧开关 当选层器钢带出现故障时，张紧开关动作，触头断开，通过紧急停机继电器进 行保护。 （9）厅门触板开关 关门过程中如果有人或物压下了厅门触板开关，厅门由关门状态转为开门状态， 这是靠串联在电梯运行过程控制区启动关门继电器线圈回路中的触板触头，以及自 动门控制区内的触板触头实现转换的。 （10）轿厢安全开关 当打开安全窗时，安全窗开关动作，触头断开，通过紧急停机继电器进行保护。 （11）轿厢检修急停开关 在轿厢检修时，如果发生紧急情况，可以按下轿厢检修急停开关，通过紧急停 机继电器进行保护。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 电梯的工艺说明 8 （12）轿内急停按钮 电梯在运行中按下急停按钮时，通过紧急停机继电器进行动作。 （13）底坑检修急停开关 在底坑检修时，如果遇到紧急情况，断开底坑检修急停开关，通过紧急停机继 电器进行保护。 （14）各厅门门锁开关 它们互相串联在一起，只要有一个不正常，电路便不能工作。 （15）热继电器 曳引机的过载保护热元件，曳引电动机过载时，热继电器动作，其动段触头打 开，通过紧急停机继电器进行保护。 1.51.5 电梯的主要性能指标电梯的主要性能指标 (1)安全可靠。 (2)能自动平层，且平层准确。 (3)噪声小，起、制动平稳，乘坐舒适。 (4)有完善的闭锁和保护系统。 (5)自动化程度高，便于操作。 (6)控制线路简单，维修方便，经济实用。 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 9 2.2. 电梯硬件系统的组成及其原理电梯硬件系统的组成及其原理 电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律运行的，而呼叫是随机的，电梯实 际上是一个人及交互式的控制系统。目前电梯控制普遍采用了两种形式，一是采用 微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集，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 程控制器代替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。plc 可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定可靠 等优点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。 2.12.1 电梯控制系统的硬件组成电梯控制系统的硬件组成 用 plc 组成的控制系统,省掉了接口电路的制作,系统结构简单、紧凑,可靠性高。 直接将电梯的内外呼梯信号、层位检测信号、限位信号、开门关门信号等开关量接 到 plc 的开关量输入端,plc 提供的 24v 直流电源可作为指示灯的电源,用 plc 的输 出点直接控制变频器,实现电机的正转、反转、停和多段速控制等,系统的硬件构成 如图 2-1 所示。 图 2-1 电梯控制系统硬件结构框图 2.22.2 电梯的速度控制电梯的速度控制 为了使乘客在乘坐电梯时感到舒适一遍对电梯的速度由一定的要求。根据大量 按钮电路编码器 楼层传感器 检测电路 （霍尔原件） 电梯其他输入信 号 plc 控制器 发光二级管 记忆灯电路 pwm 控制 调速电路 轿厢开关门电路 灯泡楼层显示电路 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 10 的试验和试验表明人体可承受的加速度一般为 am1.5m/s2，加速度的变化率为 m3m/s3。电梯的理想速度曲线可分为三角形，梯形和正弦波形。由于正弦波形 曲线加速度的实现较为困难，而三角形曲线加速度的正反转变较为迅速，而梯形的 速度曲线实现比较容易，而且人体也容易接受，所以电梯的速度曲线一般选用梯形 形状。如图 2-2 所示 (a)电梯正向运行 (b)电梯反向运行 图 2-2 电梯理想运行曲线图 在拖动系统中,现在国内多采用电梯专用变频电机和与之相配套的专用变频器. 专用变频器是为了满足电梯的灵活调速、控制及高精度平层等要求而专门设计的变 频器控制电梯变频电机按图所示理想速度曲线运行.电机何时启动、换速电机转向是 由 plc 根据电梯呼梯、减速等信号做出决策,发出信号给变频器.当变频器接收到 plc 控制器发出的呼梯方向信号,变频器依据设定的速度及加速度值,启动电动机,达 到最大速度后,匀速运行,在到达目的层的减速点时,plc 控制器发出切断高速度信号,变 频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度.在减速运行过程中,变频器能够自动 t v t v 停车点 减速加速运行 反向 减速运行 额定速度 加速 正向 停车点 额定速度 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 11 计算出减速点到平层点之间的距离,并计算出优化曲线,从而能够按优化曲线运行,使 低速爬行时间缩短至 0.3s.在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜 坡来调整平层精度,即当电梯停得太早时,变频器增大低速度值或减少制动斜坡值.反 之则减少低速度值或增大制动斜坡值.在电梯到距平层位置 410cm 时,有平层开关 自动断开低速信号,系统按优化曲线实现高精度的平层, 从而达到平层的准确可靠。 