基于S7-200PLC变频调速电梯系统设计

1、摘 要电梯作为一种现代化的垂直交通工具，在工业生产和人们的生活之中已经得到了广泛地应用。随着自动控制理论与微电子技术的开展，电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化。可编程序控制器PLC作为新一代工业控制器和变频器相结合，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到了日益广泛的应用，是电梯由传统的继电器控制方式开展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制与技术改造的热点之一。由于电梯使用的不断增加，需要大量从事电梯生产、维修等方面的技术人才。又因为电梯属于大型机电设备，本身具有很强的技术复杂性，目前在电梯课程教学或培训中一般采用模拟式透明电梯，通过对模型电梯的控制可以全面了解电梯的工作原理

2、，但这些电梯教学模型的造价都是很昂贵。基于上述原因决定研制模型电梯控制系统、使其成为具有较高技术水平的电梯实验实训设备，是十分必要的。本课题根据行业的开展方向，结合实践教学的特点，专门开发研制实训用教学电梯，使其具有客观的真实性、实用的操作性、教学的演示性、技术的先进性。文中阐述了电梯的控制原理，给出了实训用电梯PLC控制系统的结构框图，提供了电梯PLC控制系统设计思想，并对主要梯形图程序设计进行了分析。关键词:电梯 PLC控制 变频器 控制系统 梯形图AbstractElevator is a convenient vehicle which has been widely used in

3、modem society. With the development of the automatic control theory and the micro-electronics Technology, the great changes have taken place in the methods of elevator lifting and control. PLC as a new control in industry, can be connected with transducer. It was been made a good use in the elevator

4、 control with its reliability and its technical advancement. And it is the key direction for the development of the elevator from the traditional relay control into the computer control, and it turns out to be a focus in the elevator control and the technical reformation.Due to the increasing use of

5、 elevator, it is necessary to train a large number of technical talents who work on the elevator manufacture and maintenance. The elevator is the large machine-electronic equipment, and has its own high technical complexity. At present, the imitative and transparent teaching method is adopted widely

6、 in the elevator course and training. Through the control of the model elevator, we can comprehensive understanding of the working principle, Whats more, the price of the model is quite expansive. So it is quite elementary for us to develop the equipment that has the superiority as mentioned before.

7、The subject was specialized in developing the elevator model, which is used in the teaching through combining the development tendency and the characteristic of training in higher vocational college, and made the model objective, practical, demonstrative and advanced. This thesis shows the chart and

8、 structure of PLC system, provides its design and analyzing ladder program design.Keywords :elevator; PLC; transducer ;control system; ladder diagram TOC o 1-3 h z u 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc230795828 1 绪 论 PAGEREF _Toc230795828 h 1 HYPERLINK l _Toc230795829 课题研究的背景 PAGEREF _Toc230795829

9、h 1 HYPERLINK l _Toc230795830 国内外研究现状 PAGEREF _Toc230795830 h 1 HYPERLINK l _Toc230795831 课题来源 PAGEREF _Toc230795831 h 2 HYPERLINK l _Toc230795832 课题研究内容 PAGEREF _Toc230795832 h 2 HYPERLINK l _Toc230795833 课题研究意义 PAGEREF _Toc230795833 h 2 HYPERLINK l _Toc230795834 2 模型电梯控制系统的主要元器件 PAGEREF _Toc230795

10、834 h 3 HYPERLINK l _Toc230795835 可编程控制器(PLC: Programmable Logic Controller) PAGEREF _Toc230795835 h 3 HYPERLINK l _Toc230795836 2.2 通用变频器概述 PAGEREF _Toc230795836 h 9 HYPERLINK l _Toc230795837 3 电梯控制系统的硬件开发 PAGEREF _Toc230795837 h 13 HYPERLINK l _Toc230795838 3.1 电梯控制系统的结构及工作原理 PAGEREF _Toc230795838

11、 h 13 HYPERLINK l _Toc230795839 变频器的选择 PAGEREF _Toc230795839 h 14 HYPERLINK l _Toc230795840 3.3 可编程序控制器 (PLC)的选择 PAGEREF _Toc230795840 h 16 HYPERLINK l _Toc230795841 3.4 PLC控制系统硬件开发 PAGEREF _Toc230795841 h 17 HYPERLINK l _Toc230795842 3.5 I/O 点数的分配 PAGEREF _Toc230795842 h 20 HYPERLINK l _Toc23079584

