四层电梯的自动化控制系统设计.doc

毕业论文毕业设计（论文） 函授站 西工院 09级专 业 机电一体化 姓 名 王 乔 目录目录II摘 要1第一章 绪论21.1课题的研究背景及意义21.2 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景3第二章电梯的综述52.1电梯的定义与简介52.2电梯的种类52.3电梯的主要参数及性能指标62.4电梯的结构及组成部件72.5电梯的工作流程102.5.1 电梯的升降流程图112.5.2 电梯的开关门流程图12第三章 硬件的选型133.1 PLC的选择133.1.1 PLC的定义和特点133.1.2 PLC的主要功能和应用163.2 变频器的选择173.2.1 通用变频器概况173.2.2 通用变频器的功率输出驱动技术动向183.2.3 三菱FR-A740变频器参数193.3 制动器213.4 安全钳与限速器223.4.1 安全钳的作用与组成223.4.2 限速器的作用22第四章 硬件设计及计算234.1 四层电梯曳引电机及门电机电路234.2 PLC的系统硬件设计234.3可编程控制器机型的选择244.3.1 PLC的I/O点数估算244.3.2 内存估算254.3.3 输入输出模块的选择264.3.4 三菱FX2N-48MR-001的性能指标264.4 变频器参数设置及计算274.4.1 变频器参数设置274.4.2 变频器容量计算27第五章软件设计295.1 PLC的编程语言295.1.1 输入/输出点分配：295.1.2 PLC外部接线图315.2程序设计325.2.1 外部信号输入存储程序325.2.2 轿厢停于某层时，所在楼层存于D0并用数码管显示程序355.2.3 比较判断轿厢上下行程序365.2.4 补充程序385.2.5 开关门程序395.2.6 轿厢上行与下行程序42第六章系统程序调试446.1 程序调试446.2 程序运行过程中出现的问题及调试446.3 程序最终运行情况466.4 PLC控制系统的外部干扰46总结47参考文献48致谢4949摘 要随着科学技术的发展，近年来我国的电梯生产得到了迅速发展，一些电梯厂也在不断的改进设计、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分，随着自动化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、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灯缺点，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。本文介绍电梯PLC控制。 控制单元采用三菱FX2N-64MR对机器进行全过程控制，以及三菱变频器FR-A740型应用于四层电梯自动化控制系统做了介绍，对系统的硬件组成和软件设计做了阐述。实践证明本文采用PLC FX2N-64MR系列的可靠性高、运行速度快、成本低，而且运行性能良好，调试方便，具有一定的经济效益和社会效益。关键词:PLC 电梯 控制系统 设计 变频器第一章 绪论1.1课题的研究背景及意义电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。 电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：乘电梯比走楼梯安全5倍。掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。目前，由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。自1969年针对工业自动控制的特点和需要而丌发的第一台PLC问世以来，迄今己30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它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操作维护人员的技能和习惯，摒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、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。PLC现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CADCAM、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，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。1.2 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。而PlC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触点，使用次数不受限制，属无触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强调电梯与环境的协调与和谐。 (1)智能化我们所说的智能化电梯是传统的人工智能是无法胜任的。传统的智能控制是一种技术的事先安排，说到底是一种程序控制，是一种周期性的系统自动控制，实际上还算不上智能。而真正的智能电梯应更具人性化特点，不仅具有传统的人工智能的所有优点，而且还有传统的人工智能无法比拟的东西，具有动念和随机处理各种问题的能力，诸如能根据轿厢内的情况和各层的候梯信息，自动地制定每次最优的运动速度和停车政策；自动选择运动方面；双向语音交流；到达目的层的语音提示等，让乘客有更多的主动性，使大楼交通运输实现真正的人机对话。智能化要求电梯有自动安全检测功能，让电梯自己能够检测到电梯的故障所在，并及时报警予以排除。(2)安全运行安全是电梯的根本和关键。可以说，电梯的全部其他工作都是以此为中心展开的，使电梯安全运行更有保障。运行安全不仅要消除电梯启动时较强的电磁辐射，使用安全材料和运行稳定，而且要有一种良好的视觉效果，让每一位乘客在宽敞、明亮轿厢内有安全、舒适的好心情。同时，电梯运行安全也要求电梯在运行中发生故障时，不但要使乘客容易与外界沟通联系，而且电梯本身应当能自动播放让乘客感到放松的音乐，彻底消除产生紧张不安的情绪。当小孩和老人乘坐时，电梯对他们应给予一种如同家人般的照顾，不但让老人和孩子感到方便和舒适，而且更让其家人感到放心。电梯运行安全还要求电梯有自动休眠功能，使电梯在保证运行效率最高的同时，使电梯能最大限度地得到休眠。第2章 电梯的综述2.1电梯的定义与简介一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。服务于规定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的或倾斜角小于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。习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。近几年来，随着国际社会对环保认识的关注，各大电梯公司现在在其电梯表面基本都采用了粉末涂料喷涂，这是一种新型环保无溶剂的涂料，并且各种性能皆优于油漆。