2.32.3 电梯的传动系统电梯的传动系统 电梯的拖动控制系统经历了从简单到复杂的过程.到目前为止应用于电梯的拖动 系统主要有: （1）单,双速交流电动机拖动系统。 （2）交流电动机定子调压调速拖动系统。 （3）直流发电机-电动机可控硅励磁拖动系统。 （4）可控硅直接供电拖动系统 。 （5）vvvf 变频变压调速拖动系统。 下面分别介绍各系统的特点: 交流电动机具有结构紧凑,维修简单等特点.单双速交流电动机拖动系统采用开 环方式控制,线路简单,价格较低,因此目前仍在电梯上广泛应用.但它的缺点是舒适 感较差,所以一般被用于载货电梯上.这种系统控制的电梯速度在 1 米/秒以下。 交流电动机定子调压调速拖动系统国外已大量应用于电梯.这种系统采用可控硅 闭环调速,加上能耗或涡流等制动方式,使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量 取代直流快速和交流双速电梯.它的舒适感好,平层准确度高,而造价却比直流电梯低,结 构简单,易于维护,多用于 2 米/秒以下的电梯。 直流电动机具有调速性能好,调速范围大的特点,因此很早就应用于电梯,采用发 电机-电动机组形式驱动.它控制的电梯速度达 4 米/秒,但是,机组结构体积大,耗电 大,维护工作量较大,造价高,因此常用于对对速度,舒适感要求较高的建筑物中。 可控硅直接供电拖动系统在工业上早有应用,但用于电梯上却要解决舒适感问题.(尤 其是低速段)应此应用较晚,它几乎与微机同时应用,比起电动机-发电机组形式的直 流电梯,它有很多优点.如:机房占地节省 35%,重量减轻 40%,节能 25%到 35%.世界上 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 12 最高速度的 10 米/秒电梯就是采用这种系统,其调速比达 1:1200。 80 年代初,vvvf 变频变压系统控制的电梯问世。它采用交流电动机驱动,却可以 达到直流电动机的水平,目前控制速度已达 6 米/秒。它的体积小,重量轻,效率高,节 省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。是目前最新的电梯拖动系统。 总之,从理论上讲,电梯是垂直运动的运输工具,无需旋转机构来拖动,更新的电 梯拖动系统实际上就是直线电机拖动系统。 2.3.12.3.1 双速电机介绍双速电机介绍 曳引电机是驱动电梯上下运行的动力源，其运行情况比较复杂。运行过程中需 要频繁的起动、制动、正转、反转，而且负载变化很大，经常工作在重复短时状态、 电动状态、再生制动状态的情况下。因此，要求拽引电机不但应能适应频繁起制动 要求，而且要求起动电流小、起动力矩大、机械特性硬、噪声小，当供电电压在额 定电压 7的范围内变化，还能正常起动和运行 。 此种交流电动机具有两种速度，这样可以使起动与稳定运行时具有较高的速度， 从而可太大的提高电梯的输送能力。同时它又具有准确停层所需的较低速度，也保 证了电梯停层准确度（对额定速度为 1.oms 时，一般停层准确度为 3 omm。所 以电梯的运行效率较单速电梯时大大提高。该驱动系统虽然比单速电梯的复杂，但 相对其他电梯来说还是比较简单的。系统虽然有级调速，但可以分别对高低速进行 控制和调节。 因此电梯的运行效率和性能得到相当大的提高和改善，从而使得这种 驱动程序系统在一般低速电梯中得到广泛的应用。 这种电梯驱动系统和减速过程是 采用低绕组的再生发电制动原理，即在减速开始的瞬间，快速绕组虽已从电网撤出， 并立即把低速绕组接入电网而电动机的实际转述因电梯机械传动系统的惯性，仍维 持在原快速状态时的转速。因此，对低速绕组来说，此时的实际转速已大大高于低 速绕组的同步转速，从而在低速绕组中产生发电制动减速过程。对低速绕组来说， 电动机处于发电机的工作状态，即把在快速运行时所具有的动能反馈到电网中去。 这样的减速制动方式是较经济的，电能消耗相对较少。 三相交流异步电动机定子内具有两个不同极对数的绕组，极对数之比一般为 1：4。国内一般为 6 极（同步转速为 1000rmin）和 24 极（同步转速为 250rmin）两个绕阻。这两个绕阻可以是各自独立的双绕组（例如 jtd 系列电动机） ，也可以是单绕组双速（通过工艺接线法使一个统组获得两种级对数，例如 ytd 系 列电动机） 。这种主驱动系统的工作过程如下：快速绕组（6 极）作为起动和稳速 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 13 （即额定速度）运行之用；而慢速绕组（24 极）作为制动，减速平层停车之用。起 动按时间原则，串电阻，电抗一极加速；而减速制动也按时间原则进行两极在发电 制动减速，以慢速绕组进行低速稳定运行，直到平层车。 2.3.22.3.2 变频器的基本介绍变频器的基本介绍 本设计采用的主动力为交流双速电机因此要对转速进行控制,所以要用到调速, 本设计采用变频器调速。 1. micromaster 440 通用型变频器 micromaster 440 是适合用于三相电动机速度控制和转矩控制的变频器系列。 功率范围涵盖120 w 至 200 kw (恒转矩(vt)方式) 或250kw (变转矩 (vt) 方式) 的多种型号可供选用。 