12、3 4 电梯控制系统的软件设计 PAGEREF _Toc230795843 h 22 HYPERLINK l _Toc230795844 电梯的三个工作状态 PAGEREF _Toc230795844 h 22 HYPERLINK l _Toc230795845 系统的软件开发方法确定 PAGEREF _Toc230795845 h 23 HYPERLINK l _Toc230795846 系统的软件开发 PAGEREF _Toc230795846 h 26 HYPERLINK l _Toc230795847 5 电梯模型的PLC控制系统的调试 PAGEREF _Toc230795847 h

13、30 HYPERLINK l _Toc230795848 总 结 PAGEREF _Toc230795848 h 31 HYPERLINK l _Toc230795849 致 谢 PAGEREF _Toc230795849 h 32 HYPERLINK l _Toc230795850 参考文献 PAGEREF _Toc230795850 h 33 HYPERLINK l _Toc230798004 附 录 PAGEREF _Toc230798004 h 341 绪 论随着国民经济的高速开展，现代化的高层建筑不断增多。高层建筑离不开电梯，效劳性和生产性的部门也同样需要不同类型的电梯，全社会配备电

14、梯的用户正在迅速增加。电梯是一种垂直交通运输设备，又是一种比拟复杂的机、电结合成一体的大型工业产品，它既有完善的机械专用构造，又有复杂的电气控制局部。电梯控制系统主要采用以下三种控制方式：一是继电器控制系统；二是可编程控制器(PLC: Programmable Logic Controller)控制系统；三是微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高，控制方式不灵活及功率消耗大等缺点，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽然在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗干扰性差、系统设计较复杂、一般维修人员难以掌握其维修技术等缺点。PLC控制系统由于运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、节能等优越性，成为目前在

15、电梯控制系统中使用最多的控制方式。同时，由于电力电子技术和微电子技术的迅速开展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的不断深入，特别是近几年来，大规模式集成电路32位数据处理器和矢量控制理论的应用，使得通用变频器的性能得到了很大提高，电梯的拖动方式也由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术结合变频调速技术已成为现代电梯行业的一个热点。在国外，电梯己经实现智能化。就是利用推理和模糊逻辑，采用专家系统方法指定运行规那么，并对选定规那么进一步处理以确定最正确的运行状态。同时向乘客通报电梯状态，满足乘客生理和心理要求，实现高效的垂直输送。一般智能电梯是多微机控制系统，并与维修、消防、

16、公安、电信部门进行联网，做到节能、平安、环境优美、实现无人化管理。我国电梯业开展较晚，1908年上海安装了第一台进口电梯。1949年才100多台，还不能制造。1959年上海电梯厂生产了我国第一台双人自动扶梯。改革开放以来，我国电梯业才得以迅速开展，也有了许多自己的电梯制作公司。随着国产电子元器件生产能力的提高、进口技术市场的开放，我国又生产了使用PLC控制的电梯。90年代，我国引进技术生产了具有较高技术性能用计算机控制的电梯，并研制出使用计算机控制的、具有先进水平的变压电梯，使我国电梯业登上了一个新的台阶。电梯在使用中要求能到达运行正常、乘坐舒适、不出或少出故障，并确保平安运行，防止人身事故，

17、必须将先进的控制技术，同时，电梯的维修人员也必须对电梯的结构、运行原理、性能特点、控制方式进行全面的认识和掌握。电梯是电气、机械、控制等多门学科紧密结合的大型机电一体化产品，系统结构庞大而复杂，封闭使用，一旦投入运行，从外部就很难了解电梯的结构及其工作原理；模型电梯是电梯的简化结构，通过模型电梯的控制可以全面了解电梯的工作原理，常用作高等院校相关课程的教学实验设备，以及技校、职业学校、劳动就业培训中心、电梯维修物业管理等有关电梯专业的培训设备，在教学和工程培训中有很强的实用价值。根据行业的开展方向，结合实践教学的特点，决定开发研制一个实训用模型电梯，使其具有客观的真实性、实用的操作性。课题所研

