基于PLC的变频调速电梯系统.docx
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基于PLC的变频调速电梯系统
1绪论
1.1可编程控制器
1.1.1可编程控制器的定义
可编程控制器是指可通过编程或软件配置改变控制对策的控制器，简称为PLC，是随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业控制装置。
1987年国际电工委员会（IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种数字运算操作的电子的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。
它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入（I）和输出（O）接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。
”
1.1.2PLC的结构和组成
1、基本结构：
从PLC的硬件结构形式上，分为整体固定I/O型、基本单PLC的基元加扩展型、模块式、集成式、分布式5种基本结构形式。
2、PLC的组成：
1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，每套PLC至少有一个CPU。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC运行时，以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算，结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，限制着控制规模。
2）存储器
系统程序存储器是存放系统软件的存储器；用户程序存储器是存放PLC用户程序应用;数据存储器用来存储PLC程序执行时的中间状态与信息，它相当于PC的内存。
3）输入输出接口（I/O模块）
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
4）通信接口
通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之间的数据交换（通信）。
通信接口的形式多样，最基本的有UBS,RS-232,RS-422/RS-485等的标准串行接口。
可以通过多芯电缆，双绞线，同轴电缆，光缆等进行连接。
5）电源
PLC的电源为PLC电路提供工作电源，在整个系统中起着十分重要的作用。
一个良好的、可靠的电源系统是PLC的最基本保障。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
1.1.3PLC的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技和严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点减少到数百甚至数千分之一，故障大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
2、硬件配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
3、易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法有规律，易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期缩短，同时容易维护。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能，适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，重量小于150g，功耗仅数瓦，是实现机电一体化的理想控制器。
1.2PLC在电梯控制中的应用
传统的电梯自动控制系统主要使用继电器解除其控制路线，具有通用性差、所占用的空间大、可靠性较差、维修量大以及故障多等缺点，从技术层面看这一系统终将被淘汰。
对于以上问题PLC控制系统都能有效地解决，所以应用PLC电梯控制系统，能使电梯运行更为舒适、安全、方便。
1.2.1电梯控制系统构成
电梯控制系统由逻辑控制系统与电力拖动系统构成。
电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLC完成的。
