PLC控制四层电梯设计.doc

常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨I 目录目录 PLCPLC 控制四层电梯设计控制四层电梯设计 1 摘要摘要 1 第第 1 1 章章 电梯系统的概述电梯系统的概述 2 1 1 概论 2 1 1 1 电梯的发展简史 2 1 1 2 电梯的基本结构 2 1 1 3 电梯的分类 3 1 2 电梯曳引机 4 1 3 电梯的驱动系统 5 1 3 1 变极调速系统 5 1 3 2 交流调压调速系统 6 1 3 3 变压变频调速系统 6 1 4 电梯的电气控制系统 7 1 4 1 概述 7 1 4 2 常规继电器控制的典型控制环节 7 1 4 3 PC 机在电梯控制中的应用 9 1 4 4 电梯的微机控制系统 9 第第 2 2 章章 变频调速的参数设置及计算变频调速的参数设置及计算 11 2 1 变频器的概况 11 2 1 1 通用变频器的概况 11 2 1 2 通用变频器的功率输出驱动技术动向 12 2 1 3 三菱变频器简介 13 2 2 三菱变频器调速方式简介 13 2 2 1 变频调速的工作原理 14 2 3 变频器参数设置及计算 14 2 3 1 变频器参数设置 14 2 3 2 变频器自学习功能的应用方法 14 2 3 3 变频器的连接图 15 2 3 4 变频器容量计算 15 2 3 5 变频器制动电阻参数的计算 16 第第 3 3 章章 可编程控制器 可编程控制器 PLCPLC 的选型 的选型 17 3 1 概述 17 3 1 1 PLC 的定义 17 3 1 2 PLC 的特点及应用领域 17 3 1 3 PLC 的发展及趋势 18 3 2 PLC 的基本结构 19 3 2 1 PLC 的组成 19 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨II 3 2 2 PLC 的 CPU 模块 20 3 2 3 PLC 的 I O 模块 20 3 2 4 编程器 22 3 2 5 PLC 的电源模块 22 3 2 6 PLC 的分类 22 3 3 PLC 的工作原理 24 3 3 1 PLC 的工作原理 24 3 3 2 扫描周期 25 3 3 3 输入输出滞后时间 26 3 4 三菱 FX2N 系列可编程序控制器介绍 26 3 4 1 可编程控制器的基础认识 26 3 4 2 可编程序控制器的工作方式 28 第第 4 4 章章 PLCPLC 控制的四层电梯设计控制的四层电梯设计 31 4 1 四层电梯曳引电机及门电机电路图 31 4 2 I O 表的分配 31 4 2 1 可编程控制器机型的选择 31 4 2 2 输入 输出点分配 32 4 3 系统结构框图 34 4 3 1 电梯开关门流程图 34 4 3 2 电梯上升下降流程图 34 4 4 PLC 控制四层电梯的程序说明 35 4 5 调试及问题的解决 40 4 5 1 调试 40 4 5 2 问题解决 40 总结总结 41 致谢词致谢词 41 参考文献参考文献 42 附录 附录 PLCPLC 控制四层电梯的梯形图 控制四层电梯的梯形图 43 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨1 PLC 控制四层电梯设计 摘要 随着我国经济的高速发展 微电子技术 和自动控制技术也得到了迅速 发 展 交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代 其应用越来越广 而 电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具 与人们的生活紧密相关 随着 人们对其要求的提高 电梯得到了快速发展 其拖动技术已经发展到了 调频调压调速 其逻辑控制也由 PLC 代替原来的继电器控制 本文在已 有的通变频器的基础上 采用 PLC 对电梯进行控制 通过合理的选择和 设计 提高了电梯的控制水平 并改善了电梯运行的舒适感 使电梯达 到了较为理想的控制效果 关键词关键词 PLC 变频调速 电梯 Abstract at present the development of instrument of PLC as now a new direction more and more attention Now no longer confined to PLC control motion control logic process control etc also plays a very important role This paper firstly discusses what is the PLC and