电梯可编程控制器plc系统设计

摘要电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具，是人类物质文明发展的宏观表现。除了高层建筑需要智能电梯外，服务性和生产性的部门同样需要服务电梯和载货电梯。所以本课题的选取是依据人们对电梯发展的需要。本论文在综述了电梯系统的组成和工作原理的基础上,对电梯控制系统进行了总体方案论证与设计。在论文中我介绍了一种VVVF的电梯控制系统，对于电梯的调速系统我采用了闭环调速，并对硬件电路的主要部分分别进行了详细设计,包括PLC控制部分,变频器,主电路和门电路等。同时对系统软件进行了总体规划,并逐一进行了编程。从而设计了电梯的软件系统和硬件系统，在理论上实现了电梯的智能控制。关键词可编程控制器（PLC）；电梯控制；变频器ABSTRACTTHEELEVATORISDEVELOPEDWITHTHECONSTRUCTIONOFHIGHARCHITECTUREOFVERTICALTRANSPORTATIONTOOLSITALSOISTHEHUMANITYMATERIALCIVILIZATIONDEVELOPMENTMACROSCOPICPERFORMANCEITNEEDSTHEINTELLIGENTELEVATORBESIDESTHEHIGHRISECONSTRUCTION,MINISTRANTANDTHEPRODUCTIONDEPARTMENTNEEDSTOSERVESIMILARLYTHEELEVATORANDTHESHIPMENTELEVATORTHEREFORETHISTOPICSELECTIONISRESTSONTHEPEOPLETOTHEELEVATORNEEDTODEVELOPTHEPAPERSUMMARIZEDTHEELEVATORSYSTEMCOMPOSITIONANDINTHEPRINCIPLEOFWORKFOUNDATION,ITHASCARRIEDONTHEOVERALLCONCEPTPROOFANDTHEDESIGNTOTHEELEVATORCONTROLSYSTEMIINTRODUCEDINTHEPAPERONEKINDOFVVVFELEVATORCONTROLSYSTEM,IHASUSEDTHECLOSEDLOOPVELOCITYMODULATIONREGARDINGTHEELEVATORVELOCITYMODULATIONSYSTEM,ANDHASCARRIEDONTHEDETAILEDDESIGNSEPARATELYTOTHEHARDWAREELECTRICCIRCUITMAINPART,INCLUDINGPLCCONTROLSECTION,FREQUENCYCHANGER,MAINCIRCUITANDGATEANDSOONMEANWHILE,ITHASCARRIEDONTHEOVERALLPLANTOTHESYSTEMSOFTWARE,ANDHASCARRIEDONTHEPROGRAMMINGONEBYONETHUSHASDESIGNEDTHEELEVATORSOFTWARESYSTEMANDTHEHARDWARESYSTEM,THEORETICALLYHASREALIZEDTHEELEVATORINTELLIGENTCONTROLKEYWORDSPLCELEVATORCONTROLTRANSDUCER目录1绪论111电梯发展112电梯的分类3121按用途分类3122按速度分类3123按曳引机的供电电源分类3124按驱动方式分类4125按控制方式分类413本章小结42电梯系统综述521电梯的基本结构5211曳引系统5212轿厢和门系统6213重量平衡系统7214导向系统7215安全保护系统722电梯的控制方式9221继电器控制方式9222可编程控制器式电梯控制系统10223微机控制式电梯控制系统10224比较总结1123本电梯控制系统实现的主要功能11231电梯的基本功能11232电梯内部功能简介11233电梯外部功能简介11234电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析12235实际运行中的情况1224速度给定曲线1325本章小结143系统总体设计1531系统的总体要求1532系统总体方案的确定15321调速方案的选择15322闭环及方案的选择1633系统基本原理1634本章小结174主要硬件的使用说明1841可编程控制器（PLC）18411PLC的特点18412PLC主要功能1942可编程控制器的基本原理20421主要逻辑部件20422PLC内部硬件组成21423PLC工作过程的特点22424PLC对输出的处理原则2343变频器23431异步电动机的变频调速原理23432变频器的工作原理2544本章小结265系统硬件设计2751电梯的原始参数2752电梯拖动部分设计27521组成28522速度闭环的实现28523调速系统电路原理2953门电路设计29531电梯的开关门过程29532门电路设计3054辅助电源的设计3155照明电路的设计32551普通照明电源回路设计33552应急照明电源设计3456本章小结346系统软件设计3561PLC机型选择35611系统的输入输出分析35612PLC机型选择3562I/O地址分配3663门控程序设计3964厅、轿内外上下呼唤及楼层显示程序设计40641轿、厅内外上、下呼唤显示40642楼层显示程序设计4165电梯定向及选择控制程序设计4266曵引机控制程序设计4367消防、报警程序设计4568本章小结457结论46参考文献47致谢481绪论11电梯发展电梯是一种垂直运输设备，现已广泛应用于建筑设备和工矿企业，是城市物质文明的标志之一。