PLC结合变频器在电梯自动门的设计

1、I0. PLC 结合变频器在电梯自动门的设计论 文 摘 要本文设计的是 PLC 和变频器在电梯自动门的控制应用。电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。近年来因电梯故障使乘客受伤或者重大人身财产损失的也越来越多，据统计电梯门故障占其中绝大部分。本设计应用 PLC（可编程控制技术）结合变频器控制电梯门系统的动作，实现电梯门的安全、稳定、高效率运行。该系统主要由 PLC、变频器、变频器专用三相异步电动机、热过载继电器、行程开关、按钮、发光指示器组成为一体的控制系统。整个设

2、计主要介绍电梯门系统原理和安全保护功能，PLC 和变频器的基本原理和选用，以及变频器专用异步电动机的特点。关键词：可编程控制器（PLC） 、变频器、电梯门系统、变频器专用电动机I目 录第第 1 1 章章 绪论绪论 .11.1 我国电梯的发展概况.11.2 电梯门控制的发展.11.3 电梯门系统故障实例.4第第 2 2 章章 电梯门系统原理与设计思想电梯门系统原理与设计思想 .62.1 电梯门系统工作的动作要求.62.2 电梯门系统工作原理.72.3 电梯门系统设计思想.7第第 3 章章 控制部分控制部分 PLC .83.1 PLC 的原理.83.2 西门子 PLC 的种类和选型.93.3 输入

3、输出口分配表和接线图.103.4 控制梯形图.10第第 4 章章 电梯的电气装置设计电梯的电气装置设计 .114.1 电气传动系统的电气装置.114.2 电梯安全可靠运行的条件.124.3 电梯控制开关门环节.124.4 安全保护系统.13 4.5 自动调速控制系统.14 4.5.1 变级调速系统.14 4.5.2 调压调速系统 14 4.6 变频变压调速系统.14第第 5 5 章章 电梯方向控制环节设计电梯方向控制环节设计 .155.1 控制环节.15第第 6 6 章章 PLCPLC 设计任务设计任务 .166.1 设计要求.166.2 拖动电机电路的设计.166.3 PLC I/O 硬件连

4、接图.166.4 PLC 单台电梯控制系统基本功能梯形图.16 6.4.1 外呼信号登记与消除 .16 6.4.2 开门控制21 6.4.3 关门控制.21 6.4.4 楼层信号的显示 .23 6.4.5 电梯箱内选择停层与显示.25 6.4.5.1 上行环节 .25 6.4.5.2 下行环节.26 6.4.6 电梯的起步、稳定运行环节28 6.4.7 电梯的制动环节 .29致谢致谢 .32参考文献参考文献 .33 2第 1 章 绪论1.1 我国电梯的发展概况我国电梯的发展概况电梯的出现大大方便了人们的生活。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

5、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。早期的电梯的控制是由各种功能的继电器和接触器来实现，速度的调节则是由直流调速或者双速电动机等来实现，电梯的故障率较高，稳定性较差，舒适感也比较差。随着晶闸管的应用和变频技术的成熟，电梯驱动则由变频器来完成。现在的电梯

6、则是由逻辑微机电路板实现控制，采用更加成熟的变频器来驱动电梯的曳引机。1.2 电梯门控制系统的发展电梯门控制系统的发展乘客乘坐电梯和电梯门的接触最多，而且电梯门是最直接给乘客带来伤害的部分。早期电梯的门系统是由各种继电器和行程开关实现控制，采用双速电动机。这种控制中的继电器很容易出现故障，也就是故障率较高。而且结合双速电动机实现的门动作生硬，容易撞门。现在电梯门控制系统已经采用集成化比较高的微机电路板和变频器来实现。开关门曲线可调，控制系统稳定。本设计应用 PLC 控制，变频器来驱动，要比早期继电器控制更加稳定而且门运行曲线平滑可调，更安全。1.3 电梯门系统故障实例电梯门动作频繁，乘客每次乘