its features and functions Then introduces the basic principle of vending machines and work flow and then to a transaction process for example the process is divided into several blocks then respectively to program block and using configuration software to simulate the vending machine trade environment using pictures and to realize the whole system of PLC panasonic through the control of PLC control system to improve the vending machine guarantee Keywords PLC speed adjusted elevator 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨2 第 1 章 电梯系统的概述 1 1 概论 1 1 1 电梯的发展简史 电梯的雏形是公元前 1115 年至 1079 年间我国劳动人民发明辘轳 1852 年 世界上第一台在德国柏林电梯诞生了 采用电动机拖动 以后 美国出现以蒸汽机为动力的客梯 美国人奥的斯研究出电梯的安全装置 开创 了升降机工业或者说电梯工业新纪元 1857 年 世界第一台载人电梯问世 为不断升高的高楼提供了重要的垂直 动输工具 1889 年奥的斯公司在纽约试制成功第一台电力驱动蜗轮减速的电梯 这一 设计思想为现代化的电梯奠定了基础 它的基本结构至今仍被广泛使用 1 1 2 电梯的基本结构 电梯的组成 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 引机 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 3 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 4 轿箱系统 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 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 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 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨3 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 由电梯限速器 安 全钳 缓冲器 安全触板 层门门锁 电梯安全窗 电梯超载限制装置 限位 开关装置组成 电梯主要参数 主参数指额定载荷和额定速度 额定载荷 Q kg 是制造电梯所依据的载荷或卖方保证正常运行的载荷 额定 速度 v m s 是制造电梯所依据的并由卖方保证正常运动的轿厢速度 1 1 3 电梯的分类 按驱动方式分类 1 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 2 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 3 液压电梯 一般利用电动泵驱动液体流动 由柱塞使轿厢升降的电梯 4 齿轮齿条电梯 一般利用电动泵驱动液体流动 由柱塞使轿厢升降的电梯 5 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 6 直线电机驱动的电梯 其动力源是直线电机 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 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨4 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 车辆电梯 用作装运车辆的电梯 船舶电梯 船舶上使用的电梯 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 1 2 电梯曳引机 电梯曳引机通常由电动机 制动器 减速箱及底座等组成 如果拖动装置的 动力 不用中间的减速箱而直接传到曳引轮上的曳引机称为无齿轮曳引机 无 