毕业设计（论文）-八层八站人货两用电梯PLC改造.doc

浙江工业大学浙西分校机电系毕业论文八层八站人货两用电梯PLC改造摘 要目前，在国内七十、八十年代安装完成的电梯大部分为继电器线路逻辑控制，线路复杂，接点接线多，故障率较高，且保养维修工作量大、费用高，检查故障困难，费时费工。其曳引系统采用直流调速系统或交流调速系统，直流调速系统维护困难，交流调速系统虽然维护方便，但属于能型调速，效率低，调速性能指标较差，严重影响电梯运行质量。由于大部分老式电梯的机械部分没有太大的问题，主要是电控系统可靠性欠佳，因此，大部分老式电梯的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，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。 本课题的设计主要解决的问题是通过指导老师的讲解，采用PLC对电梯控制系统进行改造，用变频器对传动部分进行改造，了解它的工原理，运用所学的基本理论、基本知识和相关的专业知识来培养我们的动手能力，分析问题、解决问题的能力。 利用PLC对老式电梯进行改造，取得了良好的经济效益。改造后的电梯运行平稳，舒适好；利用绝对址确定电梯当前位置，消除了认址漂移，使电梯工作可靠，使用安全；而且本系统采用变频调速，节能效果明显，并具有良好的扩展性，便于实现多台电梯联控及微机监控。关键词：PLC控制，变频调速，电梯，硬件目 录第一章 绪论41.1 电梯的发展史41.2 电梯的组成及分类51.3 本课题的研究意义及主要内容7第二章 可编程序控制器92.1 可编程序控制器的发展史92.2 PLC的定义与特点 9 2.2.1 PLC的定义 9 2.2.2 PLC的特点 102.3 PLC的基本结构 102.4 PLC的工作原理 11第三章 变频调速电梯控制技术133.1 变频调速的基本原理133.2 变频器的基本结构15第四章 基本方案的选择174.1 可编程序控制器（PLC）的选择 17 4.1.1 轿厢楼层位置检测方法 17 4.1.2 PLC的选型174.2 变频器的选择18第五章 系统硬件设计195.1 PLC控制系统的设计 19 5.1.1 PLC控制系统的设计分析19 5.1.2 电梯PLC控制系统的设计215.2 变频器的参数设置23 5.2.1 VS-616G5变频器的参数 24 5.2.2 参数设置24 5.2.3 变频器容量计算25 5.2.4 变频器制动电阻参数的计算265.3 系统结构框图 26第六章 系统软件设计 276.1 开关门控制 27 6.1.1 开门控制27 6.1.2 关门控制286.2 内指令外召唤信号的登记消除及显示 28 6.2.1 内指令信号处理29 6.2.2 外召唤信号处理296.3 选层定向及反向截梯 29 6.3.1 司机内选定向29 6.3.2 无司机内选外呼定向30 6.3.3 反向截梯306.4 层楼计算、换速、平层、停车 316.5 楼层位置指示 326.6 呼梯铃控制与故障报警 336.7 消防运行 33结束语 35参考文献 36附图137附图238附图339谢 辞40第一章 绪 论1.1 电梯的发展史电梯属于垂直提升运输设备，起源于我国古代农业和建筑的原始提升工具。公元前十一世纪，我国北方劳动人民发明了辘护。公元前236年，希腊人阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在妮罗宫殿里。在瓦特发明了蒸汽机之后，于1850年，在美国纽约市出现了世界上第一台由亨利沃特曼制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。1852年美国人伊莱沙格雷夫斯奥梯斯发明了世界上第一部以蒸汽机为动力、配有安全装置的载人升降机。这便是世界上第一部备有安全装置的客梯，在1857年被安装在纽约市豪华商厦里。在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。随着水压梯的发展，蒸汽梯也就被淘汰了。后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯，而直到今天液压梯仍在使用。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多。所以，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。尽管交流电动机结构简单，造价便宜，但在调速性能方面却难以满足更高的要求，而对直流电动机来讲，由于后来采用了发电机电动机组调速系统，能较好地满足电梯调速的高要求。因此，在20世纪前半叶，电梯的电力拖动，尤其是高层建筑物中的电梯速度的调节，几乎都是采用直流调速系统来实现的。 1900年美国奥梯斯电梯公司制造出世界上第一台自动扶梯。 1915年已设计成功电梯自动平层控制系统。 1933年美国制造出6m/s的高速电梯。 在第二次世界大战以后，美国的建筑业得以快速发展，促使电梯也进入发展时期，新技术被广泛用于电梯。1949年研制出4-6台电梯的群控系统。1955年出现了真空电子管小型计算机控制的电梯。1962年在美国己出现了8.5m/s的超高速电梯。 在1967年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。