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，同时变频器也将本身的工作状态输送给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编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。
此外系统还必须配置制动电阻。
电梯的拖动控制系统经历了从简单到复杂的过程。
目前用于电梯的拖动系统主要有：
单、双速交流电动机拖动系统，交流电动机定子调压调速拖动系统，直流发电机一电动机可控硅励磁拖动系统，可控硅直接供电拖动系统，VVVF变频变压调速拖动系统。
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。
1.2.2PLC电梯控制系统基本结构
与其他类型电梯控制系统相比较，PLC电梯控制系统也是由拖动控制系统以及逻辑控制系统两个部分所构成的。
硬件设备主要包含主拖动系统、层号指示灯、调速装置、门机、厅外呼梯盘、机械系统、轿厢操作盘、PLC扩展以及主机等，其中PLC主机为控制系统的核心。
只有通过PLC软件才能实现信号控制系统，其中包含开关门的运行、换速、平层信号、顺向截梯、运行控制、厅外召唤、门区以及轿内指令等控制程序。
电梯的当前工作情况在拖动控制系统中主要是通过反馈信号，进而送入到PLC，然后经由PLC对拖动系统发出起动、切换速度以及平层等信号。
1.2.3PLC电梯控制系统的主要功能以及工作原理
1、PLC电梯控制系统的主要功能
1）自动返基站功能：
若电梯设置基站，电梯将所有的指令完成以后，会自动返回到基站，然后停机待客。
2）自动定向功能：
若轿厢中操纵盘显示电梯位置相比选层指令来说处于不同的方向，电梯可以根据所记忆的先后顺序，自行确定所运行的方向。
3）按钮开门功能：
在电梯门关闭以后或者是开门的过程中，在起动电梯以前，如果想要打开电梯门，只需在操纵盘中按下开关按钮。
4）提早关门功能与自动关门功能：
电梯通常在停站4-6s就能完全实现自动关门，如果在超时的时间之内将关门按钮按下，电梯门就能提前实行关门指令。
5）下呼叫开关与上呼叫开关：
一台具有同一功率电动机在对轿厢的下降与上升进行控制的过程中，在各层间均设有下呼叫开关与上呼叫开关。
6）自动关门待客：
如果电梯将轿厢内的所有指令完成，并且又受到层外的任何呼叫信号，轿厢可以实现自动关门，并且根据预先所调定好的时间，将轿厢中的通风以及照明设备等自动关闭。
7）待客自动开门功能：
在某一层电梯停梯待客时，在外层按下召唤按钮以后，就能实现自动开门迎客。
8）自动将门停靠：
在电梯轿厢中如果同时有不同的选层指令出现，电梯应该在所调定的时间之内能够实现自动运行，并且按照先后顺序自动将门停靠。
9）停靠应答：
电梯在运行的过程中，可以根据记忆层之外的呼梯指令，能自动地对与运行方向相符合的召唤逐一地进行停靠应答。
2、PLC电梯控制系统工作原理
电梯控制系统主要是通过随机逻辑进行控制的，在运行的过程中电梯的不同输入信号的出现是随机的，也就是不能确定信号何时会出现，其主要的控制作用是经输入接口将内指令、外指令以及光脉冲等信号传输至PLC主机中，通过PLC主机有关软件，对不同逻辑信号进行处理与逻辑的运算，然后再经过输出接口将指令信号发出，进而使拖动控制系统与门机的实际运行需要得到满足。
3、电梯故障诊断中PLC的程序设计以及实施
在电梯控制系统的改造中应用PLC，然后改造电梯控制系统以后，在外围元器件内将故障检测信号提取出来，将其作PLC的输入信号，这样不仅能完成PLC对电梯系统的有效控制，同时也能实时诊断与检测电梯控制系统的运行情况。
诊断程序的构成主要包含采集故障、搜寻故障、分离故障以及输出故障。
在电梯出现故障以后，PLC可以将电梯状态经指针寄存器发送到输出寄存器中，然后进行输出，故障信号便能在数字显示器中显示出来。
由于PLC电梯控制系统具有调试周期短、系统较为稳定、干扰性强、便于维修、扩展方便、速度快以及运算性好等优点，是目前电梯控制系统中普遍使用的一种控制方式，电梯控制系统有着较多的信号输入点，根据初期投资来说，与继电器相比，PLC电梯控制系统的成本比较高，但是可以使用减少输入点的方法，解决初期成本投入高的问题。
总之，PLC电梯控制系统安全可靠、乘坐舒适，电梯故障发生率小，具有一定的社会效益和经济效益。
2硬件系统设计
本章主要讨论在可编程控制器的控制下，结合电梯模型的控制要求及特点，对PLC控制系统进行系统配置，设置变频器的相关参数。
本章设计了电梯控制器的硬件电路及电气控制原理图，使电梯能够按照S形曲线运行，并实现电梯运行过程中的安全保护。
2.1电梯控制性能要求
2.1.1基本要求
1）一层设有上行呼梯按钮、二层设有下降呼梯按钮。
2）一层、二层和轿厢均设有7段码数码显示轿厢所在的楼层。
3）轿厢内设置有选层按钮。
4）轿厢内设置有开门和关门按钮。
5）开门与关门不可同时进行。
2.1.2附加要求
1）电梯有强制工作、自动工作状态两种模式；
