完整版基于PLC和变频器控制的电梯设计毕业设计.docx
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完整版基于PLC和变频器控制的电梯设计毕业设计
毕业论文
基于PLC和变频器控制的电梯设计
论文
孟祥冬
指导教师：
张武坤
专业：
机电一体化
系（院）：
机电工程系
答辩日期：
年月日
基于PLC和变频器控制的电梯设计
摘要
电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。
在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。
它有多种控制方式，如继电器控制，PLC控制等。
PLC控制电梯有如下的特点：
可靠性高，PLC的平均无故障时间（MTBF）一般可达3~5万小时。
而且能在工业环境下可靠地工作；编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。
这种编程语言形象直观，容易掌握，当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；体积小、结构紧凑、安装、维修方便。
本文介绍了一种控制的VVVF的电梯控制系统，通过与其它电梯控制系统比较，得出了其控制的优越性，并对其进行了较详细的软硬件设计，对于软硬件设计采用了模块化设计的思想，并说明了控制方式的可行性。
关键词：
可编程控制器；电梯；电梯控制；变频器；梯形图
1.2电梯的主要参数4
1.3电梯的保护装置7
第2章PLC控制系统与变频器8
2.1PLC控制系统设计8
2.2变频器的分类9
2.3变频器的选择9
2.3.1选择变频器的规格以及满足条件10
2.3.2VS-616G5变频器10
2.3.3VS-616G5变频器多级调速的PLC控制14
2.4变频调速方案16
3.1变频电梯电力传动系统18
3.2电梯的主电路20
3.3机型选择及IO分配21
3.3.1输入的模块选择21
3.3.2输出的模块选择21
3.4电梯外部接线图24
4.3层楼信号产生与消除环节梯形图28
4.6定向环节梯形图31
4.7起动加速和稳定运行环节梯形图33
4.8停层信号梯形图33
4.9制动过程环节梯形图35
第5章故障报警及消防运行36
5.2电梯的消防运行37
参考文献39
致谢40
第1章绪论
1-1电梯技术概况
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。
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。
实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
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（PLC）取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。
1-1-1电梯技术前景展望
纵观我国电梯行业的发展历程，从改革开放到今天，电梯行业在不知不觉中走过了一个从无到有，从有到多，从多到精的发展历程。
随着住宅市场的巨大变化，中国已经成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。
这就必然会使电梯技术不断的发展更新。
（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、体积小巧化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。
同时，无机房电梯在今后会有较大的发展。
（2）技术含量更高，性能更好。
电梯行业技术发展非常迅速，现如今具有先进性能，高舒适性的VVVF电梯，已是电梯行业的标准配置；然而，永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更清洁、更安静、更安全、更经济等特点。
所以永磁同步无齿轮曳引机将逐步成为新型曳引机的主流，由于永磁技术的先进性，将来很可能取代VVVF技术。
另外，网络控制和智能群控制系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性也是电梯发展的潮流。
（3）安装更方便、快捷。
高效、安全、可重复使用的无手架安装，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了更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。
1-1-2电梯的种类及组成
本节介绍了电梯的分类、组成，通过学习应对电梯的定义和电梯的多种分类方法有一定的认识，并了解集选控制、并联控制和群控电梯的操控方式。
一、电梯分类
电梯通常按用途、速度、拖动方式和控制方式等进行分类。
目前电梯的基本分类方法如下表1-1所示：