随着电力电子技术的发展，在用晶闸管取代直流发电机电动机组的同时，研制出了交流调压调速系统，是交流电梯的调速性能得到了明显改善。进入80年代，电梯控制技术又有了新的变化。由于固体功率器件的不断发展和完善以及微机技术的应用，出现了交流变频调速系统。1984年在日本己将其用于2m/s以上的高速电梯。1985年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。交流变频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。 1993年日本生产的12 m/s世界上最高速的交流变频调速电梯已投入运行。当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用交流变频调速方式取代直流调速方式，以成为高速电梯的主流。1.2 电梯的组成及分类电梯由机械系统和电气系统两部分组成。一、 机械系统电梯结构中的机械装置通常有轿厢、门系统、导向系统、曳引系统、重量平衡系统及机械安全保护系统等。1.轿厢 轿厢是乘客或货物的载体，由轿厢架及轿厢体构成。轿厢在曳引钢丝绳的牵引作用下，沿敷设在电梯井道中的导轨，做垂直上、下的快速、平稳运行。2.门系统 门系统是由轿厢门、厅门、自动开门机、门锁、层门联动机构及门安全装置等构成。轿厢门用来封住轿厢出入口，厅门用来封住井道出入口。电梯门的开启与关闭是由自动开门机实现的。厅门只能由轿厢门通过门刀带动开门或关门，是被动门。为了保证乘坐安全，必须在轿厢门和厅门完全关闭之后，电梯才允许起动运行。3.导向系统 电梯导向系统由导轨架、导轨及导靴等组成。导轨用来在井道中确定轿厢与对重的相互位置，并对它们的运动起导向作用。导轨架是导轨的支撑部件，它被固定在井道壁上。导靴被安装在轿厢和对重架两侧，其靴衬(或滚轮)与导轨工作面配合，使轿厢与对重沿着导轨做上下运行。4.曳引系统 曳引系统的功能是输出动力和传递动力，驰动电梯运行。主要由曳引机、曳引轮、曳引钢丝绳、导向轮和反绳轮等组成。曳引机为电梯的运行提供动力。曳引轮具有槽轮，是靠钢丝绳与绳槽之间的磨擦力来传递动力的。5.重量平衡系统 重量平衡系统由对重和平衡补偿装置组成。对重是平衡轿厢重量和平衡重，与轿厢分别悬挂在曳引钢丝绳的两端。平衡补偿装置是为电梯在整个运行中平衡变化时设置的补偿装置。6.安全保护系统安全保护系统是由限速装置、缓冲装置和端站保护装置组成。限速器是检测轿厢超速的装置，是为了限制电梯运行速度超过规定值。端站保护装置是为防止电梯超大型越上下规定位置而设置的，实际上它是轿厢或对重撞击缓冲装置前的安全保护行程开关。如果电梯某种事故原因发生超越终端层站底层或顶层时，缓冲装置起作用，经以避免轿厢与对重直接冲顶或撞底，保护乘客和设备的安全。二、 电气系统1.电梯传动系统电梯传动系统指驱动曳引电动机旋转的电气系统，由曳引电动机、速度反馈装置、电动机调速控制系统和拖动电源等部分组成。其中曳引电动机为电梯的运行提供动力。速度反馈装置是为电动机调速控制系统提供电梯运行速度实测信号的装置，一般为测速发电机或光电脉冲发生器。电动机调速控制系统是电梯传动系统的核心，它接收给定速度信号与实际检测的电梯运行速度信号，并进行比较、分析、判断及控制运算，从而形成合适的控制信号对曳引电动机进行转速调节。2.电气控制系统电梯的电气控制系统是指对电梯运行监控操纵的系统，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，一般设置在机房中的控制柜里。操纵装置是设置在电梯轿厢内的按钮及厅门口的呼梯按钮盒，是对电梯发出控制指令的电气装置。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，是指轿厢板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，是用来显示电梯轿厢所在楼层位置的轿内和厅门指层灯及电梯运行方向显示。电梯的分类有各式各样：1）按用途分类 有客梯、货梯、医用梯等2）按速度分类 低速电梯 1 m/s以下中速电梯 12m/s以上高速电梯 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/s4）按控制方式分类 有层间控制，简易集选控制，集选控制，有/无司机控制，群控等。1.3 本课题的研究意义及主要内容进入九十年代，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、可靠性的要求越来越高。而目前，在国内七十，八十年代安装完成的电梯大部分为继电器线路逻辑控制，线路复杂，接点接线多，故障率较高，且保养维修工作量大、费用高；检查故障困难，费时费工。其拽引系统采用直流调速系统或交流调速系统，直流调速系统维护困难，交流调速系统虽然维护方便，但属于能型调速，效率低，调速性能指标较差，严重影响电梯运行质量。由于大部分老式电梯的机械部分没有太大的问题，主要是电控系统可靠性欠佳，因此，大部分老式电梯的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，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。 