PLC在电梯控制中的应用.doc

冀中职业学院毕业论文分 类 号 密 级：冀 中 职 业 学 院毕 业 论 文题 目： PLC在电梯控制中的应用统 姓 名 李世超 学 号 23 系 别 机电系 专 业 机电一体化技术指 导 教 师 高改芬 论文提交日期 2011年 05 月64PLC在电梯控制中的应用【摘 要】为适应电梯的迅速的发展，由PLC控制代替传统的继电器已成为发展的定局。本设计采用性价比较高的PLC控制形式力求人性化智能化为一体设计出一款高速、安全、价廉、及个性化组合的电梯控制系统。本课题的研究题目“基于 PLC的电梯控制系统的设计”做诠释如下 PLC 控制是指电梯信号控制由 PLC 及其软件来实现，控制系统的核心为 PLC。其次课题开发的主要任务和内容是：建立“PLC 控制的电梯系统”的总体框架；信号控制系统利用 PLC 集中处理电梯运行方式、安全保护信号、内指令信号、外召唤信号、井道信号、门区信号、开关门及限位信号等信号，并显示电梯所到楼层、运行方向及呼梯应答等，实现开关门控制；拖动控制系统中曳引机的启动、运行、制动停止，包括正反转信号及多种速度信号，经 PLC 运算、判断后通过电机来实现。达到的要求是：通过深入的理论研究和编程实践，全面认真的完成上述几个内容。关键词：电梯、PLC、梯形图目录：第一章 绪论1.1 电梯继电器控制系统的特点及存在问题.1.2 PLC及其在电梯控制中的应用特点.1.3 电梯变频调速控制的特点.第二章可编程控制器的结构与程序设计2.1 可编程控制器的基础认识2.2 可编程控制器的工作方式2.3 PLC的编程语言第三章PLC的选择及其硬件开发3.1 变频器的分类.3.2 变频器的选择.3.3 通用变频器3.4 变频器结构及其参数设计.3.5 可编程序控制器（PLC）的选择.3.6 PLC控制系统硬件开发.第四章系统软件开发4.1交流双速电梯的主电路4.2 门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路4.3 电梯的主要电气设备.4.4输入输出设置.4.5梯形图的设计4.6梯形图程序第五章总结5.1参考文献5.2附录第一章绪 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。1.2 PLC及其在电梯控制中的应用特点1.2.1 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，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。1.2.2 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。 第二章可编程序控制器的结构与程序设计2.1.可编程控制器的基础认识1. 三菱FX2N PLC的主要特点：1)集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体。 对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。 2)高速运算 基本指令：0.08s指令 应用指令：1.52几百s指令 3)安全、宽裕的存储器规格 内置8000步RAM存贮器 安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。 4)丰富的软元件范围 辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数：235点 数据寄存器；8000点 5)除了具有输入输出16256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。 6)面向海外的产品适合各种安全规格为大量实际应用而开发的特殊功能： 开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-模拟IO，高速计数器。对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。 2. PLC的性能指标和分类1) PLC的主要性能指标l (1)输入输出点数（IO点数）IO点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。l (2)存储容量存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。l (3)扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用s/步。l (4)功能扩展能力可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如AD模块、DA模块、位置控制模块等。l (5)指令系统指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。2) PLC的分类通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。按结构形式不同, 可以分为整体式和模块式两类。按控制规模大小、则可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。3. PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。1) PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入输出接口、内部电源）、IO扩展单元及外部设备组成。2) PLC的软件PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。系统程序：包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。2.2 可编程序控制器的工作方式1. PLC的扫描工作方式开始内部处理通信处理RUN方式？输入扫描程序执行输出处理NY图2-1 PLC的扫描过程可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-1所示，包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。2. PLC的程序执行过程PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-2所示。输入端子输入映象寄存器输出映像寄存器输出锁存器输出端子输入 .输出程序执行阶段输入采样阶段输出刷新阶段X001Y001Y001M1读读图2-2 PLC的程序执行过程3. PLC的扫描周期在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。4. PLC的IO响应时间PLC采用集中IO刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。2.3 PLC的编程语言PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。本课题所采用的编程语言为梯形图语言。（1）.可编程序控制器与继电器、微机在电梯控制中的应用比较在电梯的电气系统中，逻辑判断起着主要的作用，其控制系统必须起动各种控制信号和执行元件（如接触器、继电器、发光指示器、电动机以及电子元件、电力电子器件等），要达到这些控制目的，其方法有：1. 继电器接触器控制系统这种控制系统是早期电梯多采用的一种控制系统。