表1-1电梯的分类
分类方式
种类
按用途分类
乘客电梯、载货电梯、医用电梯、杂物电梯、观光电梯、车辆电梯、船舶电梯、建筑施工电梯、冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电梯操纵电站电梯及消防员用电梯等
按驱动方式分类
交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯及直线电机驱动的电梯等
按电梯速度分类
低速电梯（1.00ms）、中速电梯（1.00～2.00ms）、高速电梯（大于2.00ms）、超高速电梯（超过5.00ms）及特高速电梯（16.7ms）
按有无司机分类
有司机电梯、无司机电梯及有无司机电梯等
按操纵控制方式分类
手柄开关操纵、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、并联控制电梯及群控电梯等
按特殊用途分类
冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯及消防员用电梯等
现代物业建筑使用的电梯主要有信号控制、集选控制、并联控制及群控制电梯四种操控方式，其控制特点如下所述。
（1）信号控制电梯特点除具有自动平层，自动开门功能外，尚具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。
（2）集选控制电梯是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制电梯，与信号控制的区别在于能实现无司机操纵。
主要特点是:
把轿厢内选层信号和各层外呼信号集合起来,自动决定上、下运行方向顺序应答。
（3）并联控制电梯是把2～3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。
（4）群控电梯特点是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。
控制方式有以下两种。
控制系统按预先编制好的交通模式程序，集中调度和控制梯群的运行，称为梯群程序控制。
能实现自动数据的采集、交换及存储功能，还有进行分析、筛选及报告的功能，称为梯群智能控制。
二、电梯的组成
曳引式电梯是垂直交通运输工具中最普遍的一种电梯，其结构主要由机械部分和电气部分组成；机械装置部分分为：
（1）曳引系统作用是提供电梯运行动力的设备，把曳引机的旋转运动，转换为电梯的垂直运动。
（2）轿厢在曳引钢丝绳的牵引下沿电梯井道内的导轨作快速平稳的运行。
（3）门系统作用就是打开或关闭轿厢与层站厅门的出入口。
（4）导向系统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。
（5）重量平衡系统由对重及重量补偿装置组成。
对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。
重量补偿装置，是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。
（6）机械安全保护装置由机械限速装置、缓冲器和端站保护装置组成。
起到防止电梯超速行驶、终端越位、冲顶或蹲底等保护。
电气装置部分分为：
（1）电力拖动系统由曳引电机、供电系统、调速装置和速度反馈装置构成。
对电梯实行速度控。
（2）操作控制系统由操纵装置、平层装置与选层器等构成。
对电梯实施操纵、监控的系统。
（3）电气安全系统指在电梯控制系统中用于实现安全保护作用的电路及电气元件。
1-2电梯的主要参数
载重量（kg），轿厢尺寸（mm），轿厢形式，轿门形式，开门宽度（mm），开门方向，曳引方式，额定速度（ms），电气控制系统，停层站数（站），提升高度（mm），顶层高度（mm），（底坑深度（mm），井道尺寸（mm），井道高度（mm）。
电梯的主要参数是设计和制造电梯的主要依据。
用户选择电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、运载对象等，正确的选择电梯类别和有关参数和尺寸。
并根据所选择参数和规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物，否则会影响电梯的使用效果。
具体见表1-2。
表1-2电梯参数Ⅰ类电梯的参数、尺寸
主要用途
非住宅电梯（办公室、写字楼等）
额定载重量kg
630
800
1000
1250
1600
可乘人数人
8
10
13
16
21
轿厢
宽度Amm
1100
1350
1600
1950
深度Bmm
1400
1750
高度mm
2200（2300）
2300
轿和层门
宽度Emm
800
1100
深度Fmm
2000（2100）
2100
形式
中分门
井道
宽度Cmm
1800
1900
2400
2600
深度Dmm
2100
2300
2600
低坑深度Pmm
V=0.63ms
1400
1600
V=1.00ms
V=1.60ms
