毕业设计（论文）-交流变频调速控制系统在船用电梯中的应用.doc

第21页1专科毕业设计（论文）设计题目： 交流变频调速控制系统在船用电梯中的应用 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化（工业企业电气） 班 级： 工企电气091301 姓 名： 学 号：093905130122指导教师： 职 称 ： 副教授 2012年6月 南京摘 要在汽车、地铁、高铁等地面交通工具快速发展的同时，电梯因现代高层建筑而发展起来的一种垂直交通工具正蓬勃发展。然而使用环境的恶劣一直抑制着船用电梯的发展。在以欧姆龙CQMl PLC控制安川 VS - 616 G5组成控制系统为例,介绍了该系统在齿轮驱动应用程序电梯的硬件结构、PLC和变频器通讯程序设计及变频器参数设置，然后基于该协议的定义与环境监测PLC智能仪器之间的通讯。反应了PLC和变频器在电梯控制的特点。关键词 PLC控制 变频调速 船用电梯 自动控制AbstractIn such as car, subway, high iron and other ground transportation rapid development and at the same time, the elevator for modern high-rise building and developed a kind of vertical transport is booming. However Marine elevator use environment has been bad on the development of the Marine elevator. The hardware construction of the ship elevator control system based on VS-616G5 controlled by CQMl PLC，the program design of communication between PLC and frequency converter and the parameter setting of frequency converter are presented in the paperBased on no-protocol serial communication，Communication between PLC and Environmental monitoring of intelligent instruments are analyzedThe control characteristics of frequency converter in the ship elevator system are pointed out，and supply the actual experiences to the application of frequency converter in the stop elevator control. Key words PLC control frequency speed control ship elevator第19页 目 录1 引言12 船用电梯设计系统分析22.1 船用电梯与陆用电梯的整体设计结构差异22.2 系统高低温分析22.3 船用电梯的三防分析22.4 船用电梯运行的特殊性32.5 电磁兼容性分析33 船用电梯系统设计43.1 变频器型号选择及参数设置43.1.1 VARISPEED-616G5变频器参数设置43.1.2 变频器外围接线图43.2 PLC控制变频调速的系统型号选择及程序设计53.2.1 PLC定义及选用原则53.2.2 PLC的选择63.2.3 PLC控制程序编程74 PLC与环境监测智能仪表之间的通讯164.1 被动和主动通讯方式的比较164.2 CQrdPLC支持自定协议通信模式174.3 DM6645通信方式设置174.4 DM6646通信方式设置174.5 DM6648通信方式设置174.6 DM6649通信方式设置17结 论18致 谢19参 考 文 献201 引言 随着经济的快速发展，中国船舶工业近年来每年有10-15持续增长的速度，在2004造船产量已达8500000吨，占世界市场份额的15，造船产量连续10年位居世界第三。随着社会生活条件稳步提高，在大中型船只上安装船用电梯的需求日益旺盛，所以船用电梯的市场前景广阔。与西方发达国家相比，中国船舶工业，船舶设备国产化水平低，如国内海洋设备出货率只有50%。因此，提高船用设备的股份是国家船舶工业可持续发展的必然趋势。由于海洋客梯，货梯相对陆地使用电梯的需求量小，并具有行业特征，因此没有引起国内电梯生产企业的重视，现有安装船用电梯或依赖进口，或是在土地使用电梯的结构和技术的基础上简单的变换，这和中国船舶工业的发展现状不相适宜。