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电气电子毕业设计论文
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毕业设计61基于plc的电梯控制,电气电子毕业设计论文
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1 摘要 在这普及的时代中电梯已经是非常常见的了，也是非常基本的。可惜懂技术的人很少，大多关键的技术都仰赖国外。在本文中简单地介绍电梯概要、发展流程以及电梯分类和作动方式，让大家对电梯有更深一步的认识。 我对三菱 FX2-32MT 主机及程序作了相当的解说，希望大家可以对我撰写的程序以及硬件线路的整合更为了解。 电梯的控制方式可分为下列三个时期 : 1. 由机械式的继电器 (Relay)来控制，但其电路复杂，容易产生故障。 2. 以数位积体电路 (Digital IC)来完成其时序控制。 3. 近几年发展迅速的可编程控 制器 (PLC)来控制，不但可以解决继电器控制的缺点 ,也改善了数位积体电路繁琐的逻辑设计，而且可降低成本。本专题主要的目的是 结合 PLC 和变频器的性能 , 介绍了电梯控制系统的构成和工作原理 , 并重点阐述了PLC 在电梯控制系统中的应用，并 利用三菱 PLC-FX2 32MT 来设计 5层电梯控制系统。 关键词 : 电梯、控制系统、传统控制、 PLC控制、控制指令nts 2 摘要 . 1 第一章 前言 . 4 1.1 电梯现况简介 . 4 1.2 研究动机 . 5 1.3 研究目的 . 5 1.4 期待的目标 . 5 第二章 升降设备概要 . 6 2.1 电梯的介绍 . 6 2.2 电梯的发展历史 . 6 2.3 电梯是复杂的机电整合系统 . 7 2.3.1 电梯的基本结构 . 7 2.3.2 技术涵盖层面 . 7 2.3.3 桥厢驱动控制方式 . 8 2.3.4 运转模式控制 . 8 2.4 A I 技术在电梯群控系统上的应用 . 8 2.4.1 模拟与模式建立 (simulation&modeling) . 9 2.4.2 遥距监视 (remote monitoring) . 9 2.4.3. 专家系统 (expert system) . 9 2.4.4. 乏晰逻辑 (fuzzy logic) . 9 2.4.5. 电脑视觉 (computer Vision) . 10 2.4.6. 类神经网路 (neural network) . 10 2.5 未来发展趋向 . 10 第三章 升降机的分类与控制方式 . 11 3.1 升降机的种类 . 11 3.2 升降机的分类 . 11 3.2.1 依用途区别分类 . 11 3.2.2 依速度别分类 . 12 3.2.3 依电源别分类 . 12 3.2.4 依驱动方式分类 . 13 3.3 例举各控制方式的特长 . 14 3.3.1 以直流电机为动力源的驱动器 . 14 3.3.2 以三相感应电机为动力源的驱动器 . 14 3.3.3 无减速齿轮组的驱动控制器 . 15 3.3.4 以无刷直流电机为动力源的驱动器 . 16 3.3.5 以线性电机为动力的驱动控制 . 16 第四章 PLC 主机介绍 . 17 4.1 中央处理单元（ CPU） . 18 4.2 记忆体 . 18 4.2.1 系统程序区 . 18 4.2.2 资料暂存区 . 18 4.2.3 使用者程序区 . 19 4.2.4 输入界面 . 19 4.2.5 输出界面 : . 21 nts 3 4.2.6 内部元件区 . 24 第五章 FX2-32MT 简介 . 25 5.1 各种要素说明 . 25 5.2 资料暂存器编号及功能 . 26 5.3 逻辑 LOAD 及 OUT 线圈 . 27 5.4 串联接点 . 28 5.5 并联接点 . 29 5.6 多重输出回路 . 29 5.7 自我保持与解除 . 30 5.8 计数器和计时器 . 31 5.9 微分输出 . 32 5.10 程序结束 . 33 5.1.1 比较指令 . 33 5.1.2 搬移指令 . 34 第六章 集选控制五层电梯的总体设计 . 35 6.1 PLC 在电梯控制中的应用 . 