plc控制交流变频调速电梯系统设计大学论文.docx

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plc控制交流变频调速电梯系统设计大学论文

PLC控制交流变频调速电梯系统设计

摘要

电梯是自动化程度和安全可靠性要求很高的设备，其电气构成十分复杂，其质量的好坏在很大程度上取决它的控制系统。

近年来，随着微电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，可编程逻辑控制器（PLC）得到了广泛应用。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式也渐渐由原来直流调速过渡到了交流变频调速。

因此，PLC控制技术同交流变频调速已成为现代电梯的一种趋势。

本文在已有的通用变频器基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，改善了电梯控制的舒适感，使电梯达到理想的控制效果。

可编程序控制器（PLC）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气装置。

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。

变频调速同样以其优异的调速性能、优良的起制动性能和很好的节电效果，得到广泛应用。

关键词：

PLC控制；变频调速；电梯；

Abstract

Elevatoristhedegreeofautomationandhighreliabilityrequirementsforsafetyequipment,electricalconstituteisverycomplicatedandthegoodorbadofitsqualityalargeextentdependsonitscontrolsystem.Inrecentyears,withmicro-electronictechnology,computertechnologyandautomationtechnologydevelopment,PLCcontroltechnologyhasbeenwidelyused.Atthesametime,becauseofthedevelopmentoftheelectricalACfrequencyconvertertechnology,thedragwayofliftfromoriginalDCconverterhasbeenagradualtransitiontotheACfrequencyconverter.Therefore,PLCcontroltechnologyandFrequencyControlHyundaiElevatorhasbecomeahotindustry.Thisarticleisbasedonthenew-beinggeneralfrequencyconverter,usingPLCtocontroltheelevator,thereliabilityisimprovedandthefeelingofcomfortbetterthroughthereasonableselectionanddesign,sotheeffortofcontrolismoreideal.ProgrammableLogicController（PLC）isbasedonlogiccontrolorderontheneedsofdevelopedandisdedicatedtoenvironmentalapplicationsandindustrialdesignoftheoperationofelectronicdigitalcomputingdevice.PLCcontrolgenerallyhashighreliabilityandeasyoperation,maintenance,programmingsimple,flexible,andothercharacteristics.VVVFarewidelyusedbecauseofitsexcellentperformanceandspeedfromthebrakeperformance,highefficiency,highpowerfactorandenergy-savingeffects.

Keywords：

PLCcontrol；VVVF；elevator；

1绪论

随着社会的发展，科技的进步，电梯这一新的代步工具越来越成为日常生活的一部分，电梯的使用数量越来越大，使用频率越来越高，电梯在人们的生活中起到了越来越重要的作用。

电梯是垂直运输工具，它属于位能型负载，同时又要求频繁起停，随着客载量多少的变化，上下行的变换，在空载上行或负载下行时，电动机的负载最小，甚至是处于发电状态，这就要求电动机在四象限运行。

传统的电梯拽引电机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，在异步电动机在定子回路中串阻抗来实现对电动机的调速，这当然不能满足乘客的舒适感要求；同时，传统的电梯控制系统由继电器控制组成，使用大量电气元件，其稳定性差，工作寿命短，很难满足对安全性的要求。

可编程序控制器（PLC）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，电梯的拖动方式也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精确度的要求，变频还可以降低能耗，节约资源。

因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。

随着城市高层建筑的不断增加，电梯和人们日常生活的关系越来越紧密，电梯行业发展迅速，但是由于科技的制约，我国的电梯产品还不完善，因此有必要对电梯深入研究。

电梯被广泛应用于住宅、公众建筑、工厂仓库等场所，它方便了人们的生活，节省了时间和体力。

而作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它做出了更高的要求。

由于早期的电功率较高、继电器控制方式存在故障率较高、电梯的可靠性差、接线复杂、而且一旦接线完成就不易更改，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。

可编程控制器（PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。

因此，PLC在电梯控制领域得到了广泛的应用。

1.1传统的电梯继电器控制

1.1.1传统的继电器式控制电梯有以下优点：

（1）其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。

（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，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，使用次数有限，因而故障率比较高。

