PLC控制交流变频调速电梯系统的设计

1、论文框架论文框架研究背景研究背景课题方向课题方向论文要点论文要点结论结论1234研究背景研究背景随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交机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拖动

2、技术已经发展到了调频调压调速调频调压调速，其逻辑，其逻辑控制也由控制也由PLC代替原来的继电器控制。本文在代替原来的继电器控制。本文在已有的通用变频器的基础上，采用已有的通用变频器的基础上，采用PLC对电梯对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电进行控制，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，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。使电梯达到了较为理想的控制效果。第第1章章 绪论绪论u1.1 电梯继电器控制系统的特点及存在电梯继电器控制系统的特点及存在问题问题u 1.1.1 电梯继电器控制系统的优点电梯继电器控制系统的优点u

3、 1.1.2 电梯继电器控制系统存在的问电梯继电器控制系统存在的问题题u1.2 PLC及在电梯控制中的应用特点及在电梯控制中的应用特点u 1.2.1 PLC的特点的特点u 1.2.2 PLC控制电梯的优点控制电梯的优点u1.3 电梯变频调速控制的特点电梯变频调速控制的特点u1.4 电梯控制设计目的意义电梯控制设计目的意义 1.1 电梯继电器控制系统的特点及存在问题u1.1.1 电梯继电器控制系统的优点u(1)所有控制功能及信号处理均由硬件实所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。于一般技术人员和技术工人

4、所掌握。u (2)系统的保养、维修及故障检查无需系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。较高的技术和特殊的工具、仪器。u (3)大部分电器均为常用控制电器，更大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。换方便，价格较便宜。u(4)多年来我国一直生产这类电梯，技术多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。1.1.2 电梯继电器控制系统存在的问题u(1)系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而

5、故障率较高。烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。u (2)普通控制电器及硬件接线方法难以实现较普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。，技术水平难以提高。u (3)电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。电磁惯性大，系统控制精度难以提高。u (4)系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。大。u (5)由于线路复杂，易出现故障，因而保养维由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高修工作

6、量大，费用高;而且检查故障困难，费时而且检查故障困难，费时费工。费工。1.2 PLC及在电梯控制中的应用特点u PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用与普通微机一样，以通用或专用CPU作为作为字处理器，实现通道字处理器，实现通道(字字)的运算和数据存储，另外还有位处理的运算和数据存储，另外还有位处理器器(布尔处理器布尔处理器)，进行点，进行点(位位)运算与控制。运算与控制。PLC控制一般具有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。可靠性高、易操

7、作、维修、编程简单、灵活性强等特点。u 1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。u （2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了等，提高了MTBF，降低了，降低了ml TR使可靠性提高。使可靠性提高。u （3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方有较高的易操作性，它具有编程简单，操作

8、方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。u操作方便对操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更的操作包括程序输入和程序更改的操作改的操作 1.2.2 PLC控制电梯的优点u（1）在电梯控制中）在电梯控制中采用了采用了PLC，用软件，用软件实现对电梯运行的自实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大动控制，可靠性大大提高。提高。u（2）去掉了选层器）去掉了选层器及大部分继电器，控及大部分继电器，控制系统结构简单，外制系统结构简单，外部线路简化。部线路简化。u（3）PLC可实现各可实现各种复杂的控制系统，种复杂的控制系统，方便地增加或改变控方便地增加或改

9、变控制功能。制功能。u（4）PLC可进行故可进行故障自动检测与报警显障自动检测与报警显示，提高运行安全性示，提高运行安全性，并便于检修。，并便于检修。u（5）用于群控调配）用于群控调配和管理，并提高电梯和管理，并提高电梯运行效率。运行效率。u（6）更改控制方案）更改控制方案时不需改动硬件接线时不需改动硬件接线。1.3 电梯变频调速控制的特点u变频调速电梯的特点变频调速电梯的特点:u （1）变频调速电梯使用的是异步电动机）变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低小，结构简单，维护方便、可

10、靠性高、价格低等优点。等优点。u （2）变频调速电源使用了先进的）变频调速电源使用了先进的SPWM技术技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量技术，明显改善了电梯运行质量和性能和性能;调速范围宽、控制精度高，动态性能好调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。速。u （3）变频调速电梯使用先进的）变频调速电梯使用先进的SPWM和和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。节能明显。1.4 电梯控制

11、设计目的意义u（1）进一步巩固和加深对所学的基础）进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。之系统化、综合化。u（2）培养独立工作、独立思考和综合）培养独立工作、独立思考和综合运用所学知识技能，提高解决本专业范运用所学知识技能，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。扩大、深化所学的专业知识和技能。u（3）培养设计计算、工程绘图、实验）培养设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、计算机应研究、数据处理、查阅文献、计算机应用、文字表达等基本