18、究的内容主要是利用可编程控制器(PLC)和变频器设计一个模型电梯自动化控制系统，软、硬件系统的实现与调试。本设计利用西门子S7-200cpu224的PLC，利用其丰富的根本及功能指令，通过程序设计来实现对电梯的仿真控制。本论文预期到达的成果和水平是能实现对电梯的完全仿真控制。在本论文中，我详细地阐述了电梯系统的控制原理，绘制了电梯电气控制原理图；介绍了模型电梯控制系统中主要的控制元件PLC、变频器等工作原理及选型依据；根据电梯PLC控制系统的设计思想，利用西门子S7-200 的编程软件进行电梯控制系统的编程，给出了模型电梯PLC控制系统的结构框图；最后对模型电梯进行了调试。本设计实现了电梯的自

19、动开关门控制、电梯的厅召唤控制、电梯的到站指示控制、电梯的自动平层控制等。本论文设计中所用的模型电梯是根据最常见的升降式电梯结构，采用透明有机材料制成，其结构与实际电梯完全相同，且几乎具备实际电梯的全部功能，事实上可以把它看作是小型化了的电梯。通过PLC和变频器组成的控制系统来控制电梯的动作，能够更直观、透彻地了解、掌握电梯的结构及其动作原理，到达事半功倍的效果。在教学和工程培训中有很强的实用价值。2 模型电梯控制系统的主要元器件电梯是效劳于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直或倾斜角小于150的刚性导轨之间。电梯的主要组成局部有曳引局部、轿厢和厅门、电器设备及控制装置

20、、其它装置。曳引局部通常由曳引机和曳引钢丝绳组成，电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动，轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成，厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等；电器设备及控制装置有曳引机、选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅站指示器组成，对重装置、补偿装置等。电梯控制系统是整个电梯的核心局部。它是一个相当复杂的逻辑控制系统，系统要在首要保证乘客平安的根底上，在极短的时间内对几百个信号进行检测和处理。早期的电梯控制系统中，电梯信号的逻辑控制一般是由继电器电路来实现的，继电器控制系统故障率高，降低了电梯的运行可靠性与平安性，故目前己被逐步淘汰；目前电梯的控制普遍采用了两种方

21、式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能；第二种控制方式用可编程控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。目前，国内厂家大多项选择择第二种方式，PLC在电梯控制系统中有广泛的运用。可编程控制器(PLC: Programmable Logic Controller) 可编程序控制器是以微处理器为根底，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术开展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因而在冶金、化工、交通、电力等领域获

22、得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。.1 PLC的产生在可编程控制器问世以前，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。可编程控制器起源于二十世纪60年代世界技术处在全面改造变革时期。工业高速开展对生产自动化程度提出了更高的要求。一些过去由继电器组成的工业控制器已经不能满足这方面的需求，新一代具有计算机功能、高可靠、易操作、适应性强、本钱低廉的通用控制装置-可编程控制器相

23、继面世。第一台这种新型控制器是1969年美国数字设备公司为美国通用汽车公司(GM)开发研制的PDP-14型可编程控制器。它不仅成功地应用在GM公司要求不断改变车型的生产线上，而且这类控制器也能很方便的使用到其他工业控制领域中去。可编程控制器特有的优异性能和通用的特点使得它很快被引人日本、德国等工业兴旺国家，继而在世界各国迅速开展推广起来。我国在70年代引进了这项技术，并逐步运用到工业控制中去.早期的可编程控制器是用来取代继电器控制器，主要针对开关量用于顺序控制。它仅有逻辑运算、计时、计数等控制功能。所以通常简称为PLC( Programmable Logic Controller)，即可编程逻

24、辑控制器。进人80年代以来，它的功能随着16位和32位微处理器在PLC中的普遍运用使其功能远远超出了当初对PLC的要求，具备了可以进行模拟量处理、位置控制及远程通讯等综合功能，因此又被称为PC，即可编程控制器(Programmable Controller)。但由于这个简称容易和个人计算机的简称PC相混淆，故仍可以用PLC作为现代可编程控制器的缩写。.2 PLC的特点PLC最初是为了替代继电器控制系统而研制的，其自身又是一个计算机系统，所以它除了具备继电器控制系统和微型计算机系统的原有功能外，还有其自己的特(1) 运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强。由于采取了一系列的保证PLC 高可靠性的措施，