可编程序控制器（PLC）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。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。同时，由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直流调速逐渐过度到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。 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。电梯采用了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。控制系统结构简单，外部线路简化。另外可方便地增加或改变控制功能。也可以进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。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手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。现就老式电梯的接触器-继电器控制系统系统复杂、故障率高、安全性能差这些缺点。采用PLC对电梯控制系统进行改造，用变频器对传动部分进行改造。使得改造后电梯启动平稳、乘坐舒适、安全性能好、调试维护方便、故障率低。第二章 可编程序控制器2.1 可编程序控制器的发展史在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。 1968年，在底特律的美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时能不改动原有继电器柜内的接线以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即十项招标技术指标。它实际上就是当今可编程序控制器的最基本的功能。将它们归纳一下，其核心为四点：1) 用计算机代替继电器控制盘。2) 用程序代替硬件接线。3) 输入输出电平可与外部装置直接连接。4) 结构易于扩展。美国的数字设备公司(DEC)中标，并在1969年研制出了第一台可编程序控制器(PDP-14)。其后，美国的MODICON公司也推出了084控制器，1971年，日本推出了DSC-8控制器，1973年西欧各国的各种可编程序控制器也研制成功。我国在1974年开始研制可编程序控制器。2.2 PLC的定义与特点2.2.1 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。在二十世纪七十年代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入和输出，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。上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。2.2.2 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：1) PLC的可靠性比继电器逻辑控制系统和通用计算机控制系统都要高。2) PLC的操作、编程、维修都比较方便。3) PLC的编程、扩展、操作的灵活性强。2.3 PLC的基本结构PLC的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成。1.中央处理单元CPUCPU是PLC的核心，CPU的性能对PLC的整机性能有着决定性的影响。2.存储器PLC的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。3.输入输出接口(简称I/O)输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。4.编程器编程器是PLC中一种主要的外部设备，它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示PLC的一些内部状态和系统参数。编程器是专用的，不同型号的PLC都有自己专用的编程器，不能通用。PLC正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的PLC可以只配一个编程器。5.其他设备 PLC的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等。2.4 PLC的工作原理与其他控制装置一样，PLC根据输入信号的状态，按照控制要求进行处理判断，产生控制输出。PLC采用循环扫描的方式，其过程如图2.1所示。这个过程分为读输入、程序执行、写输出三个阶段。整个过程一次扫描的时间称为一个扫描周期。 图2.1 循环扫描过程三个阶段的工作过程以下详细叙述PLC三个阶段的工作过程，工作过程如图2.2所示。 图2.2 PLC三个阶段的工作过程(1)读输入(输入刷新阶段)阶段 PLC在读输入阶段，以扫描方式依次地读入所有输入信号的通/断状态，并将它们存入到存储器输入暂存区的相应单元内，这部分存储特别的称谓输入映像区。