1600
V=2.50ms
②
2200
顶层高度Qmm
V=0.63ms
3800
4200
4400
V=1.00ms
V=1.60ms
400
4200
4400
V=2.50ms
②
5000
5200
5400
续表1-2电梯参数Ⅰ类电梯的参数、尺寸
机房
V=0.63ms
面积S㎡
15
20
22
25
宽度Rmm
2500
3200
深度Tmm
3700
4900
5500
高度Hmm
2200
2400
2800
V=1.00ms
面积S㎡
15
20
22
25
宽度Rmm
2500
3200
深度Tmm
3700
4900
5500
高度Hmm
2200
2400
2800
V=1.60ms
面积S㎡
15
20
22
25
宽度Rmm
2500
3700
深度Tmm
3700
4900
5500
高度Hmm
2200
2400
2800
V=2.50ms
面积S㎡
①
18
20
22
25
宽度Rmm
①
2800
3200
深度Tmm
①
4900
5500
高度Hmm
1
2800
1-3电梯的保护装置
（1）电磁制动器：
装于曳引机柱上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层时断电制动。
（2）强迫减速开关：
分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站还未减速时，轿厢上撞块就启动此开关，通过电气传动装置，使电动机强迫减速。
（3）限位开关：
当电梯轿厢开到顶或底,就会碰到此开关不能继续向前运行,只能反方向运行。
（4）行程极限保护开关：
当限位开关不起作用时，轿厢经过端站时，此开关动作。
（5）急停按钮：
装于轿厢司机控制操纵盘上，当发生异常情况时按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。
（6）厅门开关：
每个厅门都装有门锁开关；仅当厅门关闭时电梯才动作，在运行中如厅门开关断开，电梯立即停车。
（7）关门安全开关：
常见的是装在轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门。
（8）超载开关：
当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。
（9）其他开关：
安全窗开关、钢带轮的断带开关等。
（10）报警和救援装置：
电梯发生人员被困在轿厢内时，通过报警或通信装置应能将情况及时通知管理人员并通过救援装置将人员安全救出轿厢。
第2章PLC控制系统与变频器
2-1PLC控制系统设计
一、PLC控制系统设计的基本原则如下：
（1）选用的PLC必须满足被控对象的控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，保证PLC控制系统安全、可靠。
（3）PLC控制系统尽可能简单。
（4）具有高的性价比。
二、PLC控制系统设计步骤
图2-1是PLC控制系统设计步骤的流程图。
详细步骤如下：
（1）了解和分析被控对象的控制要求，确定输入、输出设备的类型和数量。
（2）根据输入、输出设备的类型和数量，确定PLC的IO点数，并选择相应点数的PLC机型。
（3）合理分配IO点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。
（4）根据控制要求绘制工作循环图或状态流程图。
（5）根据工作循环图或状态流程图编写梯形图、指令语句、汇编语言或计算机高级语言等形式的用户程序。
（6）用编程器将用户程序输入到PLC内部存储器中，进行程序调试。
（7）程序调试。
先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。
（8）调试过程结束，整理技术资料，投入使用。
三、采用PLC控制系统控制具有的优点为：
在电梯控制系统中采用PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，提高了可靠性。
去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部接线简化。
PLC可以实现复杂的系统控制，方便的增加或改变控制功能。
PLC可进行故障的自检和报警显示，提高了系统的安全性。
并便于检修。
用于群控调配和管理，提高了电梯的运行效率。
改变控制方案时不需要改动硬件接线。
2-2变频器的分类
变频器的种类有很多，根据不同的分类方法将变频器分为：
按交换环节方法分：
交-直-交变频器；交-交变频器。
按主电路工作方式分：
电压型变频器；电流型变频器。
按电压的调制方式分：
PAM变频器；PWM变频器。
按工作原理分：
Vf控制变频器；转差频率控制变频器；矢量控制变频器；直接转矩控制变频器。
按用途分：
通用变频器；高性能变频器；具有电源再生功能的变频器；风机、水泵用变频器；其他专业变频器。
2-3变频器的选择
