基于组态王PLC的四层电梯监控系统设计.docx

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基于组态王PLC的四层电梯监控系统设计

第一章绪论…………………………………………………………………………………1

第一节电梯继电器控制系统的特点及存在问题……………………………………1

第二节PLC及在电梯控制中的应用特点………………………………………………1

第三节电梯变频调速控制的特点……………………………………………………3

第二章电梯设备与电梯发展动态………………………………………………………4

第一节电梯设备………………………………………………………………………4

第二节电梯的发展动态………………………………………………………………5

第三章基本方案选择……………………………………………………………………7

第一节变频器的选择…………………………………………………………………7

第二节可编程序控制器（PLC）的选择………………………………………………9

第四章系统硬件设计……………………………………………………………………11

第一节变频器结构及参数设置……………………………………………………11

第二节PLC控制系统设计…………………………………………………………13

第五章系统软件设计…………………………………………………………………17

第一节电梯上行……………………………………………………………………17

第二节电梯下行………………………………………………………………………17

第三节PLC控制四层电梯梯形图…………………………………………………18

结束语………………………………………………………………………………………23

参考文献……………………………………………………………………………………24

致谢…………………………………………………………………………………………25

第一章绪论

第一节电梯继电器控制系统的特点及存在问题

一、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，价格较便宜。

（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。

二、电梯继电器控制系统存在的问题

（1）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忧。

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。

第二节PLC及在电梯控制中的应用特点

一、PLC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，实现通道（字）的运算和数据存储，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，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MTBF（两次故障间的平均时间），降低了mlTR，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控制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，编程出错率大大降低，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;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、操作方便对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屏幕显示，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号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时，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降低。

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。

二、PLC控制电梯的优点

（1）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。

（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与报警显示，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。

第三节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。

电动机交流变频调速技术是当今节电、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主要手段。

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。

变频调速电梯的特点:

（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，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。

第二章电梯设备与电梯发展动态

第一节电梯设备

一、电梯的分类

电梯的分类有各式各样:

（1）按用途分类有客梯、货梯、医用梯等

（2）按速度低速电梯1m/s以下

中速电梯1-2m/s

高速电梯2m/s以上

超高速电梯4m/s以上

（3）按驱动电源分类交流电梯速度一般小于2m/s

直流电梯速度一般大于2m/s

（4）按控制方式分类有/无司机控制、群控、有层间控制、简易集选控制、集选控制等

二、电梯的主要组成部分

（1）曳引部分通常由曳引机和曳引钢丝绳组成。

电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。

（2）轿厢和厅门轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成;厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等。

（3）电器设备及控制装置有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅站指示器组成。

（4）其它装置对重装置、补偿装置等。

三、电梯的安全保护装置

（1）电磁制动器，装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。

（2）强迫减速开关，其分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上的撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。

（3）限位开关，当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。

（4）行程极限保护开关，当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。

（5）急停按钮，装于轿厢司机操纵盘上，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。

仅当厅门关上才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。

（7）关门安全开关，常见的是装于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，此外还有红外线开关等。

（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）其它的开关，安全窗开关，钢带轮的断带开关等。

第二节电梯的发展动态

随着现代建筑的发展，日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要标志，作为高层建筑的垂直运载工具电梯得到了快速发展。

一、电梯技术发展概况

（1）电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。

（2）电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。

逐步被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。

交流拖动电梯更是得到迅速的发展，己由以前的变级调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。

（3）电梯的逻辑控制己从过去简单的继电器—接触器控制发展为可编程序控制（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等，电梯可靠性得到很大提高。

（4）电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足用户的使用功能要求。

如紧急停车操作、消防员专用、防捣乱系统等。

（5）智能群控管理得到广泛应用。

（6）机械传动方面，由于国际上机械加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。

二、电梯发展展望

（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:

由于永磁技术的先进性，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;随着新技术的开发、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、无抵抗、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。

第三章基本方案选择

本设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。

第一节变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。

目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。

因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。

这是本设计的特点之一。

目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。

选用变频器的概况

（一）通用变频器的发展

上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。

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

2、结构的小型化

3、多功能和智能化

4、应用领域不断扩大

（二）通用变频器的功率输出驱动技术动向

采用变频器的调速传动技术，近年来取得惊人的进步。

从技术发展动向来看，大致有如下几个方面:

1、IGBT的应用

最近几年来，IGBT的应用正在迅速推进。

其显著的特点是:

开关频率高，驱动电路简单。

用于通用变频器时，有如下明显的效果:

（1）.由于载波效率的提高（20KHz或更高），负载电动机的噪声明显减少，降低噪声传动。

（2）.同样由于载波频率的提高，使电动机的电流（特别是低速时的电流）波更加趋于正弦波，因而减少了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。