12、工作实践能力，初用、文字表达等基本工作实践能力，初步掌握科学研究的基本方法和思路。步掌握科学研究的基本方法和思路。第2章 电梯发展动态与电梯构成u 电梯发展展望u(1)结构不断紧凑化，体积不断轻型化、结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化小巧化u(2)技术含量更高，性能更好技术含量更高，性能更好u (3)安装更方便、更快捷安装更方便、更快捷2.3 基本结构的构成u 2.3.1 曳引系统u （1）曳引机：包括电动机、减速器、制动器和曳引轮在内的靠曳引绳）曳引机：包括电动机、减速器、制动器和曳引轮在内的靠曳引绳和曳引轮槽摩擦力驱动或停止电梯的装置。和曳引轮槽摩擦力驱动或停止电梯的装置。u （2）曳

13、引绳：连接轿厢和对重的装置，并靠与曳引轮槽的摩擦力驱动）曳引绳：连接轿厢和对重的装置，并靠与曳引轮槽的摩擦力驱动轿厢升降的专用钢丝绳。轿厢升降的专用钢丝绳。u 2.3.2 导向系统u 功能：保证轿厢与对重的相互位置，并限制其活动自由度，使轿厢和对重功能：保证轿厢与对重的相互位置，并限制其活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。只能沿着导轨做升降运动。u （1)导轨：供轿厢和对重运行的导向部件。导轨：供轿厢和对重运行的导向部件。u （2）导轨支架：固定在井道壁或横梁上，支撑和固定导轨用的部件。）导轨支架：固定在井道壁或横梁上，支撑和固定导轨用的部件。u （3）导靴：装在轿厢和对重架上，与

14、导轨配合，强制轿厢和对重的运）导靴：装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向的部件。动服从于导轨的直立方向的部件。u （4）导向轮：为增加轿厢和对重之间的距离，使曳引绳经曳引轮再导）导向轮：为增加轿厢和对重之间的距离，使曳引绳经曳引轮再导向对重装置或轿厢一侧而设置的绳轮。向对重装置或轿厢一侧而设置的绳轮。u （5）反绳轮：设置在轿厢架和对重框架上部的动滑轮。根据需要曳引）反绳轮：设置在轿厢架和对重框架上部的动滑轮。根据需要曳引绳绕过反绳轮可以构成不同的曳引比。反绳轮的数量可以是绳绕过反绳轮可以构成不同的曳引比。反绳轮的数量可以是1个、个、2个或个或3个等，由曳引

15、比而定个等，由曳引比而定。u2.3.3 轿箱系统轿箱系统u功能：用与运送乘客和（或）货物的容体，是电梯的运行部件之功能：用与运送乘客和（或）货物的容体，是电梯的运行部件之一。一。u构成：构成：u（1）轿厢架：固定和支撑轿厢的框架。由上梁、立柱、底梁和）轿厢架：固定和支撑轿厢的框架。由上梁、立柱、底梁和拉杆等组成的承重构件。拉杆等组成的承重构件。u（2）轿厢体：具有与载重量和服务对象相适应的空间，是由轿）轿厢体：具有与载重量和服务对象相适应的空间，是由轿厢底、轿厢壁、轿门和轿厢顶组成。厢底、轿厢壁、轿门和轿厢顶组成。u2.3.4 门系统门系统u功能：防止坠落和挤伤事故的发生。功能：防止坠落和挤伤

16、事故的发生。u构成：构成：u（1）轿厢门：设置在轿厢入口处的门。由门、门导轨架、轿厢）轿厢门：设置在轿厢入口处的门。由门、门导轨架、轿厢地坎等组成。地坎等组成。u（2）层门：设置在层站入口的门，又称厅门。由门、门导轨架）层门：设置在层站入口的门，又称厅门。由门、门导轨架、层门地坎、层门联动机构等组成。、层门地坎、层门联动机构等组成。u（3）开门机：使轿厢门、层门自动开启或关闭的装置。）开门机：使轿厢门、层门自动开启或关闭的装置。u（4）门锁装置：设置在层门内侧，门关闭后，将门锁紧，同时）门锁装置：设置在层门内侧，门关闭后，将门锁紧，同时接通控制电路，使轿厢方可运行的继电连锁装置。接通控制电路，

17、使轿厢方可运行的继电连锁装置。u 2.3.5 重量平衡系统u 功能：使曳引系统的原动力（电动机）功率消耗减少一半功能：使曳引系统的原动力（电动机）功率消耗减少一半，以达到节能和提高效率的目的。，以达到节能和提高效率的目的。u 构成：构成：u （1）对重：由对重架和对重块组成，其重量与轿厢满载）对重：由对重架和对重块组成，其重量与轿厢满载时的重量成一定比例，与轿厢间的重量差具有一个恒定的时的重量成一定比例，与轿厢间的重量差具有一个恒定的最大值，又称平衡铁。最大值，又称平衡铁。u （2）重量补偿装置：在高层电梯中，补偿轿厢与对重侧）重量补偿装置：在高层电梯中，补偿轿厢与对重侧曳引绳长度变化对电梯平

