六层六站变频电梯的PLC控制系统设计biyesheji李长青.docx
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六层六站变频电梯的PLC控制系统设计biyesheji李长青
摘要
我国的电梯行业已经进入高速发展阶段，无论是产量还是销量都已经排在世界首位。
电梯作为垂直运输工具，已经成了人们生活中不可缺少的一部分。
随着计算机技术、电力电子技术与自动控制技术的迅速发展，电梯行业也进入了更高的高度，调频调压调速和由可编程控制器组成的逻辑控制器成为了现在电梯控制技术。
现代电梯在追求速度、简单和舒适的同时，也在提高安全性能和节能上面提出了更高的要求。
通过对I/O点数的估算，选择了FX2N型可编程控制器作为电梯控制器。
采用变频调速技术提高电梯效率、节省能源，本课题选择的是VS-61665型变频器。
为了使电梯平稳调速，获得良好地舒适感，设计了电梯的起制动速度曲线为两段抛物线加一段直线，加速度斜率和抛物线变化率决定该曲线形状的构成和改变；采用旋转编码器来发出脉冲信号构成位置反馈，达到电梯的精确位移控制。
本文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。
本文针对国内电梯行业的现状，设计出了基于可编程控制器的电梯控制系统，实现了电梯的开关门控制、内外召唤指令的登记与消除、层楼显示、呼梯铃控制与故障报警、定向和反向截梯等功能。
关键词：
电梯；PLC；变频调速
Abstract
TheelevatorindustryinChinahasenteredastageofrapiddevelopment,bothproductionandsaleshavebeenrankedfirstoftheworld.Theverticalelevatorastransporttoolhasbecomeanindispensablepartofthepeople’slives.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,powerelectronicsandautomaticcontrollingtechniques,theelevatorindustryhasenteredahigherlevel.Variablevoltageandvariablefrequency（VVVF）speedmodulationandlogiccontrollercomposedofprogrammablelogiccontroller（PLC）havemadeupthecurrentelevatorcontroltechnology.Inthepursuitofspeed,simplicityandcomfortofthemodernelevators,atthesametime,higherrequirementsinimprovingsafetyperformanceandenergyefficiencyarealsoputforward.
TheFX2NPLChasbeenselectedaccordingtotheestimationofI/Opoints.Thevariablefrequencyspeedmodulationtechnologyisusedtoimprovetheelevator’sefficiencyandsavetheenergy,andVS-61665inverterisappliedtothissubject.Inordertoobtainsmoothspeedregulationandgoodcomfort,thevelocitycurveinthedesignadoptedinstartingandbrakingcouldbedescribedastwosectionsofparabolaandastraightline.Meanwhile,theaccelerationslopeandparabola’svatiationratedeterminethecurveshapeandchanges.Byusingarotaryencodertoissuethepulsesignalwhichisconstitutedthepositionfeedback,theaccuratedisplacementcontroloftheelevatorcouldbeachieved.Theelevatorcontrolsystemhasameanlayer,theOfficeofcallstothelayerselected,manualandautomaticfunctionswithasetoffeaturestocontroltheelection.
Inviewofthesituationofthedomesticelevatorindustry,thispapershowsanelevatorcontrolsystembasedonPLC.Itimplementsthefollowingfunctions:
switchcontrolofelevatordoor,registrationandeliminationofinternalandexternalsummoninstruction,displayoffloors,callbellcontrol,faultalarm,andorientedorreverse
interceptionetc.