电梯拖动技术从直流电动机驱动，到交流单速、交流双速电动机驱动，再到交流调压调速（ACVV）控制、交流调压调频调速（VVVF）控制，使得控制技术不断成熟，加之电子技术、计算机技术、自动控制技术在电梯中的广泛应用，使电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、减小噪声等方面都有了极大的改善。随着科学技术的不断进步，电梯工业生产水平得到了不断的提高，产品结构也有很大的改进。一些传感元件（如速度测定、平层精度测定及各种保护装置）的使用都进一步完善和提高了电梯的基本功能。1970年以后，大规模集成电路在电梯控制系统中投入使用以后，除了使电梯控制系统的可靠性、运行稳定性改善外，还是设备体积（尤其是控制柜体积）大大缩小，功能不断完善，性能不断提高，维护更加方便。如纽约前世界贸易中心110层双塔内安装的运行速度为8M/S的电梯，使用了200多种6000多块大规模集成电路。1971年，固态电机驱动系统第一次取代了电梯传动使用的直流发电机组。20世纪70年代是微型计算机普及应用并蓬勃发展的年代，随着晶闸管和半导体电子技术在电梯上的广泛应用，特别是1973年以来对交流反馈控制技术的开发，电梯控制柜的控制电路逐渐从模拟电路向数字电路发展，显著提高了电梯的可靠性和运行精度。20世纪80年代，大功率晶体管模块的问世以及微机和数字调节器技术的不断成熟，人们通过调节脉冲宽度来调节电子逆变器，实现对电梯中交流电动机的调压调频（VVVF），达到现行调速的目的。自80年代初期，VVVF控制的电梯先后有美国奥蒂斯、日本三菱、东芝、日立等电梯公司县级开发并推向市场。VVVF拖动系统的许多技术、经济指标，明显优于其他电梯控制系统。自电梯控制方面，特别是电梯群控技术，近年来已采用人工智能技术来提高对电梯的控制水平，缩短乘客等候时间，合理分配电梯布局，使多台电梯分别执行任务。人们需要提高电梯运行效率，改善电梯的舒适感，节能降耗等，高性能16位、32位的微处理器使这些愿望都能够轻而易举的得到实现。随着现代建筑物楼层不断提高，电梯的运行速度、载重量也在提高。世界上最高电梯速度已达到16M/S。单从人体对加速度的适应能力和实际使用电梯停层的高度考虑，最好将电梯最高运行速度限制在10M/S以下。目前为适应无机房建筑物的需要，无机房电梯已经问世，它无需建造普通意义上的机房，对井道顶层楼板及井道并电梯相仿。这样既节约了机房的建造费用，又提高了井道上方的利用率。从这种意义上讲，使井道的可利用空间得以延伸。曳引机将电动机、曳引机、制动器融为一体，安装在电梯井道的上方导轨上。我国电梯事业起步较晚，但发展较快。19521954年先后在上海、天津、沈阳建立了三家电梯制造厂，并先后成立有关科研单位，独立自主制造各类电梯产品如交流货梯、客梯等。用国产的电梯产品装备了人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。20世纪60年代开始批量生产自动扶梯和自动人行道，并装备了首都（自动人行道）、北京地铁车站（自动扶梯）等标志性建筑。随着我国改革开放的深入，电梯行业吸引和引进了国外先进的电梯技术、先进的电梯制造工艺与设备、先进的科学管理,使我国电梯工业取得了巨大发展。产品连续多年成倍增长，产品质量和整机性能明显提高。为了进一步推动和发展电梯工业，上海、北京、天津、广州等地先后建立里中外合资的电梯制造公司，使电梯的控制和驱动技术达到了国际先进水平，向市场推出了一批耗能小、效率高、速度快、平层和舒适感好的交流调速电梯、直流高速电梯（包括机群控制电梯）。为了进一步提高和控制产品质量，近年来颁布了一批具有国际水平的电梯制造等标准，使各制造厂家用新标准去更新、设计电梯产品，加强管理，促进电梯工业的发展。在控制技术方面，从手柄开关发展到按钮信号控制、集选控制及多台电梯机群管理控制；从继电器接触器的信号或集选控制导计算机（电脑）控制；从调压导调频调速控制系统等。微处理器在电梯控制系统中得到了广泛应用，代替了传统的数量众多的继电器、接触器控制系统。微电脑电梯的特点是运行可靠、故障率低、耗能少；控制屏体积小，从而使机房的面积可相应减小；设备投资费减少；维修方便。调频调压的交流调速高速电梯也有了发展。为了提高电梯运行的性能，在碱和驱动系统的前提下，推出了交流感应电动机和低转速直流电动机，以便适应电梯的四象限运行工作状态的需要，由此提高了电梯运行的平稳性，使乘坐电梯的舒适感更好。12电梯的分类121按用途分类1乘客电梯为运送乘客而设计的电梯，主要用语宾馆、饭店、办公楼、大型商店等客流量较大的场合，这类电梯为了提高运送效率，其运行速度较快，自动化程度较高，轿箱的尺寸和结构形式多为宽度大于深度。而且安全设施齐全。2载货电梯为运送货物而设计，运行速度较低，主要用于两层楼上的车间和各类仓库等场合。3病床电梯为运送病人而设计的电梯。4杂物电梯供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等，并不允许人员进入，这种电梯安全设施不齐全。5住宅电梯供住宅楼使用的电梯。6客货电梯主要用作运送乘客，但也可运送货物的电梯，它与乘客电梯的区别在于轿厢内部的装饰结构不同。7特种电梯如船舶电梯，观光电梯。122按速度分类1低速梯速度V10M/S的电梯2快速梯速度10M/SV20M/S的电梯3高速梯速度V20M/S的电梯123按曳引机的供电电源分类1交流电源供电的电梯交流异步电机拖动，具有较大的调速范围的电梯，称为交流调速电梯。用交流异步双速电机拖动的电梯，简称为交流双速电梯。2直流电源供电的电梯一般用在20M/S以上的高速电梯。124按驱动方式分类1钢丝绳式曳引电机通过涡杆，涡轮，曳引轮，驱动曳引钢丝两端的轿厢和对重装置作上、下运行的电梯。