基于PLC控制的交流变频调速电梯系统的设计.docx
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基于PLC控制的交流变频调速电梯系统的设计
课程名称基于PLC控制的交流变频调速电梯系统的设计
学生姓名
指导老师
日期2012年2月26日
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第一章绪论1
1.1电梯的概述1
1.1.1电梯的发展1
1.1.2电梯的发展趋势2
1.2PLC在电梯控制中的应用2
1.2.1PLC的特点2
1.2.2PLC控制电梯的优点2
1.3电梯继电器控制系统3
1.3.1电梯继电器控制系统的优点3
1.3.2电梯继电器控制系统存在的问题3
1.4电梯变频调速系统3
1.4.1电梯变频调速系统的控制3
1.4.2电梯变频调速控制的特点3
第二章简述电梯4
2.1电梯的结构4
2.1.1四大空间5
2.1.2八大系统5
2.2电梯的组成5
2.2.1曳引系统5
2.2.2导向系统6
2.2.3轿厢6
2.2.4门系统6
2.2.5重量平衡系统6
2.2.6电气控制系统6
2.2.7电力拖动系统6
.2.8安全保护系统7
2.3电梯的分类7
2.3.1电梯的类型7
2.3.2电梯的主要参数9
第三章方案的选择11
3.1可编程序控制器（PLC）11
3.1.1可编程序控制器（PLC）的基本概念11
3.1.2可编程序控制器（PLC）的基本组成13
3.1.3可编程序控制器（PLC）的工作原理14
3.1.4可编程序控制器（PLC）的特点及应用15
3.2可编程序控制器（PLC）的选择15
3.2.1轿厢位置检测15
3.2.2可编程序控制器（PLC）的选型16
3.3变频器的选择16
3.3.1变频器的分类16
3.3.2通用变频器19
3.3.3安川VS—616G5型变频器19
第四章系统设计
4.1电梯的三个工作状态
4.1.1电梯的自检状态
4.1.2电梯的正常工作状态
4.1.3电梯强制工作状态
4.2元件相互间的接线图
4.2.1电梯系统总体接线图
4.3电梯中可编程序控制器（PLC）的设计
4.3.1电梯中PLC输入信号的地址
4.3.1电梯中PLC输出信号的地址
4.4梯形图编写
4.4.1电梯开关门梯形图
4.4.2电梯到层指示
4.4.3层呼叫指示灯控制
4.4.4电梯启动和方向选择及变速控制
结论
参考文献
摘要
随着我国经济的高速发展，社会环境的整体提升，电梯已成为我们生活中不可或缺的组成部分。
而电梯的控制技术也已从直流电动机拖动到交流单速、交流双速电动机驱动，到交流调压调速（ACVV）控制，发展到交流调压调频技术（VVVF）控制，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。
本次设计是将可编程序控制器（PLC）应用于三层电梯进行逻辑控制，使用变频器实现变频调速，通过合理的选择和设计，使电梯达到较为理想的控制效果。
在PLC和变频器的类型选择时，通过性能指标等综合考虑，选用了安川VS-616G5型全数字变频器和日本三菱公司生产的FX2N可编程控制器。
本次所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。
本设计介绍了电梯的基本结构，阐述了电梯的工作原理，并且设计了PLC程序。
整体大致分为硬件设计和软件设计两部分。
最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。
关键词：
电梯；PLC控制；变频器；变频调速
Abstract
WithChina'srapideconomicdevelopment,thesocialenvironmentoftheascensionofthewholeofourlives,theelevatorhasbecomeindispensablepartof.WhiletheelevatorcontroltechnologyhasdevelopedfromtheDCmotorstosinglespeedAC,ACdoublespeedmotordrive,toACadjustablespeedcontrol（ACVV）,tothedevelopmentofACVVVFtechnology（VVVF）control,thelogiccontrolbythePLCtoreplacetheoriginalrelaycontrol,manyofitsfunctionstraditionalrelaycontrolsystemcannotbeachieved.
Thisdesignisaprogrammablelogiccontroller（PLC）isappliedtothethreelayerelevatorcontrollogic,theuseoffrequencyconverterfrequencycontrol,throughtherationalchoiceanddesign,sothatthelifttoreachamoresatisfactorycontroleffect.InPLCandinvertertypeselection,throughtheperformanceoftheintegratedconsideration,choose,VS-616G5typefulldigitalinverterandMitsubishiFX2Nprogrammablecontrollerinproduction.Thedesignofelevatorandelevatorcomparedtraditional,intherunwithgoodcomfort,inlifecansaveenergy,andachievedgoodeconomicandsocialbenefits,toachievethedesiredpurpose.
Thisdesignintroducedthebasicstructure,elaboratedtheworkingprincipleoftheelevator,andthedesignofPLCprogram.Thewholeisbroadlydividedintothehardwaredesignandsoftwaredesignoftwoparts.Finally,theresearchcontentsofthispaperaresummarizedandprospects.
