毕业论文 基于PLC和变频器的电梯设计

毕业论文 基于PLC和变频器的电梯设计 毕业论文 毕业论文 基于PLC和变频器的电梯设计 中文摘要 电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。在现代社会,电梯已像汽车、轮船一样,成为人类不可缺少的交通运输工具。它有多种控制方式，如继电器控制，PLC控制等。PLC控制电梯有如下的特点:可靠性高， PLC的平均无故障时间(MTBF)一般可达3~5万小时。而且能在工业环境下可靠地工作;编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观，容易掌握，当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活;体积小、结构紧凑、安装、维修方便。本文介绍了一种控制的VVVF的电梯控制系统，通过与其它电梯控制系统比较，得出了其控制的优越性，并对其进行了较详细的软硬件设计，对于软硬件设计采用了模块化设计的思想，并说明了控制方式的可行性。 关键词:可编程控制器;电梯;电梯控制;变频器;梯形图 I ABSTRACT Elevator, developed with the construction of high architecture of vertical transportation tools. In the modern society, elevator, like cars, steamboats has become indispensable transportation tool for human beings. There are several control ways, such as relay and PLC control, and so on. The features of PLC control elevator are the following: First, high reliability. The MTBF of PLC can generally reach 30000 to 50000 hours. And it can easily adapt to the environments. That it can work reliably under the industrial environment. Second, easily program. The commonly used programming language is ladder diagram language, which is imagic and can be easily mastered. When the working process need to be changed, the program can be changed on spot, which is convenient and flexible. Third, small volume and compact structure and it is easy to install and maintain.This paper introduces the system structure of a VVVF (variable voltage variable frequency) elevator control system with PLC, we can find the advantage of this control method by compared with others, we achieve its hardware and software design in detail with a idea of module and clarifies that this control mode is feasible. Keywords: PLC; elevator; elevator control; transducer; ladder diagram II 目 录 中文摘要 ................................................................................................. I ABSTRACT ........................................................................................... II 1 绪论 ..................................................................................................... 1 1.1 电梯技术概况 .................................................................................... 1 1.1.1电梯技术前景展望 ....................................................................... 1 1.1.2电梯的种类及组成 ....................................................................... 2 1.2 电梯的主要参数 ................................................................................. 3 1.3电梯的保护装置 .................................................................................. 5 2 PLC控制系统与变频器 ...................................................................... 7 2.1 PLC控制系统设计............................................................................... 