基于PLC和变频器的电梯控制系统的设计毕业设计论文.docx

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基于PLC和变频器的电梯控制系统的设计毕业设计论文

摘要

随着现代社会和城市生活发展，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。

特别是在高层建筑中，电梯是不可或缺的垂直运输设备。

传统继电器电梯控制系统，由于继电器本身的机械和电磁惯性大，大大降低了电梯系统的可靠性和安全性。

为了保证电梯运行，既高效节能又安全可靠，必须改进电梯控制方式。

根据顺序逻辑控制的需要发展起来的可编程控制器（PLC），它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。

PLC处理速度快，可靠性高，能够保证电梯正常、安全、可靠地运行。

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变频调速，这不仅能满足乘客的舒适感和保证平稳的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。

本文将基于PLC的变频调速方法应用到电梯系统中，并对此方法进行研究。

关键词：

电梯；可编程控制器；变频器

Abstract

Alongwiththedevelopmentofmoderneconomyandcitylife,computertechnology,automaticcontroltechnologyandpowerelectronictechnologyrapiddevelopment,theelevatorhasbecomeasymbolofurbanmaterialcivilization.Especiallyinhigh-risebuildings,theelevatorisanindispensableverticaltransportationequipment.Traditionalrelayelevatorcontrolsystem,duetothemechanicalandelectromagneticrelayinertiabig,greatlyreducesthereliabilityandsecurityoftheelevatorsystem.Inordertoensuretheefficiencyandreliablesecurities,thecontrolmethodofelevatormustbechanged.Theprogrammablelogiccontroller（PLC）,whichdevelopsbasedonsequencelogicalcontrol,isdigitaloperationelectronicdevicespecializedintheindustrialapplicationenvironment.PLCpossessesfastprocessspeedandhighreliability.Therefore,PLCcanbeabletoensuretheelevatorrunnormally,securelyandreliably.Inaddition,thedrivemethodofelevatorshasreplacedtheDCvelocitymodulationwithfrequencycontrolduetothedevelopmentofACfrequencycontrolofmotors.Thefrequencycontrolnotonlysatisfiesthecomfortsenseofpassengersandensuresthestableprecision,butalsodecreasesthelossofpower,savesresourcesandreducesexpenses.ThefrequencycontrolmethodbasedonPLCisappliedtotheelevatorsystemandfurtherresearched.

KeyWord：

Theelevator;PLC;VFD

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本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

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对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

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2.论文字数要求：

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图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

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4）图表应绘制于无格子的页面上

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5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

1绪论

电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。

随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。

在电梯的变频调速系统中，电机的实际最大转速为其额定转速，因此，电梯的变频调速属“恒转矩调速”。

1.1课题的研究背景

电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。

而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。

事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。

在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。

然而，只有在电梯的制造、安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。

同时，随着电梯拖动技术、控制技术的快速发展，电梯已从直流电动机拖动到交流单速电动机驱动、交流双速电动机驱动，到交流调压调速（ACVV，AlternatingCurrentVoltage）控制，发展到交流调压调频技术（VVVF，VariableVoltageVariableFrequency）控制，其逻辑控制也由可编程序控制器（PLC）代替原来的继电器控制，使得电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、降低噪音等方面得到了极大的发展。

新制造的电梯都采用了对电动机实现线性调速的调压调频技术，由于VVVF电梯采用PLC控制，有完善的自检测、自诊断、自保护功能，因而十分安全可靠。

PLC是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，它是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。

可编程序控制器不同于顺序控制器和通用的微机控制装置，它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。

PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，具有可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网功能，易与计算机接口，能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等高性能模块等优异性能，同时可以取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统的继电——接触控制系统。

由此，可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。

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。

总之，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。

本文所选用的VS-616G5通用变频器，可自行设置速度曲线来实现平稳操作和精确控制，使乘客在乘坐电梯时更加舒适。

为满足电梯安全性的要求，变频器通过与电动机同轴连接的旋转编码器和脉冲发生器（PG， PulseGenerator ），完成速度检测及反馈，形成闭环系统。

PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系，这是系统的核心。

旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。

旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据A、B脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。

旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给变频器内部，以便进行运算调节，所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运行。

