基于PLC的双速电机电梯控制系统设计.docx

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基于PLC的双速电机电梯控制系统设计

基于PLC的双速电机电梯控制系统设计

电梯系统的总体控制方案

电梯是现代高层建筑中必不可少的起重运输设备，本设计是采用PLC控制实现电梯运行中的各项控制要求.压缩模型是一个五层的客货两用电梯，采用交流伺服电动机作为拖动动力源，通过交流伺服电动机的正反转实现轿厢的上下运行。

每一楼层均设有平层开关、上下行唤起信号按钮并设置有轿厢冲顶、冲底保护行程开关。

运行中，轿厢开门,关门状态有不同的LED显示并采用七段LED数码管实现楼层显示.电梯模型与主控制器之间采用接插件连接。

电梯运行状态由三档位钥匙开关实现，有司机，无司机或检修选择并能按下消防按钮使电梯进入消防状态。

整个电梯运行程序可分为以下几个阶段：

确定运行状态-→确定运行方向—→自动关门—→起动运行—→停站-→自动开门

本设计的电梯控制系统的要求如下：

1.有司机，无司机或检修工作状态的要求

以上三种状态可以通过三位钥匙开关选择以实现各自的控制要求。

其主要区别是在有司机工作状态下通过上、下行启动按钮来控制电梯。

而在无司机状态下电梯开门后约4—6s自动开门，无需按钮动作。

在检修状态可以通过按钮实现电动开、关门。

按下带锁消防按钮，电梯进入消防工作状态。

按下超载保护按钮或紧停按钮电梯便进入超载保护状态或启用急停保护功能。

2。

自动定向要求

在有、无司机状态利用第一登记指令或召唤信号所指层楼数N（指）或N（召）与轿厢所处的层数N′（轿）进行比较,以此确定电梯当前的运行方向.若N〉N′则电梯上行,反之则下行。

在有司机状态下,指令信号有优先权，即当电梯停站时，从电梯自动开门开始到自动关门结束前,指令信号优先于召唤信号,在这段时间内，召唤信号不参与定向控制。

3.轿厢开门、关门要求

电梯平层以后按下开门或关门按钮电梯自动开关门，如果无人按钮在延时一段时间后

电梯自动开关门。

4。

层楼控制要求

通过层楼行程开关能反映并控制轿厢所处的层楼位，可采用七段数码管来显示。

5.启动运行控制要求

（1）有司机工作状态:

在电梯确定运行方向后,按下运行方向按钮电梯便按程序自动关门启动运行，同时显示其运行状态。

（2）无司机工作状态：

在确定运行方向后,只要门已关闭电梯便自动运行并显示，无需按方向按钮。

（3）检修工作状态：

轿厢上下行只能通过上下行按钮点动完成,同时轿厢可以在任何位置停留.

6。

停站控制要求

（1）指令信号停站：

电梯运行中，当到达已登记层楼时，该层楼行程开关动作并起作用,电梯就立即停站。

（2）召唤信号停站：

电梯上行时，顺向召唤信号从低到高逐一停站，而与运行相反的向下召唤信号登记并保留，在完成上行最后一个指令或召唤信号后，电梯下行并按已登记的下行信号从高到低逐一停站。

反向召唤信号停站的处理原则是:

只出现一个反向召唤信号，如电梯停在基站,三楼有召唤下行则电梯能在三楼停站。

如果有多个反向召唤信号则最远反向召唤信号可以停站，其他信号被登记保留，在电梯反向运行中逐一执行［4］.

7。

指令信号的登记与消除要求

指令信号的登记:

当按下除停站外的某层楼按钮时，此指令信号被登记。

指令信号的消除：

电梯运行并到达某层楼,该层指令信号消除。

8.召唤信号的登记与消除要求

召唤信号的登记:

当按下除停站外某层楼召唤按钮时，此信号应被登记。

召唤信号的消除：

当电梯到达某层楼时，该层与电梯运行方向一致的登记信号即被消除。

9.指令专用功能

在有司机工作状态下，按下指令专用按钮，电梯不应答召唤信号,电梯只能根据指令信号停站，但召唤信号被登记.