在读输入结果后，PLC转入用户程序执行阶段。(2)用户程序执行阶段 PLC在程序执行阶段，按照先后次序逐条执行用户程序指令，从输入映像存储区中读取输入状态、上一扫描周期的输入状态以及定时器、计数器状态等条件。根据用户程序进行逻辑运算，不断得到运算结果，得到的运算结果并不马上输出，而是将其对应地先存入输出暂存区的相应单元中，输出暂存区也称为输出映像区，直到用户程序全部被执行完。用户程序执行完，得到最后可以输出的结果。本扫描周期内的用户程序执行阶段结束，PLC转入写输出阶段。(3)写输出(输出刷新)阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段，在此期间PLC根据输出映像区中的对应输出状态刷新所有的输出锁存电路，再经隔离输出到输出端子，向外界输出控制信号，控制指示灯、电磁阀、接触器等，这才是PLC的实际输出。 在执行完写输出阶段的所有输出后再进入读输入阶段，从而周而复始的进行循环扫描。第三章 变频调速电梯控制技术3.1 变频调速的基本原理 异步电动机，特别是鼠笼式电动机，由于结构简单，牢固，价格便宜，运行可靠，无需维护等特点，在交流传动中得到了广泛的应用。从电机学中知道，三相交流异步电动机的转速为：n=60f (1一s) /p （3-1） 式中f电机定子供电频率； s电动机转差率，s=(n1-n)/n1； n交流电机转子的转速(r/min)；n1交流电机的同步转速(r/min) , n1=60f/p；p电动机极对数。 改变极对数P可改变改变的转速，这就是交流双速梯的调速方法。通过控制交流电动机的定子绕组电压来改变转差率s达到调速的目的，这就是调压调速。 若均匀、连续地改变电机的供电频率f，则可连续、平滑地改变交流电机的同步转速。 根据电机学的理论，三相交流异步电动机定子绕组中的感应电动势表达式为：E=4.44fwk (3-2) 式中E定子绕组感应电势； f定子供电电源频率； 电机磁通； w电机定子绕组每相匝数； k电机电势常数； 由公式可知，只要控制好E和f便可以控制磁通不变，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况：1、基频以下调速即采用恒定的电动势。有上式可知，要保持不变，单频率f1从额定值f 向下调节时，必须同时降低E然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压UE，则得U/f=常值。低频时，U和E读数较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。这时，可以人为的把电压U抬高一些，以便近似的不补偿定子压降。带定子压降补偿的恒功率比控制特性为b线，无补偿的为a线。如图3.1所示：图3.1 恒压频比控制特性2、基频以上调速 在基频以上调速时，频率f可以从往上增高，但电压u磁通与频率成反比的降低，相当与直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图3.2。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以仁，基本上属于“恒功率调速”。图3.2 异步电动机变频调速控制特性3.2 变频器的基本结构变频器的基本结构见图3.3图3.3 变频器的结构图变频器主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路、制动电路和控制电路五部分组成。1.整流电路 整流电路的主要作用是对电网交流电源进行整流后给逆变电路各控制电路提供所需的直流电源。根据所用整流元器件的不同，整流电路分为二极管整流电路、晶闸管整流电路、晶体管和IGBT整流电路等。2.直流中间电路虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压，但是这种电压含有频率为电源频率六倍的脉动电压。此外，变频器逆变电路也将因为输出和载频等原因而产生脉动电压，并反过来影响直流电压的质量。因此，为了保证逆变电路和控制电源能够得到较高质量的直流电压，必须对整流电路的输出进行平滑，以减少电压的波动。3.逆变电路 逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电压转换为具有所需频率的交流电压。逆变电路的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 图3.4 变频器输出电压、电流波形PWM变频器是靠脉冲宽度的调制实现输出电压幅值的调节，改变调制周期实现输出电压频率的调节。输出电压的幅值及频率的调节都在变频器中的逆变器内完成。由图3.4可见，PWM变频器输出电压波形为等幅不等宽的矩形脉冲列，将正弦波划分为N等份，每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与面积相等的等幅矩形脉冲所代替，矩形脉冲宽度变化正比于输出等效正弦波电压幅值变化，脉冲包围的面积近似等于正弦波包围的面积，因此由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波等效。4.