35 6.1.1 电梯控制系统的调速部分 . 35 6.1.2 电梯控制系统的逻辑控制部分 . 36 6.2 集选电梯的工艺流程 . 37 6.2.1 集选电梯的资源配置 . 37 6.3 集选电梯 PLC 程序设计 . 39 6.3.1 所要实现的功能介绍 . 39 第七章 结论 . 44 7.1 问题解决与研究 . 44 7.1.1 程序构思设计与除错 . 44 7.1.2 软硬件对应整合 . 44 7.2 心得感想与未来期许 . 44 感谢 . 45 参考文献 . 46 附录 1 . 47 符号说明 . 47 附录 2 . 48 电梯配线图 . 48 附录 3 . 49 PLC 程序图 . 49 PLC 梯形图 . 51 nts 4 第一章 前言 1.1 电梯现况简介 我国的电梯业 ,起步较晚。 1908 年上海汇中饭店等商层建筑安装了第一批 进口电梯。到 1949 年，全国安装使用电梯才数百台，并在上海，天津等地建了几家电梯修配厂，只能实施维修，不能制造。解放前，我国没有电梯制造业，只有美国奥的斯在我国设有维修点。当时，我国约有 2000 台电梯， 1932 年在上海大新公司（现中百一店）安装的两台单人自动扶梯是我国最早使用的自动扶梯，也是当时全国仅有的两台自动扶梯，新中国成立后，首先建立了上海电梯厂，开始生成电梯。以后，随着电梯行业的发展，全国有 14 家电梯厂能生产客梯，货梯，医用梯及杂物梯。 1959 年，上海电梯厂生产了我国第一批双人自动扶梯，用于北京新火 车站， 1976 年上海电梯厂生产了我国第一批 100m 长的自动人行道，用于首都机场。 十一届三中全会后，随着改革开放的步伐，我国的电梯业，更加迅速的发展，大部分省市都有自己的电梯制造业，有的并引进了国外的先进生产技术，可以生产各种类型的电梯与自动扶梯，通过引进国外先进技术，成立多家合资企业，如中国迅达，上海三菱，天津奥的斯，苏州迅达等电梯公司，使我国的电梯制造技术大大提高。 80 年代我国生产在交流双速电梯的基础上，装设一个当电梯在减速时，在交流电动机绕组中接入直流电进行能耗制动的自动调速装置，即被称为交流调速电梯 。随着国产电子元器件生产能力的提高，和进口电子元器件国产市场的开放，我国又生产了用可编程序控制器（简称 pc）控制的电梯。当然 pc 控制电梯只是一种过度性产品，而微机控制的电梯，才是我国电梯工业的发展方向。 90 年代，引进技术生产了具有较高技术性能，用微机控制的电梯，并研制出用微机控制的具有先进水平的变频变压电梯，使我国电梯工业登上了一个新台阶。 在电梯制造业方面，从 50 年代的几家电梯修造厂发展到今天 200 多电梯制造厂年产近2 万台，（当然为了提高产品的质量可能还要走集约化的路）。现在我国电梯工业的生产，正在从引进 技术生产新产品向自己设计，自己制造全国产化的目标迈进，前程似锦。 nts 5 1.2 研究动机 希望将在大学生涯里所知所学的，藉由此次的电梯研究，好好证实、映证书本理论的真实性，并确定我所学的是否足够有设计研发的实力，以便将来可以在竞争激烈的社会中生存。且电梯在日常生活中随处可见，故希望作一电梯模拟控制来将我们所学来发挥，以便有机会在社会中贡献一己的力。 1.3 研究目的 我们利用 PLC、继电器以及简单的配线原理，以模拟真实电梯的控制操作， 以了解其动作原理并进一步尽可能改进与研究。 1.4 期待的目标 预期设计出的 电梯模型够牢固、停留在电梯与楼层的上下接合处误差尽可能的小、电梯行进的稳定与安全性确保以及正确停留在搭乘者要到的楼层。 nts 6 第二章 升降设备概要 2.1 电梯的介绍 电梯的正确学名应称为升降机，通常我们将垂直运动的升降机称为电梯；斜坡运动及水平运动的升降机，称为电扶梯及自动走道。三者的中以电梯的数量最为庞大。现今在我们的生活里，搭乘电梯是件稀疏平常的事，除了偶而发生故障才会有稍加注意。对于电梯桥厢、按钮、拉门有些印象外，对于背后隐藏的种种结构，上下驱动控制等经过百于年的发展改良与演进可能就不很清楚。其实电梯是采 用循环式抗衡力的力学原理设计的。简单的说，就是上下滑轮的间环绕上钢缆，一边挂桥厢一边挂平衡重物，如此就可以轻易的使桥厢做上下运动的省力化设计。 在全世界著名的 100 座高层建筑中，目前在高居首位的是位于吉隆坡的佩重大厦， 1996年建成，高 452m，共 95 层。