基于PLC的电梯控制系统设计
37页 18000字数+说明书+外文翻译+8张CAD图纸【详情如下】
PLC接线示意图.dwg
厅外信号继电器控制图.dwg
基于PLC的电梯控制系统设计说明书.doc
外文翻译--太空电梯的经济学.doc
定向选层电路.dwg
并联呼叫信号.dwg
电梯运行速度曲线图.dwg
系统程序控制流程图.dwg
系统配置简图.dwg
门的典型控制电路.dwg
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。最后的模拟调试结果表明，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，可编程控制器，变频调速，旋转编码器
Abstract
Along with the development of modern economy and city life, the elevator has become a essential walking tool for people in daily life, and the performance of elevators obviously influences people’s lives. The traditional elevator system based on relay largely decreases the reliability and security since the mechanical and electromagnetic inertia of relay is big In order to ensure the efficiency and reliable securities, the control method of elevator must be changed. The programmable logic controller(PLC),which develops based on sequence logical control, is digital operation electronic device specialized in the industrial application environment. PLC possesses fast process speed and high reliability. Therefore, PLC can be able to ensure the elevator run normally, securely and reliably. In addition. The drive method of elevators has replaced the DC velocity modulation with frequency control due to the development of AC frequency control of motors. The frequency control not only satisfies the comfort sense of passengers and ensures the stable precision, but also decreases the loss of power, saves resources and reduces expenses. The frequency control method based on PLC is applied to the elevator system and further researched.
Firstly, the essay respectively presents the characteristics of the elevator system based on relay control and PLC control, specially formulates the defects exposed from relay control system and the advantages of PLC control system, introduces the frequency control of elevators. Secondly, based on reading many domestic and international relative literatures. The development of elevator techniques and elevator devices is overviewed. And then, the relative knowledge of frequency-converter is introduced; the principle of PLC model election and design scheme of PLC control system are introduced as well. On the basis of these, the PLC software of elevator system is developed according to the working states demands of the elevator. A elevator system based on PLC control is designed through combining the characteristics of software development and the rules of PLC control. Finally, the analog examination shows the elevator frequency control based on PLC possesses high operational efficiency and strong system security. The system structure is simple and easily realized, and satisfies the demands of the elevator system expected.
Key words: Elevator, Programmable Logic Control(PLC), Frequency Conversion & Velocity Adjustment, Revolving Encoder
摘 要I
AbstractII
1 绪论1
1.1 本设计的背景1
1.2 本设计的意义1
1.3 本设计的内容2
2 电梯设备与电梯发展动态2
2.1 电梯的出现2
2.2 电梯设备简介2
2.2.1 电梯的分类2
2.2.2 电梯的主要参数3
2.2.3 电梯的安全保护装置4
2.3 电梯的发展概况4
2.3.1 电梯技术发展概况5
2.4 交流曳引电梯调速方式的发展5
2.5 电梯变频调速控制的特点6
2.6 电梯发展展望7
3 调速变频器类型选择及其设计参数7
3.1 变频器的分类及选择7
3.1.1 变频器的分类7
3.1.2 变频器的类型选择8
3.1.3 变频器的规格选择8
3.1.4 选择的变频器应满足的条件8
3.2 通用变频器简介8
3.3 VS一616G5型通用变频器10
3.4 VS-616G5型通用变频器电梯调速系统12
3.5 变频器结构及参数设计12
3.5.1 参数设计13
3.5.2 变频器自学习功能的应用方法13
3.5.3 变频器容量计算13
3.5.4 变频器制动电阻参数的计算14
4 PLC的选型及其控制系统的设计14
4.1 PLC的特点14
4.2 PLC控制电梯的优点16
4.3 电梯控制系统的设计16
4.4 可编程控制器(PLC)的选型17
4.5 电机调速系统的设计17
4.6 设计思路18
4.6.1 电梯控制系统实现的功能18
4.6.2 点数的分配及机型的选择19
5 系统软件开发21
5.1电梯的自检状态21
5.2 电梯的正常工作状态22
5.3 系统的软件开发过程22
5.3.1 电梯初始化环节22
5.3.2 停层信号的登记与消除环节23
5.3.3 外呼信号的登记与消除环节23
5.3.4 开关门环节24
5.3.5 电梯的定向环节25
5.3.6 电梯的上升与下降27
5.3.7 电梯位置的确定与显示29
5.3.7 轿厢的平层与停车29
5.3.8 616G5参数设置30
5.4 程序框图设计30
致谢32
参考文献33
1.1 本设计的背景
从19世纪50年代人类发明出真正意义上的电梯以来，电梯控制技术越来越显示出它的重要性。伴随着我国经济的快速发展，高层的建筑日益增多，电梯成为大家日常生活必不可少的代步工具。而现今建筑物规模越来越大，楼层也越来越多，电梯性能的好坏对人们生活的影响也越来越显著，因此人们对于电梯的调速精度、调速范围等静态与动态特性提出了更高要求——提高电梯系统性能的同时，保证电梯运行既高效节能又安全可靠。
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，此外，传统的电梯的控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、电气故障频繁、功能弱，可靠性差和工作寿命短等缺陷。可编程控制器（PLC: Programmable Logic Controller）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，它是专门为工业环境应用所设计的数字运算操作的电子装置，它的可靠性高、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，具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，在机械、化工、电子、纺织、交通等行业德到广泛应用。鉴于其各种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。同时，得益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的直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，这不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以节约能源，降低能耗，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。
1.2 本设计的意义
在电梯业也是如此，目前国内70～80年代安装完成的电梯大部分是继电器控制，线路复杂，故障率高，节点接线多，调速方式一般采用变极调速、调压调速、直流调速。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，并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。对于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，并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。