制动电路 在采用变频器对异步电动机进行调速控制时，为了使电动机减速，可以采取降低变频器输出频率的方法降低电动机的同步转速，从而达到使电动机减速的目的。在电动机的减速过程中，由于同步转速低于电动机的实际转速，异步电动机便成为异步发电机，负载机械和电动机所具有的机械能量被反馈给电动机并在电动机中产生制动力矩。5.控制电路与向异步电动机供电的主电路相对应，为主电路提供所需驱动信号的电路称为变频器的控制电路。控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器控制方式产生控制所需要的各种门极驱动信号或基极驱动信号。此外，变频器的控制电路还包括对电流、电压、电动机速度进行检测的信号检测电路，为变频器和电动机提供保护的保护电路。对外接口电路和对数字操作盒的控制电路。第四章 基本方案的选择4.1 可编程序控制器（PLC）的选择电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的必要前提。4.1.1 轿厢楼层位置检测方法 主要方法有如下几种： (1)用干簧管磁感应器或其它位置开关:这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。 (2)利用稳态磁保开关：这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，但它是无权代码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。 (3)利用旋转编码器：目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。由以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故本设计采用此法。4.1.2 PLC的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。综合考虑后，本设计选择了日本OMRON公司生产的C系列P型机。 C系列P型机具有以下几方面的优点：(1)P型机专用于开关量控制，其体积小，安装起来节省空间；(2)其功能较强，在指令方面，具有2kHz的高速计数器，可作为定位控制的标准硬件使用；从结构上看：P型机包括主机单元、I/O扩展单元、I/O链接单元、A/D转换单元、D/A转换单元等； (3)P型机采用的是箱体结构，其价格便宜，可靠性高；(4)P型机的任一种CPU箱和任一种扩展箱均可配置在一起，因此，用户可根据所需的I/O点数进行选件配置，使用灵活、方便。4.2 变频器的选择变频调速实际上是变频变压调速，即VVVF技术(Variable Voltage VariableFrequency)。变频变压VVVF电梯控制系统，是80年代国际上应用的最新电梯控制技术。该系统将交流电整流成直流电，再通过逆变器将直流电调制成不同电压、不同频率的交流电，以达到改变交流电动机转速的目的。本课题采用日本安川公司生产的VS-616G5系列通用变频器，其主回路采用IGBT为开关元件，最高调制频率达400Hz。该变频器具有过流、过载、电动机过热、过压及欠压，超速及失速等保护功能；此外该变频器还能提供运行停止信号、零速信号、速度到达信号及运行准备信号等反馈给控制系统，同时具有高性能、低成本的优点。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。第五章 系统硬件设计5.1 PLC控制系统的设计 电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图5.1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与卞拖动系统等。系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。图5.1 电梯PLC控制系统的基本结构图5.1.1 PLC控制系统的设计分析为了应用PLC实现对系统的预期控制，就必须对控制系统进行深入的分析与研究，根据系统的控制要求提出有效的总体控制方案与设计，在本节中主要介绍PLC控制系统的设计原则与控制模式的确定，下面根据近年来PLC的应用与发展情况对此加以简单的介绍。1. PLC控制系统的设计基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)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)PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应指出的是还应重点考虑该公司的产品的技术支持与售后服务的情况，一般应选择在国内特别是在所设计系统本地有着较为方便的技术服务机构或较有实力的代理机构的公司产品，同时应尽量选择主流机型。 (2)最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 (3)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 (4)保证控制系统的安全、可靠。 (5)考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。