7、坐电梯，电梯门需要动作至少两次，也就是说电梯运行一次电梯门要运行至少两次。电梯门的故障可以分为机械故障和电气故障两类，机械故障主要有门运行卡阻，开关门过程有异响，关门时有撞击现象以及门脱出轿门地坎等。电气故障有不关门、不开门，开关门速度过快或者过慢，防夹人装置失效等。这些故障出现时给乘客的安全带来隐患，不关门和不开门故障还导致电梯停梯，保护乘客不受伤害，禁止电梯再运行。可见电梯门系统的稳定性和安全保3护功能是乘客不受到伤害和电梯正常运行的重要保障。第 2 章电梯门系统原理与设计思想2.1 电梯门系统工作的动作要求电梯门的运行不只是我们乘客平时看到的自动开关状态，它还有几种状态。电梯门的动作要求

8、是根据电梯运行状态设计的，电梯自动运行时，电梯门到站自动开关，当有物体遮挡光幕或触碰安全触板是再次开门。电梯在司机状态时需要手动持续按下关门按钮直至门完全关闭，开门时自动开门，在关门过程中有物体遮挡光幕或触碰安全触板可以重新开门。在消防员状态时，电梯门手动开关直至完全到位，在关门过程中门的安全保护装置不再起作用。实现这么复杂的动作利用继电器会相当复杂，稳定性也比较差。2.2 电梯门系统工作原理电梯门系统是电梯整体中的一部分，电梯门的运行要配合电梯运行。电梯自动状态时到站，电梯控制柜的主要控制系统给门系统发出开门指令，电梯自动开门，开门延时一段时间后主板(电梯主要控制部分)给门系统关门指令，门机

9、控制器给变频器运转指令，变频器驱动电动机关门，关门过程中如果有物体或者再有人进入，遮挡光幕或使安全触板动作，控制器得到重新开门指令，电梯门要再次打开，也可以按下开门按钮控制门打开。电梯运行再次到站后要自动开门，也可以使电梯在将要到站还没有完全停止时打开门，这叫做电梯的提前开门功能。3.3 电梯门系统设计思想本设计应用到 PLC、变频器、变频器专用电动机。设计思想如下图所示。4 PLC 负责开关门的动作控制，变频器驱动电动机，通过设置变频器程序参数还可以改变门运行曲线。在 PLC 中编辑好程序，设置完成变频器参数，组合整个系统。乘客按下外呼按钮，电梯到站，轿厢平层停止运行，主板给 PLC 发出开

10、门指令，PLC输出，变频器正转指令接通，变频器驱动电动机转动，根据设置好的开门曲线，电动机起动加速，匀速运行，减速停止，完成开门过程。乘客进入轿厢，主板根据开门保持时间的设定，给 PLC 发出关门指令，PLC 处理后输出，变频器得到反转指令，变频器驱动的电动机关门。第 3 章 控制部分 PLC3.13.1 PLCPLC 的原理的原理可编程序逻辑控制器（Programmable Logical Controller,简称 PLC） ，是在继电器控制和计算机控制的基础开发的产品，逐渐发展以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动装置。它有可编程性，且编程灵活简单，有

11、在恶劣环境下工作的高抗干扰能力 ，适应性力。而其体积小，重量轻，价格底等特点，在工业控制应用上越来越广泛，不同的生产厂家生产的可编程逻辑控制器的结构多种多样，但基本组成原理是一样的。从硬件来看，PLC 主要由 CPU，存储器，I/O 接口，电源，编程器等组成。5图二 PLC 硬件的基本结构（1）CPU 板CPU 板 PLC 的核心部件，它包括：微处理器 CPU、存储器（ROM、RAM） 、并行接口（PIO） 、串行接口（SIO）及时钟控制电路等。CPU 板是 PLC 的运算、控制中心，用来实现各种逻辑运算、算术运算及对整机进行管理控制；PLC 内部配有程序存储器和数据存储器（ROM，RAM）

12、，分别用于存储系统程序和用户程序，并生成用户环境；并行接口和串行接口主要用于 CUP 与各接口电路之间的信息交换。时钟及控制电路用于产生脉冲及各种控制信号。（2）输入/输出电路输入电路通常有两种形式；直流输入和交流输入电路。输入电路的作用是接收现现场输入设备送来的控制信号，并经光电耦合器隔离后转换成 PLC 内部的标准电平信号，然后由 CPU 读入并送至输入映象寄存器中，供程序执行使用。输出电路的作用是将 PLC 的输出控制信号送给外部输出设备，通过输出设备控制被控制对象工作。输出电路共有三种形式：一种是继电器形式，它是通过控制继电器的线圈使其触点的通断来控制输出设备，实现电气隔离；另一种是晶