居第四位的是座落在我国的上海浦东的金茂大厦， 1996 年建成，高 420.5m，共 88 层。第五位是位于美国纽约的世界贸易中心大楼（可惜的是 99 年被恐怖组织撞毁）， 1972 年建成，高 417 米，共 110 层，在这些大楼中，每天都有大量人流及货流需要运输，因此电梯成为 逼不可少的且十分重要的一种垂直运输工具。 2.2 电梯的发展历史 与电梯相类似的这种升降设备，起源于古代农业和建筑业中的原始起重机械，如我国古代周朝时间（公元前 1100 年）就出现了提水用的辘轳，是由木质的支架，卷筒，曲柄和绳索组成的卷筒式卷扬机。据说在希腊，也曾于公元前 236 年有阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，安装在尼罗宫殿里三台。这种利用人力驱动的卷扬机械，在我国四川地区的古代悬棺和福建武夷山的悬棺和“天车”，据推测，古代人也是用这种然里驱动的卷扬机械把物提升到很高的悬崖洞穴的中。 1765 年英国 瓦特等人发明了蒸气机后，到 1835 年在英国一家工厂里装用了一台蒸气机拖动的升降机。 1845 年，英国人汤姆逊制作了第一台水压式升降机械，这是现代液压式升降机的雏形。 1853 年美国制造商奥的斯发明了以蒸汽作动力的栽人升降机。 现代电梯兴盛的根本原因是采用电力作为动力来源。 1831 年英国法拉第发明了发电nts 7 机， 1880 年德国最早出现了用电力拖动的升降机电梯。到 1889 年美国纽约的“代纳斯特”大厅装用了第一批由美国奥的斯电梯公司推出的电力拖动的升降机电梯，由直流电动机与蜗杆传动直接联结，通过卷筒升降电梯桥厢，也 被称为鼓轮式电梯。 1890 年 JesseReno 与 Charles seebergEr 设计出多种不同功能的电扶梯。 1900 年 OTIS Elevator Company 在巴黎博览会展示该公司制造的电扶梯。 1903 年以电机为动力，以继电器 (Relay)组合成的时序开关控制器，用以操控升降机，此后才是名符其实的如今日所称的电梯，以电动电机为动力。 1950 年电晶体研发成功，导入电梯驱动器及时序开关应用。 1970 年 SCR 控制器研发成功，改变电压型的交、直流电机驱动器，导入于电梯的驱动控制应用。 1983 年微处理晶片数位式逻辑系统控制器导入电梯使用，所谓的变压变频交流电机驱动控制，搭配微电脑系统控制的电梯开始商品化，被称为初级智慧型电梯。此后正式成为电梯控制的主要发展方向。 1990 年各式智慧型电梯纷纷推出，光纤通讯逐渐取代旧式结构复杂的电缆通讯。 1993 年线性电机桥厢驱动式电梯开始试用，希望能克服超高楼层悬吊的机械结构问题及钢缆悬吊问题。受限于造价及耗能问题，技术及材质尚待突破。 1998 年无机房式小型家用电梯逐渐导入六层楼以下建筑物使用。中央遥距监控及人工智慧 (Artificial Intelligence) 型电梯控制系统逐渐导入使用。 200x 年各机网路连接，中央监控，测维修服务的电梯管理系统将是发展主要方向。 2.3 电梯是复杂的机电整合系统 2.3.1 电梯的基本结构 主要组件 : 桥厢、悬吊系统、重量平衡系统、楼层开关、电机及调速器、控制盘、通讯系统。 2.3.2 技术涵盖层面 电机方面 : 电源、备用电力、电机、驱动控制系统、通讯技术、微电脑系统控制、应用软体及资料库。 nts 8 机械方面 : 桥厢及平衡系统、悬吊系统及滑轨、安全弹力刹车器及缓冲器、气压、 噪音及振动。 2.3.3 桥厢驱动控制方 式 机械式 : 油压式、液压式 电机式 : 继电 (relay) 式、逻辑电路式、微电脑式。 线性电机式 : 线性感应电机式、线性同步电机式。 2.3.4 运转模式控制 固定逻辑程序接点式、圆柱旋转程序接点式、电子逻辑闹时序控制式、 PLC 控制式、微处理机软体程序控制式、微处理晶片、 Dsp 资料信号处理晶片多机群控式。 2.4 A I 技术在电梯群控系统上的应用 所谓智慧型电梯，是指将电脑相关科技中的人工智慧 (Artificial lntelligence 简称 AI 技术，配合相关的传感器 Sensor)，及先进的光纤数位通讯技术，应用于电梯的群控系统中，促使电梯系统更灵活、更舒适安全、更符合人性化需求。