10。

消防工作状态功能

当按下消防工作状态按钮，电梯立即清除所有指令和召唤信号,立即关门返回基站，到达基站后恢复指令功能。

11。

超载保护功能

按下此按钮，表示电梯超载,轿厢禁止关门并不能运行,同时超载指示灯亮，直至超载消除方能正常运行。

12。

紧停功能

当电梯出现意外故障时，如轿厢冲顶或冲底，该停站未停站时，管理人员应立即按此按钮使电梯停止运行。

交流双速电机

交流电动机具有结构紧凑、维护简单的特点.双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制，线路简单,价格较低，因此目前仍在电梯上经常使用。

交流电动机的调速方法主要是通过改变极对数的不同而得到不同的速度。

由电机学原理可知，对于交流感应电动机的转速公式如下：

（3。

1）

式中：

-—交流感应电动机的同步转速（r/min）;

—-交流感应电动机定子供电频率（1/s）；

-—交流感应电动机的磁极对数；

-—转差率.

从上式可见,改变磁极数就可以改变电动机的转速。

电梯用的交流电动机有单速、双速及三速；双速的磁极对数一般为：

4级和16极，6极和24极,少数也有4极和24极或6极和36极[7].

图3.1为4/2极的双速异步电动机定子绕组接线示意图.图（a）将电动机定子绕组的U1、V1、W1三个接线端接三相交流电源，而将定子绕组的U2、V2、W2三个接线端悬空，三相定子绕组接成三角形。

此时每相绕组中的①、②线圈串联，电流方向如图（a）中箭头所示,电动机以四极运行为低速.若将电动机定子绕组的三个接线端子U1、V1、W1连在一起，而将U2、V2、W2接三相交流电流，则原来三相定子绕组的三角形线即变为双星形接线，此时每相绕组的①、②线圈相互并联,电流方向如图（b）中箭头所示，于是电动机便以两极运行,此时为高速.

图3。

14/2极双速电动机三相定子绕组接线示意图

图3。

2所示是交流双速电梯的一种拖动线路,该电路采用一级串联电抗启动，二级电阻电抗减速。

图3.2交流双速电梯电机的主电路

图中交流双速电机电梯主电路的工作原理如下：

启动时，串入电抗XQ，进行降压启动；经一段时间后,1C接触器接通，电动机转入固有特性运转。

减速时,KC断开,MC接通，慢速绕组串入阻抗XJ和电阻R运行,延时一定时间后，2C接通,短接R，电动机串入电抗XJ运行；再延时一段时间后,3C接通，电动机慢速运行,直到SC或XC断开,电动机停止运转。

电梯系统的硬件设计

系统的电气控制线路

电梯的控制线路主要有：

轿内指令线路、门厅召唤线路、定向选层线路、启动运行线路、平层线路、指层线路、开关门线路、安全保护线路。

这些线路之间的关系如图5。

1所示.

用这些控制线路可以构成各种运行方式:

有司机/无司机控制、集选运行、下行集选运行、消防运行、并联运行、检修运行等。

硬件选择

PLC的选型

PLC的种类非常繁多，不同种类之间的功能设置差异很大，这既给PLC机型的挑选提供了十分广阔的空间，同时也带来了一定的难度。

机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下,力争最好的性价比,并有一定的升级空间.