本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体 管igbt 作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其 脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的 保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 micromaster440 变频器具有缺省的工厂设置参数时，它是为简单电动机变速驱 动系统供电的理想变频驱动装置。由于micromaster440 具有全面而完善的控制功能， 在设置相关参数以后，它也适合用于需要多种功能的电动机控制系统。 micromaster 440 既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。 2. 特点 主要特性 易于安装 易于调试 牢固的emc 设计 可由it （中性点不接地）电源供电 对控制信号的响应是快速和可重复的 参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置 电缆连接简便 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 14 具有多个继电器输出 具有多个模拟量输出（0 - 20ma） 6 个带隔离的数字输入，并可切换为npn/pnp 接线 2 个模拟输入： ain1： 0 - 10 v， 0 - 20ma 和-10 至 +10 v ain2 ：0 - 10 v ，0 - 20ma 2 个模拟输入可以作为第7 和第8 个数字输入 bico （二进制互联连接）技术 模块化设计，配置非常灵活 脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低 内置的rs485 串行通讯接口 详尽的变频器状态信息和全面的信息功能 性能特征 矢量控制 无传感器矢量控制 (slvc) 带编码器的矢量控制 (vc) v/f 控制 磁通电流控制 (fcc) 改善了动态响应和电动机的控制特性 多点 v/f 特性 自动再起动 捕捉再起动 滑差补偿 快速电流限制 (fcl)功能避免运行中不应有的跳闸 电动机的抱闸制动 内置的直流注入制动 复合制动功能改善了制动特性 供电阻制动(动力制动)用的内置制动单元(仅限外形尺寸为a 至f 的mm440 变 频器) 设定值输入: 模拟输入 串行通讯接口 点动(jog) 功能 电动电位计 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 15 固定频率设定值 斜坡函数发生器 起始和结束段带平滑圆弧 起始和结束段不带平滑圆弧 具有比例积分和微分特性的 pid 控制器 各组参数的设定值可以相互切换 电动机数据组 (dds) 命令数据组和设定值信号源 (cds) 自由功能块 直流回路电压控制器 动力制动的缓冲功能 定位控制的斜坡下降曲线 保护特性 过电压 / 欠电压保护 变频器过热保护 接地故障保护 短路保护 i2t 电动机过热保护 ptc / kty84 温度传感器的电动机保护 3. 变频器运行的环境条件 温度 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 16 图 2-3 变频器输出电流随工作地点环境温度的降格 湿度范围 空气的相对湿度 95% 无结露 海拔高度 如果变频器安装在海拔高度1000mm 或2000m 的地方 其输出电流和输入电源 电压降格的要求如下图所示： 图 2-4 安装地点海拔高度与额定参数的降格 冲击和振动 不允许变频器掉到地下或遭受突然的撞击。不允许把变频器安装在有可能经常 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 17 受到振动的地方。 din iec 68 - 2 - 6 规定的机械强度如下： 偏移： 0.075mm （1058hz） 加速度： 9.8m/s（58.500hz） 电磁辐射 不允许把变频器安装在接近电磁辐射源的地方。 大气污染 不允许把变频器安装在存在大气污染的环境中，例如，存在灰尘、腐蚀性气体 等的环境中。 水 变频器的安装位置切记要远离有可能出现淋水的地方。例如，不要把变频器安 装在水管的下面，因为水管的表面有可能结露。禁止把变频器安装在湿度过大和有 可能出现结露的地方。 安装和冷却 注意：变频器不得卧式安装（水平位置）。 变频器可以一个挨一个地并排安装，中间不需要空隙。当一台变频器安装在另 一台变频器之上时，必须保证满足规定的环境条件。在变频器的附近不要安装有对 冷却空气流通造成负面影响的其它设备。确认变频器的冷却风口处于正确的位置， 不妨碍空气的流通。 4. 控制端子 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 18 表2-1 micromaster 440 变频器的控制端子 端子号标识符功能 1 输出 +10 v 2 输出 0 v 3 adc1模拟输入 1 () 4 adc1模拟输入 1 () 5din1 数字输入 1 6din2 数字输入 2 7din3 数字输入 3 8din4 数字输入 4 9 带电位隔离的输出 +24 v / 最大. 100 ma 10 adc2模拟输入 2 () 11 adc2模拟输入 2 () 12 dac1模拟输出 1 () 13 dac1模拟输出 1 () 14ptca 连接温度传感器 ptc / kty84 15ptcb 连接温度传感器 ptc / kty84 16din5 数字输入 5 17din6 数字输入 6 18dout1/nc 数字输出 1 / nc 常闭触头 19dout1/no 数字输出 1 / no 常开触头 20dout1/com 数字输出 1 / 切换触头 21dout2/no 数字输出 2 / no 常开触头 22dout2/com 数字输出 2 / 切换触头 23dout3/nc 数字输出 3 / nc 常闭触头 24dout3/no 数字输出 3 / no 常开触头 25dout3/com 数字输出 3 / 切换触头 26 dac2数字输出 2 () 27 dac2数字输出 2 () 28 带电位隔离的输出 0 v / 最大. 100 ma 29 prs485 串口 30 prs485 串口 变频器由主回路和控制回路组成。