也就是电梯的主控器具有如人脑般的可就不同状况加以逻辑推理与判断，并下决策执行的能力，使电梯更具备下列特性： l. 停电不关人，能自动将桥厢连行到地面层后，打开厢门，安全疏散乘客。 2. 节省能源，将刹车时造成的过剩电力回收，不使它消耗于洩放电阻上。 3. 具有上行尖峰、下行尖峰及离峰时段的自动调拨能力。 4. 具有对各楼层状况的监控能力，具警示、自动拨号至桥厢外安全防护单位或维修单位。 5. 各电梯运作功能 藉由介面与远处的厂商维修中心连线监控，一有异常情况发生维修中心立即知晓，可遥控处理或立即派人前往处理。每部电梯皆配置有车程控制器 (car controller)多部联用时，则另配装电梯群控制器，以微电脑为控制中心的监控系统，配合桥厢内外的各种传感器，对于桥厢的上、下行走，桥厢外的各楼层乘客状况，迅速的加以nts 9 逻辑推理、合理判断，立即下决策执行，使此电梯群做有效率的调派，缩短乘客的等待时间，并以最快的速度，将乘客运送到达指定的楼层。另对电梯群中各部桥厢内的状况，甚至桥厢外的环境因素等资料同时传还到远处的安全监控中 心。电梯群控制系统是藉由微电脑的软硬体结构，配合周边的各式感应器及事先规划的复杂的各式操作程序，结合成所谓的人工智慧，敏锐的监控及引导各部电梯的动作。当今的电梯用的人工智慧系统所使用的或正发展中的技术，是以下列数种为基础。 2.4.1 模拟与模式建立 (simulation&modeling) 电梯的行走模式，不论单车或多车，皆取决于不同楼层的桥厢外 (h a l l call) 与桥厢内 (car call) 的叫车按钮信号，是相当复杂与不确定的离散事件 (discrete event)。对于这些复杂的离散 讯号，需在最短的时问内加以研制并做回应 , 以调派最近、最恰当 楼层的电梯前往服务。此类系统多以立即预测函数法 (imediate prediction function) 加以事先模拟后规划。 2.4.2 遥距监视 (remote monitoring) 在每楼层厢门外及桥厢内皆装置传感器，监视各电梯的内外状况，将资料送到主机房内的微电脑，再将资料群经由数位通讯网路，传达到建物内的安全控制中心及在远处的服务维护中心。此种异状侦测及数位传输回路系统 (digitaldata network system),在美、 日大城市内已装置不少，未来可能进一步做全国的连线。 2.4.3. 专家系统 (expert system) 此为特殊目的而发展的软硬件控制系统，如专为乘客上、下尖峰时段调拨以适用于高层办公大楼，离峰时段行走桥厢数的调拨，如何选择以最快的途径将乘客送至目的地等，或为桥厢内具有说明、广告以供商业大楼使用，或为配合特殊建筑而可装置于建筑物外侧的防火防灾可撤离人员的特殊系统。 2.4.4. 乏晰逻辑 (fuzzy logic) 电梯乘客的特质是不规则、不确定的变数 (uncertainty variables) 。 因此某些电nts 10 梯系统控制软件中，就设计了多种不同运行的模式。就实际观念与经验，预做假设性的逻辑推理，使用 fuzzy logiC 数学分析统计法，能快速的找出任何时刻最适合的运行模式，给乘客做最好的服务。 2.4.5. 电脑视觉 (computer Vision) 电梯群控系统中，最困难的问题对于在每楼层等待电梯的人数与桥厢内搭载的人数，以及当时运行资料的擷取。若能确实掌握这些资料，则要做进一步的决定最佳运行模式，使电梯群能发挥最佳效率，就容易多了。 computer vision 被列入未来研发项目，其目的在 此，但费用可能会相当高。另光罩侦测 photo detection，数位影像处理 (digital image process) 等技术也可加入，但电脑中央处理器的速度要相当快才可办到。 2.4.6. 类神经网路 (neural network) 前面所简述的模拟与模式建立、遥距监视、专家系统、乏晰逻辑、电脑视觉等，要能发挥效率，庞大数位信号的处理，就得应用与极高速的平行分布、平行处理的技术予以统合，即所谓的类神经网路处理系统。这技术目前大多用以于通讯系统及高速电脑，然应用于电梯的群控系统与遥测控制也将是迟 早的事。 2.5 未来发展趋向 电梯工业未来发展的趋势可预见的将会朝下列方向发展 : l. 