2液压式曳引机通过压系统驱动轿厢上下运行的电梯。125按控制方式分类1轿内手柄开关控制的电梯2轿内按钮开关控制的电梯3轿内外按钮开关控制的电梯4轿外按钮开关控制的电梯5信号控制电梯6集选控制的电梯72台或3台并联控制的电梯8梯群控制的电梯13本章小结本章概述了电梯的地位和作用，电梯的发展和分类。阐述了本次设计的主体。2电梯系统综述21电梯的基本结构从总体来讲，电梯系统是由机械系统和电气控制系统两部分组成，其机械部分由曵引系统、轿厢和门系统。平衡系统，导向系统以及机械保护装置等部分组成，而电气控制系统是由电力拖动，进行逻辑功能的控制系统和电气安全保护系统组成，基本结构如图21。在该基本结构图中，1控制柜2曳引机3曳引钢丝绳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211曳引系统1曳引电动机曳引电动机是将电能换成机械能的电气设备，它是驱动电梯上下运行动力源，图21电梯结构电梯用曳引电动机分为直流和交流两种。2曳引轮曳引机通过曳引轮与嵌挂在其上的钢丝绳之间的曳引力将能量传给轿厢，实现轿厢与对重的上、下运行。为了获得较大的曳引力，即钢丝绳与曳引轮之间的摩擦力，钢丝绳与曳引轮之间不能涂抹黄油润滑3制动器制动器是电梯整个安全保护措施中重要的一环，对电梯制动器的基本要求是在电梯断电或制动时能按要求产生足够大的制动力矩，使电动机轴或减速箱轴立即制停，并且不论此时制动轮的转向如何，应有相同的制动效果4减速箱低速电梯曳引轮轴与曳引电机间要安装减速箱，将曳引电机的转速降至曳引轮所需要的转速。曳引系统结构如图221电动机2制动器3曳引论4减速箱5钢丝绳6导向轮7绳头组合8轿厢图图22曳引系统结构212轿厢和门系统1轿厢主要由轿厢体和轿厢架组成，其中，轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶构成，在门处轿底前沿设有轿门低坎，为了出入安全，在轿门地坎下面设有安全防护板2电梯门分为厢门和厅门。轿厢门用来封住轿厢出入口，厅门用来封住进道出入口，客梯常采用中分式全封闭门，由装在轿顶部的自动开门和关门。这种门称为自动门，自动开门机构以调速直流电动机为动力，通过曲柄连杆和摇杆滑块机构，将直流电动机的旋转动转换为开关门的直线运动，轿门也可以在轿内和轿外手门。厅只能由轿门通过闭合装置带动开关门，它是被动门。213重量平衡系统重量平衡系统是由对重和补偿装置组成。对重是平衡轿厢的平衡重和轿厢，分别悬挂在曵引钢丝绳两端。对重由以槽钢为主体所构成的对重架和对重块组成。轿厢侧的重量为轿厢自重和负载之和，而负载的大小却在空载与额定负载之间随机变化。因此，只有当轿厢自重与负载这和与对重相等时，电梯处于完全平衡状态。此时的电梯载重称为电梯的平衡点。而电梯处于变化范围内的相对平衡状态时，应使曵引绳两端强力的差值小于曵引绳与曵引轮之间的摩擦力所限定的最大值，以保证电梯曵引系统的正常工作。214导向系统导向系统是由导轨、导鞭和导轨架组成，它们相互配合以确定轿厢和对重的相对位置，并对它们运动起导向作用。215安全保护系统对于现代电梯的运必须保证安全，为此，设置了电气安全保护装置和机械安全保护装置组成的电梯安全保护系统。1电气安全保护装置为了保证电梯安全运行，在井道中设有终端超越保护装置。实际上，这是一组防止发端站（即大楼中电梯的最低停靠层站）或上端站（即大楼的最高停靠站）的行程开关。能在轿厢或对重在撞底、冲顶之前，通过轿厢的打板触碰，这些开关来切断电路或总电源，在电磁制动器的制动保闸作用下，迫使电梯停止运行。终端超越保护装置，包括上、下端站强迫换速开关，上下限位开关，和上、下极限开关，它们在井道中的位置如图所示。其中上下端站强迫换速开关较先，上下限位开关和上下极限开关。稍后动作。上下端站强迫换速开关设置在井道底部或顶部对应位置。当电梯由于失控而冲向井道的底部或顶部时，首先经过并使其动作的是上下端站开关，强迫电梯换速、减速、并最后停止。如果上下端站强迫换速开关不起作用，电梯继续越出底层或顶层位置，则上下限位开关动作，迫使停止运行。如果上下限位开关失效，则电梯撞上上下极限开关，上下极限开关动作，切断系统安全回路，强迫电梯停止运行。图23终端超越保护装置图1导轨2钢丝绳3极限开关上碰轮4上限位开关5上强迫减速开关6上开关打板7下开关打板8下强迫减速开关9下限位开关10极限开关下碰轮11终端极限开关12张紧配重13导轨14矫箱2机械安全保护装置为了防止由于电梯的电气控制系统出现故障而使电梯超速运行，出现重大事故，采用了机械安全保护装置。具体地来说，就是限速器和安全钳，这两者总是相互配合使用。限速器限速器是检测轿厢超速的装置，安装于机房。当轿厢上下运行时，使带动限速器绳同步移动，从而带动限速器轮转动。这样，就可以通过限速器轮的旋转运动所产生的离心力来检测轿厢速度。张紧装置位于井道底坑，用压倒板固定在导轨上，在电梯正常运行时限速器不起作用安全钳安全钳和限速器相配套使用起到了对轿厢超速保护的作用。当轿厢或对重运行速度超和滑速时，安全钳应能接受限速器的操纵，通过钢丝绳及安全钳传动机构，是位于安全嘴内的斜面楔块楔紧在安全嘴、盖板及导轨之间，从而将轿厢制停在导轨上，对电梯提供最后的保护。安全钳根据动作方式可分为顺时动作安全钳和滑移动作安全钳3缓冲器缓冲器安装在井道地坑的地面上，是电梯极限位置上的最后一道安全装置。当由于某种原因使轿厢或对重装置超越极限位置发生墩底时，有缓冲器来吸收轿厢或对重装置的动能，从而实现缓冲吸震，减少对电梯及乘客和物品的损害，另外通过对对重的缓冲还可防止轿厢冲顶事故的发生。缓冲器按工作原理不同，可分为弹簧式缓冲器和油压式缓冲器。22电梯的控制方式221继电器控制方式继电器电梯控制系统是较早期的产品，这类系统主要由接触器，继电器和开关组成。