2.2电梯的种类 根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同，而设置不同类型的电梯。目前电梯的基本分类方法大致如下：1、按用途分类 乘客电梯：为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以及一定的轿内装饰。载货电梯：主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。医用电梯：为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢具有长而窄的特点。杂物电梯：供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。观光电梯：轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。建筑施工电梯：建筑施工与维修用的电梯。 其它类型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。2、按驱动方式分类交流电梯：用交流感应电动机作为驱动力的电梯。根据拖动方式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。直流电梯：用直流电动机作为驱动力的电梯。这类电梯的额定速度一般在2.00m/s以上。螺杆式电梯：将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶，然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。3、按速度分类电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类。低速梯：常指低于1.00m/s速度的电梯。中速梯：常指速度在1.002.00m/s的电梯。高速梯：常指速度大于2.00m/s的电梯。超高速梯：速度超过5.00m/s的电梯。随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高。2.3电梯的主要参数及性能指标1.性能指标：（1）安全性电梯时运送乘客的，即使载货电梯通常也有人相伴随，因此对电梯的第一要求就是安全。电梯的安全与设计、制造、安装调试及检修各环节都有密切联系。任何一个环节出了问题，都可能造成不安全的隐患，以致造成事故。（2）可靠性电梯的可靠性很重要，如果一部电梯工作起来经常出故障，就会影响人们正常的生产与生活，给人们造成很大的不便，不可靠也是事故的隐患，常常是不安全的起因。要想提高可靠性，首先应提高构成电梯的各个零部件的可靠性，只有每个零部件都是可靠的，整个电梯才能使可靠的。（3）停站的准确性停站准确性又称平层准确度，平层精度。GB/T10058-1997电梯技术条件对轿厢的平层准确度规定如下：电梯类型额定速度（m/s）平层准确度（m/s）交流双速电梯0.25或0.5150.75或1.030交直流快速电梯1.52.015交直流高速电梯2.05电梯轿厢的平层准确度与电梯的额定速度，电梯的负载情况有密切关系。负载重，则惯性大，提速高惯性也大。因此检查平层准确度时，分别以空载，满载，上下运行，到达同一层站停测量平衡误差，取其最大值做平层站的平层准确度。（4）振动、噪声及电磁干扰现代电梯是为乘客创造舒适的生活和工作环境。因侧要求电梯运行平稳，安静，无电磁干扰。（5）舒适感和快速感电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的，快速可以节省时间，这对于快节奏的现代生活中的乘客是很重要的。但是加速度和减速度的过分增大的不合理变化又会造成乘客的不适感。因此在电梯设计时就要兼顾快速性和舒适感这两个互相矛盾的因素。2.4电梯的结构及组成部件电梯是机电一体化产品。其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。电梯的基本结构如图2-1所示。图2-1 电梯的基本结构1控制柜(屏)2一拽引机3拽引钢丝绳4限速器5限速器钢绳6限速器张紧装置7轿厢8安全钳9轿厢门安全触板10导轨11对重12厅门13缓冲器一、拽引系统电梯拽系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。拽引机为电梯的运行提供动力，由电动机，拽引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加拽引力。二、导向系统导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。三、门系统门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。四、轿厢轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定五、重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。六、电力拖动系统电力拖动系统由拽引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。拽引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置对拽引电机进行速度控制。七、电气控制系统电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到同一平面的操作。位置显示装置是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯还用尖头指示电梯的运行方向。八、安全保护系统安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。2.5电梯的工作流程 假设电梯停于一楼，收到四楼信号，电梯上行。如果在上行过程中如果按下二楼向上按钮和三楼向上按钮，则先停于二楼，后停于三楼，再上行至四楼。如果在上行过程中按下二楼向下按钮，由于是反向信号，所以电梯先去三楼，所有的上行信号均响应以后再响应下行信号。如果按下四楼向下按钮，则电梯完成其他外呼向上信号以后就上行至四楼。电梯到达四楼后，如果同时按下二楼向上按钮、三楼向上按钮、四楼向上按钮，则轿厢首先下行至二楼响应最远反向呼信号。然后再上行至三楼、四楼。2.5.1电梯的升降流程图2.5.2电梯的开关门流程图第三章 硬件的选型3.1 PLC的选择3.1.1 PLC的定义和特点1.PLC的定义由于PLC在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。1980年PLC问世后，由美国电气制造商协会对PLC下过如下的定义:PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。 1982年，国际电工委员会颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，1987年的第3版对PLC作了如下的定义:PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。