因此深入研究船用电梯技术设计是有必要的。船用电梯和陆地使用电梯的差异。首先，陆地使用电梯应用技术的广泛发展使得其控制系统相对成熟，根据我国国情并参照欧洲标准，先后制定了一系列国家标准电梯设计，生产，安装，改造，维修规定，如国标GB7588 - 2003的标准电梯制造与安装安全规范对土地使用的电梯设计制作有详细的要求，使企业以规则为基础，促进电梯行业的健康发展。然而，海洋电梯因为在河流，海洋中的使用环境恶劣，要求设计产品技术有其特殊性。专用计算机房，结构模块化程度高，装配方便，在航运，海上的应用越来越多，但有很大的噪声和运动稳定性等缺点，通过驱动电机变频调速控制，可实现降低噪音的效果，提高运行的平稳性。随着变频器性能价格比的提高，交流变频调已应用到许多领域。由于变频调速节能效果显著，控制灵活，可靠性高，使交流变频调速在船用电梯行业广泛应用。目前，虽然有为电梯控制而设计的专用变频器，但其价格昂贵。因此采用PLC及通用型变频器对电梯控制进行了深入研究，通过合理的配置和软件设计，实现对船用电梯功能的有效控制。2 船用电梯设计系统分析2.1 船用电梯与陆用电梯的整体设计结构差异 陆地使用的电梯间在建筑物顶部，这种布局系统结构简单，使得建筑物顶部所受应力相对较小。船用电梯则不然，由于船体结构设计布局的多样化，直接决定了船用电梯的整体布置形式，由此导致了船用电梯的机房位置随意性大，根据需要可能会在围井附近的任意位置，大多不局限于顶部，从而造成船用电梯牵引，牵引力，驱动主机位置，对重和轿厅门的位置，整个结构的一系列变化。所以设计每一台电梯都应该充分考虑结构特点。因地制宜，用最合理的设计，最可靠的产品性能，满足用户的使用要求。2.2 系统高低温分析设备运行环境温度区间相对更大，如陆用电梯正常工作温度要求在540之间，而船用乘客电梯工作环境温度要求在1050之间，船用货梯正常工作环境温度甚至要求在2545区间内。显然，船用电梯系统部件能够承受的环境温度较低，该系统的设计必须考虑材，很容易成为在低温下的脆性，继电器很容易出现故障和其他因素的影响，采取适当的措施来解决这些问题。在同一系统中高温热设计不能被忽略，因为环境温度将导致某些组件的故障率增加。系统设计，除了正确的选择，检查设备老化，需要采取充分利用传导，辐射，对流冷却技术来解决散热问题，通过高低温试验，以满足船舶检验局的有关技术要求。2.3 船用电梯的三防分析 三防设计，是指防潮，防盐雾，抗霉菌的设计。河流，特别是海洋气候和环境变化，使海洋的电梯标准提高，如船用电梯的工作条件，空气相对湿度95时会有凝露。一方面，潮湿的环境会造成水蒸气凝结，直接导致产品绝缘电阻降低，可出现漏电现象。另一方面，在潮湿，部件吸湿作用会导致介电常数的变化，介质损耗增加，金属腐蚀速度，使产品的可靠性大大降低。但盐雾是一种气溶胶形式的胶状体，一旦零件表面形成盐水膜附着，会加速腐蚀金属材料，同时降低电子产品的绝缘电阻。霉菌属真菌，能导电，它所造成的危害主要包括： 1. 可以使产品的绝缘性和耐电强度大幅度下降，微型电路板模具可使线之间的短路。 2. 使金属材料腐蚀，天然橡胶件破坏。 3. 漆膜会被穿透，从而失去保护作用。 三防设计的基本原则是对关重件采用密封结构及提高元件、材料防腐、绝缘等级，比如电机、接触器、继电器尽量采用船用电器等。2.4 船用电梯运行的特殊性 由于船用电梯在船舶航行过程中仍然要满足正常使用要求，因而船舶运行中的摇摆升沉，将对电梯的机械强度、安全可靠性产生较大影响，结构设计不容忽视。船舶在风浪中航行产生的摇荡有横摇、纵摇、艏摇、垂荡（又称升沉）、横荡、纵荡六种形式，其中横摇、纵摇及垂荡对船舶设备的正常运行影响相对较大。在船用电梯标准中规定：船舶横摇10以内，摇摆周期10S，纵摇5以内，摇摆周期7S，垂荡3.8m，电梯可以正常运行。且要求在船舶最大横摇角30以内，摇摆周期10S，最大纵摇角10以内，摇摆周期7S以下，电梯不应损坏。鉴于这种情况，当船用电梯轿厢水平力舱室大大增加，同时应提高该方向部件的受力强度，避免结构变形造成电梯损害事故或停梯。采取的措施包括减少设计导向支架间距，加大引导断面尺寸等 电梯门应设置船体自然打开和关闭装置，避免门系统误动作或造成事故。驱动主机采取抗震设计，防止船体摇晃很大，和转换方向时发生倾覆断裂事故。船体的摇摆操作冲击，也解除了对悬挂部件的巨大影响，如轿厢和随行电缆之间的控制信号传输，应采取措施防加以保护，以避免因为随行电缆与原因和进道内的电梯部件相互靠近而损坏设备。钢丝绳也要设置防脱落装置等等。帆船正常产生的振动频率是025赫兹，振幅2毫米，而电梯轿厢的垂向振动频率上限一般在30HZ以下，可见存在产生共振的可能，因此应采取相应预防措施以避免谐振。控制系统的连接应采取措施防止松动措施，以免引起的系统振动故障。