考虑到本次设计的电梯系统只有4层，且开关量居多，模拟量较少;对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜，体积也小，但是在设计活动中，经常碰到一些估计的指标,在设计活动中需要进行局部调整，另外模块式PLC排除故障所需时间短;我们估算输入输出接口比较多；由于考虑到本次设计的电梯系统只有4层,考虑到工厂造价,我们采用离线编程的方式，以减小软硬件的开销。

根据PLCI/O节点使用原则,即留出20%———30%的I/O点以做扩展时使用,4层电梯有32个输入信号，27个输出信号，为节省费用,达到预期的效果，本系统选用PLC型号为三菱FX2-——-128MR，这种机型的I/O点数分别为64，其编辑指令超过1000条,有2000步的程序内存，并配有相应的编程软件MEDOC，不但可通过手持编辑器对其编辑,而且还可以通过计算机对其进行编辑。

FX2系列是三菱公司1991年推出的一种整体式和模块式相结合的叠装式小型PC,它的执行速度为0.48us/步,其编程指令超过100条,有2K步RAM的程序容量.编程设备有手执式简易编程（FX—20P—E），图形编程器（GP—80EX—E）。

此外，还有利用编程软件MELSEC—MEDOC,FXMING在个人计算机上进行编程。

电机选型

大量应用于电梯的是双速电动机，分为双速双绕组鼠笼式或线绕式感应电动机两种。

鼠笼式电机目前较多地使用于额定速度不大于1m/s的国产双速电梯上.这种电动机在定子每一槽内放两个独立绕组极数为4/16或6/24，速比为4：

1，适用于0。

5~1m/s的电梯.

双速双绕组绕线式感应电动机,除了定子绕组外，转子中也嵌入高速绕组和低速绕组，通过整流子与外部电阻相连。

这种结构的电机在降低发热和提高效率方面均优于鼠笼式电机，但相对的成本也高.

曳引电机的型号，根据电梯设计目标来选择,轿厢载重量为1000-1500kg，运行速度在1m/s以下。

考虑到成本的问题，本设计采用YTD—225S型鼠笼式电机,额定功率为15/3.5kW，转速为1500/375，由接于输出端口Y00、Y01的开关门接触器线圈KM1、KM2得失电对电机MD进行控制，实现电梯的开关门过程。

内存容量估计

用户的程序和数据都保存在内存之中，对所需的内存容量要有一个估算，估计的太小则会造成编程和使用的困难，估计得太大又会浪费资源.我们一般会从下面几个因数来估计内存大小:

内存利用率:

所谓内存利用率，就是一个程序段中的节点数与存放该程序段所代表的机器码所需内存字数的比值.对于同一个程序而言，高利用率可以降低内存的使用量，还可以缩短扫描时间,提高系统的响应速度。

开关量输入和输出的点数:

一般系统中,开关量输入与输出的比为6：

4，根据经验公式，可以算出所需内存的字数:

所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10=590

模拟量输入和输出的点数:

对于模拟量的处理需要用到数字传送和运算的功能，这部分指令的内存利用率比较低,因此需要更多的内存容量.

下面是一般情况下的经验计算公式:

只有模拟量输入时:

内存字数=模拟量点数＊100=400

模拟量输入/输出共存时：

内存字数=模拟量点数＊200=800所占内存约为40KB,但是考虑到实际情况,在本系统控制过程中不存在此种情况。

程序编程质量：

由于本人是初学者，缺乏实践经验,以及对机器和编程语言掌握不深，写出来的程序比较冗长，因此在选内存容量时，我多留了些容量.

由此，估算为1000余条程序,而FX2—-—128MR编辑指令超过1000条，有2000步的程序内存，基本上满足了要求，PLC选型正确。

输入输出模块和电源的选:

PLC输入模块的功能主要是检测来自现场设备的输入信号，并将其转换成PLC内部可处理的电平信号。

输入模块的类型选用交流形式的，由于信号的传送距离比较近，信号选用低电压形式，低压又分为5v，12v,24v，60v和68v,从可靠性角度考虑,我选用24v作为电平信号电压.