由于继电器使用较早，人们积累了大量的电器控制系统的知识和设计经验，比如，有成形的且被多年运用证明可靠的控制线路，设计较简单，特别在交流调速系统被应用到电梯拖动以来，用继电器控制系统控制电梯运行，也被实践证明比较可靠。虽然化的调速性能并没有直流电机调速系统好，但也能为大家所接受。由于该系统中大量使用接触器，继电器，各种开关，组成逻辑控制和一些保护线路，线路复杂维护困难，并且由于受继电器触点数量的限制，很难设计出高性能控制系统。此外，继电器控制系统另一个致命弱点是为了满足不同的要求而改变线路困难，即系统的灵活性，可移植性差。222可编程控制器式电梯控制系统PLC控制系统是一种电梯控制系统。它是利用可编程控制器为核心元件，通过化实现绝大部分逻辑控制功能，再附加一些接触器，开关元件，保护电路而构成的控制系统。它将逻辑控制功能设计，从系统整体设计中划分开来，即软件，硬件分开进行设计是PLC电梯控制系统的一大特点。系统控制过程为从PLC的输入模块将必要的信号输入，通过PLC程序的执行，再通过输出模块，从而达到控制系统的目的。由于PLC实现了绝大部分逻辑控制功能，控制线路简单，发生故障的可能性大为降低，这对系统而言，大有好处。PLC本身是工业用品，搞干扰能力强具有较高的可靠性，另外，可编程控制系统的控制功能通过软件来实现，并且在设计过程中不需要考察触点数目以及触点容量。而且编程语言（即梯形图）和继电器方法类似，因而具有较高的灵活性，但是，PLC电梯控制对电梯实现群控系统较困难。从总体来看，PLC电梯控制是比较理想的电梯控制系统，现在这种控制方式大为采用。223微机控制式电梯控制系统微机式电梯控制系统是另一种电梯控制系统方式。这种方式类似于PLC控制方式，但两者又不完全相同。这种控制系统控制功能更为强大，尤其是在电梯群控系统的应用上。在这种系统中，它将多台电梯集中排列，共用厅外召唤信号，由计算机根据客流情况和各梯所在楼层的位置，自动调度。微机控制系统理论上是全数字控制系统。但是由于微机控制系统的数据通讯是全数字，因此需要在微机的I/O接口之前，加上数据采样，电平转换。数模转换装置，此外，微机系统抗干扰能力较弱，对环境要求较高。从发展方向来看，它是电梯控制系统的发展方向。224比较总结从以上分析，我们可以看出，继电器控制系统是质量较差的控制系统，属于需改造系列；可编程控制系统优势比较明显，能满足大多数控制的需要，是目前比较实用的控制系统，微机控制系统是性能更高，但成本也较高的控制系统，是电梯控制系统的发展方向。本次毕业设计的控制系统，是以系统实用为大前提，因此选用PLC电梯控制系统，这是本文对上述三种方案进行比较的原因。23本电梯控制系统实现的主要功能231电梯的基本功能首要工作是确定电梯本身所具有的功能和电梯在乘客进行某种操作后应具有的状态232电梯内部功能简介在电梯内部，应该有七个楼层（17层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。当初可进入电梯后，电梯你应该有能让乘客按下的代表其要去目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后有可自动关闭。而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的按钮，是乘客可以在电梯停下时随时的控制电梯的开门与关门。电梯内部还应配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯所处在楼层的第几层，这样可以使电梯里的乘客清楚的知道自己所处的位置，离自己要到的楼层还有多远，电体是上升还是下降等。233电梯外部功能简介电梯的外部共分七层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯，以及楼层显示器呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持为亮，它和上升指示灯、下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。七层楼电梯中，一层只有上呼叫按钮，七层只有下呼叫按钮，其余五层都同时具有上呼叫和下呼叫按钮。而上升、下降指示灯以及楼层显示器应相同。234电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析1电梯的初始状态设电梯位于一层待命，各层显示器都被初始化，电梯处于以下状态各层呼叫灯均不亮电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”电梯内部及外部各层电梯门均关2电梯在运行过程中按下某层呼叫按钮（17层）后，该层呼叫灯亮，电梯相应该层呼叫电梯上升或下降至该层各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变运行中电梯门始终关闭，到达指定门时，门才打开在电梯运行过程中，支持其它呼叫3电梯在运行后状态在到达指定楼层后,电梯会继续待命,直至新命令产生电梯在到达指定楼层后,电梯会自动打开,经过一段延时自动关闭,在此过程中,支持手动开门或关门各楼层显示值为该层所在位置,且上升与下降指示灯均灭235实际运行中的情况分类分析1电梯上升分析若电梯在上升过程中,某楼层有呼叫产生时,可分以下两种情况若呼叫层出于电梯当前运行层之上目标运行层之下，则电梯应在完成前一之前先上升至该层，完成该层呼叫后在由近至远的完成其它各个呼叫动作呼叫层处于电梯当前运行层之下，则电梯在完成前一指令之前不响应该指令，直至电梯重新处于待命状态为止2电梯下降分析若电梯在下降过程中，楼层有呼叫产生时，分以下两种情况若呼叫层处于电梯当前运行层之下目标运行层之上,则电梯应在完成前一指令之前先下降至该层,完成该层呼叫后再有近至远地完成各个呼叫动作若呼叫层处于电梯运行层之上,则电梯在完成前一指令之前不响应该指令,直至电梯重新处于待命状态为止另外，电梯内设有层楼指令键，开关门按键，警铃风扇及照明按键。