25、PLC的平均无故障时间(MTBF)一般可到达3到5万小时，且能在各种工业环境下运行。(2) 编程简单 ，使用方便。PLC采用面向过程、面向问题的“自然语言编程，如梯形图语言编程方式非常直观、易懂易编，容易推广使用。(3) 功能强大。现代PLC不仅具有条件控制、计数、定时、步进、跳转、移位等功能，还能完成A/D, D/A转换、数字运算和数据处理以及通信网络，生产过程监控等功能。(4) 硬件配置、安装、使用和维护都很简单方便。PLC的接线只需将输入设备(如按钮、开关等)与其输入端子相连，将输出设备(如接触器、电磁阀等)与其输出端子相连，十分方便。PLC上有I/O指示灯(LED),哪个I/O元件有故

26、障，一目了然。(5) 体积小 、重量轻，易于实现机电一体化。PLC结构紧凑、巩固耐用、体积小巧，并具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为机电一体化十分理想的控制设备。.3 PLC的分类由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。通常各类PLC产品可按结构形式、I/O点数以及所具备的功能等三个方面进行分类:(1) 按结构型式分类可分为整体式和模块式.(2) 按I/ O点数和存储容量分类可分为小型机、中型机、大型机。(3) 按功能划分可分为低档机、中档机、高档机。.4 PLC的应用PLC由于具备以上特点，现在已经广泛应用于国内外的机械

27、、冶金、化工、汽车、轻工等行业中。假设按应用类型来划分，PLC的应用领域，大致可分为如下几个领域:(1) 开关量逻辑控制PLC最根本的功能就是逻辑运算、计时(定时)/计数等。在中、高档数控机床的数控系统中，大多采用PLC+NC的控制方式，前者实现对开关量(如M功能、T功能)的控制，后者完成插补运算等功能。(2) 模拟量的闭环控制一般PLC都有A/D.D /A转换及算术运算等功能，因此可以实现模拟量控制。(3) 数字量的智能控制利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备相应的传感器或伺服装置(如环形分配器、成效、步进电机)就能实现数字量的智能控制。(4) 数据采集与监控PLC可以在控制现场实现

28、控制，把现场的数据实时显示或采集保存下来，供进一步研究。(5) 分布式控制系统通过联网可以把PLC与PLC，或PLC与上位机连接起来，构成多级分布式控制系统。.5 PLC的组成PLC是一种以微型计算机为主体、具有强大控制功能和抗干扰能力的工业控制装置。所以它的组成与一般计算机系统根本一致，有中央处理器(CPU)、存储器、1/0接口局部、电源、通信接口、编程工具等。其结构框图如图2-1所示：存储器上位机算机I/O扩展单元I/O扩展口外设接口用户程序存储器编辑器特殊功能单元系统程序存储器按钮输入单元接线器线圈输出单元继电器触点 指示灯中央处理单元行程开关电磁阀线圈 电源 图2-1 PLC结构框图2

29、.1.6 PLC的工作原理PLC是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。因为专门在工业环境下应用，所以采用了循环扫描的工作方式，整个工作过程如图2-2所示：启动初始化处理：I/O状态表清零自诊断输入信号处理：扫描输入信号，将结果存入I/O状态表程序处理：顺序处理用户程序，将结果存入I/O状态表输出信号处理：扫描输出结果，送入输出锁存电路进行输入图2-2可编程控制器工作过程图可编过程控制器的输入端子和输出端子并不是直接与主机直接相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态存放器而言的。输入输出状态存放器也称为I/O状态表。该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区.其中存放输入状态信息

30、的存储器叫输入状态存放器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态存放器。PLC上电后，CPU首先使I/O状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，就采用循环扫描工作方式执行用户程序。在正常情况下，一个用户程序扫描周期由三个阶段组成。三个阶段的工作过程是:(1)输入处理阶段又称为输入采样。在此阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息关到I/O状态表中存放。在同一扫描周期内，某个输入点的状态在I/O状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。(2)程序处理阶段当输入状态信息全部进入I/O状态表后，