PLC输出模块的功能主要是将内部输出电平,在输出前转换为可匹配外部负载设备的控制信号。

晶闸管输出模块比较适合于开关频率高,电感性和低功率因数的负载设备，其缺点是价格高,过载能力差。

而继电器输出模块的优点是使用电压范围宽，导通压降损失小，并且价格较低，但是它的寿命不长，而且响应速度慢,达不到我们设计的控制系统反应速度的要求,因此我们选用晶闸管输出模块。

电梯系统的曳引电机的工作电压选用交流220v,轿箱门开关控制电机的工作电压我们选用交流220v，指示灯工作电压都选用24v。

电梯系统的软件设计

电梯控制系统的要求

本设计中电梯控制系统的要求如下：

1。

电梯运行到位后具有自动和手动开、关门的功能。

2.利用指示灯显示厅外呼叫信号、厅内指令信号和电梯到达楼层信号。

3。

能自动判别电梯运行方向,并发出响应呼叫的指示信号。

4。

电梯能在一定条件下进行起动、加速和换速。

5。

具有故障和断电时自动抱闸保护、门锁防夹保护、手动自动报警功能.

地址分配

表5.1确定I/O接口点数及地址分配表

输入编号输入名称输出编号输出名称

X000手动开门按钮Y000开门输出

X001手动关门按钮Y001关门输出

X002开门行程开关Y002上行接触器

X003关门行程开关Y003下行接触器

X004有/无司机操作方式转换开关Y004快速接触器

X005上平层感应器触点Y005慢速接触器

X006门区感应器触点Y006上行方向指示灯

X007下平层感应器触点Y007下行方向指示灯

X010轿内五层指令按钮Y010轿内五层指示灯

X011轿内四层指令按钮Y011轿内四层指示灯

X012轿内三层指令按钮Y012轿内三层指示灯

X013轿内二层指令按钮Y013轿内二层指示灯

X014轿内一层指令按钮Y014轿内一层指示灯

X015门厅四层上召唤按钮Y015门厅四层上召唤指示灯

表5。

1确定I/O接口点数及地址分配表（续表）

输入编号输入名称输出编号输出名称

X016门厅三层上召唤按钮Y016门厅三层上召唤指示灯

X017门厅二层上召唤按钮Y017门厅二层上召唤指示灯

X020门厅一层上召唤按钮Y020门厅一层上召唤指示灯

X021门厅五层下召唤按钮Y021门厅五层下召唤指示灯

X022门厅四层下召唤按钮Y022门厅四层下召唤指示灯

X023门厅三层下召唤按钮Y023门厅三层下召唤指示灯

X024门厅二层下召唤按钮Y024门厅二层下召唤指示灯

X025五楼上行楼层感应触点Y025门厅五层指示灯

X026四楼上行楼层感应触点Y026门厅四层指示灯

X027三楼上行楼层感应触点Y027门厅三层指示灯

X030二楼上行楼层感应触点Y030门厅二层指示灯

X031一楼上行楼层感应触点Y031门厅一层指示灯

X032五楼下行楼层感应触点Y034超载报警

X033四楼下行楼层感应触点

X034三楼下行楼层感应触点

X035二楼下行楼层感应触点

X036一楼下行楼层感应触点

X037超载信号输入

X040上强迫换速开关

X041下强迫换速开关

X042司机上行选择按钮

X043司机下行选择按钮

所用辅助继电器和时间继电器编号分配如下表：

表5.2辅助继电器和时间继电器编号及地址分配表

编号名称编号名称

M100—M1045—1层楼层感应中间继电器M135门锁中间继电器

M112—M1165-1层指层中间继电器M140上平层感应中间继电器

M123—M1265-2层向下召唤中间继电器M141门区感应中间继电器

M105—M1115—1轿内指令中间继电器M142下平层感应中间继电器

M117—M1224—1层向上召唤中间继电器M143快速运行中间继电器

M130上行中间继电器M144换速消除中间继电器

M131下行中间继电器T0003s延时

M132司机上行中间继电器T0015s延时

M133司机下行中间继电器T002快速运行断开延时K4s延时

M134换速中间继电器

电梯控制的程序设计

（一）程序设计思路

所设计的电梯模型共四层,电梯的每一层均有电梯升降指示灯，每层的搂厅均设有按钮召唤电梯；电梯内部设有按钮以便乘客选择要到达的楼层，还设有开关门按钮，方便乘客进出电梯.工作中的电梯控制系统的主要任务是对各种呼梯信号和当前电梯运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态。