自动关门与提早关门。在一般情况下，电梯停站46秒应能自动关门，在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。按钮开门。在开关门过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开门按钮，门将打开自动关门待客。当完成全部矫箱内指令，由无层外呼梯信号时电梯应自动关门在调定时间内自动关闭矫箱照明自动反基站。当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动使会基站，停机待客24速度给定曲线为了满足舒适感提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。为了获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线（S曲线）及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速度斜率是以速度给定从0加速到1000转分所需要的时间来定义的。其意义为加速度由0加速到1000转秒所需要的时间。因此通过改变启动加速时间可获得不同的启动曲线斜率。增大加速时间值启动时间变缓，反之，启动曲线变急。同理，增加S曲线变化率启动曲线弯曲部分变缓，反之，启动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化，也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现，本设计采用的616G5变频器就具有S曲线加速时间设定功能，故将加速时间和S曲线加速时间配合调整，其可获得理想的启动曲线。同理，制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图24所示，图中A为加速度，V为速度。图24电梯速度给定曲线电梯的工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率、改善舒适感，要求电梯能平滑减速至速度为零时准确平层，即“无速停车抱闸”，不要出现爬行现象或低速抱闸，即直接停止，要做到这一关键是准确发出减速信号，在接近层楼面时按距离精确的自动校正速度给定曲线。本设计采用旋转编码器检测矫厢位置，只要电梯一运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。不论那种方式产生的减速命令，由于负载的变化、电网波动、钢丝绳打滑等，都会使减速过程不符合平层技术要求，为此一般在离层楼100200MM处需设置一个平层校正器，以确定平层的长期准确性25本章小结本章简要介绍了电梯的基本结构，给出了电梯的结构图。对电梯的构成系统做了简要介绍，并对电梯的控制方式进行了分析和比较，得出了本次设计的控制方式可编程控制器式电梯控制系统。3系统总体设计31系统的总体要求由于本电梯是乘客电梯，电梯运行，伴随频繁的起动，加速和制动减速过程，因此，要求系统必须具备运行的高效率，即电梯必须具备快速性。因为电梯是垂直升降的运输设备，与乘坐水平方向交通工具相比，人对电梯运行速度的变化较为敏感，要求电梯具有乘坐舒适感，无显著摇摆和冲击振动，即要求电梯运行平稳，另外，系统必须运行可靠，能确保系统能正常运行，在异常情况下，必须具备完善应急保证措施。32系统总体方案的确定系统总体方案包括硬件部分和软件部分。系统的软件部分，即逻辑功能控制部分，已经选定用PLC来实现，因此，系统总体方案确定实质就是硬件部分方案的确定。硬件部分确定主要指调速系统的确定。321调速方案的选择现行的电梯的调速方案分为交流调速和直流调速两种。直流调速多为大容量电梯，并且本电梯是频繁启停的乘客电梯，容易缩短电机的寿命，本人选择交流调速系统在电梯系统中，交流调速也有两种方式交流调压调速（ACVV）和交流变频调压调速系统（VVVF）。下面就加以比较，选择较适合调速方案。ACVV电梯，就是利用交流调压调速来调节曵引机运行速度，它是通过改变电动机定子电压来实现调速，适用于中低速度电梯。这种系统的控制回路是采用模拟电路来实现，但模拟控制电路在灵活性，通用性方面存在不足，而且控制回路也较复杂。虽然ACVV系统现在也可以采用计算机实现全数字化控制，这样会造成电梯价格升高，这有背本次设计以实用为目的而选择PLC控制的初衷，故不选择它。VVVF调速系统在运行过程中，通过改变电机供电的电压和频率，达到平滑调节电梯速度的目的。变频变压调速的电梯系统，可获得较好的乘坐舒适感，平层精度高，而且由于系统启动时，采用降压起动方式，具有明显的节能效果，本次设计的电梯控制系统是以VVVF与调速方式的电梯控制系统。322闭环及方案的选择对电梯的调速系统是否采用闭环调速，现在并没有一致意见，可闭环，也可开环。我采用闭环调速。因为电梯在实际运行时，曵引机的工作状态不是理想的恒转矩，或恒功率状态。系统的负载在厢零负载与轿厢额定负载之间随机变化，而要求运行速度在一定程度上恒定，并且开环系统的机械特性曲线比闭环机械特性曲线软，系统带负载能力较弱。为了保证系统在轻载时速度不至于过快，而负载较重时，运行速度不至于太慢，影响运行效果，故采用闭环系统。闭环系统即采用速度反馈系统。闭环系统的主要测速元件有测速电动机和光电编码器两种。