7 2.2 变频器的分类 .................................................................................... 8 2.3 变频器的选择 .................................................................................... 9 2.3.1 选择变频器的规格以及满足条件 ..................................................... 9 2.3.2 VS-616G5变频器 ......................................................................... 9 2.3.3 VS-616G5变频器多级调速的PLC控制 ........................................... 12 2.4变频调速方案 ................................................................................... 14 2.5变频器容量及制动电阻参数的计算 ......................................................... 15 3硬件设计 ............................................................................................ 16 3.1变频电梯电力传动系统 ....................................................................... 16 3.2 电梯的主电路 .................................................................................. 18 3.3 机型选择及I/O分配 .......................................................................... 19 3.3.1输入的模块选择 ........................................................................ 19 3.3.2 输出的模块选择........................................................................ 21 3.4 电梯外部接线图 ............................................................................... 22 4 软件设计 ........................................................................................... 23 4.1开门环节梯形图 ................................................................................ 24 4.2关门环节梯形图 ................................................................................ 25 4.3层楼信号产生与消除环节梯形图 ............................................................ 26 4.4停层信号登记与消除环节梯形图 ............................................................ 26 4.5外呼信号登记与消除环节梯形图 ............................................................ 27 4.6定向环节梯形图 ................................................................................ 28 4.7起动加速和稳定运行环节梯形图 ............................................................ 30 4.8停层信号梯形图 ................................................................................ 30 4.9制动过程环节梯形图 .......................................................................... 31 5 故障报警及消防运行 ........................................................................ 33 5.1电梯的报警的原因及处理方法 ............................................................... 33 5.1.1曳引电动机绕阻碰壳接地短路 ....................................................... 33 5.1.2曳引电动机拍轴 ........................................................................ 33 5.2电梯的消防运行 ................................................................................ 34 6 结论 ................................................................................................... 