2.PLC的特点 PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点：一、可靠性可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC的可靠性高，表现在下列几方面：（1）与继电器逻辑控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:1)PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。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、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。3)PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。（2）与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:1)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控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高.2)在PLC的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件;采用先进的工艺制造流水线生产;对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。3)在PLC的软件设计方面，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、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。一份用户选用PLC原因的调查报告指出，在各种选用PLC的原因中，第一位的原因是由于PLC可靠性高的用户达93%。其次，才是性能和维修方便等原因。可见，可靠性高是PLC的主要特点。二、易操作性PLC的易操作性表现在下列三个方面:(1)操作方便对PLC的操作包括程序输人的操作和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行程序输人和更改的操作。编程器至少提供了输人信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用CRT屏幕显示，因此，程序的输人直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触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屏幕上显示。所以PLC具有操作方便的特点。(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，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解，所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用，并发挥出更有效的功能特点。(3)维修方便，PLC所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。为便于维修工作的开展，有些PLC的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障树等维修用的资料。有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。三、灵活性PLC的灵活性表现在下列三方面：(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、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备更换时，可以不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使PLC能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程控制系统(CIPS)中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。(2)扩展的灵活性PLC的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输人输出单元增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。(3)操作的灵活性操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。3.1.2 PLC的主要功能和应用(1)开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。(2)模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。(3)定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。其定时时间间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。(4)数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。(5)信号连锁系统信号连锁是安全生产所需的。在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。(6)通信把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。3.2 变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，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早已问世，其功能较强，使用灵活，但价格相对较贵。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。这是本设计的特点之一。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。3.2.1 通用变频器概况通用变频器的发展上个世纪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。A、容量不断扩大80年代初采用的BJ T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600KVA，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变频器的单机容量已达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。