优点：与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。缺点：动合触点易磨损，且电接触不良；体积大；控制系统耗能大、动作噪声大；维修保养工作量大、费用高。因此这种控制系统仅用于速度不高、性能要求也不高的电梯中。2. 微机控制系统电梯的微机控制系统实质上是使控制算法不再由硬件逻辑完成，而是通过程序存贮器中的程序来完成的控制系统。因此对于有不同功能要求的电梯控制系统，只要改变程序存贮器中的程序指令即可，而无需变更或增减硬件系统的元件或布线。因此，十分方便于使用和管理，并提高系统的可靠性，减小控制系统体积，降低了能耗及其维修保养费用。虽然微机控制的电梯，与继电器控制的电梯比较，它具有较大的优越性。但是，对一般的电梯而言，应用微机控制也有其局限性和不足之处。其缺点是：微型计算机是按数字运算的需要而设计的，功能比较齐全，结构比较复杂；而一般的电梯控制只需要进行简单的逻辑运算，运算方式多为“与”、“或”、“非”几种，运算位数只需1位，即“1”与“0”。因此，使用微机就有“大材小用”之嫌。此外，微机的接口电路没有标准件，而且一般不控制强电。但在电梯控制中，往往要求能直接控制110V或220V的用电设备，如用户专门配备接口电路既不方便又不可靠。综上所述，造成用微机控制的成本、运行和维修费用均较高，因此，如在一般的电梯上使用微机控制在经济上不合算。3. PLC控制系统PLC充分利用了微型计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点。它具有强大的生命力，各工业部门纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，取得了明显的效果。总之，PLC是采用微机技术制造的通用自动控制设备，它能控制开关量、模拟量、具有可靠性高、抗干扰能力强、并具有完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术、运算等功能，可以取代继电器为主的各种控制设备。它不仅能用于控制机械设备、流水线和各种设备的运行过程，将PLC用于控制电梯各种操作和处理相关信息也是可行的。第三章可编程控制器的结构与程序设计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的选择，和可编程控制器的程序设计。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3.2变频器的选择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。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。根据具体工程的情况，可以有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，以适当的方法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作合适的选择。3.2.3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通用变频器的类型。（2）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。（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。3.3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：一、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。二、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”（Intelligent Module，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，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器；金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床，加工中心超高速伺机的精确位置控制都已应用通用变频器；在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公元喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。3.3.2三菱FR-A740通用变频器3.3.2.1 三菱FR-A740通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，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。考虑到以上因素，本设计选用三菱FR-A740型通用变频器三菱新一代高性能通用型变频器FR-A740系列三菱电机最新推出新一代高性能通用型变频器A740系列产品具有高水平的运行性能；广泛的使用环境；便利的维护特点及各类简易操作的实用功能。A740系列变频器采用了全新的设计理念，努力做到新-设计水平先进、新颖；全-功能齐全、一机多用；高-控制性能优越而独特。A740系列变频器具有以下先进的功能和特点：汇总了以往三菱变频器中具有代表性产品的特点，即：常规控制性能方面吸取了A500的特点（过载能力强、控制功能多、适合大多数通用场合）；矢量控制方面与V500相当（工作于多种模式：速度、转矩、位置及各模式的切换、用途更广泛、更专业）；外型结构和辅助功能与F700相同（通讯功能强、信号调整方面近似工业仪表的特点，调节余地大、使用更为方便）。发挥普通电机的最佳性能（无传感器矢量控制）：驱动无编码器的普通电机实现高精度和快速度响应运行的矢量控制。在0.3Hz的超低速下最高可实现200%的输出转矩。转矩模式下控制范围1:20；响应水平进一步提高,速度响应120rad/s,速度控制范围1:200。驱动带编码器的电机实现高性能的矢量控制：闭环矢量控制下，变频器可达到比无传感器矢量控制时更高精度和更快速度响应的性能。速度控制范围1:1500；速度波动率：0.01%；速度响应300rad/s。转矩控制范围1:50；并具零速控制和伺服锁定功能。位置控制中，内置15段预设位置段，并且可与PLC或脉冲单元连接后可构成通用伺服系统，实现定位操作。若选用三菱专用电机，可实现低速时连续输出100%转矩，适合于开卷/收卷等场合。强大的网络通讯功能：内置USB通讯接口，方便连接FR-Configurator变频器设置软件。除内置的基本485通讯方式外，通过选用各种总线适配器，可链接于CC-Link、Profibus-DP、Device-NET、LonWorks、CANopen、EtherNET、SSCNET，高效、快速地实现设备网络化。内置EMC滤波器：有效地抑制电磁噪声，无需外部配置，节省安装空间。长寿命设计：主回路电容、控制回路电容、新设计的冷却风扇设计寿命均为十年。三菱FR-A740系列通用变频器技术规格如图3.1 3.2图3.1图3.2（1）表示适用电机容量是以使用三菱标准4极电机时的最大试用容量。（2）额定输出容量是指440V时的容量。（3）对于75K以上容量的变频器，如果将Pr.72 PWM频率选择设定为大于2KHz的值进行运行时，额定输出电流为（）内的值。（4）过载能力是以过电流与变频器的额定电流之比的百分数（%）表示时，反复使用时，必须等待变频器和电机降到100%负荷时的温度以下。