齿轮曳引机的电动机电枢同制动轮和曳引轮同轴直接相连 而拖动装置的动力 通过中间减速箱传到曳引轮的曳引机称为有齿轮曳引机 1 电梯用交流电动机 a 电梯用电动机的特性要求 要具有大的起动转矩 起动电流要小 电机应有平坦的转矩特性 为了保证电梯的稳定性 在额定电压下 电动机的转差率在高速时应不大于 12 在低速时应不大于 20 要求噪声低 脉动转矩小 b 电梯上常用的交流电动机的型式 单速电机 双速电机 三速电机 c 电动机容量估算 2 蜗轮蜗杆传动 目前速度不大于 2 5 米 s 的有齿轮曳引机的减速箱大多采用蜗轮蜗杆 其 主要优点是 传动平稳 运行噪声低 结构紧凑 外形尺寸小 传动零件少 具有较好的抗 击载荷特性 a 蜗轮轴支承方式 蜗轮副的蜗杆位于蜗轮之上的称为上置式 位于蜗轮下面的称为下置式 上置式的优点是 箱体比较容易密封 容易检查 不足之处是蜗杆润滑比较差 b 常用的蜗轮蜗杆齿形 常用的有圆柱形和圆弧回转面两种 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨5 c 蜗杆蜗轮材料的选择 选择材料时要充分考虑到蜗轮蜗杆传动的特点 蜗杆要选择硬度高 刚性好 的材料 蜗轮应选择耐磨和减磨性能好的材料 d 蜗轮齿面啮合特性的要求 e 蜗杆传动的效率计算 f 蜗轮蜗杆受力计算 g 热平衡问题 由于蜗杆传动的摩擦损失功率较大 损失的功率大部分转化为热量 使油温 升高 过高的油温会大大降低润滑油的粘度 使齿面之间的油膜破坏 导致工 作面直接接触产生齿面胶合现象 为了避免产生润滑油过热现象 设计的蜗轮 箱体应满足 从蜗轮箱散发出的热量大于或至少等于动力损耗的热量 3 斜齿轮传动 在设计电梯用斜齿轮时应考虑以下几方面的因素 交应变力 冲击弯曲应力 点蚀与磨损 振动和噪音 4 制动器 a 制动器类型 电梯制动系统应具有一个机电式制动器 当主电路断电或控制电路断电时 制动器必须动作 切断制动器电流 至少应由两个独立的电气装置来实现 制 动器的制动作用应由导向的压缩弹簧或重锤来实现 制动力矩应足以使以额定 速度运行并载有 125 额定负载的轿厢制停 电梯制动器最常用的是电磁制动 器 b 制动力矩的计算 制动力矩由两部分组成 静力矩和动力矩 c 制动器的发热问题 电梯在制停过程中 电梯运动部件的动能因摩擦制动而转化为制动轮上的热 量 若闸瓦表面温度过高 会降低制动轮与闸瓦的摩擦系数 以致降低制动力 矩 对大多数电梯来说 不必进行制动器的热性能计算 特别是近几年来 对于 所有交通流量密集的乘客电梯 其拖动控制系统中都采用了零速抱闸制动技术 使机械摩擦制动过程减少到极限状态 对交通流量较少的乘客电梯和载货电梯 每小时的起动次数较少 因而 每小时吸收的动能也较少 但对于平层速度较 高或运动部件惯性较大的电梯 对其热性能应进行分析计算 1 3 电梯的驱动系统 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨6 电梯的电力驱动系统对电梯的启动加速 稳速运行 制动减速起着控制作用 驱动系统的优劣直接影响电梯的起动 制动加减速度 平层精度 乘座的舒适 性等指标 1 3 1 变极调速系统 电机极数少的绕组称为快速绕组 极数多的绕组称为慢速绕组 变极调速是 一种有极调速 调速范围不大 因为过大地增加电机的极数 就会显著地增大 电机的外形尺寸 快速绕组作为起动和稳速之用 而慢速绕组作为制动和慢速 平层停车用 1 3 2 交流调压调速系统 双速梯采用串电阻或电抗起动 变极减速平层 一般起制动加减速度大 运 行不平稳 因此可用可控硅取代起 制动用电阻 电抗器 从而控制起 制动 电流 并实现系统闭环控制 通常采用速度反馈 运行中不断检查电梯运行速 度是否符合理想速度曲线要求 以达到起制动舒适 运行平稳的目的 这种系 统由于无低速爬行时间 使电梯的总输送效率大大提高 而且按距离制动直接 停靠楼层 电梯的平层精度可控制在 10mm 之内 调压调速电梯也常以制动方式来划分 有如下几种 a 能耗制动型 采用可控硅调压调速再加直流能耗制动组成 b 涡流制动器调速系统 通常由电枢和定子两部份组成 c 反接制动方式 电梯减速时 把定子绕组中的两相交叉改变其相序 使定子 磁场的旋转方向改变 而转子的转向仍未改娈 即电机转子逆磁场旋转方向运 转 产生制动力矩 使转速逐渐降低 此时电机以反相序运转于第 2 象限 当 速度下降到零时 需立即切断电机电源 抱闸制动 否则电机就自动反转 1 3 3 变压变频调速系统 交流异步电动机的转速是施加于定子绕组上的交流电源频率的函数 均匀且 连续地改变定子绕组的供电频率 可平滑地改变电机的同步转速 但是根据电 机和电梯为恒转矩负载的要求 在变频调速时需保持电机的最大转矩不变 维 持磁通恒定 这就要求定子绕组供电电压要作相应的调节 