在许多场合为了保持调速电机的最大转矩不 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 19 变，需要维持磁通恒定，以避免电动机带负载能力降低和一定负载下过电流，就需 要变频器输出电压值也要随输出频率的变化相应调节。而对于需要快速响应得场合， 则必须控制输出电流。这时变频器主回路的输出电压或输出电流及频率由控制回路 的控制指令进行控制，而控制指令由外部给定的运算指令经过某些函数运算求得， 整个系统实开环的，如图 2-5 所示。控制回路 a。对于速度精度和相应快速性要求 较高的场合，运算还应包含由电动机检测的反馈信号，此时的系统是闭环的，如图 中的控制回路 b。另外，为了避免变频器主回路过流，过流引起的损坏，应有保护 回路。采用变频调速双环控制可基本满足要求，利用现有旋转编码器构成速度环的 同时，通过变频器的 pg 卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入 plc 的高速计数输入端口，通过累计脉冲数，经式（1）计算出脉冲当量，由此确定 电梯位置。电梯位移 h=si 式中 i累计脉冲数；s脉冲当量；s=pld/ r 。 （1）l减速比；d牵引轮直径；p旋转编码器每转对应的脉冲数； rpg 卡分 频比。 图 2-5 变频器基本结构图 变频器端子接线图： 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 20 图 2-6 变频器接线图 变频器接线图如图 2-6 所示，变频器的上下行驶信号及高低信号，为 plc 的输 出触点进行控制。当 y4 闭合时，电梯上行，y5 闭合时电梯下行；y6、y7 的通断控 制着电梯的运行速度。另外，在变频器内部可通过参数设置，决定电梯的加减曲线、 过流过载保护和电流、速度、频率显示功能。 变频器的容量可根据电动机功率，电梯运行速度，电梯载重与配重进行选取。 设电动机的功率为 p1，电梯运行速度为 v，电梯自重为 w1，电梯载重为 w2，重力加 速度为 g，则 p1=k2*v（1+k1）*（w1+w2）g 式中 k1 为摩擦系数，k2 为可靠系数。 确定电动机功率后，根据变频器额定电流大于最大工作电流原则，则可选定变频器 的容量。 变频器的有关参数经过实际运行计算的调试，设定如表22 表2-2 变频器参数选择 参数号名称设定范围最小设定单位设定值 4 多段速度设定（高速） 0-400hz0.01hz45 6 多段速度设定（高速） 0-400hz0.01hz20 7 加速时间0-360 秒0.01 秒 2.2 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 21 8 减速时间0-360 秒0.01 秒 2.3 29 加减速曲线0，1，2，3 10 72 pwm 频率选择 0-15112 79 操作模式选择 0-813 2.42.4 自动开关门的系统控制原理自动开关门的系统控制原理 电气控制电路原理图如图 2-7 图 2-7 自动开关门系统电器控制电路原理图 其工作原理如下（以关门为例）： 当关门继电器 ka83 吸合后，直流 110v 电源的“+”极经熔断器 fu9，首先供 电给直流伺服电动机 m 的励磁绕组 md0，同时经可调电阻 rd1ka83 的常开触点， md 的电枢绕组ka83 的常开触点至电源的“-”极。另一方面。电源还经开门继 电器 ka82 的常闭触点和 r3 电阻进行“电枢分流”而使门电动机 md 向关门方向转动， 电梯开始关门。 当关门至门宽三分二时，sa831 限位开关动作，使 r3 被短路接一部分，使流经 r83 电阻中的电流增大，则总电流增大，从而使 rd1 限流电阻上的压降增大，也就 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 22 是使 md 电动机的电枢端电压下降，此时 md 的转速随其端电压的降低而降低，也就 是关门速度自动减慢。当门继续关闭至尚有 100-150mm 的距离时，sa832 限位开关 动作，又短接了 r83 电阻的很大一部分，rd1 上的电压降更大，电动机 md 电枢端的 电压更低，电动机的转速更低，门关的速度更慢，直至轻轻的平稳的完全关门为止， 此时关门限位开关动作，使 ka83 失电复位。至此关门过程结束。对于开门情况完全 与上述的关门过程一样，就不在叙述。 开关门控制梯形图： sc mc kc m142 m140 m141 门锁 m136 sc xc q0.1 i1.7 q0.1 q0.0 电梯在某层平层后自动关门,按下开,关门按钮应能对开,关门进行手动操作。如 图中 m136 是平层信号中间继电器，当电梯完全平层时，m136，紧接着 sc（上 行接触器），xc（下行接触器），其动断触电复位，于是 q0.0（自动开门输出 信号），意味着开门继电器 kmj 得电，电梯自动开门。