如果采用测速发电机，将增加系统成本。为了降低系统成本，故选择光电编码器作为测速元件。33系统基本原理该电梯系统是由拖动部分和控制部分组成。拖动部分由变频器，曵引机，光电编码器组成，它带动电梯的上下运行，加速、减速而控制系统由功能接触器，PLC组成。位置信号，呼叫信号或其他信号被送入PLC，通过内部程序执行，实现对变频器的通讯。以达到进行控制的效果，同时显示输出相关状态。电梯的PLC控制系统框图如图31所示。图31控制系统原理框图34本章小结本章给出了设计要求，根据要求，分析并确定了闭环调速方案，为了明确电梯的控制原理，给出了控制系统原理框图。4主要硬件的使用说明41可编程控制器（PLC）PLCPROGRAMMERLOGICCONTROLLER,即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程控制器的存储器，用来在其内部进行逻辑运算。顺序控制、定时、计算和运算操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制机械的生产过程，PLC及其有关外围设备，都易于扩充功能原则设计。411PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强工业生产一般对控制设备有很高的可靠性要求，应具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠的工作，平均无故障间隔（MTBF）高，故障修复时间短。2功能完善PLC具有数字和模拟量的输入输出，逻辑算术运算定时，计数，顺序控制，功率驱动，通信，人机对话，自检记录和显示功能，使控制水平大提高。3编程简单，使用方便目前，大多数PLC均采用继电器式控制形式的“梯形图”编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观，又易于接受，因此普遍受到欢迎。4控制程序可变，具有很好的灵活性PLC只需改变程序就可以满足不同的要求，是PLC较继电器控制无可比拟的优点。5扩充方便，组合灵活PLC产品大多为模块化设计，都有扩充插口，可以适应各种不同的工业控制需要。412PLC主要功能随着PLC技术的不断发展，目前已能实现以下功能1调节控制功能条件控制功能是指用PLC与、或、非指令取代继电器触点串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制2定时计数控制功能定时计数控制功能就是用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器3步进控制功能步进控制功能就是用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器4数据处理功能数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作5AD与DA转换功能AD与DA转换功能就是通过AD、DA模块完成对模拟量和数字量之间的转换6运动控制功能运动控制功能就是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制7过程控制功能过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制8扩展功能扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即IO扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力9远程IO功能远程IO功能是指通过远程IO单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号，传出输出信号10通讯联网功能通讯联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的连接等，实现远程IO控制或数据交换，以完成系统规模较大的复杂控制11监控功能监控功能是指PLC能监视系统各部分运行状态和进程，对系统出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动中止运行。也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设定值或强制IO状态42可编程控制器的基本原理PLC基本部分有输入部分，逻辑部分和输出部分。输入部分是指各种按钮、行程开关，接近开关，转换开关。逻辑部分是由各种继电器及触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路。输出部分是各种继电器。接触器和电磁闸以及信号灯等执行电器。各部分的主要功能作用输入部分它收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部分处理输入部分所取得的信息，并且按照被控对象的实际动作要求，做出逻辑反映。输出部分可提供正在被控制的许多装置中的某些设备实时操作处理。421主要逻辑部件1继电器逻辑1输入继电器2输出继电器3内部继电器定时器逻辑1定时条件,2定时语句,3定时器当前值,4定时继电器计数器逻辑1计数器的复位信号,2计数器的计数信号,3计数器设定值的记忆单元,4计数器当前计数值单元,5计数器继电器输入逻辑输出图41基本组成形式2触发器逻辑3移位寄存器4数据寄存器可编程控制器内部存储单元有“I”和“O”这两种状态，对应于继电器的“ON”“OFF”状态，软件为“软继电器”，它与通常的物理继电器相比有以下特点5体积小，功耗低6无触点，速度快，寿命长7有上千个常开、常闭触点，供程序使用，在使用过程中不考虑触点容量。