因此 其电动机的 供电电源的驱动系统应能同时改变电压和频率 即对电动机供电的变频器要求 有调压和调频两种功能 使用这种变频器的电梯常称为 VVVF 型电梯 a 变频器 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨7 变频器可分为交 交变频器和交 直 交变频器两大类 交 交变频器的频率只 能在电网频率以下的范围内进行变化 交 直 交变频器的频率是由逆变器的开 关元件的切换频率所决定 即变频器的输出频率不受电网频率的限制 b PWM 控制器 目前 电梯用 VVVF 调速系统大多采用脉宽调制控制器 PWM 它按一定的规 律控制逆变器中功率开关元件的通断 从而在逆变器的输出端获得一组等幅而 不等宽的矩形脉冲波 用来近似等效于正弦波 c 低 中速 VVVF 电梯拖动系统 VVVF 电梯的驱动部份是其核心 也是与定子调压控制方式的主要区别之处 VVVF 驱动控制部份由三个单元组成 第一单元是根据来自速度控制部份的转矩 指令信号 对应该供给电动机的电流进行运算 产生出电流指令运算信号 第 二单元是将数 模转换后的电流指令和实际流向电动机的电流进行比较 从而控 制主回路转换器的 PWM 控制器 第三单元是将来自 PWM 控制部份的指令电流供 给电动机的主回路控制部份 1 3 4 电梯的直流驱动系统 直流电梯的拖动系统通常有二种 一是用发动机组成的可控硅厉磁的发电机 电动机驱动系统 二是可控硅直 接供电的可控硅 电动机系统 1 4 电梯的电气控制系统 1 4 1 概述 不同的电梯 不论采用何种控制方式 总是按轿厢内指令 层站召唤信号要 求 向上或向下起动 起行 减速 制动 停站 电梯的控制主要是指对电梯 原动机及开门机的起动 减速 停止 运行方向 指层显示 层站召唤 轿车 内指令 安全保护等指令信号进行管理 操纵是实行每个控制环节的方式和手 段 1 4 2 常规继电器控制的典型控制环节 1 自动开关门的控制线路 自动门机是安装于轿厢顶上 它在带动轿门启闭时 还需通过机械联动机构 带动层门与轿门同步启闭 为使电梯门在启闭过程中达到快 稳的要求 必须 对自动门机系统进行速度调节 当用小型直流伺服电机时 可用电阻串并联方 法 采用小型交流转矩电动机时 常用加涡流制动器的调速方法 直流电机调 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨8 速方法简单 低速时发热较少 交流门机在低速时电机发热厉害 对三相电机 的堵转性能及绝缘要求均较高 2 轿内指令和层站召唤线路 轿内操纵箱上对应每一层楼设一个带灯的按钮 也称指令按钮 乘客入轿厢 后按下要去的目的层站按钮 按钮灯便亮 即轿内指令登记 运行到目的层站 后 该指令被消除 按钮灯熄灭 电梯的层站召唤信号是通过各个楼层门口旁 的按钮来实现的 信号控制或集选控制的电梯 除顶层只有下呼按钮 底层只 有上呼按钮外 其余每层都有上下召唤按钮 3 电梯的选层定向控制方法 常用的几种如下 a 手柄开关定向 b 井道分层转换开关定向 c 井道永磁开关与继电器组成的逻辑电路定向 d 机械选层器定向 e 双稳态磁开关和电子数字电路定向 f 电子脉冲式选层装置定向 4 电梯的定向 选层线路 电梯的方向控制就是根据电梯轿厢内乘客的目的层站指令和各层楼召唤信号 与电梯所处层楼位置信号进行比较 凡是在电梯位置信号上方的轿厢内指令和 层站召唤信号 令电梯定上行 反之定下行 方向控制环节必须注意以下几点 a 轿内召唤指令优先于各层楼召唤指令而定向 b 电梯要保持最远层楼乘客召唤信号的方向运行 c 在司机操纵时 当电梯尚未启动运行的情况下 应让司机有强行改变电梯运 行方向的可能性 d 在检修状态下 电梯的方向控制由检修人员直接持续揿按轿内操纵箱上或轿 厢顶上的方向按钮 电梯才能运行 而当松开方向按钮 电梯即停止 5 楼层显示线路 乘客电梯轿厢内必定有楼层显示器 而层站上的楼层显示器则由电梯生产厂 商视情况而定 过去的电梯每层都有显示 随着电梯速度的提高 群控调度系 统的完善 现在很多电梯取消了层站楼层显示器 或者只保留基站楼层显示 到达召唤站时采用声光预报板 如电梯将要到达 报站钟发出声音 方向灯闪 动或指示电梯的运行方向 有的采用轿内语音报站 提醒乘客 6 检修运行线路 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨9 为了便于检修和维护 应在轿顶按装一个易于接近的控制装置 该装置应有 一个能满足电气安全要求的检修运行开关 该开关应是双稳态的 并设有无意 操作防护 同时应满足下列条件 一经进入检修运行 应取消正常运行 紧急状态下的电动运行 对接装卸运行 只有再一次操作检修开关 才能使电梯重新恢复正常工作 