六层电梯控变频控制课程设计

摘要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。而控制电梯运行的PLC系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。该系统主要由PLC、逻辑控制电路组成。其中包括交流异步电动机、继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器和变频器组成为一体的控制系统。本机控制单元采用以西门子的可编程控制器PLC对机器进行全过程控制。而要想电梯能稳定可靠的运行，就需要一套精准的控制系统。电梯的控制系统有很多种类，常见的有微机控制和PLC控制。研究目的是实现PLC对实际机械系统的控制，拖动系统采用通用变频器实现对双速三相异步电动机的控制。关键词电梯；控制系统；变频器；PLC目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1 概述 1\o"CurrentDocument"1.1电梯的概述 11.1.1电梯的概念 11.1.2电梯的分类 1\o"CurrentDocument"1.12电梯的工作原理 2\o"CurrentDocument"2 电梯变频调速控制系统 42.1 变频调速电梯系统运行原理 4\o"CurrentDocument"2.2 变频器 42.2.1变频调速原理 42.2.2变频器组成、工作原理及其分类 4\o"CurrentDocument"3 电梯电气控制系统 7\o"CurrentDocument"3.1 PLC及其在电梯控制中的应用特点 7\o"CurrentDocument"3.1.1PLC定义及其特点 73.1.2PLC控制电梯的优点 8\o"CurrentDocument"3.2 PLC的选择 8\o"CurrentDocument"3.2.1PLC机型的选择 9\o"CurrentDocument"3.3 电梯电气控制系统设计方案 9\o"CurrentDocument"3.3.1PLC的I/O地址分配： 93.3.2PLC控制程序的编制方法 10\o"CurrentDocument"3.4 电梯电气控制系统软件设计 11\o"CurrentDocument"3.5电梯模型PLC控制系统构成，运行原理 16\o"CurrentDocument"总结 17\o"CurrentDocument"参考文献 18\o"CurrentDocument"附录 191概述1.1电梯的概述1.1.1电梯的概念电梯是服务于规定楼层，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间的固定式升降设备。广义的电梯概念包括载人（货）电梯、自动扶梯、自动人行道等，是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运动的梯级（踏步），进行升降或者平行运送人或者货物的机电设备。狭义的电梯是指服务于规定楼层、有轿厢的垂直升降设备，不包括自动扶梯、自动人行道。自动扶梯是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。自动人行道是带有循环运行式走道，用于水平或微倾斜的输送乘客的固定电力驱动设备。1.1.2电梯的分类按用途分类：乘客电梯、载货电梯、病床电梯、杂物电梯、服务电梯、住宅电梯、特种电梯。按驱动方式类：交流电梯，直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、直线电机驱动的电梯。按速度分类：低速电梯（速度不大于1.75m/s）中速电梯（速度大于1.75m/s小于或等于2.5m/s）高速电梯（速度大于2.5m/s小于或等于6m/s）超高速电梯（速度大于6m/s）按有无减速器分类：有减速器的电梯：常用于梯速为2.0m/s以下的电梯无减速器的电梯：常用于梯速为2.0m/s以上的电梯按有无司机分类：有司机电梯、无司机电梯、有/无司机电梯。按控制方式分类：手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、微机控制电梯。1.12电梯的工作原理一部电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜/箱、导轨等主要部件组成。电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。起点站设在一楼，终点站设在最高楼。各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。一般电梯在起点站和终点站上各设置一个按钮，中间层站的召唤箱上各设置两个按钮。而电梯的轿厢内都设置有（杂物电梯除外）操纵箱，操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。召唤箱上的按钮称外召唤按钮，操纵箱上的按钮称指令按钮。电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，而电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。对于自动化程度高的电梯，司机或乘用人员一次还可下达一个以上的指令信号，电梯便能依次起动和停靠，依次完成全部指令任务。