35 致 谢 ............................................................................................... 36 参考文献 ............................................................................................... 37 附录:电梯外部界接线图 ............................................................................... 38 III 1 绪论 1.1 电梯技术概况 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着广泛的应用。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。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。 1.1.1电梯技术前景展望 纵观我国电梯行业的发展历程，从改革开放到今天，电梯行业在不知不觉中走过了一个从无到有，从有到多，从多到精的发展历程。随着住宅市场的巨大变化，中国已经成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。这就必然会使电梯技术不断的发展更新。 (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、体积小巧化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。同时，无机房电梯在今后会有较大的发展。 (2)技术含量更高，性能更好。 电梯行业技术发展非常迅速，现如今具有先进性能，高舒适性的VVVF电梯，已是电梯行业的标准配置;然而，永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更清洁、更安静、更安全、更经济等特点。所以永磁同步无齿轮曳引机将逐步成为新型曳引机的主流，由于永磁技术的先进性，将来很可能取代VVVF技术。另外，网络控制和智能群控制系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性也是电梯发展的潮流。 (3)安装更方便、快捷。 1 高效、安全、可重复使用的无手架安装，将是高层电梯安装的主要方式，随着技术的开发、应用，电梯的硬件系统给安装带来了更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。 1.1.2电梯的种类及组成 本节介绍了电梯的分类、组成，通过学习应对电梯的定义和电梯的多种分类方法有一定的认识，并了解集选控制、并联控制和群控电梯的操控方式。 一、电梯分类 电梯通常按用途、速度、拖动方式和控制方式等进行分类。目前电梯的基本分类方法如下表1-1所示: 表1-1 电梯的分类 分类方式 种类 乘客电梯、载货电梯、医用电梯、杂物电梯、观光电梯、车辆电梯、 按用途分船舶电梯、建筑施工电梯、冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电梯操 类 纵电站电梯及消防员用电梯等 按驱动方交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯及直线 式分类 电机驱动的电梯等 按电梯速低速电梯(1.00m/s)、中速电梯(1.00,2.00m/s)、高速电梯(大于 度分类 2.00m/s)、超高速电梯(超过5.00m/s)及特高速电梯(16.7m/s) 按有无司有司机电梯、无司机电梯及有/无司机电梯等 机分类 按操纵控手柄开关操纵、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、并联 制方式分控制电梯及群控电梯等 类 按特殊用冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯及消防员用电梯等 途分类 现代物业建筑使用的电梯主要有信号控制、集选控制、并联控制及群控制电梯四种操控方式，其控制特点如下所述。 (1)信号控制电梯特点除具有自动平层，自动开门功能外，尚具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。 (2)集选控制电梯是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制电梯，与信号控制的区别在于能实现无司机操纵。主要特点是:把轿厢内选层信号和各层外呼信号集合起来,自动决定上、下运行方向顺序应答。 2 (3)并联控制电梯是把2,3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。 (4)群控电梯特点是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。控制方式有以下两种。 控制系统按预先编制好的交通模式程序，集中调度和控制梯群的运行，称为梯群程序控制。 能实现自动数据的采集、交换及存储功能，还有进行分析、筛选及报告的功能，称为梯群智能控制。 二、电梯的组成 曳引式电梯是垂直交通运输工具中最普遍的一种电梯，其结构主要由机械部分和电气部分组成;机械装置部分分为: (1)曳引系统作用是提供电梯运行动力的设备，把曳引机的旋转运动，转换为电梯的垂直运动。 (2)轿厢在曳引钢丝绳的牵引下沿电梯井道内的导轨作快速平稳的运行。 (3)门系统作用就是打开或关闭轿厢与层站厅门的出入口。 (4)导向系统作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。 (5)重量平衡系统由对重及重量补偿装置组成。对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。重量补偿装置，是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。 (6)机械安全保护装置由机械限速装置、缓冲器和端站保护装置组成。