13、体管输出型，它是通过光电耦合器使输出开关晶体管通断，进而控制输出设备；第三种是可控硅输出型，通过触发可控硅的通断实现对外部输出设备的控制。（3）存储器扩展接口存储器扩展接口用于连接用户程序存储器及数据存储器的扩展卡盒。常用的扩展卡盒有三种：一种是 COMS 开型 ROM 卡盒，它需要用锂电池后备，以防止断电时丢6失程序及数据；另一种是 EPROM 卡盒，这种卡盒需要用专门写入器将调试好的用户程序或数据写入 EPROM 中，擦写时需要用紫外线擦除器；第三种是 EEPROM 卡盒，是电可擦除存储器，它的写入和擦写只需专用编程器。（4）I/O 扩展接口I/O 扩展接口与 CPU 之间是以总线方式连接

14、的，因此它可以连接开总量的 I/O扩展单元及扩展块，使 I/O 点数规模在配置更加灵活。同时也可以配接如模拟量、高速脉冲等单元及通信适配器等特殊功能模块，使 PLC 的功能大大增强。（5）编程器及其接口编程器用于程序及数据的输入、编辑、调试和检测。当 PLC 在正常运时，一般不需要编程器，因此编程器设计为独立的部件。为了能对 PLC 进行编程及调试，在PLC 上专门设有一个编程接口，通过这个接口可以连接各种形式的编程器。编程器的种类很多，常见的有便携式手持程器、专用智能编程器和通过计算机和专用接口实现对 PLC 的编程。（6）电源PLC 一般使用 220V 的交流电源，电源部件将交流电转换成供

15、 PLC 的中央处理器，存储器等电子电路工作所需的直流电源，使 PLC 能正常工作。3.23.2 西门子西门子 PLCPLC 的种类的种类德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的 PLC 产品包括 LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI 人机界面，工业软件等。西门子 S7 系列 PLC 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7 系列 PLC 产品可分为微型 PLC（如 S7-200） ，小规模性能要求的PLC（如 S7-300）和中

16、、高性能要求的 PLC（如 S7-400）等。其中微型 S7-200 系列价格便宜，体积小。目前 S7-200 系列 PLC 的基本单元主要有 CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四种。其外体结构相同，如下图所示7S7-200 主要技术指标，CPU221 的输入输出（I/O）6 入/4 出，也就是 6 个输入端子，4 个输出端子；CPU222 8 入/6 出；CPU224 14 入/10 出；CPU226 24 入/16出。因为门控制系统采用的输入输出端子较少，采用 CPU221 比较合适。3.33.3 输入输出口分配表和接线图输入输出口分配表和接线图PLC 输入/输出

17、端口分配表输入输出输入端子作用输出端子作用I0.0热过载保护Q0.0开门/正转I0.1光幕/安全触板Q0.1关门/反转I0.2故障输入I0.3开门I0.4关门8 采用的 CPU221 AC/DC/继电器型 PLC， “AC”代表 PLC 电源是采用交流电源；“DC”是输入端口电源是直流类型；“继电器”代表输出端口类型是继电器型。 本设计可以应用在蓝光控制系统、新时达控制系统、莫纳克控制系统等多种类似控制系统。本次设计采用了蓝光 BL2000 控制系统，J6-3、J6-4、J6-5 端子位于BL2000 电梯控制主板上，他们的端子定义依次是开门指令、关门指令、公共端子。PLC 的 I0.3、I0