1.3 本设计的内容
本次设计的主要内容如下：
首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）和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特点和分类，电梯的控制系统分为调速和信号控制等部分。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变频器的连接。在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，结合实际硬件电路，设计并用STEP7绘制出梯形图。
2 电梯设备与电梯发展动态
2.1 电梯的出现
1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人格雷夫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。
2.2 电梯设备简介
2.2.1 电梯的分类
电梯的分类有各式各样：
⑴按用途分类乘客电梯；载货电梯；客货电梯；病床电梯；住宅电梯；特种电梯。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
2.2.2 电梯的主要参数
⑴载重量(kg)制造和设计规定，电梯的额定载重量。
⑵轿厢尺寸(mm)：宽*深*高。
⑶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。
⑷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。
⑸开门宽度(mm)：轿厢门和层门完全开启时的净宽度。
⑹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。
⑺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。
⑻额定速度(m/s) ：制造和设计所规定的电梯运行速度。
⑼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。
⑽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。
⑾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。
⑿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。
⒀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。
⒁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。
⒂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。
⒃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、呼梯按钮和厅外指示器组成。
⒄其它装置：对重装置、补偿装置等。
2.6 电梯发展展望
⑴结构不断紧凑化，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。
⑵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配置，因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流；由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF技术。另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。
⑶安装更方便、更快捷
高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，将是高层电梯安装的主要方式，随着技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。此外，电梯的双向安全装置、无底坑、无线控制、绿色环保——安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。
3 调速变频器类型选择及其设计参数
3.1 变频器的分类及选择
3.1.1 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：
⑴按变换频率的方法分：交—直—交变频器；交—交变频器;
⑵按主电路工作方式分：电压型变频器；电流型变频器;
⑶按变频器调压方法的不同分：PAM变频器；PWM变频器;
⑷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;
⑸按照用途分类：通用变频器；高性能专用变频器；高频变频器;
3.1.2 变频器的类型选择
变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其与可靠性相关的质量品质，显然是选择时的重要考虑方面。同时，设备的平均寿命长短是一个重要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验和口碑仍然是主要依据。在同一品牌中选择具体型号时，主要依据己经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定的。
3.1.3 变频器的规格选择
变频器产品说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。
根据具体工程的情况，可以有以下几种不同的变频器规格选择方式:
⑴按照标称功率选择:一般作初步投资估算依据。
⑵按照电动机额定电流选择;多用于恒转矩负载的新设计项目。
⑶按照电动机实际运行电流选择:多用于改造工程。
⑷按照转矩过载能力选择。
综上所述，根据实际的工程情况，以适当的方法选择变频器的规格很重要。选择结果在多数情况下变频器标称功率与电动机匹配，少数情况下需要放大。所以，认为放大一级功率选择变频器是没有错的想法，但会造成浪费。总的来说从生产成本来做合适的选择。
3.1.4 选择的变频器应满足的条件
⑴根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。
⑵所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。
⑶为降低电梯成本，首选通用变频器。
⑷电梯的启动和停车都要平稳。
⑸变频器带有防止失速功能。
⑹变频器具有优良的转矩特性。
3.2 通用变频器简介
为了满足以上的条件，本设计选择通用变频器。采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的是:
⑴为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求。
⑵为了节约能源、降低生产成本。
上个世纪80年代初，通用变频实现了商品化。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到采用工GBT两个大发展过程。
⑴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6OOKVA，400KVA以下的已经系列化，前几年主开关器件开始采用工GBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA，随着工GBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。
⑵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(LS工)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”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。
⑶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。
⑷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、立体停车厂等都己采用了通用变频器;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元喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。
3.3 VS一616G5型通用变频器
电梯的调度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。
考虑到以上各种因素，本设计将选用安川VS一616G5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，可以在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，特别的适合电梯类负载频繁变化的场合。此外，VS一616G5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0.01一0.02%，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。采用高性能工GBT，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。
VS一616G5型变频器是安川电机公司为面向世界推出的21世纪通用型变频器。这种变频器不但考虑了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和无速度传感器电流矢量控制，容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
VS一616G5变频器的特点如下:
⑴包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
⑵有丰富的内藏与选择功能。
⑶由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。
⑷保护功能完善、维修性能好。
⑸通过LCD操作装置，可提高操作性能。VS一616G5型变频器的标准规格如表
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