本科毕业设计论文基于plc的四层电梯控制系统设计.docx

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本科毕业设计论文基于plc的四层电梯控制系统设计

金华职业技术学院

JINHUAPOLYTECHNIC

毕业教学环节成果

（2016届）

题目基于PLC的四层电梯控制系统设计

学院信息工程学院

专业电气自动化技术

班级自动化132

学号201323010350052

姓名王翔

指导教师张娴

2015年12月30日

基于PLC的四层电梯控制系统设计

信息工程学院电气自动化专业王翔

摘要：

电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题。

本论文通过讨论电梯控制系统的组成，阐述可编程控制器（PLC）在电梯控制中的应用，采用三菱PLC编程的程序控制方式，提出了三层电梯的PLC控制系统总体设计方案、设计过程、组成，列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图及指令表。

并给出了系统组成框图和程序流程图，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法，设计了一套完整的电梯控制系统方案。

采用本方案实现电梯控制，能够解决继电器——接触器触点多，故障率高、可靠性差、安装调试周期长、维修工作量大、接线复杂等缺点。

使电梯运行更加安全、方便、舒适。

关键词：

电梯、PLC、梯形图

DesignoffourlayerelevatorcontrolsystembasedonPLC

Abstract：

Elevator,thenecessarytransportationtoolfortallbuildings,isusedfortransferringpassengersandcommoditiesvertically.Mosttraditionalelevatorcontrolsystemadoptsrelay---contactingmachineasitscentraldirector.Butthissystemhassomanydisadvantagessuchastoomanycontactingpoints,highfaultrate,heavyrepairingworkandsoon.SoifitwasreplacedbythecontrolsystemequippedwithPLC,theproblemswillbesolvedmuchmoreeasily.

ThisessayexplainstheapplicationofPLC（MitsubushiPLC）onelevator，bydiscussingtheconstructionofelevatorcontrolsystem.Italsoillustratesthegeneraldesignproject,thedesignprocessandconstructionofthePLCcontrolsystemforthree-storybuildings,listingthespecificmaincircuit,trapeziacontrolchartofelevatorandrepertoires.Italsoshowstheconstructionofframechartofthesystemandprocessflowchart.ThustheprogrammingmethodofPLCisbroughtforwardonthebasisofanalyzinganddealingwiththelogicrelationshipofrandomsigns.Italsodesignedacomplicatedelevatorcontrolsystem.Iftheprojectcanbeaccepted,itcansolvetheproblemswhichcanbebroughtbyrelay,suchastoomanycontactingpoints,highfaultrate,lowreliability,longinstallationanddebuggingtime,heavyrepairingwork,complexconnectionandsoon.

Keywords:

elevator,PLC,ladderdiagram

第一章绪论

1.1前言

继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。

但是，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。

可编程序控制器（PLC）最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。

因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。

1.2课题的研究背景及意义

随着城市建设的不断发展，城市迅速的崛起，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。

它是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的轿厢，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。

所以，电梯是为高层建筑运输服务的设备，它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。

但传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。

目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一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，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。

从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。

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。

总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。

PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。

因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。

1.3课题研究的内容

本课题设计主要做了如下的设计工作：

1.用可编程控制器（PLC）来实现四层电梯的启动、停止以及各个楼层的呼叫情况;

2.使用GXworks2编程软件来设计四层电梯PLC控制系统的梯形图。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。

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。

确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，有双速电机实现调速，完成了电机和可编程控制器（PLC）的选择。

然后是系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。

在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计出了软件流程图，提出了模块化编程思想，介绍了系统的软件开发。

最后对改造后的电梯系统进行模拟调试。

二．总体方案设计

2.1基于PLC的四层电梯控制系统的任务要求

四层电梯控制系统要实现如下功能：

1）行车方向由内选信号决定,顺向优先执行;

2）行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车;

3）内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除；

4）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；

5）停层时可延时自动开门、手动开门、（关门过程中）本层顺向呼梯开门;

6）有内选信号时延时自动关门,关门后延时自动行车;

7）无内选时延时5s自动关门，但不能自动行车;

8）行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。

2.2基本方案选择

本设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。

2.2.1变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。

目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。

因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。

这是本设计的特点之一。

目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。

.1通用变频器概况.

1通用变频器的发展

上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。

在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。

（1）容量不断扩大

80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。

到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了b00KVA,400KVA以下的已经系列化。

前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时一间，IGBT变频器的单机容量己达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。

（2）、结构的小型化

变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。

另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”（IntelligentModule,IPM）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。

（3）、多功能和智能化

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。

特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。

日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。

8位、16位及32位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。

32位数字信号处理器（DigitalSignalProcesser-DSP）的应用将通用变频器的性能提高一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸功能”。

目前，新一代变频器开始采用新的“精简指令集计算机”（ReducedInstructionSetComputer-RISC），将指令执行时间缩短到纳秒级。

它是一种矢量微处理器，其功能着重点放在常用基本指令的执行效率上，舍弃了某些运算复杂而使用率不高的指令，省下它们所占用的硬件资源用于提高基本的运算速度，达到了以“每秒上亿条指令”为单位来衡量运算速度的程度。

有文献报道，RISC的运算速度可达1000MIPS，即10亿次/秒，相当于巨型计算机水平。

指令计算时间为ins量级，是一般微处理器所无法比拟的。

有的变频器厂家声称，以RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计计算、PID调节器在线实时运算。