变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量对系统的可靠性有很大的影响，选择品牌时，质量品质，是选择时重要考虑的因素。
在同一品牌中选择时，则依据已确定的调速方案、负载类型以及应用时所需的附加功能来确定。
2-3-1选择变频器的规格以及满足条件
按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。
根据具体的工程情况，可以有以下的几种选择方式：
（1）按照标称功率选择：
一般做为初步投资估算依据。
（2）按照电动机额定电流选择：
多用于恒转矩负载的新设计项目。
（3）按照电动机实际运行电流选择：
多用于改造工程。
（4）照转矩过载能力选择。
且选择的变频器应满足以下条件：
（1）根据被控设备的负载特性选用通用变频器的类型。
（2）所选用通用变频器的类型与被控异步电动机的参数匹配。
（3）为降低电梯成本，选用通用变频器。
（4）电梯的启动和停车都要平稳。
（5）变频器带有防止失速功能。
（6）变频器具有优良的转矩特性。
2-3-2VS-616G5变频器
VS-616G5变频器属于电压型变频器，包括4种控制方式：
VF控制、带PG反馈的VF控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量控制。
VS-616G5只需简单的参数设置就可以用于广泛的应用领域。
其主要参数设置如表2-1所示。
表2-2示出了控制电路端子的功能说明。
变频器的输入信号包括对运行停止、正转反转、点动等运行状态进行操作的数字操作信号。
变频器通常利用继电器触点或晶体管集电极开路形式得到这些运行信号PLC的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接，从而实现PLC对变频器的控制。
变频器的监测输出信号分为开关量检测信号和模拟量检测信号两种，用来和其他设备配合以组成控制系统。
模拟量检测输出信号既可根据需要送给电流表或频率表，也可以送给PLC的模拟量输入模块。
对于开关量检测信号，由于是通过继电器触点或晶体管集电极开路的形式输出，额定值均在24V50mA之上，符合FX系列PLC对输入信号的要求，所以将变频器的开关量检测信号FX系列PLC的输入端直接相连接，从而实现信号的反馈控制。
表2-1VS-616G5变频器主要参数设置
种类
端子符号
端子名称
功能说明
数字
输入
信号
1
正转停止
闭，正转；开，停止
多功
能输
入端
2
反转停止
闭，反转；开，停止
3
外部故障
闭，故障；开，正常
4
故障复位
闭时复位
5
主速辅助切换
闭辅助频率指令
6
调速指令2
闭多段速设定2有效
7
点动指令
闭时点动运行
8
外部封锁指令
闭时变频器停止输出
11
顺序公共端子
数字
输出
信号
9
运行信号
运行时闭
多功
能输
出端
10
25
零速信号
零速值（b2-01）以下时闭
26
速度一致信号
在设定频率±2Hz以内闭
27
多功能输出公共端
18
故障输出
故障时18-20之间闭合
故障时19-20之间断开
19
20
模拟
输出
信号
21
频率表输出
0～10V100﹪频率
22
公共端
23
电流监视
5V变频器额定电流
表2-2控制电路端子的功能说明
2-3-3VS-616G5变频器多级调速的PLC控制
利用PLC的开关量输入输出模块对变频器的多功能输入端进行控制,实现三相异步电动机的正反转、多速控制。
这种控制方式满足其工艺要求，且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，成本低，并且不存在由于噪声和漂移带来的各种问题。
表2-2中多功能输入端子和多功能输出端子的功能为出场时所设定，用户也可以根据需要利用变频器的数字操作器对这些端口重新进行功能设定。
用数字操作器对参数H1-01～H1-06进行设定，最多可达9段速运行，设定情况如表2-3所示。
表2-3多段速参数的设定
端子
对应参数
设定值
内容
5
H1-03
3
多段速指令1
6
H1-04
4
多段速指令2
7
H1-05
5
多段速指令3
8
H1-06
6
点动频率选择
然后通过端子5、6、7、8和公共端子11之间的接通断开的组合，可得9段速频率的选择。
端子接通断开的组合与被选择频率的对应关系如表2-4所示。
表中1表示接通，0表示断开。
其中，点动运转是一种与所设置的加减速时间无关的、单步的、以点动频率运转的驱动功能。
变频器的5、6、7端子经过功能设定后再通过通断组合，可控制8档频率，连同端子8对应的点东频率，共可实现9段速的控制。
每档相应额频率可以通过数字操作器对参数D1-01～D1-09的设置而定（范围0～400Hz）。
如表2-4所示。
表2-4多段频率的选择
5-11（段速1）
6-11（段速2）
7-11（段速3）
8-11（点动频）
被选择的频率
0
0
0
0
频率指令1D1-01主速频率数
1
0
0
0
频率指令2D1-02辅助频率数
0
1
0
0
频率指令3D1-03
1
1
0
0
频率指令4D1-04
0
0
1
0