31、CPU工作进入到第二个阶段。在这个阶段中，可编过程控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/O状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/O状态表的输出状态存放器中。(3)输出处理阶段又称为输出刷新。这个阶段CPU 对用户程序己扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/O状态表中的输出状态暂存器中。此时将输出信号从输出状态存放器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入处理阶段进行。当CPU进入程序处理阶段后，输入端被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行新

32、的扫描，这就是所谓集中采样，即在CPU 工作的一个扫描周期内，定时集中对输入状态进行扫描。在用户程序中如果对输出屡次赋值，那么最后一次有效。在一个扫描周期内，只是在输出处理阶段将输出信息从输出存放器中送出去，而在其它阶段，输出值一直保存在输出存放中，即输出也采取集中定时输出的方式。输出存放器中的状态在用户程序中也可作为中间结果或输入条件来使用。可编过程控制器所采用的集中采样，集中输出的工作方式，使得CPU工作时的大多数时间与外设隔离，因而从根本上提高了它的抗干扰能力，增强了可靠性，但响应滞后、速度慢，也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。.7 PLC的性能指标PLC的性能，通常是用以下多种指标

33、综合表述:1编程语言常用的有梯形图、语句表、控制系统流程图三种编程语言。不同的PLC可能采用不同的编程语言。2用户程序存贮容量用户程序存贮器用以存贮通过编程输入的用户程序，其存贮容量通常是以字为单位来计算。约定16位二进制数为一个字，每1024个字为K字。中、小型的PLC存贮容量一般在8K以下，大型的PLC存贮量有的己到达256K及2M。在编程时，每一条指令所占的存贮容量是I个字、2个字等。通常，对于一般的逻辑操作指令，每条指令占1个字，计时/计数、移位指令占2个字；对于一般的数据操作指令，每条指令占2个字。也有的PLC，用户程序的存贮容量是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步。3I/O总数

34、对于开关量1/0，其I/0总数用最大I/O点数表示;对于模拟量U0，其I/O总数用最大1/0信道路数表示。4扫描速度以ms/K字为单位表示，例10m s/K表示扫描IK字的用户程序所需时间为l0 ms。5指令种数用以表示PLC的编程功能。6内部继电器的种类和点数包括辅助继电器(无断电记忆和带断电记忆的)、计时器叶数器、移位存放器、特殊继电器等。7其它除以上根本的性能指标以外，对于不同的PLC，还可能列出其它一些指标，如输入/输出方式、特殊功能模块、自诊断功能、通讯联网功能、I/0能力、监控功能，还可能列出一些主要硬件(如CPU、存贮器)的型号以及PLC的环境适应性能等。 通用变频器概述80年代

35、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两个大的进展过程。目前从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。因此可以说在电气调速传动领域内，以变频器应用技术为代表的交流调速传动已经成为电气调速传动的主流。在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定(通常为工频50Hz)的交流电(三相的或单相的)变换成频率连续可调(多数为0-400Hz)的三相交流电。如图2-3所示：L1QFRU L2SVVVFVM变频器L3TW50HZ，3相0400HZ，3相图 2-3变频器的使用变

36、频器的输入端(R. S. T)接至频率固定的三相交流电源，输出端(U. V. W)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。.1变频器的根本构成通用变频器的根本构成如图2-4所示，主要由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。整流器：电网侧的变流器I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。逆变器：负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成三相桥式逆变电路。只要有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，就可以得到任意频率的三相交流电输出。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状

37、态或是发电制动状态，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组件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又称中间直流环节为中间直流储能环节。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经采用微型计算机进行全数字控制，尽可能简化硬件电路，主要依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控制。负载侧变流器中间直流器网侧变流器整

38、流器逆变器MACAC控制指令DC控制指令控制电路运行指令图2-4 变频器的根本构成.2变频器的分类变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类：1按变换频率的方法分：交一交变频器：又称为直接式变频器。它是把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以一下0/2 ),故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。交一直一交变频器：又称为间接式变频器。它是先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围内，以及改善变

39、频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势，通用变频器就属于这种形式。2按输出电压的调制方式分： PAM (脉幅调制) 变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式已经很少采用。PwM(脉宽调制) 变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制(SPWM)方式。3按主电路工作方式分：电流型：直流环节的储能元件是电感线圈LF,如图2-5-a所示 电压型：直流环节的储能元件是电容器CF,如图2-5-b所示LfRUCFSRUS。VVWTWTT a电流型 b电压型 图2-5电流型与电压型的储能方式.3 变