Keyword:
elevator；PLC；modelofelevator
摘要I
1绪论1
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题1
1.1.1电梯继电器控制系统的优点1
1.1.2电梯继电器控制系统存在的问题1
1.2PLC及其在电梯控制中的应用特点2
1.2.1PLC的特点2
1.2.2PLC控制电梯的优点3
1.3电梯变频调速控制的特点4
1.4课题的来源4
1.5课题的主要内容5
2电梯概述6
2.1电梯的类型6
2.2曳引电梯的组成8
2.2.1曳引电梯的基本结构8
2.2.2曳引电梯的主要机械装置11
2.3电梯的性能要求15
2.3.1安全性15
2.3.2可靠性15
2.3.3平层精度15
2.3.4舒适性16
3变频器选择及其参数设计16
3.1变频器的分类16
3.2变频器的工作原理及变频调速16
3.2.1变频器的工作原理16
3.2.2三相异步电动机的变频调速原理18
3.3变频器的选择18
3.3.1选择变频器规格19
3.3.2选择的变频器应满足的条件19
3.4通用变频器19
3.4.1通用变频器概况19
3.4.2VS—616G5型通用变频器20
3.5变频器结构及参数设计21
3.5.1参数设计的原则21
3.6可编程控制器的工作原理与选型24
3.6.1可编程控制器的工作原理24
3.6.1三菱FX系列PLC特点25
4电梯控制系统的设计26
4.1电梯的控制要求26
4.2系统信号的确定以及软元件的选取27
4.3轿厢位置的检测与平层29
4.3.1旋转编码器的工作原理29
4.3.2编码器相关参数的设定30
5.2.1软件设计特点31
5.2.3模块化编程32
4.3软件设计33
4.3.1梯形图程序33
5经济性分析40
结论41
致谢42
参考文献43
1绪论
随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。
电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。
电梯是垂直运输工具，属于位能负载，并且要求频繁起停，随着载客量多少的变化、上下行的变换，在空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处于发电状态，而电梯在重载上行或空载下行时，电动机的负载最大，是处于电动状态，这就要求电动机在四象限运行。
传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，双速异步电动机在定子回路中串电抗与电阻来实现电动机的调速，这满足不了乘客的舒适感；另外，传统的电梯控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁，可靠性差和工作寿命短等缺陷。
可编程控制器（PLC:
ProgrammableLogicController）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
控制方式已逐渐被PLC控制代替。
同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。
因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点[1]。
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题
1.1.1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，价格便宜。
（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉掌握的人员较多。
1.1.2电梯继电器控制系统存在的问题
（1）系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）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。
（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）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。
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，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。
1.2PLC及其在电梯控制中的应用特点
1.2.1PLC的特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样。
以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。
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。
1、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。
（1）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。
（2）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MTTR，使可靠性提高。
（3）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。
（4）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，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
（5）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。
（6）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，采用软件滤波等；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：
（1）操作方便
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，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。
（2）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，十分有助于编程人员的编程。
（3）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减低。
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：
（1）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。
（2）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。
（3）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电梯变频调速控制的特点
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。
（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。
1.4课题的来源
变频器以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。
在电梯业也是如此，目前国内70～80年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，调速方式一般采用变极调速、调压调速、直流调速。
维修困难，属于能耗型调速，效率低，发热量大，调速性能指标较差，严重地影响电梯运行质量。