上下行只能点动操 作 为防止意外 应标明运行方向 轿厢检修速度应不超过渡 0 63m s 电梯 运行应仍依靠安全装置 运行不能超过正常的运程范围 7 电梯的电气安全保护系统 一般设有如下保护环节 a 超速保护开关 b 层门锁闭装置的电气联锁保护 c 门入口的安全保护 d 上下端站的超越保护 e 缺相 断相保护 f 电梯控制系统中的短路保护 g 曳引电机的过载保护 8 电梯的消防控制功能 电梯应能适应消防控制的基本要求 有几种典型的消防控制系统 电梯的底层 或基站 设置有供消防火警用的带有玻璃窗的专用消防开关箱 在火警发生时 敲碎玻璃窗 拨动箱内开关 就可使电梯立即返回底层 电梯的底层 或基站 设置有供消防火警用的带有玻璃窗的专用消防开关箱 外 尚有可供消防员操作的专用钥匙开关 只要接通该钥匙开关就可使已返回 底层 或基站 的电梯消防员使用 电梯返回底层 或基站 后 供消防员控制操作的专用钥匙开关设置在轿厢 内的操纵箱上 消防员专用钥匙开关不是设在轿厢内操纵箱上 而是设置在底层 或基站 外多个召唤按钮箱中的某一个按钮箱上 只要消防员专用钥匙开关工作 即可 使一组电梯中的所有电梯均投入消防紧急运行状态 1 4 3 PC 机在电梯控制中的应用 PC 机是指可编程序控制器 PC 机用于电梯控制系统的一些优点 可靠性高 稳定性好 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨10 编程简单 使用方便 维护检修方便 1 4 4 电梯的微机控制系统 a 单片机控制装置 利用单片机控制电梯有成本低 通用性强 灵活性大及易于实现复杂控制等 优点 b 单台电梯的微机控制系统 对于不要求群控的场合 利用微机对单梯进行控制 每台电梯控制器可以配 以二台或更多台微机 如一台担负机房与轿厢的通信 一台完成轿厢的各类操 作控制 还有一台专用于速度控制等 但无任如何应用微机控制单梯 总是包 括三个主要部份 电气传动系统控制 信号的传输与控制 轿厢的顺序控制 c 群控 多台微机控制系统 为了提高建筑物内多台电梯的运行效率 节省能耗 减少乘客的待梯时间 将多台电梯进行集中统一的控制称为群控 群控目前都采用多台微机控制的系 统 梯群控制的任务是 收集层站呼梯信号及各台电梯的工作状态信息 然后 按最优决策最合理地调度各台电梯 完成群控管理机与单台梯控制微机的信息 交换 对群控系统的故障进行诊断和处理 目前对群控技术的要求是 如何缩 短候梯时间和与大楼的信息系统相对应 并采用电梯专家知识 组成富有非常 周到的服务及具有灵活性的控制系统 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨11 第 2 章 变频调速的参数设置及计算 2 1 变频器的概况 2 1 1 通用变频器的概况 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 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨12 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 D 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 立体停车厂等都已采用了通用变频器 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 加工中心超高速伺服机的精 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园喷水池 可以说其应用 范围相当广阔 并且还将继续扩大 2 1 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 IGB T 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 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨13 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 特别适合电梯类负载 频繁变化的场合 另外 616G5 变频器的起动 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 IGBT 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 2 1 3 三菱变频器简介 一 三菱变频器交流变频调速日益完善 调速方便简单成为电机调速主流 三 菱变频器以其高性能 适中的价格应和了中 G 