i1.7（开门按钮 akm）是开 门按钮输入，用于当门关好后重新使其打开。i2.04 是关门按钮输入，当按下 agm 时，i2.0（关门按钮 agm），按钮关门输出信号，得 gmj 得电，电梯关门。 s r 自动关门 自动开门 m136 m136 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 23 2.52.5 电梯运行控制系统电梯运行控制系统 2.5.12.5.1 可编程控制器的简介可编程控制器的简介 可编程控制器，英文称programmable controller,简称pc。但是由于pc 容易和 个人计算机（personal computer）混淆，故人们仍习惯的用plc 作为可编程控制器 的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业 现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺 序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接 口，控制各种类型的机械或生产过程。plc 是微机技术与传统的继电器控制技术相 结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功 耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气 操作维修人员的技能与习惯，特别是plc 的程序编制，不需要专门的计算机编程语 言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制 形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购买到所需的plc 后，只 需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将 plc 应用于生产实践。 2.5.22.5.2 plcplc 结构和工作原理结构和工作原理 （1）plc的结构 plc 的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但是结构与工作原理则大同小 异，通常由主机、输入/输出接口和外部设备接口等几个主要部分组成。plc 的硬件 系统结构如2-8图所示： 编程器 输入电路 输出电路 系统程序存储器系统程序存储器电源 中央处理（cpu） 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 24 图2-8 plc硬件结构图 1)主机 主机部分包括中央处理器（cpu）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。 cpu 是plc的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断 和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输 出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。plc 的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对 用户程序作编译处理的程序，系统程序以由厂家固定，用户不能更改；另一类是用 户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。 2)输入/输出（i/o）接口 i/o 接口是plc 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、 传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过 功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。i/o 接口一般采用光 电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。i/o 点数即输入/输出端子数是 plc 的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将 超过千点。本次设计就是采用了cpu226-r，它有24个输入，16个输出。 3)电源 图中电源是指为cpu、存储器、i/o 接口等内部电子电路工作所配置的直流开关 稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 4)编程 编程是plc 利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监视plc 的工作情况。通过专用的pc/ppi 电缆线将plc 与电脑连接，并利用专用的软件进行 电脑编程和监控。 5)输入/ /输出扩展单元 i/o 扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元和基本单元（即主机） 连接在一起。本次设计扩展采用了两个em221（16个输入无输出） ，和em224（8个输 入，8个输出） 。 