尽管电梯和汽车在运算工作过程中有许多不同的地方，但仍有许多共同之处其中乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，司机或乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，假若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。本设计主要研究六层六站的电梯控制系统，分述其硬件设计和软件设计过程设计程序要求完成电梯控制系统主要达到以下要求：1.电动机额定功率为7.5kW的3相异步电动机：额定电压400VAC；额定电流15.3A，额定功率7.5kW,额定转速1455r/min；额定功率因数0.82,额定效率0.9。采用两个固定频率，50HZ对应lm/s速度，6HZ的速度用于减速停车。起动和制动斜坡积分时间设定为3秒，其中含有0.7秒的平滑积分时间变频器采用远方控制方式。变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。变频器的报警处理。2电梯变频调速控制系统变频调速电梯系统运行原理电力电网送来的380V动力电源变为可控的直流电，经变频器转变为可调的频率可变的变频变压三相正弦交流电，驱动电动机平稳运行。若配置交流变频曳引机效果更佳，成本亦低。当电梯检修时，PLC向变频器发出方向和检修运行信号，系统按预先编好的速度指令使电梯轿厢作上、下慢速运行。变频器内部带电流反馈和速度反馈。电梯的速度总是跟随理想曲线的变化而变化的。变频器2.2.1变频调速原理由电机学原理可知三相异步电动机的转速可由下式表示：n=60fp1—s(2.1)式中：f为电机的电源频率，p为电动机定子绕组的极对数，s为转差率从上式可看出，在极对数P和转差率不变的情况下，转速n与电机电源的频率f成正比，改变电动机的频率f就可以改变电动机的转速，从而实现电梯的零速起动。2.2.2变频器组成、工作原理及其分类变频器组成及工作原理变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。主电路如图2.1所示。主电路包括整流器、逆变器和中间直流环节。图2.1变频器主电路图其整流电路采用的是不可控的二极管整流电路，而变频器的输出频率和输出电压均由逆变器按PWM方式来完成。利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定开关器件的导通时间，从而实现调压。逆变器又称负载变流器，最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中的主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。中间直流环节。由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，故在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。此无功功率要靠中间直流环节的储能元件(电容或电抗)来缓冲，故又称中间直流环节为中间直流储能环节。变频器的类型按电源的性质来分：电压型变频器，电流型变频器按输出电压调节方式分：PAM方式，PWM方式，高载波变频率PWM方式按控制方式分：U/f控制，转差频率控制，矢量控制按电压等级分：低压变频器，高压大容量变频器按用途分：通用变频器，高性能专用变频器，高频变频器，小型变频器选择MM420变频器进行控制。变频器与PLC采用USS通讯方式，通过速度反馈构成闭环实现电梯的无级调速及准确定位。对变频器按要求所给电机参数进行快速调试，快速调试后对变频器进行其他参数。

变频器快速调试设置如下表：表2.1变频器设置名称参数名称参数P00101P07005P01000P10005P0304400P108030P030515.3P108250P03077.5P11203P031050P11213P03111455P39001设置以上参数的方法，详见变频器使用手册。其它参数根据控制方式参考手册设置。3电梯电气控制系统3.1PLC及其在电梯控制中的应用特点3.1.1PLC定义及其特点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、维修、编程简单、灵活性强等特点。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,降低了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。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。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。3.1.2PLC控制电梯的优点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。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。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。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。用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。更改控制方案时不需改动硬件接线。