当然对手不同的用户要求的侧重点有所不同，设计的原则应有所区别，如果以提高产品产量和安全为目标，则应将系统可靠放在设计的重点，甚至考虑采用冗余控制系统：如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。2.PLC控制系统程序设计的步骤在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。PLC程序设计的主要步骤是： (1)对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图(如图5.2)，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。 (2)设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 (3)根据梯形图编制语句表程序清单。 (4)用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，检查键入的程序是否正确。 (5)对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。 (6)待控制台(柜)及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。 (7)编制技术文件。(8)交付使用。图5.2 PLC控制系统的一般设计步骤5.1.2 电梯PLC控制系统的设计1、PLC规模的估算 (1)输入、输出点的估算 根据电梯运行系统的调查，电梯控制系统的输入有轿内指令选层按钮、上下行厅召唤指令按钮、上下行防超越开关、上下行换速开关、检修时轿顶轿内上下慢行按钮、轿顶轿内开关门按钮、门安全触板开关、超载开关、应急按钮、直驶按钮以及信号输入等。 估计需要32个输入点，26个输出点。考虑在实际安装、调试和应用中，还可能会发现一些估算中未预见的因素，故输出点增加4个。 (2)存储容量的估算 用户程序占用内存的多少与多种因素有关。例如：输入、输出点的数量和类型，输入、输出量之间关系的复杂程度，需要进行运算的次数，处理量的多少，程序结构的优劣等，都与内存容量有关。因此，在用户程序编写、调试好以前，很难估算出PLC所应配置的存储容量。这里只对其进行简单估算即可，也就是根据输入、输出的点数及其类型、控制的繁简程度加以估算。估算方法采用生产企业为产品提供一条经验法则公式即(输入点数+输出点数)*(10-20 )=指令语句数。故本系统粗略估算为(32+30) *10=6202、PLC输入/输出模块的选择 (1)数字I/O点数与模块的确定确定I/O点数是系统设计的最重要的问题。一旦已确定使用某一类型的机型和详细的控制要求，就可以基本确定系统所配的PLC需要的I/O点数。应该注意的是在确定I/O点数时，一定要考虑到系统的扩充与备用需要，一般应留有10% 20%的余量。根据选取不同的PLC，相应的I/O模块的I/O容量不尽相同，需要依据需要确定I/O模块的数量。 (2)输入模块的确定PLC的输入模块用来检测来自现场(按钮、行程开关、温控开关、压力开关等)的高电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。 各类PLC所提供的输入模块，其点数一般有8点、12点、16点、32点等不同规格，用户可根据系统所需点数加以选择。 其工作电压常用的有直流12、24V，交流110, 220V等，其中以直流24V最为普遍。选择输入模块主要考虑模块的输入电压等级。根据现场输入信号(按钮、行程开关)与PLC输入模块距离的远近来选择不同电压规格的模块。一般24V以下属低电平，其传输距离不宜太远，如12V电压模块一般不超过10m。距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。 (3)输出模块的确定输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号，转换为外部所需电平的输出信号，以驱动外部负载。输出模块有三种输出方式:继电器输出、双向晶闸管输出、达林顿晶体管输出。这几种输出形式均有各自的特点，用户可根据系统的要求加以确定。 继电器输出价格便宜，使用电压范围广，通电压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动感性负载时，最大操作频率不得超过1Hz。 晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反向电压，必须采取抑制措施。另外，这两种形式的输出均不具备明确的输出开关断点，因此对于有此要求的使用场合会受到限制。 输出电流的选择：模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。 允许同时接通的输出点数：在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流。 (4)模拟量输入/输出单元的选择模拟量输入/输出接口是用来感知传感器产生的信号，这些接口测量流量、温度和压力的数量值，并用于控制电压或电流输出设备。典型接口量程为-10+l0V, 0+l0V, 420mA或1050mA。