基于PLC控制的变频调速电梯系统设计524.docx

1、基于PLC控制的变频调速电梯系统设计524 1. 绪 论1.1 课题研究的背景和意义 随着社会经济发展和人们物质文化生活水平的提高，建筑业迅速发展，高楼层建筑越来越多，为人们提供便利的上下交通运输工具显得非常重要，电梯在人们日常生活中的作用也日趋重要，安装电梯的场所越来越多。电梯产业迅速发展，已成为工作和生活中的必需上楼工具。针对飞速发展的电梯产业，提供安全、高效、舒适的电梯控制系统，使每一部电梯都能安全高效舒适地运行，成为电梯产业发展的重要任务。现代社会中，电梯已经成为不可缺少的运输设备。电梯的存在使得高层建筑的交通更为便利。电梯是将机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统工程学、人体

2、工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的常见的垂直交通工具。电梯作为一种较为复杂的机电一全化设备，它由多许机械构件和电子、电气、大规模集成电路组成的微型计算系统及声、光控制部件所组成。我们从按下电梯的按钮到完成电梯的运行并走出电梯轿厢，可以体现出电梯的许多功能，如：电梯的定向选层、电梯的起动、加速、稳速运行、到站减速、平层停车、开关门。还有检修功能、安全保护功能、消防功能、楼层显示等。电梯控制技术的发展主要经历了三个阶段：继电器控制阶段，微机控制阶段，现场总线控制阶段。继电器控制是电梯产业中最为传统的一种控制方式。继电器控制系统存在很多缺点与不足，如：故障率高、维护不

3、方便、耗能比较大、编程繁琐等缺点。从人们对电梯的需求出发，这种系统已经满足不了人们日常的需求，将逐渐被淘汰。 可编程序控制器（PLC）控制系统具有可靠性高、编程和维护方便等主要特性。自 20 世纪90 年代以来，(PLC)在电梯控制系统中的应用日渐普遍，特别是在我国中小型电梯企业的产品中得到广泛的应用。近年来，在我国的电梯行业中，传统的继电器控制方式基本已经被淘汰，逐渐被 PLC 控制系统和微控制器数字控制系统所取代。其中,PLC 由于编程简单、容易维护、设计和调试周期短、抗干扰能力强、可靠性高等优点，被广泛地应用于电梯控制系统中。 目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编

4、程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。随着经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。电梯是现代高层建筑的垂直交通工具，其设计要求稳定性、安全性及高。随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，电梯得到了快速发

5、展，当前电梯总的发展趋势主要体现在以下几个方面从电梯控制系统的实现方法分，电梯的控制系统经历了继电器控制、可编程序控制（PLC）、单片微机控制、多微机控制多种形式。继电器控制系统是80年代最广泛的一种电梯控制方式，有控制逻辑线路简单、直接、易于理解和掌握的优点，但由于该类系统是由众多继电器、接触器构成，使用一段时间后其接触点往往接触不良，所以电梯故障高，众多的继电器、接触器动作噪声较大，整个控制柜体积大。随着多微机系统在电梯控制系统中的应用，电梯控制发生了限大的变化，因为微机在电梯中的应用不仅取代了大部分继电器和选层器，而且使整个系统更加可靠，灵活性更加提高，功能大增强了。但微机的集成度高，功

6、能项目固化，一般维修人员及工程人员不能修改或增加其功能,只能回生厂家或用专用的工具。可编程控制器取代继电器构成的电梯控制系统，可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且触点少、可靠高、故障率低、维修方便、噪声小。最主要的是它的可编程功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可。虽然PLC的编程语言需不尽相同，但都有通俗易懂，便于自学的优点一般维修及工程人员都能掌握,PLC电梯控制系统比较适用于小高层的楼房.1.2电梯控制系统的研究现状随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有越来越广泛的应用，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。随着经济的

7、高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，这使得交流变频调速电梯控制系统已经进入一个崭新的时代。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂

8、家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。第三章变频器的参数设计3.1选择变频器的原因：电梯是一种垂直运输工具，它在运行中不但具有动能，而且具有势能。它经常处在正反转，反复起制

9、动过程中。为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和正确停车性能。为满足这些要求，采用变频器控制电动机是最合适的。变频器不但可以提供良好的调速性能，并能节约大量电能。我们先确定变频器的牌子，再确定变频器的型号、规格。3.2变频器的分类 1，按变换环节分类 1)交-交变频器 2）交-直-交变频器 2，按直流环节的储能方式 1）电流型变频器：直流环节的储能元件是电感线圈 2）电压型变频器：直流环节的储能元件是电容器 3，按控制模式（工作原理分） 1)U/F 控制变频器。 2）转差频率控制变频器。 3）矢量控制变频器。 4，按用途分： 1）通用变频器。 2）高性能专用变