B、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，采用厚薄膜棍合集成技术，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”(Intelligent Module)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。C、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。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。3.2.2通用变频器的功率输出驱动技术动向采用变频器的调速传动技术，近年来取得惊人的进步。从技术发展动向来看，大致有如下几个方面:一、IGBT的应用最近几年来，IGBT的应用正在迅速推进。其显著的特点是:开关频率高，驱动电路简单。用于通用变频器时，有如下明显的效果:1.由于载波效率的提高(20KHz或更高)，负载电动机的噪声明显减少， 实现了低噪声传动。电动机的金属鸣响声因振动频率超过了人耳可感知的程度而“消失”。 2.同样由于载波频率的提高，使电动机的电流(特别是低速时的电流)波形更加趋于正弦波，因而减少了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。3.由于IGBT为电压驱动型，因而简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成本降低。4.主开关器件如果采用IPM，上述效果将更加明显。二、网侧变流器的PWM控制的变频器目前上市的绝大多数通用变频器，其网侧变流器采用不可控的二极管整流器。虽然控制简单，成本较低，但也有它的缺点。比如，网侧电流波形严重畸变，影响电网的功率因数，谐波损耗大，电动机制动时的再生能量无法回馈给电网等。现已开发出一种新型的采用PWM控制方式的自换相交流器，并己经成功地用作变流器中的网侧变流器。电器结构形式与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管反并联组成。其特点是:直流输出电压连续可调，输入电流(网侧电流)波形基本为正弦，功率因数可保持为l，并且能量可以双向流通。 网侧变流器采用PWM控制交流器又称为“双PWM控制变频器”。这种再生能量回馈式高性能通用变频器，代表着另一个新的技术动向。它的大容量化，对于制动频繁的或可逆运行的生产设备十分有意义。但因其价位高、投资大，所以在某种程度上限制了它的发展速度。三、矢量控制变频器的通用化在造纸、轧钢等应用领域，要求精度高，响应快，一般性的通用变频器已经不能胜任，往往要采用矢量控制方案.但是矢量控制往往需要速度传感器，运算复杂、调整麻烦，对电动机的参数依赖性较大.目前，国内正在努力使矢量控制变频器实现通用化.因此，对无速度传感器的矢量控制系统的理论研究和实用化的开发代表着另一个新的技术发展方向。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。考虑以上各种因素，本设计选用三菱FR-A740高性能变频器。三菱FR-A740具有高水准的驱动性能，有独特的无传感器矢量控制模式，在不需要采用编码器的情况下可以使用各式各样的机械设备在超低速区域高精度的运转。带转矩模式控制，并且在速度控制模式下可以使用转矩限制功能。具有矢量控制功通能（带编码器），变频器可以实现位置控制和快响应、高精度的速度控制（零速控制，伺服锁定等）及转矩控制。3.2.3三菱FR-A740变频器参数 FR-A740 高性能矢量变频器 功率范围：0.4500kW 闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制 无传感器矢量控制可实现转矩/速度控制 内置PLC功能（特殊型号） 使用长寿命元器件，内置EMC滤波器1. 三菱FR-A740的参数表 如图3-1所示参数号名称设定范围最小设定单位出厂设定1上限频率0-120Hz0.01Hz120Hz2下限频率0-120Hz0.01Hz0Hz3基底频率0-400Hz0.01Hz50Hz4速度设定（高速）0-400Hz0.01Hz60Hz5速度设定（中速）0-400Hz0.01Hz30Hz6速度设定（低速）0-400Hz0.01Hz10Hz7加速时间0-360s0.01s5s8减速时间0-360s0.01s5s9过电流保护0-500A0.01A额定输出电流10制动频率0-120Hz0.01Hz3Hz11制动时间0-10s0.1s0.5s12启动频率0-60Hz0.01Hz0.5Hz13基底频率电压0-1000V0.1V9999图3-1三菱FR-A740的参数表2.FR-A740的接线图 如图3-2图3-2 FR-A740的接线图3.3制动器 电梯制动器是通电时产生双向电磁推力，使刹车机构与电机旋转部分脱离（即释放），断电时电磁力消失，在外加制动弹簧压力的作用下，形成失电制动的摩擦式制动器（以下简称制动器）。它主要与自动扶梯曳引机上的驱动电机配套成自动扶梯用电磁制动三相异步电动机，广泛适用于能实现平稳停车和快速起动及在断电时安全（防险）制动的场合。这种制动器具有结构紧凑、安装方便、噪音低、振动小、电磁推力大、动作灵敏，制动可靠等优点，是一种理想的自动化控制执行元件。制动器是电梯重要的安全装置，它的安全、可靠是保证电梯安全运行的重要因素之一。3.4安全钳与限速器3.4.1安全钳的作用与组成作用：安全钳是电梯的安全保护装置电梯安全钳装置是在限速器的操纵下，当电梯出现超速、断绳等非常严重的故障后，将轿厢紧急制停并夹持在导轨上的一种安全装置。他对电梯的安全运行提供有效的保护作用，一般将其安装在轿厢架或对重架上。随著轿厢上行超速保护要求的提出，现在双向安全钳有较广泛的使用。组成：安全钳装置是由安全钳操纵机构和安全钳体两部份组成。即安全钳机构动作时，首先触动电器机构使电梯安全回路断开制停电梯，如果制动器无法制停时安全钳就会进一步动作，使电梯制停在导轨上。3.4.2限速器的作用 电梯的安全保护装置。它随时监测控制着轿厢的速度，当出现超速度情况时，即电梯额定速度的115%时，能及时发出信号，继而产生机械动作切断供电电路，使曳引机制动。如果电梯仍然无法制动则安装在轿厢底部的安全钳动作将轿厢强制制停。限速器是指令发出者，而安全钳是执行者。两者的共同作用才出现了安全电梯之说。 限速器安全钳系统是电梯必不可少的安全装置，当电梯超速、运行失控或悬挂装置断裂时，限速器安全钳装置迅速将电梯轿厢制停在导轨上，并保持静止状态，从而避免发生人员伤亡及设备损坏事故。第四章 硬件设计及计算4.1 四层电梯曳引电机及门电机电路根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图4-1所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1-KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。4-1 电气控制系统主回路原理图4.2 PLC的系统硬件设计 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1)最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。2)保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。