工控行业的需要 在国内得到了 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨14 广泛的应用 节能的需要为三菱变频器的应用带来了巨大的契机 三菱变频驱 动产品在中 G 得到了更大的发展 三菱变频器主要有以下几个系列 FR S500 系列变频器 三菱电机公司推出的简单易用型变频器 广泛就用于 一般调速场合 可以提供 RS 485 通信功能 具有极高的性价比 FR E500 系列三菱变频器 一款小型高性能通用型变频器 采用磁通矢量控 制可以实现 1HZ 运行 150 转距输出 内置 RS 485 通信接口 柔性 PWM 实现低 噪音运行 FR A700 系列三菱变频器 三菱电机公司推出的新一代多功能重负载用变频 器 发挥无传感器矢量控制最高性能 采用了长寿命设计 网络功能更加丰富 支持支持 CC LINK 通讯 选件 SSCNET 选件 RS 485 通讯及各种主要网络 Device Net Profibus DP LonWorks EntherNet IP Canopen 等 2 2 三菱变频器调速方式简介 三菱变频器外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速 模拟量调速可用电 压 DC0 10V 或电流 DC4 20mA 进行无级调速 三菱用 0 10V 模拟电压作为给定 量 进行开环调速 多段速采用外部输入端子 SD STF RL RM RH 进行 三段速调速 RL RM RH 是低 中 高三段速速度选择端子 SD 是输入公共端 STF 是启动正转信号 2 2 1 变频调速的工作原理 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能 控制装置 我们现在使用的变频器主要采用交 直 交方式 VVVF 变频或矢量 控制变频 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源 然后再把直流电 源转换成频率 电压均可控制的交流电源以供给电动机 变频器的电路一般由 整流 中间直流环节 逆变和控制 4 个部分组成 整流部分为三相桥式不可控 整流器 逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器 且输出为 PWM 波形 中间直流环节 为滤波 直流储能和缓冲无功功率 基于调速方便 节能 运行可靠的优点 变频调速器已逐渐替代传统的变极 调速 电磁调速和调压调速方式 在推出 PWM 磁通矢量控制的变频器数年后 1998 年末又出现采用 DTC 控制技术的变频器 ABB 公司的 ACS600 系列是第一代 采用 DTC 技术的变频器 它能够用开环方式对转速和转矩进行准确控制 而且 动态和静态指标已优于 PWM 闭环控制指标 直接转矩控制以测量电机电流和直 流电压作为自适应电机模型的输入 该模型每隔 25 s 产生一组精确的转矩和 磁通实际值 转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的 给定值进行比较 以确定最佳开关位置 由此可以看出它是通过对转矩和磁通 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨15 的测量 即刻调整逆变电路的开关状态 进而调整电机的转矩和磁通 以达到 精确控制的目的 2 3 变频器参数设置及计算 2 3 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 2 3 2 变频器自学习功能的应用方法 为了使变频器工作在最佳状态 在完成参数设置后 需使变频器对所驱动的 电动机进行自学习 而 616G5 就具有曳引机参数自学习的功能 其方法是 将曳 引机制动轮与电机轴脱离 使电动机处于空载状态 然后启动电动机 让变频 器自动识别并存储电动机有关参数 变频器将根据识别到的结果调整控制算法 中的有关参数 显然 这一组自学习到的参数 是和变频器匹配的最佳参数 使变频器能对该电动机进行最佳控制 2 3 3 变频器的连接图 随着变频器技术的发展 变频器的功能越来越丰富 按其用途将变频器的主 要功能加以简单说明 如图 2 1 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨16 图 2 1 变频器的连接图 2 3 4 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 F1 v 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 P l 5P2 2 3 