基于PLC的变频调速电梯电气控制系统设计Word文件下载.docx
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AimingatthestatusquoofChina'
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Keywords:
theelevatorFrequencyconverterPLCcontrolFrequencycontrolofmotorspeed
绪论
电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。
随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。
电梯在设计时不但要考虑其稳定性、舒适性和欣赏性，还要满足很高的安全性，而且其包含了土建工程、电气工程和传动技术等方面，所以电梯是一个非常复杂的系统。
在实际应用中，从电梯的配件到设计及施工，整个过程都采取了高度的安全保障性。
其实，不管是设计、制造、还是安装及维修，只有从根本上严格把握电梯的各个环节才能是电梯达到最优化。
目前，由可编程序控制器（PLC）和变频器组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。
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。
电动机交流变频调速技术是当今节电、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主要手段。
[]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而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
1概述
1.1电梯的概述
1.1.1电梯的概念
电梯是服务于规定楼层，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°
的刚性导轨之间的固定式升降设备。
1.1.2电梯的分类
按用途分为：
乘客电梯（TK）、载货电梯（TH）、客货两用电梯（TL）、病床医用电梯（TB）、住宅电梯（TZ）、杂物电梯（TW）、观光电梯（TG）、船用电梯（TC）、汽车用电梯（TQ）和建筑施工电梯
按速度分为：
低速电梯、快速电梯、高速电梯、超高速电梯和特高速电梯。
按曳引电动机供电电源分为：
交流电梯和直流电梯。
按有无减速器分为：
有齿轮电梯和无齿轮电梯。
按传动结构形式分为：
钢丝绳式电梯、液压式电梯、爬轮式电梯和螺杆式电梯。
按有无司机分为：
有司机电梯、无司机电梯和有/无司机电梯。
按控制方式分为：
手柄操控控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、下集合控制电梯、并联控制电梯、梯群控制电梯和微机处理集选控制电梯。
1.1.3电梯的工作原理
[]连着轿厢和对重的引绳两端分别缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引轮转动由曳引电动机通过减速器变速后带动，由曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
本设计主要研究六层六站的电梯控制系统，分述其硬件设计和软件设计过程。
设计程序要求完成电梯控制系统主要达到以下要求：
PLC电梯控制系统应具备：
有司机、无司机、检修三种工作模式。
系统应具备自动响应层楼召唤信号（含上召唤和下召唤）。
具有轿厢层楼显示（十进制方式），能自动显示电梯运行方向。
具有电梯直驶功能和反向最远停站功能，具有检修应急处理功能。
电梯具有自动开关门和应急手动开门、关门按钮。
1.2电梯的基本结构
电梯是机电一体化产品。
目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，其机械部分由导向系统，曳引系统，轿厢和门系统，平衡系统等组成；
而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。
电梯的基本结构如图1.2所示。
图1.2电梯的基本结构
1.控制柜（屏）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.缓冲器图
从电梯各构件部分的功能上看，可分为八个部分：
曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、对重系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统。
1.2.1曳引系统
曳引系统曳引机、曳引轮、导向轮、曳引钢丝绳及反绳轮等组成。
（1）曳引机
曳引机是电梯的主要拖动机械，其作用是产生并传送动力，驱动轿厢和对重上下运行。
（2）曳引轮
曳引轮是挂曳引钢丝绳的轮子，通过曳引轮与钢丝绳之间的摩擦力产生曳引力带动轿厢与对重垂直运行。
曳引轮装在减速器中的涡轮轴上，如是无齿轮曳引机，装在制动器的旁侧，与电动机轴、制动器轴在同一轴线上。
为了提高曳引力并防止磨损打滑，在曳引轮上加工有曳引绳槽，曳引钢丝绳就位于绳槽内。
要求曳引轮强度大、耐磨损、耐冲击。
包角越大，摩擦力就越大。
为了减少曳引绳的弯曲能力，增加使用寿命，一般希望曳引轮越大越好，但过大会使体积增大，减速器速增大，因此应大小适宜一般要求大于钢丝绳直径40倍。
（3）导向轮
导向轮安装在曳引机架上或承重梁上，使轿厢与对重保持最佳相对位置，以避免两者在运行中发生相互碰撞。
（4）曳引钢丝绳
每台电梯所用曳引钢丝绳的数量和绳的直径，与电梯的额定载重量、运行速度、井道高度及曳引方式有关。
各类电梯采用的曳引钢丝绳根数因数一般应符合表1.2.1所示。
表1.2.1曳引钢丝绳与安全因素
电梯类型
曳引绳根数
安全因数
客梯、货梯、医梯
≥4
≥12
杂货梯
≥2
≥10
可见悬挂电梯轿厢的钢丝绳除杂物电梯外，一般不少于4根，其安全因数均不小于12。
因此若干根钢丝绳同时断开，造成轿厢坠落下去的事故是不会发生的。
但是由于电梯安装人员制作绳头时没有严格按有关标准和规范施工，则会发生个别曳引绳与锥套脱离的情况。
而由于使用不当和机电系统故障，如超载或某些机件损坏，造成轿厢的运行速度超过额定值，甚至有可能发生蹲底事故。