电梯控制柜应进行冲击、震动试验。 此外，确保安全，提高系统的自动化水平，可以考虑设置船舶摇摆检测装置，当海况指数超出正常工作范围时发出报警信号，停止了电梯的运行，同时通过航行固定装置把轿厢与对重分别稳固在电梯围井的某一位置上，避免轿厢及对重随船体作惯性振荡，从而引起电梯零部件的损坏。2.5 电磁兼容性分析 电梯是频繁启动的大容量电器，不可避免地导致电磁干扰，若不加以控制解决，其电子辐射将影响船舶上的其它电子设备。轻者会影响产品的精度，重者可使设备不工作。另外，电梯也不应被其他电子设备的电磁辐射的影响，特别是电梯安全电路，控制信号电路应采取可靠的隔离措施。应使用合理的屏蔽设计，接地设计，过滤分离设计，电磁兼容设计，设计方案，最大限度地削弱甚至消除电磁干扰，避免船舶电气系统正常使用之间的相互影响。3 船用电梯系统设计3.1 变频器型号选择及参数设置3.1.1 VARISPEED-616G5变频器参数设置 目前，电梯行业的海洋使用变频器品牌比较多，控制系统的结构是不一样的，但总的控制思想是一样的。但就其总的控制思想却是大同小异。在以CQMl PLC控制AnChuan VS - 616 G5组成控制系统为例,说明系统的结构特点及程序计要点。 如图1所示，为616G5变频器的框图。由于用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。由于616G5为通用型变频器，因而用在船用电梯控制上为了满足运行效率、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复杂得多。下面仅介绍个主要参数的设置：为了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，故选C501=5s，C5- 02=3s。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，故选d1_02=50Hz，dl 03=4Hz。检修慢车频率可选dl_09=10Hz。为了确保操作平层的精度和可靠性，驱动电机的转速控制，闭环速度旋转编码器和电机同轴旋转检测。变频器可以使逆变器工作在最佳状态，有必要使驱动马达驱动的自我学习的方法是：无负载条件下，启动马达，逆变器将自动识别相关参数，启动最优控制的电机，在这一点上，驱动器参数设置。3.1.2 变频器外围接线图3.2 PLC控制变频调速的系统型号选择及程序设计3.2.1PLC定义及选用原则1 . 合理的结构型式 PLC主要有模块式和整体式两种结构型式。模块式PLC的每一个I/O点的平均价格比整体式的贵,并且体积相对较大,模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O口点数、输出点数与输入点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。2. 安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动器集中式远程I / O硬件，系统响应快，成本低;大型系统的远程I / O类型，远程I / O可以分布在近场设备安装，甚至是短线，但需要额外的驱动器和远程I / O电源;多台PLC网络分布，适用于多个设备独立控制，也相互接触的场合，可以使用小型PLC，但必须是额外的通信模块。3. 相应的功能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可以使用的A / D和D/ A转换单元，算术加法和减法，增强低端PLC的数据传输功能。对于更复杂的控制，PID运算，闭环控制，通信，网络等功能，规模和复杂性的可视化控制，选择中档或高档PLC。然而，高端PLC比较昂贵，一般用于大规模过程控制和分布式控制系统，和其他场合。4 . 响应速度要求 PLC是一种通用控制器，为工业自动化设计，不同档次的响应速度一般是能够满足需要的应用范围。如果你想跨范围内使用，或某些功能或信号有一个特殊的速度要求，必须仔细考虑到响应速度，可以选择快速输入/输出功能，快速响应和中断输入模块的选择。 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。高可靠性要求的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统 。5. 机型尽量统一 一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题： a. 机型的统一性,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。 b. 机型的统一性,其功能和使用方法类似,有利于技术力量训练和提高技术水平。 c. 