（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的逻辑控制，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。

（3）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。

（4）电磁机构及触点动作速度慢，机械惯性和电磁惯性大，系统控制精度很难提高。

（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。

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，容易造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。

而且电梯一旦发生冲顶和蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故[1]。

1.2PLC及其在电梯控制中的应用

1.2.1PLC控制的特点

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，进行位运算与控制。

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

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，系统的维护简单，维修时间短。

PLC采用了一系列可靠性设计的方法来进行设计，如：

冗余设计、断电保护、故障诊断和信息保护和恢复等，增强了可靠性保障。

PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，同时具有良好的人机界面，不易发生误操作。

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，同时其抗电磁干扰性能使得其可以在恶劣工况下运行，进一步保证了可靠性。

（2）易操作性

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，编程器采用了屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。

更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。

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。

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便维修。

（3）灵活性

编程的灵活性：

PLC采用的编程语言有梯形图，功能表，功能模块和语句描述编程语言。

编程的方法的多样性使编程方便，应用面拓展。

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。

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[2]。

1.2.2PLC控制电梯的优点

在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高；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；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；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；用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率；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，大功率电力电子器件的普及，交流变频调速技术发展的也十分迅速。

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。

变频调速仪器优异的调速性能和起制动平稳性能，高效率，很好的节电效果，成为最有前途的调速方法。

变频调速电梯适用的是异步电动机，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。

变频调速电源使用了先进的SPWM技术和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，已逐渐取代直流电机调速。

变频调速电梯适用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率因数，节能效果明显[3]。

1.4课题的主要研究内容

课题所研究的内容主要是利用可变程序控制器（PLC）和变频器对电梯进行自动控制。

对电梯控制技术进行研究，提高拽引电梯技术水平和质量，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，可靠性高的可变程序控制器来控制电梯。

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和准确的停车性能，满足乘客的舒适感和保证平层精度（准确停车），节约大量电能。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可变程序控制器，变频器作了总结和介绍，阐述了电梯控制系统的分类及特点。

确定了系统的总体结构，用PLC来实现电梯信号控制，变频器实现变频调速，完成了变频器和可变程序控制器的选型，对系统硬件开发，完成了变频器的参数设置及PLC的选型，I/O点数分配。

在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，设计了梯形图，实现了对电梯的控制。

2电梯设备发展及组成

2.1电梯设备的发展

目前电梯按不同的方式可分为以下两种。

（1）按用途分：

乘客电梯、载货电梯、客货两用电梯、观光电梯，及其他专用（如矿井、冷库、建筑工程）电梯。

（2）按拖动方式分：

曳引式、液压式和齿轮齿条式。

曳引式是最常见的电梯驱动方式。

2.2电梯系统的组成

电梯的组成：

以一般乘客曳引式电梯为例，电梯由曳引系统、悬挂补偿系统、电气系统和安全装置组成，轿厢和对重在建筑物的井道内运行，曳引机和电气系统放置在机房里。

轿厢是电梯的主要组成部分，它用以运送乘客或货物的电梯组件。

它是由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重机构。

门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。

轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。

层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。

开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。

电梯的工作状态：

电梯的工作状态分为自动状态和维修工作状态，这两种工作状态互相独立，彼此分开，目的在于确保控制回路输出的唯一性，避免发生类似双线圈输出的情况，杜绝发生事故。

电力拖动系统：

电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。

调速装置对曳引电机实行调速控制。

电气控制系统：

电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制设备由制造厂成套供应，电气控制设备的电源进线及配电出线由安装单位配套。