3)力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4)适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。4.3可编程控制器机型的选择4.3.1PLC的I/O点数估算根据被控对象对PLC控制系统的技术指标和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的IO点数。在估算系统的I/O点数和种类时，要全面考虑输入、输出信号的个数，I/O信号类型(数字量模拟量)，电流、电压等级，是否有其他特殊控制要求等因素。以上统计的数据是一台PLC完成系统功能所必须满足的，但具体要确定I/0点数时则要按实际I/0点数，再向上附加2015的备用量。根据机型的选择，再对被控对象进行I/0点数的估算，根据被控对象I/O信号的点数，考虑留有1520的备用量以调整和扩充。估算出被控对象的I/0点总数，就可根据此点数选择相当的PLC。I/0点数是衡量PLC规模大小的重要指标，选择相应规模的PLC需要留有余量。4.3.2内存估算(1)内存利用率：用户编的程序通过编程器键入主机内，最后以机器语言的形式存放于内存中。同样的程序，在不同厂家的产品中，所需的内存量不同，把一个程序段中接点数与存放该程序所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的利用率给用户带来好处，同样的程序可以减少内存，从而降低内存投资，同时，也可缩短扫描周期，从而提高系统的响应速度。(2)开关量I/0点数：可编程控制器开关量I/0总点数是计算所需内存储器容量的重要依据，一般系统中，开关量输入输出的比为6：4，然后根据I/0点数来估算所需内存量，经验公式为所需内存总数=开关量(输入十输出)总点数10(3)模拟量I/0总数：具有模拟量控制的系统就要用到数学传送和运算的功能指令，这些功能指令内存利用率较低，因此所占内存数要增大。在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入，数字滤波，传送和比较运算。在模拟量I/0同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算，一般是闭环控制，内存要比只有模拟量输入的需要量大：在模拟处理中，常常把模拟量读入、滤波及输出编成子程序使用，这使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时，每一路模拟量所需的内存会明显减少，下面给出一般情况下的经验公式：只有模拟量输入时：内存系数=模拟量点数100模拟量I/O同时存在时：内存系数=模拟量点数200这些经验公式的算法是在模拟量点数10点左右，当点数小于10时，就适当加大，点数较多时，可适当减少。(4)用户编写的程序质量：用户编写的程序优劣，对程序长短和运行时间都有较大影响，对于同样系统不同用户编写的程序可能会使程序长度和执行时间差别很大。一般来说，对初编者应多留一些内存余量，而有经验者可少留一些余量 综上所述，推荐下面的经验公式：存储器总数=开关量I/0总点数10+模拟量点数150然后按计算结果的25余量。4.3.3输入输出模块的选择来自现场的设备按钮、限位开关、行程开关等的电平信号并将其转换为机器内部电平信号，模块类型为直流和交流两种。根据设备与模块之间的远近程度选择电压的大小，一般5V、12V、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过l0m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模拟比较可靠。另外，高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般讲，同时接通点数不得超过60%。系统的稳定性，必须考虑门槛电平(接通电平与关断电平之差)的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。输出模块的任务是将机器内部电平信号转换为外部的控制信号。频繁、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，但缺点是模块价格高，过载能力差。输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命短，响应速度慢。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。4.3.4三菱FX2N-64MR-001的性能指标 1.FX2N-64MR-001技术指标合计总数64点32点输入，DC24V，32点继电器输出；尺寸（mm）：1828790。 2.FX2N-64MR-001系列PLC的功能(1)集成型和高性能CPU 电源 输入输出三为一体。对6种基本单元，可以以最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。(2)高速运算基本指令：0.08s/指令，.应用指令：100s/指令(3)安心、宽裕的存储器规格内置8000步RAM存储器。安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。(4)丰富的软元件范围辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数器：235点数据寄存器：8000点根据PLC机型选择的基本原则，本课题中选择了三菱公司FX2N-64-MR-001系列的PLC。4.4 变频器参数设置及计算4.4.1变频器参数设置由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。参数设置的原则:(1)为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；(2)为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击; (3)零速一般设置为0HZ；(4)变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入表4.4.2变频器容量计算 变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行选取。设电梯曳引机电机功率为P1电梯运行速度为v，电梯自重为w1，电梯载重为W2配重为W3重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2:P2=(W1+W2-W3)g+F1v其中F1=K (W1+W2-W3) g+为摩擦力，可忽略不计。电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有较大裕量，可取Pl.5P24.2.5变频器制动电阻参数的计算由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能.带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高.采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。第5章 软件设计5.1