plc自动控制升降电梯控制电路图设计.docx
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plc自动控制升降电梯控制电路图设计
****本科毕业设计
[自动控制升降电梯控制电路设计]
学生姓名：
学生学号：
院（系）：
机电工程学院
年级专业：
机械设计制造及其自动化
指导教师：
二〇年月
摘要
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。
本文在已有的通用变频器的基础上，采用PLC可编程控制器对电梯进行控制，通过合理的选择PLC可编程控制器和拖动电机，以及对控制系统程序的设计，提高了电梯的控制水平和可靠性，降低了故障率，提高了电梯运行速度，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PLC控制，变频调速，电梯，舒适感
ABSTRACT
Withthedevelopmentoftheeconomy,microelectronictechnology,computertechnologyandtheautomatictheoryaredevelopedrapidly,theACvariablefrequencytechnologyhasbeeninanewstate.Thearticleisbasedonthenow-beinggeneralfrequencyconverter,usingPLCtocontroltheelevator,thereliabilityisimprovedandthefeelingofcomfortisbetterthroughthereasonableselectionanddesign,sotheeffectofcontrolismoreideal.
KeywordsPLCcontrol,frequencyconversiontiming,elevator,fellingofcomfort
1绪论
随着城市建筑的不断发展，高层建筑不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已于人们日常生活密不可分。
随着科学技术的发展，近年来，我国电梯生产技术得到了迅速发展。
电梯主要分为控制系统和机械系统两大部分。
随着自动控制理论和微电子技术的发展，电梯的拖动方式和控制手段有了很大的变化。
自1889年美国奥梯斯升降机公司推出世界上第一步以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动，牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。
在控制方面，1915年开始有了自动平层装置。
1924年发展了信号控制系统，简化了电梯的操作。
1949年电梯控制系统开始应用电子技术，出现了群控电梯。
1950年出现了电梯近门检测器。
1960年以后，无触点半导体逻辑控制及晶闸管应用于电梯，使电梯的拖动系统简化。
1976年微机处理开始用于电梯，使电梯进入了全新的发展阶段。
目前电梯的控制系统普遍有三种方式：
一种是继电器控制系统，继电器控制系统故障率高，可靠性差，控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点。
一种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。
但是微机控制存在抗干扰能力差，系统设计复杂，维修困难等缺陷。
第三种控制方式采用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。
PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定可靠等特点。
可编程控制器（PLC）保留了传统继电器控制系统的简单易懂，控制精度高，可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定可靠等诸多高品质性能。
另外，PLC不仅平均无故障时间通常在30万小时，而且带有硬件故障自我检测功能，出现故障可及时发出警报信息。
目前，电梯的继电器控制方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。
因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。
故采用PLC控制技术加变频调速。
1.1电梯的发展
1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明－历史上第一部安全升降梯。
从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。
以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始了她辉
煌的旅程。
150年以来，她已经发展成为世界、亚洲和中国领先的电梯公司。
自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具—电梯，其需求量日益增长。
各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。
1.1.1电梯的发展现状
当前，在电梯电力拖动方面，除了大量电梯还采用直流拖动系统以外，用交流变频调速方式取代直流调速方式，以成为高速电梯的主流。
采用微机全面取代继电器控制逻辑实现闭环控制，可进一步提高电梯的性能和可靠性，并可降低现场调试的要求。
现代电梯更加强调运行质量和降低噪声。
电梯群控系统是现代电梯系统的又一重要组成部分。
它不但有完善的分区服务、运行监控、客流交通统计分析等功能，还具备故障诊断功能。
此外，用电子位置传感器取代机械选层器、用更先进的装置取代门安全触板、增设轿箱内通信设施轿箱非安全门区语音提醒和运行状态语音报告等装置，也是电梯技术现代化的体现。
当今世界，电梯的生产情况与使用数量已成为衡量一个国家现代化的标志之一。
在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。
在世界各地运行的电梯已达400多万台，其中日本就有34万台。
全世界每年电梯需求量大约在15万台左右。
其中日本需3万台，美国需两万台，欧洲需5万台，东南亚需1.2万台。
预计十年内世界平均增长率为7%，亚太增长率为9%。
世界上有名的几家电梯公司，诸如：
美国奥梯斯公司，瑞士迅达公司，日本三菱和日立公司，芬兰科恩公司等，其电梯产量已占世界市场的51%。
其中奥梯斯公司和三菱公司是世界上产量最大的电梯生产企业。
目前国外除了以交流电梯取代直流电梯外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。
此外家用小型电梯将成为电梯家族中新的组成部分。
在我国，通过引进国际电梯标准以及发达国家的先进技术和产品，引发出一支以中外合资企业为主的外向型企业队伍。
如：
中国迅达公司、天津奥梯斯公司、上海三菱公司、苏州迅达公司和广州电梯工业公司等企业，就是通过合资和补偿贸易方式，引进发达国家先进技术和管理，不断改善现有产品结构和管理体制，使企业素质和产品质量都提高到了一个新水平，推出一代电梯新产品。
此外，在沈阳电梯厂和西安电梯厂在技术开发方面也取得了成效。
电梯协会成员企业中，这些骨干企业的电梯产量占64%左右，产值占82%。
目前交流调压调速电梯技术已趋成熟，一些企业豆都有成功的产品。
微机控制电梯是电梯技术方向，一些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型，使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。