40、频器的变频与变压1在基频额定频率以下调速在基频以下调速时，需要调节电源电压，否那么电动机将不能正常运行，其原理如下:三相异步电动机正常运行时，定子阻抗压降很小，可以认为，那么每相电动势的有效值是,公式中: 是定子相电压；是气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值；是定子频率；是定子每相绕组串联匝数；是基波绕组系数；是每极气隙磁通量。当降低时，如果不变，将使磁通增大，电动机磁路饱和，励磁电流急剧增加，因此电动机将无法正常运行。为了防止磁路饱和，就应使保持不变，于是 :/常数，上式说明，在基频以下变频调速时，要实现恒磁通调速，应使电压和频率按比例地配合调节，这相当于直流电动机的调压调速，也称恒压频比控

41、制方式。2在基频额定频率以上调速在基频以上调速时，也按比例升高电压是很困难的。因此只好保持电压不变(不超过电动机绝缘要求的额定电压)，即=常数，这时越高，越弱，这相当于直流电动机的弱磁调速。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得如图2-6所示的异步电动机变频调速控制特性。由上面的讨论可知，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 (Variable Voltage Variable Freqency)调速控制。通用变频器可适应异步电动机的变频调速的根本要求。图2-6异步电动机变频调速控制特性3 电梯控

42、制系统的硬件开发在本设计中利用PLC代替传统的继电控制系统，由变频器实现对电梯的拖动调速，通过PLC与调速拖动装置相结合，构成PLC集选控制系统，实现了电梯的各种控制功能。通过多种方案的比拟和论证，完成了电梯控制系统中主要元器件PLC和变频器的选择: PLC选用西门子公司S7-200系列CPU224；变频器选用高性能的VS-616G5型通用变频器。整个系统的电气原理图见附录电气原理图。3.1 电梯控制系统的结构及工作原理系统采用集中控制方式，主要包括信号控制系统和拖动控制系统两大局部，其系统框图如图3-1所示。可编程控制器PLCM3拖动控制系统控制单元旋转编码器变频器信息控制系统门机控制厅外呼

43、梯盘轿厢操作盘显示装置平安装置井道装置图3-1控制系统结构框图电梯控制系统工作原理：电梯控制系统作为电梯的核心部件，对其性能要求相当高。因而不仅电梯控制系统的结构相当复杂，而且其工作过程也十分复杂。具体分为以下几方面进行说明: 1PLC系统工作过程 管理与调度PLC系统接收电梯的呼梯信号和轿厢位置信号。当系统没有发现故障时，根据内部调度算法，对该台电梯进行运行调度，产生电梯运行的各种控制信号，如运行信号、正常/检修信号、方向信号等，并把这些信号传送给调速控制PLC。另外，管理与调度PLC还负责产生和发送电梯运行方向显示信号和楼层显示信号给楼层显示装置，以供显示;同时还接收各种井道信号(如换速信

44、号、平层信号等)和故障信号，以控制电梯的减速平层和保证电梯平安可靠运行。 2调速控制变频器系统工作过程 调速控制变频器接收来自管理与调度PLC的信号，在没有发现故障的情况下，开始控制电梯拖动系统使其工作。其工作过程为: 1)给电梯拖动系统通电，同时松开抱闸进行称重。 2)称重结束后，沿加速曲线按时间原那么运行。3)在接收到换速信号时，开始沿减速曲线按位置原那么运行。 4)当位置进入规定的误差范围之内时，开始里G-运行。5)当电梯运行到允许位置误差范围内时，认为电梯己经到位，开始发抱闸信号。 延时一段时间后，切断整个拖动系统电源:再过规定的时间(如2s)，使电梯系统进入运行前的就绪状态，为新一轮

45、的运行作好准备。3.2变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。目前，有为电梯控制而设计的专用变频器，其功能较强，使用灵活，但其价格昂贵。本设计采用通用型变频器，通过合理设计，可使其到达专用变频器的控制效果。在本设计中选用高性能的VS-616G5型通用变频器。交流电机调速原理由电机学原理可知三相异步电动机的转速可由下式表示 n=60f/p(1一s) 式中:f为电源频率，P为电动机定子绕组的极对数，s为转差率 从上式可看出，在极对数P和转差率s不变的情况下，转速n与电源的频率f成正比，改变电动机的频率f