起到防止电梯超速行驶、终端越位、冲顶或蹲底等保护。 电气装置部分分为: (1)电力拖动系统由曳引电机、供电系统、调速装置和速度反馈装置构成。对电梯实行速度控。 (2)操作控制系统由操纵装置、平层装置与选层器等构成。对电梯实施操纵、监控的系统。 (3)电气安全系统指在电梯控制系统中用于实现安全保护作用的电路及电气元件。 1.2 电梯的主要参数 载重量(kg)， 轿厢尺寸(mm)，轿厢形式，轿门形式，开门宽度(mm)，开门方向，曳引方式，额定速度(m/s)，电气控制系统，停层站数(站)，提升高度(mm)， 3 顶层高度(mm)，(底坑深度(mm)，井道尺寸(mm)，井道高度(mm)。 电梯的主要参数是设计和制造电梯的主要依据。用户选择电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、运载对象等，正确的选择电梯类别和有关参数和尺寸。并根据所选择参数和规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物，否则会影响电梯的 -2。 使用效果。具体见表1 表1-2 电梯参数?类电梯的参数、尺寸 主要用途 非住宅电梯(办公室、写字楼等) 额定载重量/kg 630 800 1000 1250 1600 可乘人数/人 8 10 13 16 21 轿厢 宽度A/mm 1100 1350 1600 1950 深度B/mm 1400 1750 高度/mm 2200(2300) 2300 轿和层门 宽度E/mm 800 1100 深度F/mm 2000(2100) 2100 形式 中分门 井道 宽度中分门 1800 1900 2400 2600 C/mm 旁开门 ? 深度D/mm 2100 2300 2600 低坑深度V=0.63m/s 1400 1600 P/mm V=1.00m/s V=1.60m/s 1600 V=2.50m/s ? 2200 顶层高度V=0.63m/s 3800 4200 4400 Q/mm V=1.00m/s V=1.60m/s 400 4200 4400 V=2.50m/s ? 5000 5200 5400 4 续表 1-2 电梯参数?类电梯的参数、尺寸 面积S/? 15 20 22 25 机V=0.63m/s 宽度R/mm 2500 3200 房 深度T/mm 3700 4900 5500 高度H/mm 2200 2400 2800 面积S/? 15 20 22 25 V=1.00m/s 宽度R/mm 2500 3200 深度T/mm 3700 4900 5500 高度H/mm 2200 2400 2800 V=1.60m/s 面积S/? 15 20 22 25 宽度R/mm 2500 3700 深度T/mm 3700 4900 5500 高度H/mm 2200 2400 2800 V=2.50m/s 面积S/? ? 18 20 22 25 宽度R/mm ? 2800 3200 深度T/mm ? 4900 5500 高度H/mm ? 2800 1.3电梯的保护装置 (1)电磁制动器:装于曳引机柱上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层时断电制动。 (2)强迫减速开关:分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站还未减速时，轿厢上撞块就启动此开关，通过电气传动装置，使电动机强迫减速。 (3)限位开关:当电梯轿厢开到顶或底,就会碰到此开关不能继续向前运行,只能反方向运行。 (4)行程极限保护开关:当限位开关不起作用时，轿厢经过端站时，此开关动作。 (5)急停按钮:装于轿厢司机控制操纵盘上，当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;仅当厅门关闭时电梯才动作，在运行中如厅门开关断开，电梯立即停车。 (7)关门安全开关:常见的是装在轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安 5 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。 (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)其他开关:安全窗开关、钢带轮的断带开关等。 (10)报警和救援装置:电梯发生人员被困在轿厢内时，通过报警或通信装置应能将情况及时通知管理人员并通过救援装置将人员安全救出轿厢。 6 2 PLC控制系统与变频器 2.1 PLC控制系统设计 一、PLC控制系统设计的基本原则如下: (1)选用的PLC必须满足被控对象的控制要求。 (2)在满足控制要求的前提下，保证PLC控制系统安全、可靠。 (3)PLC控制系统尽可能简单。 (4)具有高的性价比。 二、PLC控制系统设计步骤 图2-1是PLC控制系统设计步骤的流程图。详细步骤如下: (1)了解和分析被控对象的控制要求，确定输入、输出设备的类型和数量。 (2)根据输入、输出设备的类型和数量，确定 PLC的I/O点数，并选择相应点数的PLC机型。 (3)合理分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。 (4)根据控制要求绘制工作循环图或状态流程图。 (5)根据工作循环图或状态流程图编写梯形图、指令语句、汇编语言或计算机高级语言等形式的用户程序。 (6)用编程器将用户程序输入到PLC内部存储器中，进行程序调试。 (7)程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试;先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。 (8)调试过程结束，整理技术资料，投入使用。 7 分控对象、明确控制要求 选择PLC机型 硬件设计 软件设计 修改 修改 模拟调试 否 否 符合设计要 求, 现场联机调试 否 否 符合设计要 求, 是 投入运行 图2-1 PLC控制系统设计步骤流程 三、采用PLC控制系统控制具有的优点为:在电梯控制系统中采用PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，提高了可靠性。