除了合资企业以外，也有其它企业开发出变频调速电梯产品。
另外，用可编程控制器（PLC）取代继电器控制系统的机型也已投产，使电梯性能得到改善，鼓掌率明显降低。
在技术上，是很大的进步，用PLC对单梯进行控制还是很有前途的。
与国外先进水平相比，还存在一定差距，但国内电梯技术正在以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。
1.1.2电梯技术发展
1、电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。
2、电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。
逐步被交流电梯所代替，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活到呢个特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。
交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由以前的变极调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。
3、电梯的逻辑控制已从过去的继电器——接触器控制发展为可编程控制器（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等，电梯可靠性得到很大的提高。
4、电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足用户的使用功能要求。
5、智能群控管理得到广泛应用。
6、机械传动方面，由于国际上机构加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。
1.1.3电梯的结构
1、曳引部分：
通常有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。
2、轿厢和厅门：
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、双折中分式和直分式等。
3、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、呼梯按钮和厅外指示器组成。
4、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。
由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。
5、其他装置：
对重装置、补偿装置等。
1.1.4电梯发展趋势
1、结构不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。
随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展，电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。
同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。
2、技术含量更高，性能更好。
电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿伦曳引机逐步成为新型曳引机的主流；由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF技术。
另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。
3、安装更方便、更快捷。
高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，将是高层电梯安装的主要方式，随着技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。
此外，电梯的双向安全装置、无地坑、无线控制、绿色环保——安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展趋势。
1.1.5现代电梯存在的问题
现代电梯还有采用继电器控制系统的，调速装置多采用直流调速。
采用继电器控制，安全稳定性不高，控制线路多，检修难度大。
而直流调速虽然平稳，但价格昂贵。
而采用微机控制系统，系统复杂，一般人员很难检修，维修难度大。
本设计，采用PLC控制系统，控制变频调速器控制速度，有安全性高，维修简单，编程灵活，故障率低等特点。
1.2本设计的主要内容
以学校办公楼五层电梯为例，首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）、变频器作了比较全面的介绍，接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。
确定了系统设计的总体结构，由PLC来实现
梯信号控制，变频器实现变频调速，完成了变频器的参数设置及PLC的选型、I/O点数分配以及旋转编码器与PLC的连接。
在设计出软件流程图的基础上，分析了电梯系统的软件设计方法，提出了模块化编程思想，给出了五层电梯控制系统的梯形图程序、主电路图以及硬件接线图。
2PLC工作原理及应用
2.1PLC的基本概念
2.1.1PLC的定义
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通的微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器，进行点（位）运算与控制。
2.1.2PLC的特点
PLC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。
1、可靠性
对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
（1）PLC不需要大量的活动原件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。
（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计硬件使可靠性大大提高。
可用于环境恶劣的地方。
（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制作流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
（6）PLC的软件方面，也采用了一系列提高系统可靠性的措施，例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。
2、易操作性
PLC的易操作性表现在下列几个方面：
（1）操作方便
PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输
入和更改操作更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改，更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
（2）编程方便
PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。
采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。
（3）维修方便
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
3、灵活性PLC的灵活性表现以下几个方面：
（1）编程的灵活性