2）电梯到位后，具有自动手动开门功能；
3）轿厢层间高速运行，快到相应楼层时，切换成低速运行，无速停车抱闸；
4）行车方向由内选信号决定，顺向优先执行；
5）内选、外呼信号具有记忆功能，执行后解除；
6）内选信号、外呼信号、轿厢行驶方向及所在楼层位置均有显示；
7）平层时，可自动开门、关门，有障碍物（夹人）自动改为开门；
8）轿厢超重不能关门，发出警告信号；
9）行车时，层门和轿门都不能开，开门后，不能行车，形成互锁；
10）电梯具有各种安全保护装置。
2.2PLC的I/O分配及系统配置
2.2.1I/O分配
本系统按照2层电梯进行设计，根据控制要求，PLC输入信号有：
外呼按钮、内选按钮、限位开关、手动开关、轿厢开/关按钮等。
输出信号有：
外呼信号指示、内选信号指示、楼层显示信息、电梯上/下行信息、变频器控制信号等。
输入/输出信号的具体分配如表2-1所示。
表2-1I/O地址分配表
PLC输入点
电梯实物内部接口
PLC输出点
电梯实物内部接口
I0.0
一层内选按钮
Q0.0
变频器
STF
I0.1
二层内选按钮
Q0.1
STR
I0.2
一层外呼上按钮
Q0.2
一层内选指示
I0.3
二层外呼下按钮
Q0.3
二层内选指示
I0.4
开门按钮
Q0.4
一层外呼上指示
I0.5
关门按钮
Q0.5
二层外呼下指示
I0.6
关门障碍信号
Q0.6
门电机正转（开门）
I0.7
一层平层
Q0.7
门电机反转（关门）
I1.0
二层平层
Q1.0
电梯上升指示
I1.1
开门限位按钮
Q1.1
电梯下降指示
I1.2
关门限位按钮
Q1.2
电梯超重指示
I1.3
轿厢上升限位
Q1.3
电梯检修指示
I1.4
轿厢下降限位
Q2.0
七段数码管
依次为a,b…g
I1.5
轿厢超重信号
Q2.1
I2.0
检修开关
Q2.2
I2.1
手动上行按钮
Q2.3
I2.2
手动下行按钮
Q2.4
I2.3
手动开门按钮
Q2.5
I2.4
手动关门按钮
Q2.6
由表2-1可知，本系统需输入点数19点，输出点数19点，考虑15%-20%的裕量，故选择西门子S7-200系列CPU226PLC为主机，配以EM222DC24V数字量8点输入扩展模块。
CPU226输入/输出点数为24入/16出，EM222为8入，形成输入点数24点，输出点数24点，满足系统要求，其地址编号如图2-1所示。
图2-1PLC主机、扩展模块I/O分配
由于本系统中输入输出状态较多，因此需用到大量的PLC内部的辅助继电器，各继电器具体分配如表2-2所示。
表2-2辅助继电器分配表
编号
状态
说明
编号
状态
说明
M0.0
1
电梯处于1层
M0.3
1
三相电机运转
M0.1
1
电梯处于2层
M0.4
1
开门按钮被按下
M0.2
1
门电机运转
M0.5
1
关门按钮被按下
2.2.2电梯运行的速度曲线
为了能准确平层，并使乘客有很好的舒适感，电梯的速度控制是至关重要的环节。
电梯必须按照设定好的速度运行，才能保证电梯平层的准确性。
当PLC接收到平层信息时，必须使轿厢及时降速并停在指定位置。
为使乘客有乘车的舒适感，电梯的速度变化不能跳变，特别是电梯启动和停止的时候，速度变化要缓慢，即轿厢运行的加速度比较小。
综合上述要求，对于电梯的运行速度曲线采用S形加减速方式。
变频器具有S形曲线输出功能。
其特点是在起始的一段时间，加速速度相对缓慢；在起动之后，基本成线性运行，加速度不变，而后，加速度逐渐减为零。
这样，在整个加速过程中，速度与时间成关系呈S形方式，如图2-2所示。
电梯轿厢按照S形速度曲线运行，会使得乘客的舒适感大大提高。
图2-2S速度曲线
2.2.3变频器的参数设置
本系统中，利用PLC控制变频器的目的是使曳引机能够实现平滑调速，从而使得乘客的舒适感大大提高。
变频器的参数非常多，变频器的引脚也非常多，图2-3给出了FR-A540变频器其常用端子。
图2-3FR-A540变频器常用端子
通过给输入端子不同的信号，变频器将50HZ（工频）的三相交流电变换成给定信号对应的频率，FR-A540变频器各端子的用法见表2-3。
表2-3FR-A540变频器的各端子说明
端子标号
端子名称
说明
R,S,T
交流电源输入
连接工频电源
U,V,W
变频器输出
接三相异步电动机
STF
正转启动
STF信号处于ON便正转，处于OFF便停止
STR
反转启动
STR信号处于ON便反转，处于OFF便停止
RH
多段速度选择
高速
用RH,RM,RL信号的组合可以选择多段速度
RM
中速
RL
低速
SD
公共输入端子
接点输入端子的公共端
JOG
点动模式选择
JOG信号处于ON时，用STF或STR点动运行
为了使电梯的运行速度曲线采用S形加减速方式，FR-A540变频器常用参数及其设定值，见表2-4。
表2-4FR-A540变频器常用参数表
参数号
名称
设定范围
本系统设定参数值
Pr.1