控制系统结构图如下图1.1所示。

图1.1电梯的控制系统

1.2交流曳引电梯调速方式的发展

交流电梯与交流电机的发展紧密相连，至今已有三十多年的发展历史，经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展历程，大致可以分化为三个阶段。

第一个阶段是七十年代，其主要标志是交流双速电梯，它采用改变牵引电机极对数来实现调速。

电机通常采用两种或两种以上不同极对数的绕组制成，其中极对数少的绕组成为高速绕组，用于电梯的启动及稳速运行，极对数多的绕组成为低速绕组，用于电梯的制动及维修。

这种电梯结构简单，价格低廉，使用和维护都很方便，但调速不够平滑，舒适感较差。

第二个阶段是八十年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。

调压调速的方法是通过改变三相异步电机定子端的供电电压实现电机的调速，其制动多采用能耗制动。

第三个阶段是九十年代至今，变压变频调速电梯开始占据了世界电梯的市场。

VVVF电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值和频率来实现转速的调节。

电梯传动系统技中，由于大量采用微机控制技术和脉宽调制技术（PWM），其运行效率得到了大幅度的提高，电梯的体积大为缩小。

现代交流调速技术向电梯控制领域的渗透，使得交流调速电梯的调速性能几乎完全可以和直流电梯相媲美。

VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层准确、低噪音、安全等目标。

由于其优越的调速性能，显著的节能效果，在很多应用场合已取代交流调压调速电梯，而成为现代电梯市场的主流。

目前，生产VVVF电梯的公司已经遍布世界各国，如日本的三菱公司、东芝公司、日立公司，美国的奥的斯公司等大的电梯制造厂家，他们在VVVF电梯的研制和进一步开发等方面，都取得了骄人的成就。

在我国，电梯工业起步较晚，改革开放以来，也取得了很大的进步，如上海三菱、天津奥的斯、中国迅达、苏州迅达、广州电梯工业公司等电梯生产厂家，其产品都有一定的市场份额和技术含量。

但遗憾的是，这些公司多为合资企业，电梯控制的关键部分的变频器、控制器等重要组成部分，很大程度依赖进口，其核心技术牢牢控制在国外大公司手中。

1.3电梯发展展望

（1）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，体积小型化，材料轻型化，工艺先进化，外观漂亮化。

同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。

（2）技术含量更高，性能更好。

电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置。

因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流，将来很有可能取代VVVF技术。

另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性，亦是电梯的发展潮流。

（3）安装更方便、更快捷高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，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更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。

此外，电梯的双向安全装置、无底坑、无线控制、绿色环保、安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。

1.4变频器的特点和其在电梯中应用

变频器是利用电力半导体器间的通断作用，将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电动机的启动、变频调速，提高运转精度，改变功率因数，过流/过压/过载保护等功能。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分。

变频器的主电路大体上可分为两类：

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变化为直流功率的“整流器”，吸收变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

1.1.1变频器的工作原理

电压反馈信号Uf与交流电源同步，信号US送入PWM1回路产生出符合电动机的信号，作为电动运行状态的PWM1信号，控制正弦与再生部分中开关器件，使之作为二极管整流桥工作。