422PLC内部硬件组成1CPU（CENTROLPROCESSUNIT）它是PLC核心组成部分，功能与微机的CPU功能一致。2系统程序存储器它用以存放系统工作程序（监控程序），模块化应用功能子程序，命令解释、功能子程序调用管理，存储各种系统参数等功能。3用户存储器用以存放用户程序，即存放通过编程器输入的用户程序4输入输出组件（I/O）模块I/O模块是CPU与现声I/O装置或其它外部设备之间的连接部件。5编程器编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视。6外部设备7电源其原理图如图42所示423PLC工作过程的特点PLC工作过程是周期循环扫描的工作过程，如图43所示PLC采用集中采样，集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。PLC工作过程分三阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段图42PLC原理图图43PLC扫描工作原理图424PLC对输出的处理原则1输入映像存器的数据，取决于输入端子板上各输入点的上一个刷新期间的接通/断开状态。2程序如何执行取决于用户所编制的程序和输入/输出映像寄存器的内容及其它各元件映像寄存器的内容。3输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。4输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。5输出端子的接通/断开状态，由输出锁存器决定。43变频器431异步电动机的变频调速原理在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好。调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，采用通用变频器对鼠笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益显著，所以得到推广。由电机学可知，三相交流电动机的同步转速为N060F1/P式中N0同步转速R/MINF1定子频率HZP电动机的极对数而异步电动机的轴转速为NN01S60F11S/P式中S异步电动机的转差率SN0N/N0改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机负载能力下降。磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大。这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通（主磁通）是由定、转子合成磁势产生的。下面说明怎样才能使气隙磁通保持恒定。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为E1444KFN1式中E1定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值U；F1定子频率（HZ）；N1定子相绕组有效匝数；每极磁通量WB由上式可见，的值是由E1和F1共同决定的，对E1和F1进行适当的控制，就可以使气隙磁通M保持额定值不变。下面分两种情况说明1基频以下的恒磁通变频调速这是考虑从基频（电动机额定频率F1N）向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势。保持E1/F1常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制，这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但E1难于直接检测和直接控制。当E1和F1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如果忽略不计，则可以近似地保持定子相电压U1和频率F1的比值为常数，即认为U1E1，保持U1/F1常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图1所示，其中1为U1/F1C时电压、频率关系，2为有电压补偿时（近似的E1/F1C）的电压、频率关系。实际装置中U1和F1的函数关系并不简单如曲线2所示。通用变频器中U1与F1之间函数关系有很多种，可以根据负载性质和运行状态加以选择。2基频以上的弱磁变频调速这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值F1N向上增大，但电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1U1N不变。必然会使主磁通随F1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。综合上述两种情况，异步电动机变频调速基本控制原则当频率低于额定频率时，即F1F1N时，保持U1/F1U1N/F1NC。当频率高于额定频率时，即F1F1N时，保持U1U1N。由上面讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压、频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF调速控制。