高速化、省能化 桥厢驱动器采用快速的变压变顿 (VVVF) 向量控制。 采用无齿轮组 (gear1ess) 电机直接驱动。 桥厢采用线性电机自身直接驱动。 桥厢左侧采用电磁抗力自动荷重平衡。 2. 多机并联操作控制系统智慧化、调拨多功能化、通讯光纤数位化。 3. 区域内所有电梯中央监控系统化。 4. 语言、视讯、警示多功能，火灾、地震人机安全保障化。 nts 11 第三章 升降机的分类与控制方式 3.1 升降机的种类 升降机是现代 化社会使用相当普遍的定点式交通工具，在都区会高楼大厦中更是不可缺少的代步工具。一般所熟悉的升降机，大都是提供垂直升降运载服务的电梯，另有提供斜坡阶梯式运载服务的电扶梯，及水平运载的自动走道等。各电梯的种类繁多，各具不同功能、不同结构、不同用途。各国又有不同的规范，迄今尚无共同的国际化标准。国际标准化组织试图拟定可通用的国际标准，但意见分歧，何时能取得共识，未可确定。本文中将仅就用途区别，速度区别、电源区别、驱动方式区别、控制方式区别加以分类。 3.2 升降机的分类 3.2.1 依用途区别分类 1. 载客电梯 此类电梯数量最多，约占所有升降机的 90% 以上，用途为载客。要求度最高，包括安全性、舒适度、桥厢的美化、噪音振动的考量、通风、紧急照明、通讯设备的装置等都需具备。 常见的式样有 : (1) 高楼载客电梯 实用型与豪华型，安全、耐用、舒适、美观为要求重点，依不同高低楼层，车行速度有不同要求。 (2) 观光用电梯 特色为厢壁采用透明材质制作，供浏览桥厢外景观。 (3) 医院用电梯 特征为桥厢的深度较深，供担架与病床的进出。 (4) 个人或家庭专用电梯 nts 12 独栋家庭专用， 3 至 5 人型， 6 层楼以下适用。 2. 载 货电梯 工厂、大商场使用较多，大多由人工操作，载货量大，桥厢体大，实用性为主，美观与舒适度较差，安全设置较少。也有小型梯，俗称菜梯 ,餐厅、饭店连载食物，或图书馆、办公大楼中用以运送图书及文件。 3. 特殊电梯 依特殊用途设计制作，如停车场用、船舶用、建筑工地用、防爆式、 消防用、矿坑用等。 3.2.2 依速度别分类 升降机的车行速度，并无绝对标准，各国的认知也有不同，唯一的共识是以 ( 米 / 秒 ) 或 ( 米 / 分 ) 为计速单位。国内目前多以米 / 分为计速单位 , 并将的分成四大类 , 即低速梯、 中速梯、高速梯及超高速梯。 l .低速梯 桥厢行车速度在 45( 米 / 分 ) 以下。 2. 中速梯 桥厢行车速度介于 60(米 /分 )105(米 /分 )。 3. 高速梯 桥厢行车速度介于 120(米 /分 )240(米 /分 )。 4. 超高速梯 桥厢行车速度在 300( 米 / 分 ) 以上。 3.2.3 依电源别分类 升降机的驱动能量几乎全是使用电能，利用交流电或直流电驱动各式电机，即使液压、油压也是。 1 直流电源 nts 13 牵引机的电机使用直流电机，多为高速梯，电机所需的直流电通常是使用三相交流电或单相交流电经由硅 控整流器获得可变动大小的直流电压，施加于直流电机的电枢以控制其转速与转矩。 2. 交流电源 使用 6OHz/5OHz 的交流电，经过电力转换器后，以改变电压大小，或频率大小，或变压又变频方式，施加于三相感应电机，用以控制电机的转速与转炬。 3. 不断电系统 (UPS) 停电免关人，属辅助性电源，视使用场所的重要性可加配置，供电时间的长短由使用客户决定蓄电池的储备量。 4. 柴油发电机 市电跳电后约 23 分钟，引擎发电机自动启动到输出电压稳定时，经由 ATS( 自动切换开关 ) 切入供电。市电恢复后 ，再自动切离。通常工商大楼、医院等皆列为必要的辅助电源。 3.2.4 依驱动方式分类 1. 液压驱动式 以电机驱动，将高压油灌入油缸，驱动活动塞以驱动桥厢。速度慢，通常用于 20 米以下的建筑物。 2. 电机减速齿轮驱动式 以交、直流电机经减速齿轮及牵引机牵引钢索以驱动桥厢，多用于中低速梯。 3. 电机直接驱动式 又称 Gearless 型，以较大型多极电机直接带动牵引机，使用于高速梯，电控系统较为复杂。 nts 14 4. 线性电机驱动式 以感应式或同步式线性电机驱动，电机置于升降道壁，动部 ( 相当于转部 )置于 桥厢外壳，不必使用钢索，直接驱动桥厢。