（5）最大输出电压不能大于电源电压，在电源电压以下可以任意设定最大输出电压，但是变频器输出侧电压的峰值为电源电压的水平的倍。（6）变频器设置为LD和SLD时，只能采用V/F控制方式。3.3.2.2 FR-A740型通用变频器电梯调速系统通用变频器FR-A740可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩；它适合用于各种应用场合，可以低速下实现平稳起动并且极其精确地运行，其自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制。FR-A740将U/f控制、矢量控制、闭环U/f控制、闭环矢量控制四种控制方式融为一体，其中闭环矢量控制是最适合电梯控制要求的。变频器的配置及容量选择FR-A740变频器用在电梯调速系统中时，必须配PG卡及旋转编码器，以供电动机测速及反馈。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，当A相脉冲超前B相脉冲90时，可认为电动机处于正转状态。当A相脉冲滞后于B相脉冲90时可认为电动机处于反转状态，旋转编码器根据AB相脉冲的相序，可判断电动机旋转方向，并根据AB脉冲的频率（或周期）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。A、B两相脉冲波形图如图3.3所示。图3.3变频器的容量计算功率计算如图3.4图3.43.4.4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R2的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即：其中Uo为额定情况下变频器的直流母线电压，取，由于制动电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。即：最后，选用的制动电阻为R=30，功率为P=3.5kW的电阻。3.5可编程控制器（PLC）的选择电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，控制系统结构图如图4.1所示。图中变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLC完成的。PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系。系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。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软件如何根据给定的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前提。3.5.1轿厢位置检测轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。位置检测方法主要有如下几种：1）用于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，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，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量（主要是转角），并把它们转换成数字形式的输出信号。在电梯中用码盘来检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反馈信号和位置指示信号。旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，进而，算出电梯运行过程中轿厢所处层楼位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等。以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故系统采用此法。3.5.2可编程控制器（PLC）的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后，系统选择了德国西门子公司的S7-200系列PLC。3.6 PLC控制系统硬件开发电梯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4.2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。3.6.1设计思想1）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4.3所示，输入到PLC的控制信号有：运行方式选择（如自动、有/无司机、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。2）电梯控制系统实现的功能电梯的控制系统实现如下功能：一台电机控制上升和下降，各层设上/下呼叫开关（最顶层与起始层只设一只）。电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及层楼指令键，警铃风扇及照明按键。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。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。自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站46S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。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。内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。自动定向，当轿厢内操纵盘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。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。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。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。3）电梯操作方式单台电梯的操作方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。在乘客电梯中几乎全部采用集选控制方式。单轿厢下集选控制：登记所有轿厢和厅门下行召唤；轿厢上行时，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。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，直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。系统采用全集选操作方式。4）速度给定曲线为了满足舒适感，提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。为了获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线（S曲线）及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从0加速到1000转/分所需要的时间来定义的。