电气设计只需要为下列用电设备提供电源，选配断路器和配电线路。

重量平衡系统：

重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成。

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。

安全保护系统：

安全是人们很关心的问题，电梯必须具备足够的安全性，以防止任何不安全的情况发生。

安装保护装置可分为以下几种

（1）限位开关：

限位开关是为了防止电梯冲顶或撞底的第二道防线。

它是由上、下两个开关组成，分别装在强迫减速作而被迫停止时，仍能应答各楼层召唤信号，并可以向相反方向继续运行。

（2）极限开关：

当电梯失控后，第一道及第二道防线均不能使电梯停止工作时，轿厢的上或下开关打板就会随着电梯的只有人工才能复位。

（3）层门锁保护：

电梯运行的充分必要条件之一就是电梯必须关好门后才能运行。

电梯层门的开与关,是通过安装在轿门上的开门刀片来实现的。

每个层门都装有一把门锁。

层门关闭后,门锁的机械锁钩啮合,同时层门与轿门电气连锁触头闭合,电梯控制回路接通,此时电梯才能启动运行。

（4）电梯门的安全保护环节：

这一安全保护环节主要是指在关门过程中防止夹伤乘客等人员的装置。

一般有安全板、光电保护等停止关门，改为开门，从而使乘客不致被门夹伤。

防灾及报警装置：

消防电梯和平时兼作普通电梯的消防电梯，在撤离层靠近层门的候梯处增设消防专用开关及优先呼梯开关，恭火灾时消防队员使用。

消防控制室在确认火灾后，也应能控制电梯停于撤离层，并接受其反馈信号。

在轿厢到达撤离层后，应保证轿厢的优先招回权，使之在不相应层站呼叫下进行操作。

轿厢在到达指定层后就停留在该处，且轿门开着，直到轿内发出新的指令。

为使乘客在需要时能有效地向轿厢外求援，应在轿厢内装设乘客容易于识别和触及的报警装置。

该装置应采用警铃，对讲系统，外部电话或类似形式的装置。

建筑物内的组织机构应能及时，有效地应答紧急呼救。

报警装置需要就地提供电源时，要有可自动再充电的紧急电源，在正常电源中断的情况下，它能至少提供报警装置用电1小时。

在正常电源一旦发生鼓掌情况下，应自动接通紧急电源。

报警装置用紧急电源，可与照明用紧急电源共用。

超高层建筑和级别高的公建，在防灾控制中心宜设置电梯运行状态指示盘。

如果电梯行程大于30m，在轿厢和电梯机房之间应设置紧急电源供电的对讲系统或类似装置。

消防电梯轿厢内应设消防专用固定电话，根据需要可以设闭路监视摄像机。

线路敷设

2.3电梯运行原则

当乘客进入轿厢后，只需按下欲前往的层站按钮，则电梯按照规定的停站时间延迟后，关电梯门后运行到该楼层。

电梯运行时，采取的是顺向消号，反向保号原则，顺向截车原则，最远程反向截车原则，自动开关门原则，本层呼叫重开门原则等。

当电梯门关上2至3秒后电梯运行。

（1）顺向消号原则：

电梯在运行过程中，收到顺向信号，则在电梯运行到该层后停下来，并对该楼层的信号进行消除。

（2）反向保号原则：

电梯在运行时，收到反向信号，但电梯并不对此进行理会，只是对它进行记录，等没有顺向信号后则进行处理。

（3）顺向截车原理：

在电梯运行的过程中，收到下一层的请求信号，则会在下一层停下来。

（4）自动开关门原则：

当电梯内收到按钮信号后6至8秒，电梯门自动关闭。

（5）本层呼叫重开门原则：

当电梯刚关门但是还没有运行时，收到来自于本层的请求开门信号，则电梯门打开。

（6）超载行驶：

在轿厢关门前要称量轿厢载重量，如果超载，则不关门，超载指示灯亮，并发出超载报警。

主开关选择：

电梯电源设备的馈电开关宜采用低压断路器。

低压断路器的额定电流应根据持续负荷电流和拖动电动机的起动电流来确定。

过电流保护装置的负载－时间特性应与设备负载－时间特性曲线相配合。

2.4对电梯系统的控制要求

（1）电梯位置的确定与显示

轿厢及门厅中设有楼层指示灯，使轿厢中的乘客及门厅中等待乘梯的人了解电梯的位置为了满足制动停层等控制的需要，电梯运行中还需要更加准确的位置信号。

电梯位置信号一般由设在井道中的位置开关（如磁感应器）提供，当轿厢上设置的隔磁板插入感应器时，发出位置信号，并启动楼层显示。

（2）轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号

乘客可按下轿厢内操控盘上的选层按钮，选定电梯运行的目标楼层，称为内选信号，按钮按下后，该信号被记忆并点亮相应的指示灯。

在门厅等候电梯的乘客可以按门厅的上行或者下行召唤按钮，称为外唤信号，该信号也被记忆并点亮相应的门厅上行或者下行指示灯。

这些信号在要求得到满足时自动消号。

（3）电梯自动运行时的信号响应

电梯自动运行时应根据内选及外唤信号决定电梯的运行方向及在哪些楼层停层。

一般情况下，电梯自动登记所有内选信号和外唤信号，上行时顺向应答上行召唤，直至最高层自动反向应答下行召唤。