46、就可以改变电动机的转速，从而实现电梯的零速起动。 变频器的选择电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择的一项重要内容。系统中拖动调速控制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。考虑到以上各种因素，系统选用安川VS-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地场合。 VS-616G5型变频器简介VS-616

47、G5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，VS-616G5作为通用变频器适合任何应用场合，在低速下能够实现平稳启动 (1%额定转速)并且极其精确地运行。它的自动调整功能可使世界各地生产的电动机到达高性能运行。VS-616G5将四种控制方式融为一体，包括u/f控制、矢量控制、闭环u/f控制、闭环矢量控制。VS-616G5型变频器的主要性能如下: (1)磁通矢量控制使任何类型的负载都可在低速下平稳启动。 VS-616G5具有全频域磁通电流矢量控制的特点。它是根据现代控制理论，采用磁通检测和神经网络控制技术，直接控制电机的转矩。它在低速下(1%额定转矩)即使不采用PG反应，也可提

48、高启动转矩和无故障运行，当增加PG控制时，可以实现零速高转矩控制。 (2)可靠的力矩控制。 VS-616G5是通过精确的力矩控制功能来控制输出力矩的。万一发生故障时，也能确保无冲击平安运行。VS-616G5在传送带和重型传输机械的应用中证明了它的耐久性和完美的性能。 (3)宽调速范围的精确控制。 VS-616G5即使在负载变动条件下，也具有全速范围高精度运行的特点。 (4)优秀的伺服响应。 带PG反应时，需要选用PG速度控制卡。 VS-616G5型变频器的特点如下: 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

49、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。 VS-616G5变频器的参数设置选用安川616G5CIMR-G5A4022通用变频器，技术特性为:可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩;适用于各种应用场合，在低速下实现平稳起动并且极其精确的运行;它的自动调整功能可使各种电动机到达高性能的控制;它将u/f控制、矢量控制、闭环u/f控制、闭环矢量控制四种控制方式融为一体,其中闭环矢量控制最适合电梯控制要求。VS-616G5变频器用在调速系统中时，必须配PG卡，旋转编码器及制动电阻。旋转编码器与主电动机同轴连接，通过PG卡(又名编码器连接板)对电

50、动机测速和反应电梯的位置。选用OMRON公司的1024脉动增量式光电脉冲旋转编码器。旋转编码器与电动机同轴连接，产生A,B两相脉冲。当A相脉冲超前于B相脉冲900时，认为电动机处于正转状态;当A相脉冲滞后于B相脉冲卿时，认为电动机处于反转状态。根据A,B相脉冲的相序，可判断电动机转向。根据A,B相脉冲的频率 或 周期)可测得电动机的转速。假设以A,B相脉冲的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反应信号送给变频器，以便进行运算调节。 可编程序控制器 (PLC)的选择电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根

51、据给定的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前提。在本设计中利用旋转编码器来检测轿厢的位置，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。旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量主要是转角，并把它们转换成数字形式的输出信号。在电梯中用码盘来检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反应信号和位置指示信号。旋转编码器

52、的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，进而，算出电梯运行过程中轿厢所处层楼位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等.。根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后，系统选择了西门子公司SIMATICS7-200系列CPU224。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。而且S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列PLC具有以下几方面的优点：1S7-200配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块，D/A

53、模块和其它特殊功能模块。2S7-200指令功能丰富，且指令执行速度快。3S7-200可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，存放器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器HC0-HC5能接受脉冲编码器脉冲。4S7-200的编程可以用编程器，也可以在PC机上使用西门子公司S7-200 CN STEP7_MicroWIN编程软件。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。3.4 PLC控制系统硬件开发电梯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局部组成。图3-2为电梯PLC控制