机型的统一性,其外部设备通用,资源可以被共享,容易网络通信、配合后个人电脑很容易形成一个多级分布式控制系统。3.2.2 PLC的选择 在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC完成的。只有对许多逻辑信号处理和的频率转换为正确的命令，才能完成整个电梯控制。如图2所示，为PLC和变频器通讯的端口接线及部分相关器件的联接。由图可见，PLC的Y038一Y03F8个输出口依次和变频器18号输入口相联，其对应的COM和变频器11号口相联作为信号公共端。这8个口完成PLC对变频器的状态控制。变频器18号口和9号口接至PLC的IOOF和I010输入口，以便向PLC输入变频器状态信息，完成变频器和PLC的通讯。根据本船用电梯的具体功能要求，综合对比三菱FX系列、西门子系列中I/O点数为32点各型号的价格，性能、实用场合的个方面，本系统可选择PLC的型号为：OMRON的CQMl PLC，合计总数32点-16点输入，DC24V，16点继电器输出，其性能、价格都优于其他PLC。3.2.3 PLC控制程序编程 硬件系统组成后，才能获得最佳的控制，还需小心处理控制程序。在变频调速电梯控制程序中，需要PLC进行处理的逻辑信号主要有：楼层计数信号，该信号是用来确定电梯的楼层位置和位置的变化，是控制电梯运行的重要依据。呼梯、选层信号，用以登记呼梯和选层情况，以便确定电梯的启动和运行。定向信号，它根据当前的位置和呼梯，选择操作的电梯层方向。变化的速度信号，用于停车前的换速控制。主控制信号，用于控制电梯，运行，开始和停靠。此外还有开、关门控制，楼层显示，呼梯，选层显示，单、双控制，安全条件自动检测，自动平层，消防等各种控制信号。所有这些都是控制信号，根据不同的输入信号通过一个复杂的控制程序实现。这些程序之间必须协调一致、判断合理才能实现对电梯的整体控制。 该方案的工作过程是这样的：当没有超载的电梯，所有电梯门关闭，相序是正确的阶段，主条件得到满足，主要控制程序开始运行。1. 外召唤信号登记及消除2 . 内指令信号登记及消除点动内呼按钮，信号登记显示。到层信号取消。本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。3 . 电梯的平层信号处理4 . 选层定向及反向截梯 轿厢上行轿厢下行5. 内指令外召唤信号的保持轿厢的内呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动执行开关门操作。开关门执行一次之后，信号取消。使电梯能够继续响应其他乘坐信号。6 . 各楼层停车信号7. 自动开关门如梯形图所示，电梯到层停车后，延时2s开门，5s后自动关门。并设有手动开门按扭和关门按钮。可实现即时开关门。4 PLC与环境监测智能仪表之间的通讯4.1 被动和主动通讯方式的比较由于船用电梯的特殊性，智能传感器（如船颠簸状态检测传感器设备，水井和状态的温度和湿度传感装置的检测），环境监测工作的地位和状态，监测和反馈到的结果，PLC外部输入的状态信息，以确定该电梯或报警信息的操作。传统的PLC点至点和多点广播的通信方式，从计算机和可编程控制器之间的通信主要通过被动的方式。由电脑主机作为主动方的PLC读写通信。这种通信方式没有主动仪器读写能力是难以胜任的。因此，我们需要找到一个PLC激活外部通信链路，应对可以自定义的协议。 自定义通信协议（或称为无协议通信），是指按照通信对象的通讯格式沟通彼此，对格式无要求，包括电脑，进行数据交换的串行积极主动的对外通讯。在这个通信模式，通信可以是主动或其他是被动的。同时主动发送消息，其他的测试数据通信端口，接收数据，反之亦然。通过这种方法，可以实现响应通信。另一种是被动的，主动将采取被动的阅读和写对方的协议。4.2 CQrdPLC支持自定协议通信模式OMRON公司的CQrdPLC支持自定协议通信模式，使用这种通信方式，需要设置的区域为DM6645一DM6649。4.3 DM6645通信方式设置 DM6645用于设置通信方法，如果是上位通信方式并采用标准格式，可设置成0000；用于自定协议方式可设置成1001，即无协议，指定格式。4.4 DM6646通信方式设置 DM6646用于设置指定格式的参数，从00001104，当需要波特率9600、起始位1位、数据位8位、1位停止位、偶检验时可设置成0603DM6647传送延迟，上位连接时使用。4.5 DM6648通信方式设置 DM6648用于指定是否使用起始码和结束码及上位通信时的站点号，0811位指定起始码，0表示不使用起始码，1表示用DM6649指定的起始码，1215位指定结束码，0表示不使用结束码，l表示用DM6649指定的结束码，2表示使用CR作为结束码，00-07指定上位通信方式的站点号，从00到31。 4.6 DM6649通信方式设置 DM6649用于指定起