上限频率
0-120Hz
50Hz
Pr.2
下限频率
0-120Hz
5Hz
Pr.4
多段速度设定（高速）
0-400Hz
50Hz
Pr.5
多段速度设定（中速）
0-400Hz
30Hz
Pr.6
多段速度设定（低速）
0-400Hz
5Hz
Pr.7
加速时间
0-360s
3s
Pr.8
减速时间
0-360s
4s
Pr.20
加减速参考频率
1-400Hz
50Hz
Pr.79
操作模式选择
0-8
2
2.3电梯控制系统原理图
2.3.1PLC接线图
电梯控制系统的接线图如图2-4所示。
图2-4PLC接线图
2.3.2主电路图
电气控制系统主回路如图2-5所示。
图中，M1为三相异步电动机；M2为直流电机；接触器KM1-KM2控制直流电机的运行；FR1,FR2为电机M1、M2过载保护用的热继电器；QF1,QF2,QF3分别为主电路、变频器和变压器的空气开关；变压器和整流桥用于得到24V直流电压驱动门电动机。
图2-5电气控制系统主回路
3软件系统设计
本章在第2章硬件设计的基础上，进行各模块的软件设计，给出各个控制环节的程序梯形图，从而完成电梯控制系统的软、硬件设计。
3.1电梯的控制方式
PLC对变频器的控制目的是使轿厢在楼层间运行时，高速旋转，平层前改为低速运行，再抱闸停车。
对电梯的控制可以分为两种状态，强制工作和自动工作状态。
当电梯的初始位置需要调整或者电梯需要检修时，按下“检修”开关。
电梯便进入强制工作状态，此时电梯不相应正常的呼叫，通过“手动上升按钮”、“手动下降按钮”可以使电梯沿着导轨上、下间自由移动。
“手动关门按钮”、“手动开门按钮”只有电梯在各楼层时，轿厢门才能打开。
当处理完毕后，可断开“检修”开关使电梯退出强制工作状态。
电梯正常工作时，当检测到有外呼按钮或轿厢内的内选按钮有呼叫时，通过内选按钮记录情况，确定轿厢运行方向。
电梯通过轿厢拖动系统，按照S形曲线低速启动转变为高速运行，当检测到平层信号后，再降速运行并停车抱闸，达到平稳过渡，实现舒适性。
平层后开门，直到碰见开门限位开关，开门结束。
在一段固定延时时间内，若未检测到轿厢关门开关按下，轿厢门自动关闭。
电梯按照顺向优先响应，逆向截车的原则，不断从一层启动到另外一层停止。
3.2系统的程序设计
3.2.1强制工作电路
当电梯需要检修时，按下“检修”开关。
电梯便进入强制工作状态。
结合2.1节的控制要求，设计的强制工作电路的梯形图如图3-1所示。
3.2.2电梯选向电路
改变电梯的运行方向，实际上就是改变电机的旋转方向。
结合2.1节的控制要求，设计的电梯选向电路的梯形图如图3-2所示。
图3-1强制工作控制梯形图
图3-2选向控制梯形图
3.2.3门电动机控制
改变电梯的运行方向，实际上就是改变电机的旋转方向。
结合2.1节的控制要求，设计的门电动机电路的梯形图如图3-3所示。
本程序中，电梯平层之后延时1s自动开门，开门后延时10s自动关门。
图3-3门电动机控制梯形图
3.2.4楼层显示控制
本系统中，采用共阴极接法的七段数码管，结合2.1节的控制要求，设计的楼层显示控制电路的梯形图如图3-4所示。
图3-4楼层显示控制梯形图
3.3电梯系统梯形图程序
最终设计的整个系统的梯形图如图3-5所示。
图3-5系统梯形图
4总结
本次设计基本达到了设计目的，完成电梯的变频控制。
利用通用变频器和PLC实现了对电梯的调速控制，通过合理的控制器系统配置、参数设置和软件设计，提高了电梯运行的可靠性，改善了电梯运行的舒适感，并节约了电能。
本论文通过查阅大量的文献资料，借助互联网和图书馆，结合电梯控制实际，具体介绍了以下几个方面：
1、可编程控制器的结构和工作原理
2、可编程控制器在电梯中的应用
3、二层电梯的硬件设计
4、二层电梯的软件设计
尽管本文做了大量的研究和基础性实验，由于受时间和设备约束，本设计很多不足之处，
通过本次设计，不仅扩展了我的专业知识，而且增强了我分析和解决工程实际的综合能力。
另外，也培养了我严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风，同时也培养了我们的协作能力。
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致谢
本次课程设计不仅让我收获了专业技能，更培养了我团结协作的能力。
当然首先应感谢就是我的指导老师冯增喜老师，老师今年刚好给我们带课，他的每一节课都能给我留下深刻的印象，老师不仅是授人以鱼，更是授人以渔，这次老师作为我们的指导老师从论文的选题、研究到撰写都倾注了他极大的心血。
每当我们有不懂的问题，他总能热心的给我们解答。
在他的精心指导和热情关心下，我才得以顺利完成论文。
同时，要感谢我的队友们，在这次论文期间，
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