去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部接线简化。PLC可以实现复杂的系统控制，方便的增加或改变控制功能。PLC可进行故障的自检和报警显示，提高了系统的安全性。并便于检修。用于群控调配和管理，提高了电梯的运行效率。改变控制方案时不需要改动硬件接线。 2.2 变频器的分类 变频器的种类有很多，根据不同的分类方法将变频器分为: 按交换环节方法分:交-直-交变频器;交-交变频器。 按主电路工作方式分:电压型变频器;电流型变频器。 按电压的调制方式分:PAM变频器;PWM变频器。 按工作原理分:V/f控制变频器;转差频率控制变频器;矢量控制变频器;直接转矩控制变频器。 按用途分:通用变频器;高性能变频器;具有电源再生功能的变频器;风机、水泵用变频器;其他专业变频器。 8 2.3 变频器的选择 变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量对系统的可靠性有很大的影响，选择品牌时，质量品质，是选择时重要考虑的因素。在同一品牌中选择时，则依据已确定的调速方案、负载类型以及应用时所需的附加功能来确定。 2.3.1 选择变频器的规格以及满足条件 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。根据具体的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 情况，可以有以下的几种选择方式: (1)按照标称功率选择:一般做为初步投资估算依据。 (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)照转矩过载能力选择。 且选择的变频器应满足以下条件: (1)根据被控设备的负载特性选用通用变频器的类型。 (2)所选用通用变频器的类型与被控异步电动机的参数匹配。 (3)为降低电梯成本，选用通用变频器。 (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。 2.3.2 VS-616G5变频器 VS-616G5变频器属于电压型变频器，包括4种控制方式:V/F控制、带PG反馈的V/F控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量控制。VS-616G5只需简单的参数设置就可以用于广泛的应用领域。其主要参数设置如表2-1所示。 9 表2-1 VS-616G5变频器主要参数设置 10 表2-2示出了控制电路端子的功能说明。 变频器的输入信号包括对运行/停止、正转/反转、点动等运行状态进行操作的数字操作信号。变频器通常利用继电器触点或晶体管集电极开路形式得到这些运行信号PLC的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接，从而实现PLC对变频器的控制。 变频器的监测输出信号分为开关量检测信号和模拟量检测信号两种，用来和其他设备配合以组成控制系统。模拟量检测输出信号既可根据需要送给电流表或频率表，也可以送给PLC的模拟量输入模块。对于开关量检测信号，由于是通过继电器触点或晶体管集电极开路的形式输出，额定值均在24V/50mA之上，符合FX系列PLC对输入信号的要求，所以将变频器的开关量检测信号FX系列PLC的输入端直接相连接，从而实现信号的反馈控制。 表2-2 控制电路端子的功能说明 种类 端子符号 端子名称 功能说明 数字 1 正转停止 闭，正转;开，停止 多功 输入 能输 2 反转停止 闭，反转;开，停止 信号 入端 3 外部故障 闭，故障;开，正常 4 故障复位 闭时复位 5 主速/辅助切换 闭辅助频率指令 6 调速指令2 闭多段速设定2有效 7 点动指令 闭时点动运行 8 外部封锁指令 闭时变频器停止输出 11 顺序公共端子 数字 9 运行信号 运行时闭 多功 输出 能输 10 信号 出端 25 零速信号 零速值(b2-01)以下时闭 26 速度一致信号 在设定频率?2Hz以内闭 27 多功能输出公共端 18 故障输出 故障时18-20之间闭合 故障时19-20之间断开 19 20 0,10V/100,频率 模拟 21 频率表输出 输出 22 公共端 5V/变频器额定电流 信号 23 电流监视 11 2.3.3 VS-616G5变频器多级调速的PLC控制 利用PLC的开关量输入输出模块对变频器的多功能输入端进行控制,实现三相异步电动机的正反转、多速控制。这种控制方式满足其工艺要求，且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，成本低，并且不存在由于噪声和漂移带来的各种问题。 -2中多功能输入端子和多功能输出端子的功能为出场时所设定，用户也表2 可以根据需要利用变频器的数字操作器对这些端口重新进行功能设定。用数字操作器对参数H1-01,H1-06进行设定，最多可达9段速运行，设定情况如表2-3所示。 表2-3 多段速参数的设定 端子 对应参数 设定值 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 5 H1-03 3 多段速指令1 6 H1-04 4 多段速指令2 7 H1-05 5 多段速指令3 8 H1-06 6 点动频率选择 然后通过端子5、6、7、8和公共端子11之间的接通/断开的组合，可得9段速频率的选择。端子接通/断开的组合与被选择频率的对应关系如表2.4所示。表中1表示接通，0表示断开。其中，点动运转是一种与所设置的加减速时间无关的、单步的、以点动频率运转的驱动功能。变频器的5、6、7端子经过功能设定后再通过通断组合，可控制8档频率，连同端子8对应的点东频率，共可实现9段速的控制。每档相应额频率可以通过数字操作器对参数D1-01,D1-09的设置而定(范围0,400Hz)。如表2-4所示。 表2-4 多段频率的选择 5-11(段速1) 6-11(段速2) 7-11(段速3) 8-11(点动频) 被选择的频率 0 0 0 0 频率指令1D1-01主速频率数 1 0 0 0 频率指令2D1-02辅助频率数 0 1 0 0 频率指令3D1-03 1 1 0 0 频率指令4D1-04 0 0 1 0 频率指令5D1-05 1 0 1 0 频率指令6D1-06 0 1 1 0 频率指令7D1-07 1 1 1 0 频率指令8D1-08 1 点动频率D1-09 12 图2-2是利用FX系列PLC和VS-616G5变频器实现9段速的硬件接线图。