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 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨17 阻上 成本较低而且具有良好的使用效果 能耗制动电阻 R1 的大小应使制动电 流 I1 的值不超过变频器额定电流的一半 即 I1 Uo R1 I 2 其中 Uo 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 第 3 章 可编程控制器 PLC 的选型 3 1 概述 可编程序控制 简称 PLC 是一种以微处理器为基础的新一代通用型工业控 制器 在 PLC 诞生以来的这二三十年中 发展十分迅猛 现在 PLC 已经广泛 用于工业生产过程和设备的电气控制 极大地提高了劳动生产率和自动化程度 PLC 控制技术已经成为当代实现工业自动控制的手段之一 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨18 3 1 1 PLC 的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设 计 它采用可编程序的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控 制 定时 计数和算术运算等面向用户的操作指令 并通过数字式 模拟式的 输入 输入 控制各种类型的机械或生产过程 可编程控制器及其有关外部设备 都应按易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 3 1 2 PLC 的特点及应用领域 1 PLC 的特点 国际电工委员会 IEL 颁布的可编程序控制器标准草案 对 PLC 作论了如下 定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应 用而设计 它采用可变程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序 控制 定时 计数和运算等操作的 指令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器及其有关设备 都应按易于 工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 我国的国家标准也 对 PLC 作了与此基本一致的规定 随着科学技术的发展 PLC 的功能不断争强 许多 PLC 不但可以实现逻辑 顺序 定时 计数等控制功能 而且还能进行数字运算 数据处理 模拟量的 调节 系统监控 联网与通信等工作 PLC 的主要特点如下 a 可靠性高 抗干扰能力强 b 通用性强 容易扩充功能 c 指令系统简单 编程简单易学 容易掌握 d 机构紧凑 体积小 重量轻 功耗低 e 维修工作量少 现场连接方便 PLC 的品种繁多 分类方法也有多种 通常 按结构形式来分 PLC 有整体 式和模块组合式两种 按功能强弱来分 PLC 有低档 中档和高档三种 按输 入 输出 简称 I O 点数来分 PLC 有小型机 I O 点数小于 255 中型机 I O 点数在 255 2048 点 和大型机 I O 点数大于 2048 点 三种 2 PLC 的应用领域 如图 3 1 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨19 图 3 1 PLC 的应用领域 3 1 3 PLC 的发展及趋势 1 PLC 的发展 如图 3 2 图 3 2 PLC 的发展 1 20 世纪 70 年代中期 实用化 a 8 位微处理器 8 位单片机 b 数值运算 c 速度加快 规模扩大 d 与计算机网络接口 PLC 集散控制 2 20 世纪 70 年代末期 成熟 a 16 位微处理器 8 16 位单片机 协处理器 b 系列化 c 分布网络 d 梯形图语言 e 外部设备 编程器 通信接口 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨20 3 20 世纪 80 年代中末期 广泛应用 2 PLC 的发展趋势 向高性能 高速度 大容量发展 大力发展微型 PLC 不断增强微型 PLC 的功能 PLC 语言的标准化 PLC 与其它工业控制产品相互融合 a 与个人 PC 机融合 b 与集散控制系统融合 c 与 CNC 融合 大力开发智能型 I O 子系统 PLC 与现场总线相结合 a 基金会现场总线 b ProfiBus 过程现场总线 c LonWorks 局域操作网络 d CNC 控制器局域网络 e HART 可寻址远程变送器数据通路协议 