不受建物高低限制，但耗电量高，尚在开发试用阶段。 5. 无机房驱动式 将牵引电机直接装置于桥厢顶部或底部，牵引环绕钢索以驱动桥厢，使用于小型桥厢，用于个人电梯，可省去传统型的机房。 3.3 例举各控制方式的特长 电梯乘坐品质的优劣，除机构与导轨外，主要取决于电机动力的驱动控制以及运行控制系统的规划。自 80 年代以来，由于电力电子元件与微处理器技术的进步，以及电脑科技、人工智慧的开发等，这些新技术被逐步的导入电梯电机动力的驱动及车行控制系统的应用， 而发展出许多性能优异 的驱动控制器及运行控制系统，将代表性的系统，扼要的简述如下 : 3.3.1 以直流电机为动力源的驱动器 直流电机具有高启动转短与高转速，转矩及转速容易控制的特点，适合于高乘载量、高速运行电梯的应用。过去都以 Ward Leonard 系统 (EH M-G Set 马达发电机组 ) 提供电机运转所需的直流电压，体积相当庞大，价格也昂贵。至 80 年代以后，就改由微晶片配合 SCR 等电力电子元件自交流电源加以控制整流，以取得供应直流电机变速与改变转矩所需的直流电压，且反应更为快速。 3.3.2 以三相感应电机为动 力源的驱动器 感应电机的特征为结构简单、价格低廉、坚固耐用。但其启动转矩低、变速不容易。过去都以变极方式 , 变动交流电压方式做粗劣的转速与转矩控制 , 只适用于低乘载量及低速运行的电梯使用。 80 年代后 ,由于变频器的开发成功 ,使得感应电机的驱动控制特性产生了革命性的变化，大量的引入电梯的动力电机控制，即所谓的 VF( 变频 )及 VV( 变压 ) 感应电机驱动控制系统。三相交流电源经整流滤波成直流电压 Vd，再经由微电脑产生的 nts 15 PWM( 波宽调变 )信号加以放大后，触发电力电子元件 IGBT 、 MOSFET 等组成的换流电路，而将直流电压转换成可变动频率 Fx 与可变动电压 Vx 大小的新交流三相电源施加于三相感应电机的定子绕组以驱动转子。简单的说，就是创造一个可变动频率与变动电压的新交流电源供应感应电机运转所需。由于此新电源可做非常快速的频率与电压变动，可使感应电机的转速与转矩能随时依负载所需，只要在驱动系统中，加上适当的电压、电流、转矩与转速的回授，即可快速的应付负载变动所需的频率与电压大小。此系统的特色为采用固态电子与软件规划控制，可塑性大。且价格也较直流电机驱动器低廉，可靠性高，几乎无维修问题。没有 直流电机的换向器、电刷磨损及换向产生火花的弊病，几乎可将直流电机驱动系统取代。且高低速、高低转转矩、高低乘载量的电梯皆可应用，是此控制系统的最大优点。此变频器驱动控制又分两大类型，即 VF 与 VVVF，分述如下 : 1.VF 模式 即是以预先设定车行模式，由乘量电流回授，由微处理器判定适当的电压及频率输出值，以追随所设定车行模式曲线的要求。包括启动、加速率、平稳运行速度及刹车减速率，以及桥厢停止时的位置修正。 2.VVVF 模式 . 特征为令输出交流电压与输出频率成定比值的控制模式。按感应电机的运转特 性，若 V/F 等于定值时，感应电机皆可运转于最高转矩，因此对乘载重量变化反应最快，可媲美直流串激电机特性。因其所下的控制指令为直流磁通 ( d 或 l d )，交轴电流是明显的方向性选择，通常也称为向量控制 (vectorcontro1)，此驱动控制适用于高乘载量、高速或超高速系统使用。 3.3.3 无减速齿轮组的驱动控制器 无减速齿轮组 (gear less) 驱动器的特征为动力电机的容量与体积较为庞大，由转子轴轮直接带动牵引机以高速驱动桥厢运行，省去昂贵的减速齿轮组。此系统通常使用于高速梯及超高速梯 ，控制器与交直流电机驱动器相似，唯一差别在于需附加电能回收装置由于电机体积大，马力较高，在做电梯减速刹车时，产生回生能量 (regenerat i ve power) 相当大，只靠一般的动态电阻式刹车 (dynamiC braking) 会导致庞大的电能损耗，散热问nts 16 题难处理，又不经济。故控制器中，需增加电能回生控制电路，将再生能量转成电能送回交流电源，控制器的复杂度增加许多。 3.3.4 以无刷直流电机为动力源的驱动器 无刷直流电机 (Brushless DC Motor 或 BLDCM) 顾名思义就是不使用昂 贵的电刷与机械式换向器 (commutator) 组合，而改以电子式、光电式、或磁阻位式以完成换向动作。