3.2PLC的选择PLC电梯控制系统的控制核心是PLC。哪些信号需要输入PLC，PLC需要输出哪些信号，以及采用何种编程方式都需要仔细分析。输入输出点的确定是设计整个控制系统的首要问题，决定系统的程序及硬件线路的方案。3.2.1PLC机型的选择PLC选择的依据主要决定于由两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的容量。I/O点数的估算根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后调整和扩充，一般应加上10%〜15%的备用量。用户存储器容量的估算用户应用程序占用多少内存与许多因素（如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等）有关。根据自己所设计的为六层的电梯控制系统，根据需要控制的开关、设备大约有32个输入点，28个输出点需进行控制，同时留有20%的裕量，综合考虑后，选择西门子S7-200.电梯电气控制系统设计方案电梯电气控制系统设计方案的确定对于电梯电气控制系统整体软件设计起着至关重要的作用，这也是电梯电气控制系统的一个主贯穿线，它主要包括以下几个部分。3.3.1PLC的I/O地址分配：根据本设计中的电梯控制系统实现的控制功能和其实际的操作工艺过程，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。

表3.1PLC的I/O表PLC输入PLC输出高速计数器输入A10.6底层内呼指示灯Q3.0高速计数器输入B10.7一层内呼指示Q3.1底层内呼按钮13.0二层内呼指示Q3.2一层内呼按钮I3..1三层内呼指示Q3.3二层内呼按钮I3.2四层内呼指示Q3.4三层内呼按钮I3.3五层内呼指示Q3.5四层内呼按钮I3.4PWM输出Q0.1五层内呼按钮I3.5开门驱动Q0.4轿厢开门按钮I3.6关门驱动Q0.3轿厢关门按钮I3.7底层向上指示Q1.6底层外呼上11.5一层下指示Q1.5一层外呼下11.4一层上指示Q1.4一层外呼上I1.3二层下指示Q1.3二层外呼下I1.2二层上指示Q1.2二层外呼上I1.1三层下指示Q1.1三层外呼下I1.0三层上扌旨示Q1.0三层外呼上I0.5四层下指示Q0.7四层外呼下I0.4四层上指示Q0.6四层外呼上I0.3五层下指示Q0.5五层外呼下10.2电梯上行驱动Q0.2下基准位限位I1.6电梯下行驱动Q0.0下极限位限位I1.7电梯上行指示Q2.5上基准位限位I0.1电梯下行指示Q2.4上极限位限位I3.7显示驱动AQ2.0开门限位开关I2.7显示驱动BQ2.1关门限位开关I2.6显示驱动CQ2.2轿厢安全开关I0.0显示驱动DQ2.3手动控制开关I2.0手动开门按钮I2.1手动关门按钮I2.2手动上行按钮I2.3手动下行按钮I2.4紧急停车按钮I2.53.3.2PLC控制程序的编制方法PLC梯形图的编制采用模块化设计。模块化程序结构清晰、便于调试。如：层楼继电器回路、召唤信号的登记与清除、内选信号指令登记与清除、开关门、运行方向的选择等。模块间不完全独立，它们之间存在着有机联系，且编程时要考虑各条指令间的逻辑关系。3.4电梯电气控制系统软件设计电梯的整体运行过程：当乘客进入轿厢后，由乘客根据欲前往的层站，逐一按下相应层站的选层按钮，便完成了运行指令的预先登记，电梯便自动决定运行方向。再按启动按钮，电梯自动关门，当门完全关闭后，门锁微动开关闭合，使门锁继电器吸合，电梯开始启动、加速，直至稳速运行。当电梯到达欲停靠的目的层站前方某一距离位置时，由井道内的行程开关向电梯控制系统发出转换信号，电梯便自动减速准备停靠。当轿厢进入到平层区（即停靠层站上方或下方的一段有限距离）时，井道平层传感器动作，发出平层信号控制轿厢准确平层，并自动取消，自动开门。对某类电梯，如果在平层时平层精度超过标准要求，则电梯进行校正运行，电梯以最低的速度慢行到准确平行位。如果继续平向运行，司机只需按下启动按钮，电梯便按预先登记的楼层，按序逐一自动停靠，自动开门。在电梯运行过程中，如果厅外有人按下厅门召唤电钮，只要此时的召唤申请乘梯方向符合此时电梯的运行方向，则电梯能被顺向截停。当同向登记指挥都已被执行以后，电梯便自动换向运行，执行另一方向的运行登记指令。如果电梯在某一层站关门时，有人或物碰触了门安全触板，或被非接触式的光电式、电子式装置检测到关门障碍时，电梯便停止关门并立即转为开门。如果欲乘电梯的乘客正逢电梯关门时，可按下外上、下召唤按钮中与电梯欲行方向相同的一个按钮，电梯便立即开门，这种操作，用于为本层开门。如果由于乘客过多而超载，则电梯超载检测装置发出超载信号，阻止电梯启动并开门，直到满足限载要求，电梯方能恢复正常运行。如果停层时间到，便自动关门启动、加速，直至稳速运行。在运行过程中，可根据各楼层厅外召唤信号，对符合运行方向的召唤信号，将逐一应答，自动停靠，自动开门。在完成同向全部登记以后，如有反向厅外召唤信号，则电梯自动换向运行，应答反向厅外召唤信号。如果没有召唤信号时，电梯便自动关门停机，或自动驶回基站待命。如果某一楼层再有召唤信号，电梯便自动启动前往应召。部分控制梯形图如下SlvO.C同胡8I定位効一復I上行保护SlvO.C同胡8I定位効一復I上行保护上基唯链限位 电襪上行呃动TI (R)1手动控吿储关 上电鱼位T/I 1/卜斫处楼层数 楼层定位—I<>'I~~j—C:)电梯上行驱动£卩上基唯傥隈应电钵上行菊动T，I C:)輝定位—I卜5n.a手动胃下爾2科ta4SM9.Q5n.