18、衡设计影响的装置。曳引绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。u 2.3.6 电力拖动系统u 功能：提供动力、实行电梯速度控制。功能：提供动力、实行电梯速度控制。u 构成：构成：u （1）曳引电动机：电梯的动力源。根据电梯配置可用交）曳引电动机：电梯的动力源。根据电梯配置可用交流电动机或直流电动机。流电动机或直流电动机。u （2）供电装置：为电梯的电动机提供电源的装置。）供电装置：为电梯的电动机提供电源的装置。u （3）速度检测装置：检测轿厢运行速度，将其转变成电）速度检测装置：检测轿厢运行速度，将其转变成电信号的装置。一般可采用测速发电机或速度脉冲发生器，信号的装置。一般可采用测速发电机或速度脉

19、冲发生器，与电动机相联。与电动机相联。u 2.3.7 电气控制系统电气控制系统u 功能：对电梯的运行进行操纵和控制。功能：对电梯的运行进行操纵和控制。u 构成：构成：u （1）操纵装置：对电梯的运行实行操纵的装置。包括轿）操纵装置：对电梯的运行实行操纵的装置。包括轿厢内的按钮操纵箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶厢内的按钮操纵箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。和机房中的检修或应急操纵箱。u （2）位置显示装置：设置在轿厢内和层站的指示灯，以）位置显示装置：设置在轿厢内和层站的指示灯，以灯光数字显示电梯运行方向或轿厢所在层站。灯光数字显示电梯运行方向或轿厢所在层站。u

20、 （3）控制屏（柜）：安装在机房中，由各种电子器件和）控制屏（柜）：安装在机房中，由各种电子器件和电器元件组成，对电梯实行电气控制的设备。电器元件组成，对电梯实行电气控制的设备。u （4）平层装置：在平层区域内，使轿厢达到平层准确度）平层装置：在平层区域内，使轿厢达到平层准确度要求的装置。由电磁感应器和磁遮板构成。要求的装置。由电磁感应器和磁遮板构成。u （5）选层控制器：对电梯运行的控制方式，有轿内开关）选层控制器：对电梯运行的控制方式，有轿内开关控制、按钮控制、信号控制、集选控制并联控制和梯群控制、按钮控制、信号控制、集选控制并联控制和梯群控制。控制。 第4章 系统设计u4.1 系统基本原

21、理u乘客按下轿厢内操控盘上的选层按钮，选定电乘客按下轿厢内操控盘上的选层按钮，选定电梯运行的目的楼层，此为内选信号，在门厅等梯运行的目的楼层，此为内选信号，在门厅等候电梯的乘客，按门厅的上行或下行按钮，此候电梯的乘客，按门厅的上行或下行按钮，此为外唤信号。为外唤信号。CPU224响应信号，控制变频器响应信号，控制变频器启停变频进而控制曳引机运转，使电梯自动运启停变频进而控制曳引机运转，使电梯自动运行。一般情况下，电梯按先上后下的原则，安行。一般情况下，电梯按先上后下的原则，安排运送乘客的次序，而且规定在运行方向确定排运送乘客的次序，而且规定在运行方向确定之后，不响应中途的反向呼唤要求，直到到达

22、之后，不响应中途的反向呼唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返回。本方向的最远站点才开始返回。4.2 系统硬件设计uPLC机型及扩展模块选择机型及扩展模块选择 u此系统为多点输入，控制多点输出，不用考虑此系统为多点输入，控制多点输出，不用考虑温度控制，温度控制，PID控制等智能控制，所以选择控制等智能控制，所以选择西西门子公司的小型门子公司的小型PLC系列系列S7-200，CPU选择选择224系列。系列。uSIEMENS S7-200 CPU单元单元CPU-224u本机集成本机集成14输入输入/10输出共输出共24个数字量个数字量I/O点。点。可连接可连接7个扩展模块，最大扩展至个扩展模块，

23、最大扩展至168路数字量路数字量I/O点或点或35路模拟量路模拟量I/O 点。点。16K字节程序和数字节程序和数据存储空间。据存储空间。6个独立的个独立的30kHz高速计数器，高速计数器，2路独立的路独立的20kHz高速脉冲输出，具有高速脉冲输出，具有PID控制控制器。器。1个个RS485通讯通讯/编程口，具有编程口，具有PPI通讯协议通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。的控制器。4.2.2 可编程控制器的基本原理u 当当PLC投入运行后，其工作过程一般投