目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。

例如本设计所采用的安川公司的VS）16-G5变频器就有:

（1）无PG（速度传感器）V/f控制;

（2）有PGV/f控制;（3）无PG矢量控制:

（4）有PG矢量控制等四种控制方式。

通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。

（4）、应用领域不断扩大

通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。

最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。

如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器;金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

2通用变频器的功率输出驱动技术动向

采用变频器的调速传动技术，近年来取得惊人的进步。

从技术发展动向来看，大致有如下几个方面:

（1）,IGBT的应用

最近几年来，工GBT的应用正在迅速推进。

其显著的特点是:

开关频率高，驱动电路简单。

用于通用变频器时，有如下明显的效果:

①.由于载波效率的提高（20KHz或更高），负载电动机的噪声明显减少，实现了低噪声传动。

电动机的金属鸣响声因振动频率超过了人耳可感知的程度而“消失”。

②.同样由于载波频率的提高，使电动机的电流（特别是低速时的电流）波形更加趋于正弦波，因而减少了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。

③由于工GBT为电压驱动型，因而简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成木降低。

④主开关器件如果采用工PM，上述效果将更加明显。

（2）、网侧变流器的fWM控制的变频器

目前上市的绝大多数通用变频器，其网侧变流器采用不可控的二极管整流器。

虽然控制简单，成本较低，但也有它的缺点。

比如，网侧电流波形严重畸变，影响电网的功率因数，谐波损耗大，电动机制动时的再生能量无法回馈给电网等。

现已开发出一种新型的采用PWM控制方式的自换相交流器，并己经成功地用作变流器中的网侧变流器。

电器结构形式与逆变器完全相同，每个桥臂

均由一个自关断器件和一个二极管反并联组成。

其特点是:

直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数可保持为1，并且能量可以双向流通。

网侧变流器采用PWM控制交流器又称为“双PWM控制变频器”。

这种再生能量回馈式高性能通用变频器，代表着另一个新的技术动向。

它的大容量化，对于制动频繁的或可逆运行的生产设备十分有意义。

但因其价位高、投资大，所以在某种程度上限制了它的发展速度.

（3）、矢量控制变频器的通用化

在造纸、轧钢等应用领域，要求精度高，响应快，一般性的通用变频器已经不能胜任，往往要采用矢量控制方案.但是矢量控制往往需要速度传感器，运算复杂、调整麻烦，对电动机的参数依赖性较大.目前，国内正在努力使矢量控制变频器实现通用化.因此，对无速度传感器的矢量控制系统的理论研究和实用化的开发代表着另一个新的技术发展方向。

保护功能：

电机保护，变频器过载，瞬间过电流，电压下降，过电压，输入缺相

电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他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-61665型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。

另外，61665变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01-0.02%,使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。

无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。

采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。

2、VS-61665型变频器简介

（1）61665型变频器的特点

VS-61665型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。

这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。

VS-61665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。

（2）61665型变频器的标准规格

61665型变频器的标准规格如下图

表3.161665型变频器的标准规格

2.2.2可编程序控制器（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。

电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的必要前提。

3.2.1轿厢楼层位置检测方法:

主要方法有如下几种:

1用干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，但它是无权代码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。

3利用旋转编码器:

目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。

由以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故本设计采用此法。

2、PLC的选型

根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。

又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。

综合考虑后，本设计选择了日本三菱公司生产的Q系列机。

Q系列机具有以下优点:

（1）可以适合各种中等复杂机械、自动生产线的控制场合,

（2）性能水平高，PLC的应用范围大

（3）可以满足各种运动控制、过程控制的需要

（4）功能较为全面，性能强

三、系统硬件设计

3.1变频器结构及参数设置

由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。

由于61665是通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多.

1VS-61665变频器的参数

61665变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。

常用参数如表4.1

2参数设置

积分时间常数宜大些:

（2）为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车参数设置的原则:

（1）为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些，而冲击;（3）零速一般设置为OHz，速抱闸功能将影响舒适感;（4）变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置见表4.2

3变频器自学习功能的应用方法

为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而61665就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:

将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。

显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。

4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，电梯上升所需曳引功率为P2,P2=[（W,+W,-W,）g+F1]v，其中F1=K（W1+W2-W3）g+＆为摩擦力，＆可忽略不计。

电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P≈l.5P2。

5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上，成本较低而且具有良好的使用效果.能耗制动电阻R1的大小应使制动电流I1的值不超过变频器额定电流的一半，即

I1=Uo/R1≤I/2

其中U。

为额定情况下变频器的直流母线电压.由于制动申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.

3.2PLC控制系统设计

电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。

图4.1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。

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。

1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4.2所示，输入到PLC的控制信号有:

运行方式选择（如自动、有司机、检修、消防运行方式等）、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、门区和平层信号等。

（2）电梯控制系统实现的功能

①一台电机控制上升和下降

②各层设上/下呼叫开关（最顶层与起始层只设一只）

③电梯到位后具有手动或自动开门关门功能

④电梯内设有层楼指令键，开关门按键

⑤电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯

⑥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

⑦自动关门与提早关门.在一般情况下，电梯停站4-6秒应能自动关门;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.

⑧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。

⑨内指令记忆。

当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。

⑩自动定向。

当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。

呼梯记忆与顺向截停。

电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。

（12）自动换向。

当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。