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
（2）扩展的灵活性
PLC的扩展灵活性使它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
（3）操作的灵活性
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
2.2PLC的基本结构
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
2.2.1CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部
电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
2.2.2I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
2.2.3电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
2.2.4底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
2.3PLC的应用
1、PLC的开环控制
开关量的开环控制是PLC的最基本控制功能。
所控制的逻辑功能可以是各种各样的。
PLC控制的输入输出点数可以不受限制，少则十点、几十点，多则成千上万点，并可通过联网来实现控制。
用PLC进行开关量控制的实例很多，几乎所有工业领域都会用到它。
人们选用PLC的主要目的就是将其用于开关量的控制。
2、模拟量的闭环控制
对于模拟量的闭环控制系统，除了要有开关量的输入输出点以实现某种顺序或逻辑控制外，还要有模拟量的输入输出点，以便采样输入和调节输出，实现过程控制中的PID调节或模糊控制调节，形成闭环系统。
这类PLC系统能实现对温度、流量、压力、位移、速度等参量的连续调节与控制。
3、数字量的智能控制
利用PLC能实现接收和输出高速脉冲的功能，而这个功能在实际中用途很大。
在配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、步进电机）后，PLC控制系统也能实现数字量的智能控制。
4、数据采集与监控
PLC作为现场数据采集监控系统，普遍采用的方法是PLC加触摸屏，这样既可随时观察采集下来的数据，又能及时进行统计分析。
有的PLC本身就具有数据记录单元，。
此时可利用一般的便携计算机的存储卡，插入到该单元中保存采集到的数据。
其另一个特点是自监信号多，可以实现自诊断式的监控，同时还可以减少故障修复时间，提高系统可靠性。
5、联网、通信及集散控制
PLC的联网、通信能力很强，可实现PLC与PLC之间的联网通信，也可实现与上位计算机的联网和通信，。
也能与智能仪表、智能执行装置进行联网和通信。
利用PLC强大的联网通信功能，把PLC分布到控制现场，实现各PLC控制站间的通信以及上下层间的通信，从而实现分散控制集中管理的目的。
这样的系统实际上就是PCS（过程控制系统）系统，有的企业把全厂的自动化系统组成通信网络，从而组成计算机集成制造系统。
2.4PLC的发展
1、更多的高级功能，更简单快捷的使用
传统PLC简单的逻辑控制功能已渐渐不能满足目前工控领域的要求，许多新的控制系统不再是简单的逻辑控制而已，增加了许多新的功能要求，如大量数据处理，存储，图形处理，现地显示等。
除了要求功能的强大，许多工程开发人员，以及最终用户，还希望控制系统的结构更为简单，开发使用过程更为快捷，对其他控制系统兼容性，开放性更强。
对于这些需求，美国HORNER公司（GE公司重要合作伙伴）于20世纪80年代初，最早提出了“All in one”的一体化控制理念，并且一直致力于这一理念产品的研发，推出了世界上最早的一体化控制器――OCS （Operator Control Station）。
传统的控制系统，本地的显示和PLC一般是分开的，分别用不同的软件进行编辑，之间通过串口通讯连接，这样开发人员需要许多时间和精力用在软件的培训和程序的开发上，并且串口通讯的可靠性也比较差，易于受到干扰。
而OCS控制器不是单纯的PLC，也不是单纯的人机显示界面，它将PLC，HMI，I/O和强大的网络功能完美的结合到了一体。
人机界面和PLC控制程序的编程用同一套由HORNER开发的工业编程软件CsCAPE完成（支持5种编程语言，标配为梯形图）完成，使用户使用起来更加方便快捷。
OCS不仅仅是PLC，HMI，I/O和网络的简单整合，并且增加了许多工控机或组态软件的功能。
如浮点运算，高级数学运算，图形曲线（时间曲线，X－Y曲线），历史数据本地记录（大容量移动存储卡，2G，HORNER最早采用MicroSD存储），视频输入输出，专家系统，操作界面，数据监测，文件记录和打印等。
2、更强的通讯功能，更好的开放性
近几年来，随着互联网技术的普及与推广，以太网也得到了飞速发展，特别是以太网通讯速率的提高、以太网交换技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机：
首先，以太网的通信速率一再提高，从10Mbps，到100Mbps甚至到10Gbps，；其次，以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，连接在同一个交换机上的不同的设备不存在资源的争夺，这就相当于每个设备独占一个网段；第三，全双工技术又为每个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通道，因此使不同的以太网设备之间的冲突大大降低（半双工交换式）或完全避免（全双工交换式）。
因此，以太网成了确定的网络，从而为它应用于工业自动化控制消除了主要的障碍。
与其它现场总线或工业通信网络相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、易于与INTERNET连接、可持续发展潜力大等优点，不仅垄断了工厂综合自动化的信息管理层网络，而且在过程监控层网络也得到了广泛应用，并有直接向下延伸，应用于工业现场设备层网络的趋势。
基于以太网和Internet的不断发展，控制产品要想有更好的开放性，是离不开Ethernet的，因此HORNER的大部分OCS产品都内置了标准100Mbit以太网，并且具有WebServer和FTP server功能，也就是说，即使不用上位机，也可以将OCS的状态，包括故障报警信息和事件处理信息通过通讯模块自动传送到互联网上，用户可以通过电子邮件的方式来接收这些信息，也可以通过移动通信系统，利用手机的短信方式来接收这些信息，甚至可以通过GPRS、CDMA等先进的通讯方式来进行控制信息的跨越时空的通信。
这些通讯，使用户可以最及时地了解到设备的运行状况，可以进行远程诊断和远程监控，对于生产过程控制、制造过程的信息化、生产过程和管理的优化等都有极大的帮助。
此外，OCS强大的串口通讯功能，支持多种协议乃至自由编程通讯，也为它和其他设备或控制系统连接提供了更好的选择。
OCS具有开放性和通用性的特点，它并非专为某一个或两个行业所设计的，而是可以适合许许多多不同的行业，并应用在不同的场合。
而且，由于它所具有的开放性特点，还可以和目前的传统控制系统混合使用，并不断地升级和延伸，因此受到市场的欢迎。
它在分散控制，离散点数据采集上广泛应用，在包装机，注塑机等成套设备上的应用更为突出。
3电梯系统总体设计
3.1变频器的选择及参数设置
3.1.1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-616G5型全数字变频器。
VS-616G5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
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