54、系统的根本结构图，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、调速装置与主拖动系统等厅外呼梯轿厢操纵盘指层器PC主机输出接口输入接口平安装置调整器CPU存储器进道装置拖动控制图3-2电梯PLC控制系统的根本结构图设计思想(1)信号控制系统 电梯信号控制根本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如图3-3所示，输入到PLC的控制信号有:运行方式选择 (如自动、有/无司机、检修、消防运行方式等)、运行控制、轿内指令、层站召唤、平安保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。运行方式选择平安保护运行控制信号呼梯信号指示输出接口输入接口楼层显示指令

55、信号运行方向指示 PLC外指令信号呼体铃开关门控制开关们信号门区或平层信号拖动系统图3-3 电梯PLC信号控制系统框图(2)电梯控制系统实现的功能 一台电机控制上升和下降，各层设上/下呼叫开关最顶层与起始层只设一只。 电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。 待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客。自动关门待客。当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时，电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。 自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站46S应能自动关门；在延时时间内，假设按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。 按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯

56、启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将翻开。 内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。 自动定向，当轿厢内操纵盘选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原那么，自动确定运行方向。自动换向，当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。 呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。 自动返基站。当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。(3)电梯操作方式单台电梯的操作方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。在乘客电梯

57、中几乎全部采用集选控制方式。 单轿厢下集选控制：登记所有轿厢和厅门下行召唤；轿厢上行时，只容许轿厢召唤，直至最高层；自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。 单轿厢全集选：登记所有厅门和轿厢召唤；上行时顺应答轿厢和厅门上召唤，直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。系统采用全集选操作方式。 电梯的控制要求(1) 使 轿 厢下行的情况轿厢内有在其以下各层下电梯者;轿厢下行，轿厢内人已下空，但在其所在层位以下，轿厢外有下行呼梯请求;轿厢内无人，在其所在层位以下各层的轿厢外虽无下行呼梯请求，但有上行呼梯请求。(2) 使轿厢上行的情况轿厢内有在其以上各层下电梯者;轿厢上行，轿厢内人已下空，但在其所

58、在层位以上，轿厢外有上行呼梯请求;轿厢内无人，在其所在层位以上各层的轿厢外虽无上行呼梯请求，但有下行呼梯请求。(3)轿厢上下行时，应响应顺向截梯呼叫请求。(4)轿厢随时进行轿内选层登记，轿外各层上下呼梯登记。(5)电梯运行到某层位后，给该层轿内已登记的选层信号消号，给该层轿外同方向的已登记的呼梯信号消号。 I/O 点数的分配 表3-1 输入点I:编号名称编号名称一楼楼层限位三楼请求向下二楼楼层限位四楼请求向上三楼楼层限位四楼请求向下四楼楼层限位五楼请求向上五楼楼层限位五楼请求向下六楼楼层限位六楼请求向下轿厢内一楼按钮轿厢内七楼按钮轿厢内二楼按钮轿厢内八楼按钮轿厢内三楼按钮七楼楼层限位轿厢内四楼

59、按钮八楼楼层限位轿厢内五楼按钮电梯上极限轿厢内六楼按钮电梯下极限轿厢内开门按钮六楼请求向上轿厢内关门按钮七楼请求向上一楼请求向上I42七楼请求向下二楼请求向上八楼请求向下二楼请求向下三楼请求向上表3-2 输出点Q：编号名称编号名称一楼上升指示六楼上升指示二楼上升指示七楼楼上升指示二楼下降指示八楼下降指示三楼上升指示八楼下降指示三楼下降指示变频器 启/停四楼上升指示变频器 正/反转四楼下降指示变频器速度设定1五楼上升指示变频器速度设定2五楼下降指示六楼下降指示电梯开门电梯关门4 电梯控制系统的软件设计在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这局部工作是由PLC来完成的，系统软件根据运行要求及保护

60、要求由PLC来实现逻辑控制。4.1电梯的三个工作状态电梯控制系统由呼叫到响应形成一次工作循环，电梯工作过程又细致分为自检、正常工作、强制工作等三种工作状态。电梯在三种工作状态之间来回切换，构成了完整的电梯工作过程。4电梯的自检状态PLC上电后，PLC中的程序已开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态楼层且电梯门处于关闭状态。电梯自检过程的目标为：先按下启动按钮，再按下恢复正常工作按钮，电梯首先是电梯门处于关闭状态，然后电梯自动向上运行，经过两个平层点后停止。4电梯的正常工作状态电梯