Keywords:
Elevator;PLCcontrol;inverter;variablefrequencyspeedregulation
第一章绪论
1.1电梯的概述
电梯是服务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的倾角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入后装载货物。
它适用于装置中两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。
1.1.1电梯的发展
电梯进入人们的生活已经有100多年了。
早在公元前1115年至1079年之间我国劳动人民就已经开始使用“桔棒”等人力升降机。
在公元前236年古希腊阿基米德设计了人力驱动的卷筒卷扬机，而作为升降设备。
在1887年，美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯，这是一台以直流电动机传动的电梯。
它被装设在1889年纽约德玛利斯大厦。
这座古老的电梯，每分钟只能走10米左右。
当初设计的电梯纯粹是为了省力。
在1900年，以交流电动机传动的电梯开始问世。
在1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采用全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。
在1903年，又将卷筒式驱动方式改进为槽轮式（即曳引式）驱动。
所谓卷筒式驱动，是将曳引绳缠卷在卷筒上来提升重物，而槽轮式也称为曳引式驱动，是在曳引绳一端提升重物，另一端为平衡重，依靠曳引绳和曳引轮的绳槽之间的摩擦来驱动重物作垂直运动。
因此只要在曳引系统的容量和强度允许范围内，通过改进曳引绳长度就可适应不同的提升高度，而不再像卷筒式那样受卷筒长度限制。
此外，当重物或平衡重碰底时，曳引绳与曳引槽会由于摩擦力减小而打滑，从而避免了像卷筒式那样，在失控时造成的曳引绳断裂等严重事故的安全。
从19世纪末开始，对于调速性能要求较高的电梯，都是采用直流电机控制。
直流电机控制系统具有调速范围宽、可连续平衡地调速以及控制方便、灵活、快捷、准确等优点。
然而，早期的直流电机控制系统往往是直流发电机一电动机组调速系统，其体积、重量、能耗和噪声都很大。
由于交流单速控制和交流双速控制电梯的结构简单、价格较低、使用维护方便，所以从电梯问世至今，交流单速控制和交流双速控制一直广泛地应用于调速性能要求不高的场合。
1967年，由于电子技术及半导体器件的发展，出现了交流调压调速（ACVV）控制。
1976年，微处理器应用于电梯控制。
在1980年，出现了将微机用于速度控制和运行管理控制的全电子化交流反馈控制的电梯，其精确的控制使电梯的舒适感和群控性能得到进一步提高。
1984年，由于固态功率器件的不断发展及微机技术的应用，出现了交流变频调速（VVVF）电梯控制系统。
VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层、准确、低噪音、安全等目标。
由于其具有优越的调速性能、显著的节能效果，已取代交流调压调速电梯成为电梯控制方式的主流。
在电梯控制系统方面，目前国外发达国家的电梯正在推广32位微机控制系统。
并已经开始淘汰16位以下微机控制系统。
利用微机对电梯的控制不仅能使系统的动态品质的提高，也将大大提高电梯运行效率。
它们都采用闭环反馈单微处理机控制系统或多微处理机协调控制系统。
在电梯传动系统方面，采用交流变压变频（VVVF）调速技术，使电梯从超低速到高速无级调速高精度运行，具有节能、对电网污染小、乘坐舒适感佳等优点。
在交流电机变频调速控制系统中通常采用矢量控制技术，这种控制方式能使得电机在各种速度运行时具有良好的机械特性，特别是在低速控制性能尤为突出。
在电梯反馈系统方面，采用绝对值位置编码器从电梯轿厢上反馈轿厢绝对位置信号，对曳引电机进行以距离为原则的控制，以实现直接平层技术，来达到优越的电梯运行效果。
1.1.2电梯的发展趋势
（1）电梯群控系统将更加智能化。
智能化的电梯首先要与智能化的大厦所有自动化信息系统联网，如与消防、保安、楼宇设备控制等系统交互联系，使电梯成为安全舒适、高效优质的服务工具。
串行通讯以其布线简单，信息传输量大等优点，在电梯控制系统中的应用日益增多，由于去掉了微机接口板上大量输入和输出电路，减少了井道、机房中的布线数量，可靠性大大提高。
电梯困人故障一直因扰着电梯的承包商，远程监控服务系统集通讯、故障、诊断、微处理机为一体，可以通过市话线传递电梯的运行和故障信息到远程服务中心。
远程维修监控中心始终监控着他们所承包的电梯，随时可以知道电梯的运行状态和发生故障的属性，维修人员去故障梯之前就已知道该维修的项目，减少了维修服务的成本和时间，这种预保养式的售后服务方式将是电梯工业技术发展的一个重要方向。
随着智能建筑的发展，电梯的智能群控系统能与大楼所有的自动化服务设备结合成整体智能系统。
（2）高速、超高速电梯越来越多。
曳引式超高速电梯的研究继续在采用超大容量电动机、高性能的微处理器、减振技术、新式滚轮导靴和安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解和噪声抑制系统等方面推进。
采用直线电机驱动的电梯也有较大研究空间。
未来超高速电梯舒适感会有明显提高。
（3）蓝牙技术在电梯上广泛应用蓝牙技术是一种全球开放的、短距无线通讯技术规范，它可通过短距离无线通讯，把电梯各种电子设备连接起来，无需纵横交错的电缆线，可实现无线组网。
（4）绿色电梯与节能电梯将普及。
要求电梯节能、减少油污染、电磁兼容性强、噪声低、长寿命、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等。
甚至有人设想在大楼顶部的机房利用太阳能作为电梯补充能源。
现如今随着一些高端科技的普及，应用到电梯行业的技术越来越多。
1.2PLC在电梯控制中的应用
1.2.1PLC的特点
PLC即可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
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
（l）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。
A.PLC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。
B.PLC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等，提高了TBF，降低了TTR，使可靠性提高。
C.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。
D.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控制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，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
E.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:
采用先进的工艺制造流水线制造;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。
F.PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如，采用软件滤波;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:
A.操作方便对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。
B.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时，十分有助于编程人员的编程。
C.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降低。
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的灵活性表现在以下几个方面:
A.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。
B.扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
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。