（5）反绳轮
反绳轮是指设置在轿厢顶和对重顶上的动滑轮及设置在机房的定滑轮.曳引钢丝绳绕过反绳轮可构成不同曳引比的传动方式。
1.2.2导向系统
导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。
它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。
导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。
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。
1.2.3门系统
门系统有轿厢门，层门，开门，[3]连动机构等组成。
轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在层站入口处。
开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。
1.2.4轿厢
运载乘客或其他载荷的轿体部件，如图1.2.4所示。
轿厢是电梯用以承载和运送人员和物资的箱形空间。
[]轿厢一般由轿底、轿壁、轿顶、轿门等主要部件构成，其内部净高度至少应为2m。
图1.2.4轿厢
1.2.5对重系统
对重系统也称重量平衡系统，位于井道内，通过曳引绳经曳引轮与轿厢连接。
包括对重及平衡补偿装置。
在电梯运行过程中，对重在对重导轨上滑行，起平衡轿厢自重及载重的作用，从而大大减轻曳引电动机的负担。
平衡补偿装置则是为电梯在整个运行中平衡变化而设置的补偿装置。
对重产生的平衡作用在电梯升降过程中是不断变化的，这主要是由电梯运行过程中曳引钢丝绳在对重侧和在轿厢侧的长度不断变化造成的。
为使轿厢侧与对重侧在电梯运行过程中始终保持相对平衡，就必须在轿厢和对重下面悬挂平衡补偿装置。
1.2.6电力拖动系统
功能：
提供动力、实行电梯速度控制。
构成：
（1）曳引电动机：
电梯的动力源。
（2）供电装置：
为电梯的电动机提供电源的装置。
（3）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，与电动机相联。
（4）电动机体调速控制：
交流调速电动机的调速控制方式，有交流变极调速、交流变压调速和变频变压调速；
直流电动机具有调速性能好和调速范围大的特点，常用发电机组构成的晶闸管励磁的发电机—电动机、晶闸管直接供电的晶闸管—电动机。
1.2.7电气控制系统
对电梯的运行进行操纵和控制。
（1）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、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
1.2.8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。
（1）安全钳装置：
轿厢应装有能在下行时动作的安全钳装置。
在达到限速器动作速度时，甚至在悬挂装置断裂的情况下，[]安全钳装置应能够夹紧导轨而使装有额定载重量的轿厢制停并保持静止状态。
当安全钳装置作用时，装在它上面的一个电气安全装置应在安全钳动作以前或同时，使电机停转。
（2）限速器：
通常安装在机房内或井道顶部，是限制轿厢（或对重）运行速度的装置。
当轿厢运行速度达到限定值时限速器动作，使轿厢两边安全钳的楔块同步提起，夹住导轨。
（3）缓冲器：
设置在轿厢和对重的行程底部极限位置。
如果缓冲器随轿厢或对重运行，则在行程末端应设有与其相撞的支座，支座高度至少要0.5m。
（4）超速保护开关：
在限速器机械动作之前，开关动作，切断控制回路，使电梯停止运行。
（5）上、下端站越位保护：
在井道顶端、底端设置强迫减速开关、端站限位开关和终端极限开关。
在轿厢或对重碰到缓冲器前切断控制电路。
（6）电气安全保护：
电气机械类安全装置多数设置相应的电气设备，构成电气安全保护线路。
如供电系统断相、错相保护装置；
层门与轿门的电气联锁装置；
紧急操作装置和停止保护装置；
轿定、轿内和机房的检修运行装置等。
2系统总体设计
本章确定了系统的总体结构，并针对系统的总体结构，对变频器的类型进行了叙述，并确定由PLC来实现电梯信号控制，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。
课题开发是基于PLC的电梯变频调速系统，[]采用变频器和PLC组成的变频调速电梯控制系统。
电梯的调速部分选用高性能的矢量控制变频器，逻辑部分由PLC来实现。
2.1控制方案比较
目前我国控制方案主要有三种：
继电器信号控制系统、微机信号控制系统及PLC信号控制系统。
2.2电梯信号控制系统分类及特点比较
2.2.1继电器信号控制系统
电梯继电器信号控制系统的优点：
线路很直观，易于理解与掌握，由硬件来实现所有控制功能及信号处理；
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；
大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；
多年来我国一直生产这类电梯、技术已经成熟，已形成系列化产品，技术资料和图纸齐全，熟悉，掌握的人较多。
但是，电梯继电器控制系统存在很多的问题：
触点多而杂、可靠性差，容易损坏；
由于复杂的控制功能很难用一般的电路实现，所以影响其功能的扩展和技术水平的提高；
电磁机构及触点反应慢，动作不灵敏，精度差；
系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；
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。
2.2.2微机信号控制系统
计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。
工控机有通用微机应用发展而来，[]在硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，能提供实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势，但是，它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识，技术水平较高，且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣的工作环境。