增强的网络通信能力 3 2 PLC 的基本结构 3 2 1 PLC 的组成 PLC 实质上是一种工业控制专用计算机 与通用计算机相比 PLC 不仅具有 与工业过程直接相连的 接口 而且具有更适用于工业控制的编程语言 PLC 的 基本结构 如图 3 3 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨21 图 3 3 PLC 基本机构 3 2 2 PLC 的 CPU 模块 1 中央处理单元 CPU CPU 是 PLC 的核心部件 由运算器和控制器组成 主要用于 接收并存储从 编程器输入的用户程序 检查编程过程是否出错 进行系统诊断 解释并执行 用户程序 完成通信及外设的某些功能 2 存储器 存储器有三种 系统程序存储器 用于存放系统程序 这些程序在 PLC 出厂前就已经固化到 只读存储器 ROM 中 第一部分为系统管理程序 第二部分为用户指令解释程序 第三部分为标准程序模块与系统调用程序 用户程序存储器 用于存储 PLC 用户的应用程序 在调试阶段 用户程序存 放在读写存储器 RAM 中 可由备用电池 一般为锂电池 保存 2 3 年 工作数据存储器 工作数据存储器用来存储工作数据 即用户程序中使用 的 ON OFF 状态 数值数据等 3 2 3 PLC 的 I O 模块 输入 输出接口是 PLC 与外界连接的接口 输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号 一类是由按钮 选择开关 行程开关 继电器触点 接近开关 光电开关 数字拨码开关等的开关量输入 信号 另一类是由电位器 测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号 如图 3 4 图 3 5 图 3 6 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件 如接触器 电磁阀 指示灯 调节阀 模拟量 调速装置 模拟量 等 如图 3 7 图 3 4 直流输入接口单元电路 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨22 图 3 5 直流输入接口单元电路 图 3 6 交流输入电路 图 3 7 数字 开关 量输出电路 3 2 4 编程器 编程器是 PLC 最重要的外围设备 是 PLC 不可缺少的部分 编程器的作用是 输入和编辑用户程序 调试程序和监控程序的执行过程 编程器一般有两种类型 简易编程器和图形编程器 简易编程器体积小 便 宜 使用方便 适合小型 PLC 缺点是需联机编程 图形编程器是指带有显示 屏的编程器 有液晶显示 LCD 和阴极射线式 CRT 两种 可用指令语句编 程 也可用梯形图编程 可联机编程也可脱机编程 操作方便 功能强大 还 可与打印机 绘图仪等设备相连 但价格较高 适用于大型 PLC 随着 PLC 联网功能增强 出现了第三种编程方式 即计算机辅助编程 由于 计算机的参与 用 PLC 编程软件编程的工作效率和编程量远非前两种编程器可 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨23 比 因此 越来越多的用户更愿意采用这种编程方式 3 2 5 PLC 的电源模块 PLC 内部配有开关式稳压电源的电源模块 用来将外部供电电源转变成供 PLC 内部的 CPU 存储器和 I O 接口等电路工作所需要的直流电源 另外 为防止在外部电源发生故障的情况下 PLC 内部程序和数据等重要信 息的丢失 PLC 还带有锂电池作为后备电源 3 2 6 PLC 的分类 1 按硬件结构 如图 3 8 根据硬件结构的不同 可以将 PLC 分为整体型 模块式和叠装式 整体式将 CPU 模块 IO 模块及电源装于一个机箱内 结构非常紧凑 体积 小 价格低 小型 PLC 一般采用整体式结构 模块式 PLC 用搭积木的方式组成系统 大 中型 PLC 和部分小型 PLC 采用模 块式结构 叠装式吸取了整体式和模块式的优点 它的基本单元和扩展模块的高度和深 度相同 但宽度不同 它们之间通过扁平电缆连接 使用特别不方便 图 3 8 三菱 PC 基本单元外形 2 按 I O 点数分类 如图 3 9 小型 PLC 入出总点子数小于等于 256 中型 PLC 入出总点数 256 2048 大型 PLC 入出总点数大于 2048 3 按功能分 低档机 中档机 高档机 常州信息职业技术学院 毕业设计 论文 报告 PLC 控制四层电梯设计 机电工程学院 机电 084 05 陈晨24 图 3 9 I O 点数分类 图 3 10 三菱 PLC 外形图 3 3 PLC 的工作原理 3 3 1 PLC 的