（3）.由于IGBT为电压驱动型，因而简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成本降低。

（4）.主开关器件如果采用IPM，上述效果将更加明显。

2、网侧变流器PWM控制的变频器

目前上市的绝大多数通用变频器，其网侧变流器采用不可控的二极管整流器。

虽然控制简单，成本较低，但也有它的缺点。

比如，网侧电流波形严重畸变，影响电网的功率因数，谐波损耗大，电动机制动时的再生能量无法回馈给电网等。

现已开发出一种新型的采用PWM控制方式的自换相交流器，并己经成功地用作变流器中的网侧变流器。

电器结构形式与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管反并联组成。

其特点是:

直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数可保持为1，并且能量可以双向流通。

网侧变流器采用PWM控制交流器又称为“双PWM控制变频器”。

这种再生能量回馈式高性能通用变频器，代表着另一个新的技术动向。

它的大容量化，对于制动频繁的或可逆运行的生产设备十分有意义。

但因其价位高、投资大，所以在某种程度上限制了它的发展速度.

3、矢量控制变频器的通用化

在造纸、轧钢等应用领域，要求精度高，响应快，一般性的通用变频器已经不能胜任，往往要采用矢量控制方案.但是矢量控制往往需要速度传感器，运算复杂、调整麻烦，对电动机的参数依赖性较大。

目前，国内正在努力使矢量控制变频器实现通用化。

因此，对无速度传感器的矢量控制系统的理论研究和实用化的开发代表着另一个新的技术发展方向。

保护功能，电机保护，变频器过载，瞬间过电流，电压下降，过电压，输入缺相。

电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。

本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感;另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。

考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-61665型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。

另外，61665变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01-0.02%,使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。

无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。

采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。

（三）VS-61665型变频器简介

（四）61665型变频器的特点

VS-61665型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。

这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。

VS-61665变频器的特点如下:

1、包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。

2、有丰富的内藏与选择功能。

3、由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。

4、保护功能完善、维修性能好。

5、通过LCD操作装置，可提高操作性能。

第二节可编程序控制器（PLC）的选择

电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。

电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的必要前提。

一、轿厢楼层位置检测方法:

主要方法有如下几种:

（1）用干簧管磁感应器或其它位置开关:

这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。

（2）利用稳态磁保开关:

这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，但它是无权代码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。

（3）利用旋转编码器:

目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。

可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故本设计采用此法。

二、PLC的选型

根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。

又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。

综合考虑后，本设计选择了日本三菱公司生产的FX系列机。

FX系列机具有以下优点:

1体积极小

2先进美观的外部结构

3提供多种子系列供用户选用

4灵活多变的系统配置

5功能强、使用方便

第四章系统硬件设计

第一节变频器结构及参数设置

由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。

由于61665是通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多。

其系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成，如图4.5所示。

一、VS-61665变频器的参数

61665变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。

常用参数如表4.1

二、参数设置

积分时间常数宜大些:

（2）为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车参数设置的原则:

（1）为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些（3）零速一般设置为OHz，速抱闸功能将影响舒适感;（4）变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置见表4.2

三、变频器自学习功能的应用方法

为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而61665就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:

将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。

显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。

四、变频器容量计算

变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。

设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为v，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3;，重力加速度为g，变频器功率为P。

在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2,

P2=[（W1+W2-W3）g+F1]v

其中F1=K（W1+W2-W3）g+＆为摩擦力，＆可忽略不计。

电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P≈l.5P2

五、变频器制动电阻参数的计算

由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能.带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高.采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果.能耗制动电阻R1的大小应使制动电流I1的值不超过变频器额定电流的一半，即

I1=U。

/R1≤I/2

其中U。

为额定情况下变频器的直流母线电压.由于制动申阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率.

第二节PLC控制系统设计

电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。

图4.1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。

系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。

一、设计思想

（一）信号控制系统

电梯信号控制基本由PLC软件实现。

电梯信号控制系统如图4.2所示，输入到PLC的控制信号有:

运行方式选择（如自动、有司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。

（二）电梯控制系统实现的功能

1、一台电机控制上升和下降

2、各层设上/下呼叫开关（最顶层与起始层只设一只）

3、电梯到位后具有手动或自动开门关门功能

4、电梯内设有层楼指令键，开关门按键，警铃风扇及照明按键

5、电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯

6、待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客

7、自动关门与提早关门.在一般情况下，电梯停站4-6秒应能自动关门;在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作.

8、按钮开门。

在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。

9、内指令记忆。

当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。

10、自动定向。

当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。

11、呼梯记忆与顺向截停。

电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。

12、自动换向。

当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。

13、自动关门待客。

当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。

14、自动返基站。

当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。

（三）电梯操作方式

1、轿厢下集选控制登记所有轿厢和厅门下行召唤;轿厢上行是只答应轿厢召唤，直至最高层;自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。

2、单轿厢全集选登记所有厅门和轿厢召唤;上行时顺应答轿厢和厅门上召唤