10、频器。 3）高频变频器。 5，按变频器调压方法分 1）PAM变频器 2）PWM变频器3.3变频器的品牌选择变频器是变频调速的核心设备，它的品质对于变频调速系统非常重要，它的质量影响我们系统的可靠性。所以我们对于品牌选择时要慎重考虑。设备的平均使用寿命是一个重要的参考依据，同时我们根据预期使用寿命来选择品牌，选择经验丰富，口碑好的知名品牌。在同一品牌中选择具体型号，则需要我们由确定的变频调速设计方案、功能来决定。3.4变频器规格选择变频器产品的说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用的是定子的电流,我们根据具体工程的情况，有以下几种不同的变频器规格的选择方式：1）按照标称功率选择一般作初

11、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3.5选择的变频器应满足的条件选择的变频器应满足的条件：1、根据被控设备的负载特性选择专用电梯变频器的类型。2、所选择电梯变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。3、为降低电梯成本,首选通用变频器。4、电梯的启动和停车都要平稳。5、变频器带有防止失速功能。6、变频器具有优良的转矩特性。3.6电梯专用型变频器简介电梯专用型变频器，是研发人员专门针对电梯行业，如别墅电梯、货梯、家用电梯、公寓大楼商用客梯等量身定制的一款新型的专用型的变频器。研究人员通过对整

12、个电梯行业进行详细的调研之后，发现：以前的电梯主要是用继电器来控制的，具有线路复杂、接点接线多、故障率高等特点；以前的电梯的调速方式以变极调速、调压调速和直流调速为主，这些调速方式的特点，造成耗能大、机械磨损大、使用寿命低、维修成本高、维修困难、启停不平稳、等特点3.7电梯专用型变频器的特点电梯专用型变频器的特点：1、采用高性能磁束向量控制(FOC)技术，可以驱动异步电动机和永磁同步电机，具有静态自学习电机参数以及编码器原点偏移角的功能，使用方便；2、零速启动转矩可达150%，可防止电梯溜车；3、电流保护极限可达300%；4、无需承重补偿，采用启动零速位置控制模式，消除启动顿感；5、采用PDF

13、F控制，轻松调试各段频宽，配合5组S曲线，确保良好的舒适度；6、同时具有多种启动/停止控制时序选择，便于配合各种上位机时序；7、对外部机械抱闸及接触器的控制，极大地方便了客户的使用；8、并且支持UVW、正余旋、通讯等形式的编码器，能够实时检测编码器断线，迅速报警输出，确保电梯安全；9、模块化和薄形化设计充分展现人体力学和视觉享受的完美结合；10、还可与汇川工控产品如PLC等实现无缝连接，为客户制定个性化的解决方案。11、可选购PG回授卡 (支持ABZ&UVW & Heidenhain1387、1313编码器)12、支持RS-485及监控软件13、可选购LCD数字操作面板电梯专用型变频器的适用场

14、合：1、别墅梯；2、货梯；3、家用客梯；4、公寓大楼商用客梯；5、天车场合；6、其它需要控制的同步电机等3.8默纳克ME320LN电梯专用变频器电梯的调度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。另外考虑到节能等经济效益以及使用的可靠性等。本设计采用ME320电梯专用变频器。ME320LN系列电梯专用变频器是苏州默纳克控制技术有限公司自主开发生产的新一代高性能电梯专用矢量控制变频器。它是多年电梯应用行业经验沉淀结合电机矢量控制、平滑曲线计算等先进算法而诞生的产品，是电

15、梯行业最实用、最专业、最易用的专用变频器！ ME320LN电梯专用变频器操作面板独特的单键设计使复杂的键盘操作变的轻松自如；可以通过通用的RJ45 端口连接到任何位置的操作面板，使电梯调试变的方便、简单。3.9默纳克ME320LN的特点 适用于永磁同步电机和异步电动机的驱动控制，具备多种旋转编码器接口； 具有电机参数自调谐功能，可以进行静止调谐或者完全调谐； 支持多段速和模拟量的速度给定； 灵活的启动曲线处理、多段 S曲线设定、4级加减速时间设定可以保证良好的电梯运行舒适感； 具有简单实用的蓄电池运行功能，48V 电源输入即可完成停电自救； 具有使能检测、抱闸接触器控制、输出接触器控制、强迫减

