基于PLC控制交流变频调速电梯系统的研究Word格式文档下载.docx
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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
三、电梯发展展望
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方向。
第二节继电器控制系统的特点及存在的问题
一、电梯继电器控制系统的优点
1、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，适合与一般技术人员和技术工人所掌握。
2、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。
3、大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。
二、电梯继电器控制系统存在的问题
1、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，因而故障率较高。
2、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，技术水平难以提高。
3、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。
4、系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
5、由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；
而且检查故障困难，费时费工。
电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。
且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。
第三节PLC及其在电梯控制中的应用特点
一、PLC的定义及特点
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。
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。
（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。
二、可编程控制器（PLC）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。
第四节电梯变频调速控制的特点
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。
电动机交流变频技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种手段。
变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
1、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、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
2、变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；
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速。
3、变频调速电梯使用先进的SPWM技术和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。
第五节本设计的主要内容
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来实现电梯信号控制，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，给出了七层电梯控制系统的梯形图程序。
第二章PLC的选择及其硬件设计
电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，控制系统结构图如图2.1所示。
图2.1控制系统结构图
图中变频器只完成调速功能，而电气控制部分是由PLC完成的。
PLC负责处理各种信号的电气关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态送给PLC，形成双向联络关系。
系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。
此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。
第一节变频器选择及其参数设计
一、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，可提高操作性能。
VS-616G5型通用变频器的标准规格如表2.1。
表2.1VS-616G5型变频器的标准规格
电压
200V
400V
容量范围
1.2～1100KVA
1.4～460KVA
电
源
电压频率
200V：
三相200/200/208/220V
400V：
三相380/400/415/460V
电压允许变动
+10%-15%
频率允许变动
+15%-15%
控
制
特
性
控制方式
正弦波PWM控制：
无传感器矢量控制（无PG）
带传感器矢量控制（带PG）
V/F控制
带传感V/F控制
启动转矩
150%HZ150%r/min
速度控制范围
1：
100（无PG）1：
1000（带PG）
速度控制精度
+0.2%-0.2%（无PG）0.02%（带PG）
速度响应
5HZ（无PG）30HZ（带PG）
转矩极限
有
转矩精度
5%-5%
转矩响应
20HZ（无PG）以上150HZ（带PG）以上
频率控制范围
0.1～400HZ
频率精度
数字式指令
频率设定分辨率
数字式指令0.01HZ/100HZ模拟式指令0.03HZ/60HZ
输出频率分辨率
0.01HZ
过载量
额定输出电流的150%IN
频率设定信号
-10V～10V，0～10V，4～20MA
加减速时间
0.01～6000.0S
制动转矩
约20%带制动选择150%
抑制高次谐波电源
直流电抗器
内带（200V24KVA、400V26KVA以下可选择）
12相整流
不能变动
主要控制功能
瞬停再起动、下降控制、转矩控制、零点伺服控制等
操作装置
16字×
2线液晶显示器
接通插件板可选择
16种（最多可装3块）
保护功能
电机保护、变频过载、瞬间过电流、
电压下降、过电压、输入缺相
二、VS-616G5型通用变频器电梯调速系统
通用变频VS-616G5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；
它适合用于各种应用场合，可以低速下实现平稳起动并且极其精确地运行，其自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制。
VS-616G5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，其中闭环矢量控制是最适合电梯控制要求的。
变频器的配置及容量选择
VS-616G5变频器用在电梯调速系统中时，必须配PG卡及旋转编码器，以供电动机测速及反馈。
旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。
旋转编码器输出A、B、两相脉冲，当A相脉冲超前B相脉冲90°
时，可认为电动机处于正转状态。
当A相脉冲滞后于B相脉冲90°
时可认为电动机处于反转状态，旋转编码器根据AB相脉冲的相序，可判断电动机旋转方向，并根据AB脉冲的频率测得电动机的转速。
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。
AB两相脉冲波形图如图2.2所
示。
图2.2AB两相脉冲波形图
VS-616G5用在电梯调速系统中时，还必须配置制动电阻。
当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，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，制动电阻的作用就是消耗回馈电能。