当电动机减速或制动时产生再生作用，功率器件在PWM1信号作用下进入再生状态，电能回馈交流电网。

交流电抗器主要是限制回馈到电网的再生电流，减少对电网的干扰，起到保护功率开关元件的作用。

逆变器将直流电转换成幅值与频率可调的交流电，输入交流电动机驱动电梯运行。

实行电流环与速度环的PWM2信号，输入正弦电流。

1.1.2变频器系统构成

（1）再生部分。

这部分有两个功能，一是将电网三相正弦交流电压整流成直流，向逆变部分提供直流电源；二是在减速制动时，有效控制传动系统能量回馈给电网。

主电路器件是IGBT模块。

根究系统的运行状态，既可作整流器使用，也可作有源逆变器使用。

（2）逆变器部分。

逆变器部分同样是有IGBT模块组成，作为无源逆变器，向交流电动机供电。

（3）平波部分。

在该电源系统中，由电解电容器构成平波器。

如果是电流源，将由电感器组成。

（4）检测部分。

PG作为交流电机速度与位置传感器，电流互感器作为主回路交流电流检测器，智能防护技术作为与三相交流电网同步信号的检测，电压互感器为直流母线电压检测器。

（5）控制回路。

控制回路一般有微机、DSP、PLC等构成，可选16或32位微机。

控制回路主要完成电力传动系统的指令形成，电流、速度和位置控制，产生PWM1控制信号，故障诊断、检测、显示，电梯的控制逻辑管理、通讯和群控等任务。

1.1.3变频器的分类、规格以及满足条件

1）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—交变频器和交—交变频器；

（2）按主电路工作方式分：

电压型变频器和电流型变频器；（3）按变频器调压方法的不同分：

PAM变频器和PWM变频器；（4）按工作原理分：

U/F控制变频器、VC控制变频器和SF控制变频器；（5）按照用途分：

通用变频器、高性能专用变频器和高频变频器。

2）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，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）按照转矩过载能力选择。

（5）根据被控设备的负载特性选用通用变频器的类型；

3）选择的变频器应满足以下条件：

（1）所选用通用变频器的类型与被控异步电动机的参数匹配；

（2）电梯的启动和停车都要平稳；（3）变频器带有防止失速功能；（4）变频器具有优良的转矩特性。

1.1.4电梯变频调速控制的特点

（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技术和SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。

（3）变频调速电梯调速范围宽，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。

1.5可编程控制器的特点及其在电梯控制中的应用

PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，它是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用可编程的控制器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与运算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。

开关逻辑和顺序控制，这是PLC应用最广泛、最基本的场合。

它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。

PLC在实现各种数量的I/O控制的同时，还具备输出模拟电压和数字脉冲的能力，使得它可以控制各种能接收这些信号的伺服电机，步进电机，变频电机等。

1.1.5PLC的系统构成

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，所以其硬件结构基本上与微型计算机相同。

PLC由中央处理单元、存储器、输入单元、输出单元、电源五部分组成。

其结构框图如图1-2。

图1-2PLC硬件结构

（1）中央处理单元（简称CPU）

中央处理单元是PLC的控制中枢和核心部件，其性能决定了PLC的性能。

其由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线、数据总线、控制总线，与存储器的输入和输出接口电路相连。

其作用是处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调工作。

CPU接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入映象区或数据寄存器。

同时，诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。

PLC进入运行状态后，CPU从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。

最后，根据运算结果，更换有关映象区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。

（2）存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路。

其作用是存放系统程序、用户程序。

逻辑变量和其它一些信息。

系统程序是控制PLC完成各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读式存储器ROM中，用户不能访问。

用户程序是用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。

通过编程器输入到PLC的随机存储器RAM中，允许修改，由用户启动运行。

ROM是存放PLC制造厂家写入的系统程序，并永远驻留在ROM中，PLC去电后再上电，ROM内容不变。

RAM是读出时其内容不被破坏，写入时，新写入的内容覆盖原有的内容。

为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。

除此而外，PLC还有EPROM、EEPROM存储器。

PLC产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。

存储器容量是PLC的一个重要性能指标。

（3）输入单元

输入单元是PLC与工业生产现场被控设备相连的输入接口，是现场信号进入PLC的桥梁。

其作用是接收主令元件，检测元件传来的信号。

输入类型有直流输入、交流输入、交直流输入。

输入接口采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。

接口电路内部有滤波，电平转移，信号锁存电路。

各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。

（4）输出单元

输出单元也是PLC与现场设备之间的连接部件，把输出信号送给控制对象的输出接口。

其作用是将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执行元件。

输出类型有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。

输出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路、隔离电路、继电器组成。

输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排。

输出部件或模块也有多种类型供选用。

（5）电源

电源的作用是将交流电转换成PLC内部所需的直流电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220V或110V），直流电源（常用的为直流24V）。

PLC大部分采用开关式稳压电源供电。

1.1.6PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入处理阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

（3）输出处理阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据，刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

1.1.7PLC的特点

电梯信号控制系统主要有继电器控制和计算机控制两种控制方式。

由于计算机的种类很多，根据计算机控制系统的组成放时及运行方式的不同，计算机控制可分为个人计算机控制和微机控制两种方式。

继电器控制系统的优点为：

（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