16、速判断、超速保护、速度偏差检测、提前开门、触点粘连检测、电机过热检测、启动预转矩补偿等多种电梯专用功能，使电梯控制变得简单、易行； 操作面板独特的单键设计使复杂的键盘操作变的轻松自如；并可以通过RJ45端口连接到任何位置，使电梯调试变的方便、简单；参数拷贝单元使用简单，便于批量调试； 内置直流电抗器与制动单元，提高了系统的输出功率因数，减少了电气系统外配部件成本； 全系列独立风道设计、专业的防雷设计、专业化的加工制作平台、先进的工艺流程控制保证了ME320LN电梯专用变频器品质； ME320LN电梯专用变频器内置完全的防雷击设计，大大提高了系统的可靠性。另外，ME320LN电梯专用变频器具有超

17、强的抗干扰能力，符合严酷的EMC测试标准； ME320LN在驱动器出现过流、过压/欠压、输入/输出缺相、过载以及控制存储异常等故障时，会立刻进行保护，切断输出，封锁抱闸，禁止再次运行。3.10ME320LN基本规格基本规格载波频率2kHz 16kHz；根据负载特性，自动调整载波频率。输入频率分辨率数字设定：0.01Hz模拟设定：最高频率 0.1%输出频率精度数字设定：最高频率 0.01%模拟设定：最高频率 0.01%控制方式开环矢量控制（SVC）/ 闭环矢量控制（VC）/VF 控制 启动转矩0.5Hz/180%（SVC） / 0Hz/200%（VC）调速范围1：100 （SVC）/ 1：100

18、0 （VC）/ 1：50 （V/F）稳速精度0.5%（SVC） /0.05%（VC）过载能力150% 额定电流 60 秒 /180% 额定电流 1 秒。电机调谐带负载调谐 / 无负载调谐加减速曲线直线或S曲线加减速方式/四组加减速时间和四组S曲线设定等多种组合。检修控制可以通过任意多段速指定多段速运行实现最多 8 段速运行自动电压调整（AVR）当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定显示与操作LED显示可显示设定频率、输出频率、输出电压、输出电流等参数参数拷贝使用LED操作面板可实现参数的快速复制保护功能上电短路检测、输入输出缺相保护、过流保护、过压保护、欠压保护等40 种保护按键锁定和功能选

19、择实现按键的部分或全部锁定，定义部分按键的作用范围，以防止误操作表3-1 ME320LN产品技术规范表个性化功能上电外围设备安全自检可实现上电对外围设备进行安全检测如接地、短路等停电应急运行应急运行方案实现简单、方便超速保护内置电梯超速保护功能；多种动作选择判断速度偏差内置速度偏差检测功能；及时发现电梯潜在隐患强迫换速功能具有强迫换速检测功能；有效防止电梯冲顶蹲底直接停靠功能结合直接停靠命令，实现无爬行运行电机温度检测及时判断电机温度，消除安全隐患启动补偿三种启动转矩补偿方式：模拟量、数字量、无称重QUICK 健用户自由定义快捷菜单定时控制方便实现定时控制功能表3-2ME320LN的个性化功能

20、输入输出特性运行命令通道两种通道：操作面板给定、控制端子给定频率源共有 4 种频率源：数字给定、多段速给定、模拟电压 1 给定、模拟电压 2 给定。输入端子10 路数字输入端子，其中 1 路可作高速脉冲输入，可兼容有源 PNP或 NPN 输入方式 2 路模拟量输入端子，其中 1 路只能用作电压输入，另 1 路可作电压或电流输入。输出端子3路数字式输出端子 2路继电器输出端子 1路模拟量输出端子，分别可选 0/4 20mA 或 0/2 10V，可实现设定频率、输出频率等物理量的输出表3-3ME320LN的输入输出特性3.11变频器的容量及配置选择ME320LN电梯专用变频在电梯调速系统中，必须配

21、备PG卡及旋转编码器，以供电机的测速和反馈。旋转编码器与电动机同轴相连，对电动机进行测速。我们选择PG卡型号：MCTC-PG-B，需要提供5V电源，适配长线驱动增量型编码器，UVW型编码器；分频固定1分频。3.12变频器容量计算 变频器的功率可根据曳引机电机运行的速度、电梯的功率、电梯的配重与载重进行计算。设电梯运行的速度为，电梯自重为，电梯载重为，配重。重力加速度为，变频器的功率为。电梯曳引机的电机功率为，摩擦力为，摩擦系数为0.02,。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为: 可忽略不计。变频器功率应接近电机功率，电机功率相对于留有安全裕量,可取。电梯自重为；电梯载重为；电梯平衡系数取0.5