18、.4 输入端子对应电梯主板的 J6-3、J6-4 的开、关门指令输出。PLC的 I0.0 是热过载继电器的常闭触点，当门电动机过热或堵转时，热过载继电器动作，给 PLC 信号防止再运行。PLC 的 I0.1 是光幕或者是安全触板，光幕和安全触板的作用是，有物体或这是乘客致使它们发生动作时，给 PLC 再次开门的信号，从而保护乘客免受伤害。PLC 的 I0.2 端子连接的是变频器的故障输出，变频器发生电压过低、过高失电以及自身故障时，给 PLC 发出故障信号，PLC 进行处理，停止对变频器的运转控制。 PLC 的输出端子比较直观，只用到了 Q0.0 和 Q0.1，它们分别是控制变频器的正、反转输

19、出端子。3.43.4 控制梯形图控制梯形图新买来的 PLC 是不能直接使用的，因为是可编程序逻辑控制器嘛，因此只有编写特定的控制程序并且下载到 PLC 中，PLC 被程序特定的输入输出端子才可以用于控制。PLC 的程序语言有梯形图编程语言、指令语句表编程语言、顺序功能图编程语9言和高级编程功能语言等。目前，各种类型的 PLC 一般都能同时使用两种或两种以上的编程语言，而且大多数都能同时使用梯形图和指令表。不同厂家生产的 PLC，其梯形图、指令表都有所差异，使用符号也不尽相同，配置各有千秋，但编程的基本方法和原理是相同或相仿的。程序梯形图与继电器系统电气原理图类似，容易理解，本设计采用梯形图编写

20、控制程序。具体程序内容如下图所示。电梯到站后，主板 BL2000-STB 输出 J6-3 和 J6-5 的闭合信号，PLC 端子 I0.3得到电信号，通过 I0.4 关门互锁，T38 电动机过热延时的常闭点，I0.2 变频器故障输出常闭点，使 PLC 输出端子 Q0.0 闭合，变频器得到正转指令，驱动电动机向开门方向转动。由变频器完成开门的启动加速，匀速运行减速，开门后以开门保持频率，开门保持。达到一定的开门保持时间之后，主板 BL2000-STB 断开开门输出指令，输出 J6-4 和 J6-5，PLC 的输入端子 I0.4 得电闭合，通过已经断开的 I0.3 开门端子，T37 重新开门延时继

21、电器，T38 过热保护延时继电器，I0.2 变频器故障输出，关门输出 Q0.1得电，变频器反转指令的接线得电，变频器驱动电动机反转，电梯关门，关门时的启动加速，匀速运行，减速保持关门力矩，完成关门动作。安全保护再开门的设计，I0.1 连接光幕或者是安全触板，光幕和安全触板是安装在电梯轿门上的一种装置，它们的主要作用是将轿门再次打开，避免乘客受到轿门的夹伤，是一种安全保护装置。一般只使用其中之一，有的为了保护措施更加完善，将二者串联使用。设计中使用的是常闭的安全触板和光幕，当有乘客触及安全触板或者是光幕时，PLC 的 I0.1 光幕节点失电，断电延时继电器 T37 动作，关门动作中的梯形图中的常

22、闭 T37 断开，关门动作停止，同时在延时断电时间内 PLC 开门输出 Q0.0 得电，电梯开门。可以看出断电延时 T37 常开点是并联在开门指令 I0.3上的，所以 Q0.0 可以再次得电。断电延时 T37 延时 5 秒钟后，常开点 T37 断开，停止开门保持；常闭点 T37 失电闭合，关门梯形图部分再次得电，电梯关门。开门指令的 I0.3 还并联了 I0.1 光幕连接点，目的是当有人一直使光幕或者安全触板动作时，I0.1 可以一直接通开门部分。电动机热保护和变频器故障保护的设计，开关门部分梯形图加入了 I0.2 常闭点，当变频器输出故障时 I0.2 得电断开，开关门部分都将断开，主板无法对门电机进行10开关门动作，从而保护变频器和门电动机。直到变频器的故障排除之后，电梯主板和 PLC 才可以对变频器进行操作。当电动机过载，或者过热时，热过载继电器 FR 的常闭点断开，其常闭点连接的是 PLC 的 I0.2。从梯形图第四行可以看到 I0.2 之后是断电延时 T38，热过载继电器动作之后，常开触点 I0.2 失电，断电延时继电器T38 接通，在第二行和第三行中的开关门梯形图中的常闭点 T38 断开，开关门操作取消。延时 10 分钟，等待电动机冷