其意义为加速度由0加速到1000转/秒平方，所需要的时间。因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。增大加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。同理，增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之，起动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化，也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现，系统采用的变频器就具有S曲线加速时间设定功能，故将加速时间和S曲线加速时间配合调整，即可获得理想的起动曲线。同理，制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图4.4所示，图中a为加速度，v为速度。在T1T2时间内加速启动阶段，加速度均为a，在T2T3时间内为恒速；T3T4内电梯以加速度-a减速，T4后电梯保持低速爬行，收到平层信号后抱闸。3.6.2 I/O点数的分配及机型的选择系统按七层的电梯为例，根据需要控制的开关，设备大约有20个输入点，13个输出点，需进行控制，考虑1015的裕量，故选择CPU226的S7-200型PLC该型号特性如下图。 CPU226型PLC特性图第四章软件开发4.1 可编程控制器（PLC）的选型考虑到本次设计的电梯系统有六层，且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般PLC的响应速度足以满足控制的要求，在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜，体积也小，综合考虑后，系统选择了日本三菱公司生产的 FX2N系列 PLC。FX2N 系统 PLC 具有以下几方面的优点：1）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展 I/O 模块，A/D 模块，D/A模块和其它特殊功能模块。2）FX2N指令功能丰富，有各种指令 107 条，且指令执行速度快。3）FX2N可用内部辅助继电器 M，状态继电器 S，定时器 T，寄存器 D，计数器 C 的功能和数量满足了系统控制要求的需要。4）FX2N的编程可用编程器，也可以在 PC 机上使用三菱公司的专用编程软件包 MELSOFT系列的GX Developer来进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用 PC 机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。4.2交流双速电梯的主电路图4-4是交流双速电梯的主电路图。图中M1为电梯专用型双速笼型异步电动机；KM1、KM2为电动机正反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速或者低速运行；KM5为启动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动接触器，用以调整电梯制动时的加速度；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗和电阻，当KM1或者KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行启动，延时后KM5通电吸合，切除R1、L1，电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯接收到停层指令后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电机转为低速接法，接入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6-KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感；至平层位置时，接触全部断电释放，抱闸抱死，电梯停止运行。图4-4 主电路图4.3 门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路图4-5为电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路。门电动机为他励直流电动机，可由KM9、KM10控制其正反转。KM9接通时，电阻R2与电动机电枢并联，电流由电枢左端流向右端，电动机正转实现开门，压下SQ8时，R2部分被短接，实现开门调速。KM10接通时，电动机将反转，实现关门，并由SQ9、SQ10与R3一起实现关门调速。当电梯上下运行时，抱闸应打开，其线圈应通电。电梯停止运行时，抱闸应抱死，其线圈应断电。将所有厅、轿门开关串联在一起，控制门锁继电器KA1，实现全部门关闭后电梯才能运行的控制。将安全窗开关、安全钳开关、限速器开关、轿内急停开关、上下强迫停止开关、基站开关梯开关以及热继电器触点FR1、FR2串联在一起，构成安全回路，控制安全运行继电器KA2，用KA2的触点控制PLC的RUN口，只有当该KA2吸合时，才允许PLC处于运行状态。这样可以节省PLC的输入口，又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。图4-5 门机、抱闸、门锁及安全运行电路4.4电梯的主要电气设备（1）牵引电动机 齿轮牵引机为电梯的提升机构。主要由驱动电动机，电磁制动器（也称电器包闸），减速器牵引轮组成。（2）自动门机 用来完成电梯的开门与关门。电梯的门分为厅门（每层站一个）与轿门（只有一个）。只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门，轿门全部关闭后才允许启动运行。（3）层楼指示灯 层楼指示灯也叫层显，安装在每层站厅门的上方和轿箱内轿门的上方，用以指示电梯的运行方向及电梯所处的位置。过去常由低压灯泡构成，现多由LED组成，且与呼梯盒做成一体结构。（4）呼梯盒 用以产生呼叫信号。常安装在厅门外，离地面一米左右的墙壁上。基站与底站只有一只按钮，中间层站由上呼叫与下呼叫两个按钮组成。（5）操纵箱 操纵箱安装在轿箱内，供乘客对电梯发布动作命令。其上面设有与电梯层站数相同的内选层按钮。（6）平层及开门装置 该装置如图4-6所示。由平层感应器及楼层感应器组成。上行时，上磁铁板先触发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号，电动机停转，抱闸抱死。下行时，下磁铁板出发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号。（7）轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。位置检测方法主要有如下几种：（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，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。 由于本文是六层电梯的控制故选用感应器检测轿厢位置。图4-6电梯的平层、停层装置示意图4.5输入输出设计为了便于对电梯的工作原理及PLC系统进行分析，现列出电梯所用电器元件表。表4-1 电梯电气元件表元件符号名称及作用元件符号 名称及作用KM1上行