22、；电梯配重为； ；曳引电动机功率：电梯是位能负载，电梯在运行的过程中会产生能量回馈，所以在变频调速装置中应具备制动功能。虽然具有逆变功能的四象限变频调速装置能够通过将再生能量回馈电网，但成本会很高。采用能耗制动方式，能够通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本低，而且具有良好使用效果。在本次电梯调速系统设计中，配制动电阻。当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈能量。这时同步转速会下降，变频器内部的整流部分电压会升高，制动电阻会把回馈的能量消耗。抑制直流电压过高。ME320LN电梯专用变频器只有在容量大于30KW时需要外置制动单元。变频器型号适配电机（kW）制动电阻最大值（）制动

23、电阻最小值（）功率（W）制动单元ME320LN-4002-SA2.2290230600标准内置ME320LN-4003-SA3.71701351100ME320LN-4005-SA5.5115901600ME320LN-4007-SA7.585652500ME320LN-4011-SA1155433500ME320LN-4015-SA1543354500ME320LN-4018-SA18.534255500ME320LN-4022-SA2224226500ME320LN-4030-SA3020169000ME320LN-4037-SA37161311000MDBUN-60-TME320LN-4

24、045-SA45141113500MDBUN-60-T表3-4 ME320LN系列电梯专用变频器制动组件通过对曳引机电机容量估算，我们选择22KW的电动机，对应匹配的变频器型号为：ME320LN-4022-SA，选择的制动电阻为22欧，功率为6500W。3.11变频器参数ME320LN变频器共有17组参数，每一组都有其特定的含义，如图3-5所示。F0基本参数F9故障与保护参数F1电机参数FAPG 参数F2矢量控制参数FB通讯参数F3启停控制参数FC专用增强功能参数F4输入功能参数FD特殊功能参数F5输出功能参数FU监控参数F6速度参数FJ保留参数F7曲线参数FF厂家参数F8键盘与显示参数FP用

25、户参数3-5变频器功能参数表参数设置的原则：1)为减小启动的冲击及增加调速舒适感，其速度环比系数最好小一些，而积分时间常数最好大些:(2)为了提高运行的效率，快车频率最好选为工频（50HZ）运行，而爬行频率可能要低一些，以减小停车冲击(3)零速一般设置为0HZ，(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，或者通过变频器调谐功能读取电机部分参数【21】【22】。本章小结对变频器的类型进行了概述,并确定由来实现电梯速度控制,完成了电梯控制系统中变频器的选择。第4章PLC型号选择及其控制系统的设计3.1 PLC 的选择 3.1.1 PLC 的定义和特点 1 PLC的定义 PLC 在

26、不断发展，因此对它下一个确切定义是困难的。1980 年 PLC问世后，由美国电气制造商协会National Electric Manufacturer Association NEMA)对 PLC下过如下的定义: PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制51982 年，国际电工委员会(International Electrical Committee IEC)颁布了PLC 标准草案，1985 年提交了第 2 版，1987 年的第 3 版对 PLC 作了如下的定义:PLC 是一种专门为在

27、工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。上述的定义表明， PLC 是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。 PLC 能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点： 一 可靠性对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC 的可靠性高，表现在下列几方面。 （1）与继电

28、器逻辑控制系统比较，PLC 可靠性提高的主要原因: 1) PLC 不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。 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、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。 3) PLC 有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。 2）与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因: 1)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

29、控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC 的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高. 2)在 PLC 的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件;采用先进的工艺制造流水线生产;对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。 3)在PLC的软件设计方面，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、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等8，9，10。

30、 一份用户选用 PLC 原因的调查报告指出，在各种选用 PLC 的原因中，第一位的原因是由于 PLC 可靠性高的用户达 93%。其次，才是性能和维修方便等原因。可见可靠性高是PLC的主要特点。 二 易操作性 PLC 的易操作性表现在下列三个方面: (1)操作方便对 PLC 的操作包括程序输人的操作和程序更改的操作。大多数PLC 采用编程器进行程序输人和更改的操作。编程器至少提供了输人信息的显示，对大中型的 PLC，编程器采用 CRT 屏幕显示，因此，程序的输人直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触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 屏幕上显示。所以 PLC 具有操作方便的特点。 (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