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 25 6)外部设备接口 此接口可将打印机、条码扫描仪，变频器等外部设备与主机相连，以完成相应 的操作。 (2) plc工作原理 plc 是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在plc 运行时，cpu 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号） 作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐步顺序执行用户程序， 直到程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程 中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 plc 的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。plc 在输 入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在锁存器中的输入端子的通断状态 或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭 输入端口，进入程序执行阶段。plc 在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后 顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果在写入输出状态寄存器中， 输出状态寄存器中的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行 完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定 的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。 (3) s7-200 的主要功能 s7-200 提供了多种功能，使得在编程与控制时更加灵活方便。指令执行速度高 s7-200 几乎包括了一般计算机所具有的种种基本操作指令。例如：变量赋值，数据 存储，计数，装载，传输，比较，移位，循环，求补及子程序的调用等。除此之外， 它还具有友好的用户功能，例如，脉冲宽度调制（pwm），输出频率可控的序列脉冲， 转移功能，循环功能以及码制转换等功能。这些指令和功能有助于用户简化编程工 作。内置计数器 s7-200 的cpu 模板上具有硬件构成的计数器，这在多数现声实时 控制中有非常有用的。 灵活的中断功能 1)触发中断的信号，可以用软件中断输入信号的上升沿或下降沿，以便对过程 事件做出快速的响应。 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 26 2)可设定为由时间控制的自动中断，所设定的时间范围为5ms255ms（步长为 1ms） 3)可由计数器自动触发中断，且具有两种不同的触发方式：计数到达预定值触 发和改变计数方向的瞬间触发。 4)在与外设（如打印机或条形码阅读机等）通讯时可以以中断方式工作，以便 作快速而简便的数据变换。输入和输出的直接查询与赋值 在s7-200 的扫描周期内， 可直接查询当前的输入和输出信号，在必要的时候，还可以对输入和输出直接赋值 或改变值。这样不使用户在调试程序时非常方便，同时也可使过程事件作出快速的 响应例如在对中断作出响应时可立即将若干输出位复位，而不必再过一个扫描周期 来复位。严格的口令保护 s7-200 系统具有三级不同的口令保护级别，以便用户对 程序作有效的保护。 a.自由存取：程序可自由修改。 b. 只可读取：一般只可读取程序，在未经许可时不能进行修改。可以对它作调 试和拷贝，以及设置系统参数。 c.完全保护：在未经许可的条件下，不能修改和拷贝程序，但可以修改其中的 系统参数。友好的调试和故障诊断功能碍 这些功能包括：整个用户程序可在用户自 己所规定的周期数内作运行和分析，同时可记录位存储器定时器或计数器的状态 （最多连续记录124 个周期）。输入或输出的强制功能 为适应用户调试程序的需求， 可将输入或输出按位设置成与扫描周期和工作状态无关的状态。 s7-200 系列 plc 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元。其系统构 成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 1基本单元 s7-200 系列 plc 中可提供 4 种不同的基本型号的 8 种 cpu 供选择使用，其输入 输出点数的分配见表 2-3： 表 2-3 s7-200 系列 plc 中 cpu22x 的基本单元 型 号输入点输出点可带扩展模块数 s7-200cpu22164 东华理工大学长江学院学毕业设计（论文） 电梯硬件系统的组成及其原理 27 s7-200cpu22286 2 个扩展模块 78 路数字量 i/o 点或 10 路模拟 量 i/o 点 s7-200cpu2241410 7 个扩展模块 168 路数字量 i/o 点或 35 路模拟 量 i/o 点 s7-200cpu2262416 2 个扩展模块 248 路数字量 i/o 点或 35 路模拟 量 i/o 点 s7-200cpu226xm2416 2 个扩展模块 248 路数字量 i/o 点或 35 路模拟 量