可编程控制器对此进行了改进，变通用为专用，有利于降低成本，缩小体积，提高可靠性等特性，更适应过程控制的要求。
2.2.3PLC信号控制系统
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与普通微机一样，以通过或专用PLC作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），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。
PLC控制电梯的优点：
（1）采用PLC控制电梯可靠性高。
（2）省去了大量继电器的使用，精简了电路。
（3）PLC控制功能强大。
（4）PLC能自动检测故障，并进行故障报警显示，便于系统的检修与维护。
（5）运行效率高。
（6）更改控制方案方便简单。
电梯的电力驱动系统对电梯的启动加速，稳速运行，制动减速起着控制作用。
驱动系统的优劣直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘座的舒适性等指标。
2.3系统的总体结构
系统采用集中控制方式，主要包括拖动控制系统和信号控制系统两大部分。
图2.3为电梯PLC电梯控制系统框图，主要硬件包括PLC主机及扩展、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、安全装置、显示装置、调速装置与主拖动系统等。
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2-4为电梯PLC电梯控制系统框图
图2.3电梯PLC电梯控制系统框图
2.4设计主要思路
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、层站召唤、轿内指令、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。
图2.4电梯PLC信号控制系统框图
[6]电梯的控制系统实现如下功能：
行车方向由内选信号决定，顺向优先执行；
行车途中如遇呼梯信号时，顺向截车,反向不截车；
内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除；
内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示；
停层时可延时自动开门、手动开门；
无内选时延时5s自动关门，但不能自动行车；
行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车；
长短站减速距离分别设定。
2.5PLC的选择
随着经济的发展和科技的进步，PLC得到迅速普及和推广，不但其种类繁多而且功能也不断完善和强大。
像美国、德国、日本等一些发达国家先后研制和推广的PLC种类目不暇接，其型号、结构、性能、容量、功能等各不相同，这就决定了不同的场合需要应用不同的PLC，所以选择合适的PLC显得尤为重要。
2.5.1输入/输出的选择
[]PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。
它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。
对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。
根据估算这次设计的I/O点数为输入34点，输出34点。
2.5.2软件选择
软件的选择就是实现PLC系统的编程，用户面对如此重要的问题必须了解其所选产品的功能。
[]一般系统控制器具备的控制硬件是由软件实现处理的，但是也存在一些特殊情况，有的系统需要集数据处理和繁杂的计算于一体的一些功能和控制，这就说明控制硬件外的一些软件方面的功能也是系统所需要的。
指令集非常重要，不但实现程序控制和程序执行的时间受它影响，而且编程是否容易实现也由它决定。
2.5.3机型的选择
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC，通过对输入/输出点的选择、对编程软件及机型的认识，决定选择三菱公司生产的FX2N系列的FX2N-80MR型号的可编程控制器作为电梯的控制器。
2.6变频器
2.6.1变频调速原理
由电机学原理可知三相异步电动机的转速可由下式表示：
（2.6.1）
式中：
为电机的电源频率，
为电动机定子绕组的极对数，
为转差率
从上式2.6.1可看出，在极对数P和转差率不变的情况下，转速n与电机电源的频率
成正比，改变电动机的频率
就可以改变电动机的转速，从而实现电梯的零速起动。
2.6.2变频器组成、工作原理及其分类
（1）变频器组成及工作原理
变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。
主电路如图2.6.2所示。
主电路包括整流器、逆变器和中间直流环节。
图2.6.2变频器主电路图
其整流电路采用的是不可控的二极管整流电路，而变频器的输出频率和输出电压均由逆变器按PWM方式来完成。
利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定开关器件的导通时间，从而实现调压。
逆变器又称负载变流器，最常见的结构形式是利用6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的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。
中间直流环节。
由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，故在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。
此无功功率要靠中间直流环节的储能元件（电容或电抗）来缓冲，故又称中间直流环节为中间直流储能环节。
（2）变频器的类型
按电源的性质来分：
电压型变频器，电流型变频器。
按输出电压调节方式分：
PAM方式，PWM方式，高载波变频率PWM方式。
按控制方式分：
U/f控制，转差频率控制，矢量控制。
按电压等级分：
低压变频器，高压大容量变频
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