432变频器的工作原理变频器分为交交和交直交两种形式，交交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交直交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。我们的目的是研究通用变频器，所以主要研究交直交变频器（以下简称为变频器）。图44变频器的基本构成变频器的基本构成如图44所示，由主电路（包括整流器，中间直流环节，逆变器）和控制电路组成，分述如下1整流器电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。2逆变器负载侧的变流器是逆变器，最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。3中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容或电抗器）来缓冲，所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。4控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的。44本章小结本章介绍了电梯设计的主要硬件，可编程控制器和变频器。对于可编程控制器，介绍了其特点。对于变频器，介绍了其原理和控制方式。了解了各主要硬件的功能和作用。5系统硬件设计51电梯的原始参数楼层高3米提升总高度21米载重量75151125千克轿厢质量1000千克对重质量1500千克运行速度1米/秒随行电缆质量1100千克钢丝绳质量300千克相数3相额定功率15KW额定频率50HZ额定电压380V额定电流30A52电梯拖动部分设计电梯拖动部分设计是电梯系统硬件的核心部分，由它拖动电梯的上下运行，而且也是安全性、可靠性要求较高的部分，它主要由电源输入部分，电源控制部分,调速闭环部分、通讯部分组成，如图51所示。图51电梯拖动部分521组成该部分主要由电源、安川616G5变频器，旋转编码器和保护控制通讯电路组成。通讯部分是指PLC与变频器之间的通讯。PLC控制的输入，控制电梯的上、下运行方向，以及电梯的运行速度的状态，即高速、低速（爬行）、零速。光电石旋转编参码器用以供电动机M测速反馈。RA为制动电阻，当电梯减速运行时，曵引机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，这时同步转速下降，交直交变频器的直流部分电压升高，制动电阻的作用是消耗回馈电能。522速度闭环的实现VS616G5变频器在该系统中，需要配有PG卡和旋转编码器构成闭环系统。当曵引机带动旋转编码器旋转时，旋转编码器输出A、B两相脉冲，当A相脉冲超过B相脉冲，认为电动机处于正转状态，根据A、B脉冲相序，可判断电动机转动方0向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给616G5内部，以便进行运算调节。523调速系统电路原理电梯的一次完整的运行过程，就是曵引机从启动，匀速运行到减停车的过程。当正转（或反转）及高速信号有效时，电动机开始从0HZ到50HZ开始启动，启动时间3S左右，然后维持50HZ速度一直运行，完成起动及运行段的工作。当换速信号到来后，PLC撤消高速信号，同时输出爬行信号，此时爬行的输出频率为6HZ。从50HZ到6HZ的减速过程在3S内完成，当到达6HZ的速度以后就以此速度爬行。当平层信号到来时，PLC撤掉正转（反转）信号，爬行信号，此时电动机从6HZ减到变频器的零输出点，及异常输出点，一直闭合，减至0HZ之后，零速输出点断开。通过PLC抱闸及自动开门，这就是一个完整的运行过程。53门电路设计531电梯的开关门过程现代电梯讲究工作效率，门都有启闭迅速的特点，但是为避免在起始端和终端发生冲击，要求自动门电机应具有自动调速功能。为了达到启闭迅速，而又不能在起始端发生冲击，电梯的门在启闭时应具有理想的速度变化。1开门过程其变化过程低速启动运行（T1）加速到全速运行（T2）减速运行（T3）停机惯速运行到门全开（T4）。开门时间TT1T2T3T4；开门平均速度VL/TM/S开门速度曲线如图52所示图52开门速度曲线在开门过程中，T2阶段的主运动，一般占整个行程的60以上，其余均属缓冲行程，目的是为了使启动及停止时平稳，不同规格的电梯，开门时间不相同，因此对T1,T2,T3,T4的所占比例，随电梯规格而异。2关门过程其变化过程是全速起动运行（T1）第一级减速运行（T2）第二级减速运行（T3）停机惯性运行至全闭（T4）。关门速度曲线如图53所示对于关门过程，T1阶段是主运动，常占整个行程的70左右。当厅门装有自闭机构时，门具有自闭趋势，这个趋势使关门时门机全速起动而不会造成冲击。图53关门速度曲线一般来讲，关门平均速度低于开门平均速度，这是为了安全起见，防止关门时将人夹住，客梯厅门设有安全触板。532门电路设计门电路设计，即门电机运行控制电路设计，门电机通常采用直流电动机，因为它具有起动力矩大，调速性能好，并采用他励方式。门电机拖动部分由电动机M2，以及减速机构构成，控制电路控制电动机的正反转运行，及调节开关门速度。1调速原理电梯门电动机采用变压调速方法，电动机的转速与电枢电压有如下关系式N,式中N电动机转速，R/MIN；U电枢端电压，V；I电枢电流，A；EIRC电磁常数，励磁磁通，WB；从上式可以看出，改变电枢端电压U，即可改变电机转速，改变电枢两端电压，采用电阻分压线路。2门电气线路如图54所示CZCFMQRDMKMKMKGMKGMKGMKMSK1SK2SG1SG2RKMRGMABDC10V图54门电路设计3调速过程关门时，KGM吸合，KKM释放，电流从BA，电阻RD与RGM构成分压电路，随着门的运动，SG1被动作时，分压减少，速降低，当SG2被动作