模拟量输入/输出单元一般有多种规格可供选用，其中，最主要的是通道数量，如一入一出、三入一出等，应根据需要确定，由于模拟量单元一般价格较高，应准确确定所需资源，不宜留有太多的余量。在确定模拟量输入/输出单元时，另一个重要：指标就是精度问题，应根据系统控制精度恰当地选择单元精度，模拟量输入/输出单元一般精度较高，通常可达到12位左右。5.2 变频器的参数设置由于采用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。由于616G5是通用型变频器，因而用在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。5.2.1 VS-616G5变频器的参数 616G5变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。常用参数如表5. 1： 表5.1 变频器参数参数功用A组确定控制模式B组选择运行功能C组确定加速时间及转矩补偿时间D组选择频率E组确定运行压频曲线F组保护设置H组确定偏差标准5.2.2 参数设置参数设置的原则：（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，速抱闸功能将影响舒适感；（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，具体的设置见表5.2。表5.2 安川VS-616G5变频器主要参数设置表参数名称设置值说明A1-02控制方式选择2不带PG矢量控制方式B1-01频率指令选择1B1-02运行指令选择1B1-03停止方法选择0B1-04反转禁止选择0B2-01零速电平选择0.1HZB2-04停止时直流制动时间1.0s续表5.2C1-03加速时间22.0sC1-04减速时间22.0sC2-01加速开始时S型曲线时间0.6sC2-02加速完了时S型曲线时间0.6sC2-03减速开始时S型曲线时间0.6sC2-04减速完了时S型曲线时间0.6sC5-01ASR比例增益15C5-02ASR积分时间13sD1-09检修速度200rpmE1-01输入电压设置380VE1-04最高输出频率50HZE1-05最大电压380E1-06额定电压频率50HZE1-09最低输出频率电压0VE2-01电机额定电流按电机铭牌设置E2-02电机额定滑差按电机铭牌设置E2-03电机空载电流按电机铭牌设置E2-04电机极数按电机铭牌设置F1-01PG常数根据旋转编码器铭牌设置F1-02PG断线检测时的动作选择0F1-03超速时的动作选择0F1-04超度偏差过大时的动作选择0F1-05PG分频比根据电机级数设置5.2.3 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计算。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+F v （5-1）其中F=K (W1+W2-W3) g+为摩擦力，可忽略不计。电机功率P2，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有安全余量，可取P 1. 5 P25.2.4 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。能耗制动电阻R的大小应使制动电流I的值不超过变频器额定电流的一半，即 I=U /R I1/2 （5-2）其中U为额定情况下变频器的直流母线电压。由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。5.3 系统结构框图系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成，如图5.3所示。图5.3 系统结构框图第六章 系统软件设计6.1 开关门控制6.1.1 开门控制1、本层开门 本层开门是指电梯在停车状态和非检修(有/无司机)条件下，当轿厢所在层楼有上召唤且没有定下方向，或有下召而没有定上方向时，电梯自动开门。电梯本层开门的条件也可简化为，在停车状态下当轿厢所在层楼有厅外召唤时，电梯自动开门。如假设轿厢现停在二层，则1001为ON，当二层厅外有上召唤信号时0201为ON，在没有定下方向，且停车状态下，1309为ON，发出本层开门控制信号。 图6.1 本层开门的梯形图2、开门控制及安全保护正常情况下，开门的条件有以下几种:本层开门、停车状态按轿内开门按钮、关门过程中有红外线检测信号(这种情况下将重新开门)、正常运行换速平层停车自动开门。开门到位后，若没有碰到开门限位开关，或限位开关失灵，则由于开门继电器吸合，门电机会发生堵转，时间一长电机可能烧毁。为此设计了门电机保护程序，当开门动作时间超过正常开门时间2-3秒后，通过定时器计时自动断开开门信号，停止开门。如没有外界开门信号，即0002和1309为ON, 则定时器TIM00开始计时，当计时时间到，如限位开关仍未动作，则通过TIM00闭点断开0502，停止开门。并由TIM00开点使定时器自锁，0502维持OFF。当有开门信号时0002或1309为ON，其闭点OFF，定时器复位，TIM00闭点为ON，可再次进行开门控制。 图6.2 开门时的安全保护梯形图6.1.2 关门控