其输出转短与转速特性类似于传统有刷式直流电机。事实上，现今所用的 BLDCM 是转子以永久磁铁制成，定子绕以三相或多相绕组，并于定子上装置磁极元件。此驱动控制系统与感应电机的驱动系统相似。直流电压 Vtl 加于 IGBT 组成的换流器，换流器接受转子磁极元件的信号，适时适位的使相关的定子绕组电流导通与转子磁场作用产生转矩。此系统的特色为转子为永久磁铁，故效率较高，且不产生传统直流电机换向产生火花的缺点。但 控制方式较为复杂，又因大型永久磁铁制作不易，目前只适用于小型电梯系统，如家用电梯即是。 3.3.5 以线性电机为动力的驱动控制 典型的电梯桥厢驱动，都是采用轴轮环绕钢索悬吊桥厢。但钢索会有伸缩及抖震现象，楼层越高，伸缩及抖震性越严重。对于超高建筑物或摩天大楼等，悬吊钢索的稳定性甚难克服， 通常大多采用分段接驳方式处理。为克服此难题，遂有以线性电机直接驱动桥厢的概念出现。其原理即将桥厢当作传统电机的转子，将其展开以平面的方式装于桥厢的外壁，而将定子展开装置于升降道的墙壁，再将绕于定子的绕组加上电源产生电磁力矩 ，促使桥厢做上下运行动作 , 如此可避免钢索抖动问题，其型式有感应式与同步式。现今已有制造厂商制作此二型线性电机驱动控制系统试用中。因线性电机的 效率欠佳，耗费电能相当大，未来能否大量推广使用，能源效率的提升将是关键 的所在。 nts 17 第四章 PLC 主机介绍 可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。 PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继 电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。 随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到 70 年代中期以后， PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 PLC 已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、 PID 调节和数据通信功能。 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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看， 在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用 nts 18 4.1 中央处理单元（ CPU） 中央处理单元是可编程控制器的控制中心，它可将储存于记忆体中的程序依程序逐步取出加以分析、判断、运算及执行。这种依程序逐步执行的动作，称的为扫描。 CPU 扫描程序时间的长短会影响可编程控制器的功能，因此在购买可程式控制器时需考虑 CPU 的执行速度。另外， CPU 处理资料的 单位长度也会影响扫描时间，早期的可编程控制器皆使用8 或 16 位的 CPU，处理的速度较慢，近来 32 位或 64 位的 CPU，也使用在可编程控制器上了。 4.2 记忆体 图 4.1 为分系统程序区、资料暂存区及使用者程序区三部份 图 4.1 记忆体分区图 4.2.1 系统程序区 ： 为一唯读式记忆体（ ROM），掌管及驱动可编程控制器的硬件电路。它能因应各种指令，以指挥系统做出适当的回应。此段区域内的程序是必备的，且无法做任意修改，缺少此段程序，可编程控制器将无法工作。这个在系统程序区内的程序，大家是不易了解的， 所以只要了解它的用途就可以了。 4.2.2 资料暂存区 ： 此区域用来存放 CPU 执行的结果、各类暂存器的现值或状态以及使用者的资料。因为资料会随着时间或执行的结果而改变，因此须使用可随时更动的读写式记忆体（随机存取记忆体 RAM）。 nts 19 4.2.3 使用者程序区 ： 此区域也是为读写式记忆体（ RAM），用来存放使用者所规划的程序。一般程序控制器都提供 1K（ 1024 字节）、 2K， 4K 不等的记忆容量供使用者书写程序用。