24、入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即分为三个阶段，即输入采样、用户输入采样、用户程序执行和输出刷新程序执行和输出刷新三个阶段。完三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，在整个运行期间，PLC的的CPU以一定以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。的扫描速度重复执行上述三个阶段。 u 输入采样阶段输入采样阶段u 在输入采样阶段，在输入采样阶段，PLC以扫描方式依以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入它们存入I/O映象区中的相应得单元内映象区中的相应得单元内 u 用户程序执行阶段用户程序执行阶段u

25、在用户程序执行阶段，在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序地扫描用户程序(梯形图梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在出线圈在I/O映象区

26、中对应位的状态映象区中对应位的状态 u 输出刷新阶段输出刷新阶段 u 当扫描用户程序结束后，当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段。在就进入输出刷新阶段。在此期间，此期间，CPU按照按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是时，才是PLC的真正输出的真正输出 4.2.3 主电路设计u图图4-2 电梯系统主电电梯系统主电路图路图u当当KM1闭合时，电闭合时，电机正转，电梯向上运机正转，电梯向上运行；当行；当KM2闭合时闭合时，电机反转，电梯向，电机反转，电

27、梯向下运行；当下运行；当KM1、KM2都断开时，电都断开时，电机停转，电梯停止运机停转，电梯停止运行。行。M M 4 4 0u4.2.4 变频器u变频器选型变频器选型u系统的要求是能驱动普通三相异步电动机精确系统的要求是能驱动普通三相异步电动机精确地完成电梯平层，快速，慢速和加速运行，而地完成电梯平层，快速，慢速和加速运行，而且在电梯换速时，乘客没有不舒服的感觉。依且在电梯换速时，乘客没有不舒服的感觉。依照以上的要求我们选用照以上的要求我们选用MM440智能变频器。这智能变频器。这种变频器视为电梯的灵活调速，控制高精度平种变频器视为电梯的灵活调速，控制高精度平层等要求而专门设计的，可配通用普通

28、三相异层等要求而专门设计的，可配通用普通三相异步电动机。与其他变频器相比，步电动机。与其他变频器相比，340变频器具变频器具有智能化软件接口，菜单提示输入电梯曲线关有智能化软件接口，菜单提示输入电梯曲线关键参数，调试跟方便快捷，并且能实现单双层键参数，调试跟方便快捷，并且能实现单双层功能，具有自动化优化减速曲线的功能，爬行功能，具有自动化优化减速曲线的功能，爬行时间短，平层距离短。时间短，平层距离短。u4.2.5 控制电路设计S 7 -2 0 0 C P U 2 2 4E M 2 3 5E M 2 2 3u4.2.6 门电路设计u图图4-4 门控电路图门控电路图u当当KF1闭合时，直流闭合时，

29、直流电机正转，轿厢门打电机正转，轿厢门打开；当开；当KF2闭合时，闭合时，直流电机反转，轿厢直流电机反转，轿厢门关闭。门关闭。u4.2.7 辅助电源选型uPS-24V 仪表电源仪表电源 uPZ24-A型仪表电源系采用开关电源技术型仪表电源系采用开关电源技术的盘装式新型仪表电源，是专门为的盘装式新型仪表电源，是专门为DDZ-型电动单元组合仪表提供型电动单元组合仪表提供24V工作电工作电源的设备，亦可以为其它设备提供源的设备，亦可以为其它设备提供24V工作电源。工作电源。u该设备数字显示输出的电压值和电流值该设备数字显示输出的电压值和电流值。论文要点论文要点结论结论通过两个星期的努力，成功完成了三

30、层电梯通过两个星期的努力，成功完成了三层电梯PLC系统设计，并系统设计，并达到非常理想的控制要求。整个设计过程不仅是学习理论的过达到非常理想的控制要求。整个设计过程不仅是学习理论的过程，更是进一步学习与探索的过程。整个过程，使我对可变程程，更是进一步学习与探索的过程。整个过程，使我对可变程控制器有了更深的认识，对可编程控制器的工作原理有了初步控制器有了更深的认识，对可编程控制器的工作原理有了初步的了解，提高了对控制系统的分析能力，更重要的是在学习与的了解，提高了对控制系统的分析能力，更重要的是在学习与实践的过程中增长了知识，丰富的经验。最重要的是本设计是实践的过程中增长了知识，丰富的经验。最重要的是本设计是理论与实践相结合的过程，是对我们三年来所学东西的一次实理论与实践相结合的过程，是对我们三年来所学东西的一次实战性的总结，也从中知道了控制系统的设计与开发是一项复杂战性的总结，也从中知道了控制系统的设计与开发是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统试验，的系统工程，必须