由上述变频器端口的重新设定和通断可知，Y6、Y7、Y10和 Y11全为OFF时，电动机以频率指令1对应的频率运行(D1-01设定值);Y6为ON,而Y7、Y10和Y11全为OFF时，电动机以频率指令2对应的频率运行(D1-02设定值);依次类推，可 ,Y11的ON/OFF情况。变频器的数字量检测信知电动机以其他频率指令运行时Y6 号直接和PLC的输入端相连。 图2-2 多速段运行硬件接线图 13 2.4变频调速方案 一、控制 要点 综治信访维稳工作要点综治信访维稳工作要点2018综治平安建设工作要点新学期教学工作要点医院纪检监察工作要点 控制模式。为了保证在低速时能有足够大的转矩，最好采用带转速反馈的矢量控制方式。 起动方式。为满足吊钩从“床面”上升时，需要消除传动间隙，将钢丝绳拉紧的要求，应采用S型起动方式。 制动方式。采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。 点动制动。点动制动是用来调整被吊物体空间位置的，应能单独控制。点动频率不宜过高。 二、调速方案 变频器的选型。考虑到起升机构对运行的可靠性要求较高，应选用具有带速度反馈矢量控制功能的变频器。 调速机构。虽然变频器调速是无级的，可以用外接电位器来进行调速，希望调速时的基本操作方法能够和原拖动系统的操作方法相同。因此，采用左、右各若干挡转速的控制方式， 14 2.5变频器容量及制动电阻参数的计算 变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1，运行速度为V，自重为M1，载重为M2，配重为M3，重力加速度为G，变频器功率为P，在最大载重下，电梯上升的最大曳引功率为P2;则: P2=[(M1+M2+M3)G+F]×V 其中F=(M1+M2+M3)G+µ为摩擦力，µ可忽略不计。变频器的允许过载倍数为1.3,1.5。变频器功率P应接近电机功率P1，相对于P2留有安全浴量，可取P=1.5P2。 由于电梯为位能负载，在运行过程中会产生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。根据成本和使用效果方面考虑采用能耗制动方式，但制动电阻R值的大小应使通过制动电阻I1的值不超过变频器额定电流I的一半，即: I1=U/R?I 15 3硬件设计 电梯的硬件系统由操纵盘、门厅信号、PLC、变频器、调速系统构成，系统结构图如图3-1所示。 图中变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分由PLC完成。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，同时变频器也将自身的工作状态发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译码器及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。 3.1变频电梯电力传动系统 如图3-2所示为电梯驱动机构原理图，动力来自电动机，一般选11KW或15KW的异步电动机。曳引机的作用有三个:一是调速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重的大小而变化。计算公式如下: 配重的重量=(载重量/2+轿箱自重)×45% 式中的45%是平衡系数，一般要求平衡系数在45%,50%之间 16 这种驱动机构可使电梯的载重能力大为提高，在电梯空载上行或空载下行时，电动机额负载最大，处在驱动状态，这就要求电动机在四象限内运行。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准确停车性能。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，这是目前电梯大量采用变频器控制的主要原因。下面以目前正弦输入和正弦输出电压源变频驱动系统为例并结合图3-3说明VVVF变频电梯电力传动系统的工作原理。 图3-3 变频电梯电力传动系统 该系统的特点有:(1)使用交流感应电动机结构简单，制造容易，维护方便，适于高速运行。(2)电力传动效率高，节约电能。电梯属于一种位能负载，在运 17 行时具有动能，因此在制动时，将其回馈电网具有很大意义。(3)结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积大为减少。 3.2 电梯的主电路 图3-4是电梯的主电路图。图中M1为YTD系列电梯专用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与低速运行;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的电抗与电阻，与KM5~KM8配合实现电动机的加减速控制。当KM1或KM2与KM3通电吸合时，电梯将上行或下行启动，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;当电梯解说到停层指令后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电动机转为低速接法，串入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM5~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，接触器全部断电释放，电梯抱闸抱死，电梯停止运行。在检修状态时，电梯只能在低速接法下点动运行。 图3-4 电梯主电路图 18 3.3 机型选择及I/O分配 由于市面上三菱产品型号较多，种类齐全，技术先进，所以我选择较前沿的产品三菱FX2N系列产品。首先列出被控制对象输入输出的设备名称，并根据所需要的输入输出点数进行统计，根据统计的数据，增加10%,20%的可扩展余量后就得到了输入输出点数的估计数据。 3.3.1输入的模块选择 PLC输入模块的功能主要是检测来自现场设备的输入信号，并将其转换成PLC内部可处理的电平信号。