在运行方向确定以后，不应答中途的反向召唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返程。

（4）轿厢的启动与运行

轿厢的运行方向确定且轿厢门已经关好后启动运行，运行开始加速运行，达到最高转速后稳定运行。

（5）轿厢的准确停层

轿厢运行后需要确定在哪一层站停车，平层是指停车时轿厢底与门厅“地平面”应相平齐，一般有具体的平层误差规定，如平层时两平面相差不得超过5mm。

平层停车过程需在轿厢底面与停车楼面相平之前开始，先减速后制动，以满足平层的准确性及乘客的舒适感。

电梯的减速开始信号由平层感应器发出。

上平层感应器及下平层感应器都装在轿厢顶部，距离较近，隔磁板安装在井道壁上。

上行时，上平层感应器首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至下平层感应器插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电动机停转，抱闸抱死；下行时下平层感应器首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至上平层感应器插入隔磁铁板时，发出停车信号。

下面为电梯的开关门电路

图2-1电梯门开关电路

3变频器选择及其参数设计

3.1变频器的分类

变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类：

（1）按变换频率的方法分交—直—交变频器交—交变频器

（2）按主电路工作方式分电压型变频器电流型变频器

（3）按变频器调压方法的不同分PAM变频器PWM变频器

（4）按工作原理分类U/f控制变频器VC控制变频器SF控制变频器

（5）按照用途分类通用变频器高性能专用变频器高频变频器和通用变频器

3.2变频器的选型

确定变频器的品牌和型号，以及确定变频器的规格，就完成了变频器的选择。

先对变频器进行分类，然后分别讨论品牌和型号、规格。

3.2.1选择变频器品牌型号

变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对于系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质，显然是选择时的重要考虑方面。

同时，设备的平均寿命的长短是一个重要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验和口碑仍然是主要依据。

在同一品牌中选择具体型号时，则主要依据已经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定[4]。

3.2.2选择变频器规格

变频器产品说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。

因此，直接按照变频器标称功况，可以有率进行选择，在实际中常常可能会行不通。

根据具体工程的情以下几种不同的变频器规格选择方式：

（1）按照标称功率选择：

一般作初步投资估算依据。

（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）按照转矩过载能力选择

综上所述，根据实际工程情况，选择变频器规格很重要。

选择结果多数情况下变频器标称功率与电动机匹配，少数情况需要放大。

所以，笼统的认为放大一级功率选择变频器是没有错的想法，但会造成浪费。

总的来说从生产成本来做合适的选型。

选择的变频器应满足的条件：

根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。

所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。

为降低电梯成本，首选通用变频器。

电梯的启动和停车都要平稳。

变频器带有防止失速功能。

变频器具有优良的转矩特性。

3.3通用变频器

为了满足以上的条件，本设计选择通用变频器。

采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的是：

（1）为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求。

（2）为了节约能源、降低生产成本。

3.3.1通用变频器概况

上个世纪80年代初，通用变频实现了商品化。

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600KVA，400KVA以下的已经系列化，前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达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。

（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