为实现电梯自动控制，要求控制系统具有自动定向，顺向截梯,反向保号，外呼指令记忆,停梯销号，自动开关门，自动报警,手动开关门,到层指示功能等.

（二）主要程序设计流程图

图五：

开关门程序流程图

开关门程序流程简介：

当停层信号到达时,电梯停层,门电机正转，轿箱门打开,系统等待开门到位信号到达，接受到信号后，箱门保持打开延时状态；开门延时完毕后电梯开始关门，首先判断有无红外信号，若有，电梯延时2秒，没有信号则继续关门,直到关门到位，然后响应接下来的信号。

主程序流程图简要介绍：

电梯系统上电后,系统首先判断，电梯处于哪个楼层，若电梯处于一楼，然后判断电梯是否有向上召唤信号，若有响应信号,若没有，则保持电梯门关闭状态。

当电梯处于二楼时，首先判断电梯处于上升状态还是下降状态,若处于上升状态时,记忆向下呼叫信号，响应上升信号;若电梯处于下降状态时，它将记忆向上呼叫的信号，响应向下呼叫的信号；若无呼叫信号存在，电梯则将保持门毕状态.

当电梯处于三楼时,首先判断电梯处于上升状态还是下降状态，若处于上升状态时,记忆向下呼叫信号，响应上升信号；若电梯处于下降状态时,它将记忆向上呼叫的信号，响应向下呼叫的信号；若无呼叫信号存在，电梯则将保持门毕状态.

当电梯处于四楼时，首先判断有无向下呼叫信号；有向上呼叫信号，向上运行灯亮；没有电梯将保持门毕状态。

图六：

主程序简易图

根据电梯控制要求,将电梯控制程序分成以下八部分。

1.电梯启动控制

电梯通常以快速启动,而在减速时断开快速绕组，接入慢速绕组。

设置中间继电器M143来控制快速接触器。

电梯启动控制的梯形图如下图所示，图中M135为门锁继电器的常开接点，保证门关好后方能启动。

X040和X041分别为上、下强迫换速输入继电器,M130和M131分别为上行和下行继电器的常开接点，Y004和Y005为快速和慢速接触器。

M134为换速继电器,当M134接通时，中间继电器M143断电,输出线圈Y004断电，接通慢速接触器Y005,电动机慢速运行。

图5.1电梯启动控制梯形图

2.电梯开关门动控制

X000代表手动开门按钮，当电梯运行到位后，闭合X000，使输出线圈Y000有效,从而驱动开门接触器，电梯门被打开，直至门开到位，开门行程开关动作，即X002常闭触点断开，开门过程才结束。

实现自动开门时，电梯减速运行到平层位置。

时间继电器T000开始计时，计时到3秒时,T000输出线圈有效，从而打开电梯门.

当按下关门按钮时，触点X001闭合，输出线圈Y001有效，从而驱动关门接触器，关闭电梯门.

自动关门则借助于时间继电器T001，开门到位后经过5秒钟延时，使T001的触点闭合，实现自动关门。

图5。

2电梯开关门控制梯形图

3。

电梯换速控制

电梯通常以快速启动，而在减速时断开快速绕组,接入慢速绕组。

当电梯将要到达需要停止的楼层时,应发出换速信号，断开快速继电器，接通慢速继电器，然后制动.