应对这些电梯进行更新和改造。
但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。
近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）
来控制电梯，取得了良好效果。
利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。
1.5课题的主要内容
课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）和变频器改造在用电梯自动控制系统。
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，节约资金。
因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。
针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。
调速系统采用交流变频调速，在各种负载下都有良好的调速性能和准确的停车性能，满足乘客的舒适感和保证平层精度（即准确停车），并能节约大量电能。
论文的主要内容如下：
首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）、变频器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，变频器实现变频调速，完成了变频器和可编程控制器（PLC）的选择。
然后是系统硬件开发，完成了变频器的参数设置及PLC的选型、I/O点数分配以及旋转编码器与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实例。
最后对改造后的电梯系统进行模拟调试。
2电梯概述
2.1电梯的类型
据国家标准GB/T7024—1997《电梯、自动扶梯、自动人行道术语》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，运行于至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸卸货物与结构形式应便于乘客出入。
因此，电梯是一种间歇动作的，沿垂直方向运行的，电力驱动的，方便运输的升降设备，电梯在建筑设备中属于机械设备。
目前，英、美、法、日等国习惯于将电梯、自动扶梯和自动人行道統归为垂直运输设备。
由于分类依据的不同，电梯有不同的分类方法。
1.按用途分类
电梯按用途分一般有以下几类。
（1）乘客电梯：
为运送乘客设计的电梯，要求完善的安全设施以及一定的轿内装饰。
（2）载货电梯：
主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。
（3）医用电梯：
为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢具有长而窄的特点。
（4）杂物电梯：
供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。
（5）观光电梯：
轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。
2.按额定速度分类
电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类：
（1）低速梯：
常指低于1.00m/s速度的电梯。
（2）中速梯：
常指速度在1.00～2.00m/s的电梯。
（3）高速梯：
常指速度大于2.00m/s的电梯。
（4）超高速梯：
速度超过5.00m/s的电梯。
随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、低速电梯的速度限值也在相应地提高。
3.按拖动方式分类
按曳引电动机的驱动形式不同电梯可分为：
（1）螺旋式电梯：
通过螺杆旋转，带动安装在轿厢上的螺母使轿厢升降。
（2）齿轮齿条式电梯：
这种电梯无需曳引钢丝绳，其电动机及齿轮传动结构装在轿厢上，依靠齿轮与固定在构架上的齿条之间的啮合来驱动轿厢的升降，如建筑工程用的电梯即为此种电梯。
（3）液压电梯：
靠液压驱动的电梯。
根据柱塞式液压缸设置方式的不同，液压电梯目前有以下两种：
一是柱塞置顶式，柱塞直接支撑轿厢底部，使之升降；二是柱塞侧置式，液压缸设置在井道的侧面，借助曳引绳通过滑轮组与轿厢连接使轿厢升降。
（4）直流电梯：
采用直流电动机拖动的电梯。
如采用直流发电机----电动机组拖动的电梯和直流可控硅励磁拖动的电梯，整流器供电的直流拖动电梯。
（5）交流电梯：
采用交流电动机拖动的电梯。
交流电梯又可分为采用交流异步双绕组电动机调压调速拖动的电梯，简称ACVV拖动电梯；采用交流异步单绕组电动机调频调压调速拖动的电梯，简称VVVF拖动电梯；采用交流异步双速电动机变级调速拖动的电梯，简称交流双速电梯，交流双速电梯是本文重点讲述的内容。
上述直流电梯和交流电梯由于运行过程中需要钢丝绳、滑轮等曳引装置，一般将他们统称为曳引电梯。
2.2曳引电梯的组成
2.2.1曳引电梯的基本结构
不同规格型号的电梯，其基本结构情况不同，这里以曳引型电梯为例介绍。
图2-1曳引电梯的结构组成。
Fig.2-1Tractionelevatorstructures
从上图中可看出一部完整电梯部件组成有如下图2-2所示的大致情况。
图2-2电梯的组成（从占用四个空间划分）
Fig.2-2CompositionofElevator（Dividedfromfourspaceoccupied）
根据电梯运行过程中各组成部分所发挥的作用与实际功能，可以将电梯划分为八个相对独立的系统。
如下图1-3所示。
图2-3电梯的八大系统示意图
Fig.2-3Eightelevatorsystemdiagram
这八个系统的主要功能和组成如下表：
表2-1电梯八大系统简介
Table2-1IntroductionofElevator`seightsystem
功能
主要构件
曳引系统
输出、传递动力，驱动电梯运行
曳引机、钢丝绳、导向轮、返绳轮、制动器
导向系统
使轿厢和对重只能沿导轨运动
导轨、导靴
轿厢
运送乘客或货物
轿厢架、轿厢
门系统
运行时必须封闭，到站才能打开
轿厢门、层门、门锁、开门机、防夹装置
重量平衡系统
平衡轿厢重量、补偿曳引绳重量的影响
对重、补偿链
电力拖动系统
提供动力，并进行速度控制
供电系统、调速装置
电气控制系统
对电梯实时控制
操纵盘、呼梯盒、控制柜、楼层指示、平层开关、行程开关
安全保护装置
保证电梯安全使用
限速器、安全钳、缓冲器、超速保护、断相错相保护
2.2.2曳引电梯的主要机械装置
图2-4曳引系统结构示意图
Fig.2-4Schematicstructurehoistingsystem
曳引式电梯的主要机械系统包括曳引机、减速箱、曳引轮、曳引绳、导向轮，轿厢与门机、对重与补偿链，导轨导靴。
此外，为了电梯的安全运行，还有必须配备制动器、限速器与安全钳、缓冲器等安全装置。
电梯曳引系统的一般示意图如上图2-4。
1.曳引电动机
曳引电动机机是电梯的拖动机械，其作用是产生并传送动力，驱动轿厢和对重上下运行。
分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机。
无齿轮曳引机，一般以调速性能良好的直流电动机作为动力，由于没有机械减速机构，其传动效率高，噪声小，传动平稳，结构简单，用于速度大于2m/s的高速和超高速电梯上。
有齿轮曳引机多用于速度小于2m/s的各种电梯上，为减小运行噪声和提高平稳性，一般采用蜗杆副作减速传动装置。
这种曳引机主要由曳引机电动机、制动器及减速器等组成。
2.减速箱
对于有齿轮曳引机，在曳引电动机转轴和曳引轮转轴之间安装减速器（箱）。
目的：
将电动机轴输出的较高转速降低到曳引轮所需的较低转速，同时得到较大的曳引转矩，以适应电梯运行的要求。
按传动方式分：
（1）蜗轮蜗杆传动
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