C.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。
1.2.2PLC控制电梯的优点
（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。
（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。
（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。
1.3电梯继电器控制系统
1.3.1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，适合于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，价格较便宜。
（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。
1.3.2电梯继电器控制系统存在的问题
（1）系统触电繁多、接线线路复杂，且触电容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）电磁机构及触电动作速度较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
（3）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。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）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。
（6）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，不但会造成机械部件损坏，还可能出现人身事故。
1.4电梯变频调速系统
1.4.1电梯变频调速系统的控制
变频调速是通过改变电动机电源频率实现速度调节，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
变频调速系统的控制方式包括V\F、矢量控制（VC）、直接转矩控制（DTC）等。
V\F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合；而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。
近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动的场合，乃至家用电器。
交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、价格工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。
随着半导体技术的飞速发展，数字信号处理器的处理能力愈加强大，处理力度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。
1.4.2电梯变频调速系统控制的特点
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而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
变频调速电梯的特点：
（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。
第二章简述电梯
2.1电梯的结构
2.1.1四大空间
机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分。
2.1.2八大系统
曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统。
2.2电梯的组成
现代电梯由机械系统和电气系统两部分组成。
电气系统又由电力驱动系统、电气控制系统和安全保护系统三部分组成。
导向系统以及机械安全保护装置等部分组成
2.2.1曳引系统
电梯曳引系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。
主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮组成。
为了提高电梯的安全可靠性和平层精确度，在电梯的曳引机上一般装有制动器。
制动器是电梯机械系统的主要安全设施之一，它能使运行中的电梯轿厢和对重在系统断电后立即抱闸，强制电梯停止，并在任何停车位置定位不动。
而且，制动器直接影响着电梯的乘坐舒适感和平层精确度。
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。
曳引机有分为有齿轮曳引机（即电动机通过减速齿轮箱驱动曳引轮的曳引机）和无齿轮曳引机（即电动机直接驱动曳引轮的曳引机）。
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绳。
2.2.2导向系统
导向系统：
由导轨、导靴和导轨架组成。
在井道中确定轿厢与对重的相互位置，对它们的运动起导向作用。
2.2.3轿厢
轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。
轿厢主要由轿厢体和轿厢架构成，分客梯轿厢、货梯轿厢、病床梯轿厢和观光梯轿厢、汽车梯轿厢和杂物梯轿厢等。
高级电梯的轿厢底装有机械和电气的检测装置，可以检测电梯的载荷情况。
载荷情况转化为电信号送到电气控制系统，可以避免电梯在超载的情况下运行，减少事故发生。
2.2.4门系统
门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口，防止坠落和挤伤事故的发生。
门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。
2.2.5重量平衡系统
系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。
重量平衡系统主要由对重和重量补偿装置组成。
对重：
由对重架和对重块组成，其重量和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最大值，又称平衡铁。
重量补偿：
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衡设计影响的装置。
2.2.6电气控制系统
控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。
电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。
电梯是机、电一体化产品。
其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。
各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。
尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成;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。
2.2.7电力拖动系统
电力拖动系统的功能是提供动力，实现电梯速度控制。
电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
它的作用是对电梯进行速度控制。
（1）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。
（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：
为调速系统提供电梯运行速度信号。
一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。
（4）电动机调速装置：
调速装置对曳引电机进行速度控制。
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。
2.2.8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。
由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。
安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。
机械方面的有：
限速器和安全钳起
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