当电梯到达顶层或底层时,无论有无轿内指令都必须换速。

M144为换速消除继电器。

当电梯离开任一楼层时,M144接通,断开M134，这时电梯高速运行.

M130、M131常闭接点支路为无方向换速控制,避免由于人为或其它原因使M105～M111全部断开时，电梯进入换速状态,以便在最近楼层平层停止。

图5。

3电梯换速控制梯形图

4。

电梯平层控制

电梯平层控制的梯形图中X005、X006、X007分别为上平层感应输入继电器、门区感应输入继电器和下平层感应输入继电器。

其工作原理为：

如果电梯上行超越平层位置,SPG离开隔离板,使X005、M140断开，这时Y003由Y004、M140、M143和Y002的常闭接点和M142的常开接点而接通，电梯反向平层，直至M140接通.

电梯位于平层位置后,M140、M141和M142均接通，Y002和Y003均断开,进行抱闸。

T002为延时断开时间继电器，用于快速运行断开时的延时，保护电机绕组。

图5.4电梯平层控制梯形图

5。

电梯的选向控制

改变电梯的运行方向,实际上就是改变电动机的旋转方向。

要改变三相感应电动机的旋转方向,只要将其中任意二相电相序交换即可。

根据这一原理，电动机的正反转控制线路如图6.5所示，上行接触器SC接通时，电动机正转;而当XC接通时,B、C两相对换，电动机反转。

图5。

5电梯正反转控制梯形图

无论是直流电梯还是交流电梯，都可以通过接通上、下行接触器来改变电梯的运行方向，选向控制的梯形图如下。

输入触点X042、X043分别为司机控制的上行选向按钮、下行选向按钮,输出线圈Y002、Y003分别控制电梯上行接触器SC、下行接触器XC;中间继电器M130、M131分别表示电梯上行、电梯下行的运行状态,中间继电器M132、M133分别表示司机控制的电梯上行、电梯下行的运行状态。

图5.6电梯的选向控制梯形图

6。

电梯楼层感应电路控制

楼层感应电路控制梯形图如下,其中PLC输入触点X025~X031为相应的上行楼层感应触点，X032~X036为相应的下行楼层感应触点;中间继电器M105~M111分别表示5~1层的指层信号状态，中间继电器M130、M131分别表示电梯运行方向为上行、下行.

若电梯在1楼时，M104接通,M111接通，并保持。

电梯上行到达2楼时，M103接通,M110接通，并保持同时切断M111。

即电梯上行当升至某一层时，相应的楼层感应中间继电器接通指层中间继电器，实现楼层感应。

与电梯上行的控制方法相同,当电梯下行时，相应的楼层感应中间继电器也接通指层中间继电器,实现楼层感应.

图5。

7楼层感应电路的控制梯形图

7。

轿内指令控制

根据集选控制的要求设计的轿内指令控制的梯形图如下.其中PLC的输入触点X010～X014分别为5～1层的轿内指令按钮，M130、M131分别为电梯上行、下行运行继电器,M100～M104为前述的楼层感应继电器。

轿内指令控制的工作原理是：

进入轿厢内后,若按下第3层的指令按钮时，输入X012接通,中间继电器M114接通并自保,当电梯到达第3层时，楼层信号M102断开指令信号［8］。

图5。

8轿内指令控制梯形图

8。

门厅召唤电路控制

门厅召唤电路的控制梯形图如下.其中输入触点X021～X024分别为5～2层门厅下召唤按钮,X015～X020分别为4～1层门厅上召唤按钮；M105~M111为轿内指令中间继电器，M130、M131分别为上行、下行运行继电器.

控制门厅召唤电路工作原理为:

若电梯位于1层，如果3层有厅上召唤信号,2楼有厅上、下召唤信号，即M125、M122、M124接通，电梯到达2楼时，M110接通，M125断开，2楼上召唤信号消除，而下召唤信号M122保持，即下召唤信号得到保留。

图5.9门厅召唤控制梯形图