抑制直流电压升高。
除PG卡和制动电阻外。
VS-616G5还需要配置600脉冲旋转编码器和电梯运行曲线输入板。
其容量可选1：
1配置，即电动机容量和变频器容量相等。
最好采用大一数量级选配，即11KW电动机选15KW的变频器、15KW电动机选18KW的变频器。
三、变频器结构及参数设计
VS-616G5变频器共有9组参数。
每一组参数的设计都具有特定的含义。
常用参数如表2.2所示。
表2.2变频器常用参数
参数
功能
A组
确定控制模式
B组
选择运行功能
C组
确定加减速时间和转矩补偿时间
D组
选择频率
E组
确定运行压频曲线
F组
保护装置
H组
确定偏差标准
1、变频器容量计算
变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。
设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为V，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。
在最大载重下，电梯上升所需要曳引功率为P2：
P2=[（W1+W2+W3）g+F1]·
V（2-1）
其中F1=（W1+W2+W3）g+σ为摩擦力，σ可忽略不计。
电动机功率P1，变频器功率P应接近电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P=1.52P2。
W1=2000Kg，W2=1000Kg,W3=2400Kg,g=9.8m/sV=1.5m/s
所以：
P2=（600×
9.8+108×
9.8）×
1.5≈10.4KW
又所以：
P=1.5P2=15.6KW。
由于采用变频调速，效率高。
依照计算结果选1.5倍裕量，取变频器容量为15KW。
2、变频器制动电阻参数的计算
由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频器调速装置应具有制动功能。
带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高，采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻Rz上，成本较低而且具有良好的使用效果，能耗制动电阻的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即：
Iz=Uo/Rz≤In/2（2-2）
Rz＞2U/IN=2×
513/35.5≈28.9（Ω）
其中Uo为额定情况下变频器的直流母线电压，取Rz≥30Ω由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。
即：
Pz≥αU·
U/Rz=0.4×
513×
513/30≈3.5KW
最后，选用的制动电阻为R=30Ω，功率为P=3.5KW的电阻。
第二节可编程控制器（PLC）的选择
电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。
电梯运行过中，轿厢所处楼层的位置如何检测，PLC软件如何根据给的输入信号及运行条件判断楼层数，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。
一、轿厢位置检测
轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。
其主要功能是：
根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；
当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；
当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。
其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的发展而淘汰。
位置检测方法主要有如下几种：
1、用于簧管磁感应器或其它位置开关。
这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。
2、利用稳态磁保开关。
这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。
3、利用旋转编码器。
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，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，用作速度反馈信号和位置指示信号。
旋转编码器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楼层位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等。
以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其它方法，故系统采用此法。
二、可编程控制器（PLC）的选型
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，本设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系统PLC。
FX2N系统PLC具有以下几个方面的优点：
1、FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展I/O模块，A/D模块,D/A模块和其它特殊功能模块。
2、FX2N指令能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。
3、FX2N可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器能接受脉冲编码器脉冲。
4、FX2N的编程可用编程器，也可在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSEMEDOC来进行。
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。
第三节PLC控制系统硬件设计
电梯PLC的控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
图2.3为电梯PLC控制系统的基本结构图，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。
图2.3电梯PLC控制系统的基本结构图
系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。
一、设计思想
1、信号控制系统
电梯信号控制基本由PLC软件实现。
电梯信号控制系统如图2.4所示，输入到PLC的控制信号有：
运行方式选择、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区或平层信号等。
图2.4电梯PLC信号控制系统框图
2、电梯控制系统实现的功能
电梯的控制系统实现如下功能：
（1）一台电机控制上升和下降，各层设上/下呼叫开关。
（2）电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。
（3）电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及楼层指示键，警铃风扇及照明按键。
（4）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。
（5）自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站4～6S应自动关门；
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。
（6）按钮开门。
在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。
（7）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
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