此区域内虽为读写式记忆体，但为了不使断电源时程序消失，通常在 PLC 内部都会加上一个锂电池，来 供电给这个区的记忆体，以永久保持程序。 4.2.4 输入界面 :用来做为外部输入元件（如按钮开关）与 CPU 的间的连接界面。由此界面， CPU 可以测得外部输入元件的状态（ 1 或 0）。不同的可编程控制器会有不同输入界面，详细图示暂时不谈。现在，我们以一个较简单的概念来看待输入界面，就是将它看做只是一个线圈，如图 4.2图 4.3 为实际内部电路实例。 图 4.2 概念输入介面图 图 4.3 实际内部电路输入介面图 配上一个输入元件（按钮开关）及电源就是一完整的输入端接线了，如图 4.4， CPU 就是由此输入端 接线来检查输入元件的动作。 nts 20 图 4.4 概念输入加电源及开关图 图 4.5 实际内部电路输入加电源及开关图 图 4.5 中，当按钮开关按下时，输入线圈有电；放掉时，输入线圈没电。也就是说 CPU 只要检查线圈有电否，就可以知道按钮开关按了没有。今后为了说明方便起见，采用逻辑定义的方式来说明输入元件的动作，定义如下： 逻辑 1-驱动、按下 逻辑 0-不驱动、放掉 依据上述规则，若按钮开关按下时， CPU 即取得逻辑 1 的状态；放掉按钮开关， 则 CPU 取得逻辑 0 的状态。当然输入界面不只是 一个而已，实际上的界面应是 由多个线圈所构成（数量因机种而不同），如图 4.6。又为了识别不同的输入元 件，所以用编号来标示不同的输入线圈点，例如 0,1,2.N 或 X0,X1,X2.XN。 其中所有的线圈有一共通点，称为 C 点或 COM 点。 nts 21 图 4.6 输入继电器图 因为不同的编号代表着不同的元件，所以编号的选用并非随意的，它会因为 机种的不同而有不同的输入编号范围。以下表 4.1 为几种常用机种的输入编号对 照表，请参阅。 表 4-1 PLC 机种输入编号对照表 机 种 FX2 48MR OMRON C20 永宏 FB KENCE KV40 输入 元件 的编号 128 点： X0-X177 80 点： 0000-0415 160 点： X0-X159 36 点： 0000-0403 配上输入元件及电源后就如图 4.7 所示。接到 0 号线圈的按钮开关就称为第 0 号输入元件、接到 1 号线圈的按钮开关就称为第 1 号输入元件，以此类推。 图 4.7 输入继电器作动图 4.2.5 输出界面 : CPU 取得了输入元件的状态后，根据程序的设定来决定让输出元件是否动作。 CPU 如何控制输出元件？当然是透过输出界 面咯！对于输出界面，我们将它看成是nts 22 一个电枢而已。同样的，加上输出元件及电源后就一目了然 了，如图 4.8。 图 4.8 输出界面图 如图 4.8， CPU 只要驱动电枢，电枢的 A 接点就接通，透过外部电源，输出元件 MC 线圈因激磁而动作。 CPU 若不驱动电枢，则 MC 线圈失磁而跳脱。也就是说 CPU 是以间接控制输出电枢的方式来控制输出元件。同样的，为了说明方便起见，采用逻辑定义的方式来说明输出元件的动作： 逻辑 1-驱动、有电、激磁 逻辑 0-不驱动、没电、失磁 依上述规则， CPU 送 出逻辑 1 的状态，则 MC 线圈动作； CPU 送出逻辑 0 的状态，则 MC 线圈跳脱。当然输出界面也不只是一个而已，实际上的界面应该是由多个电枢所构成（数量因机种而不同），如图 4.9 所示。为了识别不同的输出元件，以不同的编号来标示不同的输出点。 nts 23 图 4.9 输出继电器图 因为不同的编号代表着不同的元件，所以编号的选用并非随意的，它会因为机种的不同而有不同的输出编号范围。以下表 4.2 为几种常用机种的输出编号对照表，请参阅。 表 4-2 机种输出编号对照表 机种 FX2 48MR OMRON C20 永宏 FB KENCE KV40 输 出元 件 编号 128 点： Y0-Y177 60 点： 0500-0915 160 点： Y0-Y159 28 点： 0500-0903 由于输出元件种类繁多，所使用的电源也不尽相同，因此不能再像输入界面一样，使用一个共通点，而是将它分成若干组，以配合不同的电源，如图 4.10 所示。 图 4.10
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