频率指令5D1-05
1
0
1
0
频率指令6D1-06
0
1
1
0
频率指令7D1-07
1
1
1
0
频率指令8D1-08
1
点动频率D1-09
图2-2是利用FX系列PLC和VS-616G5变频器实现9段速的硬件接线图。
由上述变频器端口的重新设定和通断可知，Y6、Y7、Y10和Y11全为OFF时，电动机以频率指令1对应的频率运行（D1-01设定值）；Y6为ON,而Y7、Y10和Y11全为OFF时，电动机以频率指令2对应的频率运行（D1-02设定值）；依次类推，可知电动机以其他频率指令运行时Y6～Y11的ONOFF情况。
变频器的数字量检测信号直接和PLC的输入端相连。
图2-2多速段运行硬件接线图
2-4变频调速方案
一、控制要点
控制模式。
为了保证在低速时能有足够大的转矩，最好采用带转速反馈的矢量控制方式。
起动方式。
为满足吊钩从“床面”上升时，需要消除传动间隙，将钢丝绳拉紧的要求，应采用S型起动方式。
制动方式。
采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。
点动制动。
点动制动是用来调整被吊物体空间位置的，应能单独控制。
点动频率不宜过高。
二、调速方案
变频器的选型。
考虑到起升机构对运行的可靠性要求较高，应选用具有带速度反馈矢量控制功能的变频器。
调速机构。
虽然变频器调速是无级的，可以用外接电位器来进行调速，希望调速时的基本操作方法能够和原拖动系统的操作方法相同。
因此，采用左、右各若干挡转速的控制方式。
2-5变频器容量及制动电阻参数的计算
变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、载重与配重进行计算。
设电梯曳引机电机功率为P1，运行速度为V，自重为M1，载重为M2，配重为M3，重力加速度为G，变频器功率为P，在最大载重下，电梯上升的最大曳引功率为P2；则：
P2=[（M1+M2+M3）G+F]×V
其中F=（M1+M2+M3）G+µ为摩擦力，µ可忽略不计。
变频器的允许过载倍数为1.3～1.5。
变频器功率P应接近电机功率P1，相对于P2留有安全浴量，可取P=1.5P2。
由于电梯为位能负载，在运行过程中会产生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。
根据成本和使用效果方面考虑采用能耗制动方式，但制动电阻R值的大小应使通过制动电阻I1的值不超过变频器额定电流I的一半，即：
I1=UR≤I
第3章硬件设计
电梯的硬件系统由操纵盘、门厅信号、PLC、变频器、调速系统构成，系统结构图如图3-1所示。
图中变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分由PLC完成。
PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将自身的工作状态发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译码器及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，电动机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。
3-1变频电梯电力传动系统
如图3-2所示为电梯驱动机构原理图，动力来自电动机，一般选11KW或15KW的异步电动机。
曳引机的作用有三个：
一是调速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施制动。
为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重的大小而变化。
计算公式如下：
配重的重量=（载重量2+轿箱自重）×45%
式中的45%是平衡系数，一般要求平衡系数在45%～50%之间
这种驱动机构可使电梯的载重能力大为提高，在电梯空载上行或空载下行时，电动机额负载最大，处在驱动状态，这就要求电动机在四象限内运行。
为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。
为满足这些要求采用变频器控制电动机是最合适的。
变频器不但可以提供良好的调速性能，并能节约大量电能，这是目前电梯大量采用变频器控制的主要原因。
下面以目前正弦输入和正弦输出电压源变频驱动系统为例并结合图3-3说明VVVF变频电梯电力传动系统的工作原理。
图3-3变频电梯电力传动系统
该系统的特点有：
（1）使用交流感应电动机结构简单，制造容易，维护方便，适于高速运行。
（2）电力传动效率高，节约电能。
电梯属于一种位能负载，在运行时具有动能，因此在制动时，将其回馈电网具有很大意义。
（3）结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积大为减少。
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