输入信号及地址分配如表3-1所示。 1、输入信号的类型选择 常用的开关量输入模块按信号类型分为三种:直流输入、交流输入和交流/直流输入。选择时一般根据现场输入信号及周围环境来考虑。 交流输入模块触点接触可靠，适合于有油污、粉尘的恶劣环境下使用;直流输入模块的延迟时间较短，可以直接接近开关、光电开关等电子设备连接。 2、输入信号电压等级选择 直流中有分为5V、12V、24V、60V、和68V，交流又分为115V和220V两种。 对于传输距离比较近的，可以选用低电平，如5V、12V和24V。 一般24V以下属于低电平，用于传输距离较近的场合。如5V模块最远不超过10m 3、输入接线方式的选择。 PLC的I/O模块外部接线方式分为隔离式、分组式和汇点式。 汇点式模块的所用点共用一个公共端(COM);分组式模块是将I/O点分成若干组，每一组共用一个公共端，各组之间是隔离的;分隔式的每一点一个公共端，各点之间相互隔离，每一个点可使用不同的电源。隔离式每点平均价格较高，如果信号之间不需要隔离，应选用前两种。 19 表3-1 输入信号及地址分配 名称 符号 输入点 开门按钮 SB1 X003 关门按钮 SB2 X004 门锁开关 KA1 X000 自动开关 SA1-1 X001 检修开关 SA1-2 X002 基站开关 SQ5 X007 一楼感应器 1KR X021 二楼感应器 2KR X022 三楼感应器 3KR X023 安全运行开关 KA2 RUN 开门到位开关 SQ6 X010 关门到位开关 SQ7 X011 上行限位开关 SQ17 X012 下行限位开关 SQ18 X013 上平层感应器 6KR X036 下平层感应器 7KR X037 上行起动按钮 SB3 X005 下行起动按钮 SB4 X006 一楼轿内选层钮 SB5 X014 二楼轿内选层钮 SB6 X015 三楼轿内选层钮 SB7 X016 一楼上行外呼钮 1SB1 X026 二楼上行外呼钮 2SB1 X027 二楼下行外呼钮 2SB2 X030 三楼下行外呼钮 3SB2 X032 20 3.3.2 输出的模块选择 PLC输出模块的功能主要是将内部的输出电平，在输出前转换可匹配外部负载设备的控制信号。输出信号及地址分配如表3-2所示。 1、输出方式选择 输出模块有三种输出方式:继电器输出型、晶闸管输出型和晶体管输出型。 晶闸管输出模块比较适合于开关频率高、电感性和低功率因数的负载设备，其缺点是价格高，过载能力较差。 晶体管输出型只能用于直流负载，它和晶闸管属于无触点元件，可靠性高、响应速度快、寿命长，适用于通断频繁的负载，但过载能力稍差。 而继电器输出模块的优点是使用电压范围宽，导通压降损失少，并且价格较低，但使用寿命不长，而且响应速度较慢。 2、输出接线方式的选择。 与输入接线方式的选择相同。 3、输出电流的选择 输出模块同时接通电数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的输出电流大小要大于负载电流的额定值。 21 表3-2 输出信号及地址分配 名称 符号 输出点 上行接触器 KM1 Y000 下行接触器 KM2 Y001 高速接触器 KM3 Y002 低速接触器 KM4 Y003 加速接触器 KM5 Y004 制动接触器 KM6-KM8 Y005-Y007 开门接触器 KM9 Y010 关门接触器 KM10 Y011 上行指示灯 HL6 Y021 下行指示灯 HL7 Y022 一层指示灯 1HL Y014 二层指示灯 2HL Y015 三层指示灯 3HL Y016 一层内选记忆灯 HL1 Y023 二层内选记忆灯 HL2 Y024 三层内选记忆灯 HL3 Y025 一楼向上召唤灯 HL8 Y030 二楼向上召唤灯 HL9 Y031 二楼向下召唤灯 HL10 Y032 三楼向下召唤灯 HL12 Y034 由上面可知三层电梯有25个输入信号，22个输出信号，考虑到留有余量， 选择FX2N—64MR—D(32点输入，32点输出)的PLC。 3.4 电梯外部接线图 见附录 22 4 软件设计 电梯控制程序的设计需按照4-1所示的程序流程图来编辑。 图4-1 程序流程图 设计梯形图一般要遵循以下规则: (1)I/O点和内部各软继电器等的常开和常闭触点可多次重复使用。 (2)软继电器的线圈不能直接与左母线相连，应有过渡点。 (3)软继电器的右端不能再有接点。 (4)在同一套梯形图中，相同代号的线圈不能重复出现(SET、RST除外)。 (5)PLC的输入输出点可当软继电器来用。 根据三层电梯控制的功能要求以及输入/输出点的地址分配表，来设计PLC控 的梯形图。为方便起见，把程序分成以下几段来讨论。 23 4.1开门环节梯形图 电梯的开门存在以下几种情况:梯形图如图4-2所示。 1、电梯投入运行前的开门。此时电梯位于基站，将开关梯钥匙插入SA2内，旋转至开梯位置，则电梯自动开门，乘客或司机进入轿厢，选层后电梯自动运行。 2、电梯检修时的开门。在检修状态下，开关门均为手动状态，由开关门按钮SB1、SB2实施开门与关门 3、电梯自动运行停层时的开门。电梯在停层时，到平层位置，M140接通，电梯应开始关门。 4、电梯关门过程中的重新开门。电梯关门的过程中，若有人或物夹在两门的中间，需重新开门，本设计通过开门按钮实施重新开门 5、呼梯开门。电梯到达某层后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层待命，若有人在该层呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。 24 图4-2开门环节梯形图 4.2关门环节梯形图 电梯关门存在以下几种情况:梯形图如图4-3所示。 1.电梯停用后的关门。此时电梯到达基站，司机或乘客离开轿厢，电梯自动关门，司机将开关梯钥匙插入SA2，旋转到关梯位置，电梯的安全回路被切断，PLC 停止运行，电梯被关闭。 2.电梯自动运行时的关门。停站时间继电器T50延时结束时，电梯应自动关门。 25 3.电梯检修状态时的关门。 图4-3 关门环节梯形图 4.3层楼信号产生与消除环节梯形图 当电梯位于某一层时，指层感应器1KR~3KR产生该楼层的信号，以控制指层灯的状态，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号所代替。其梯形图如图4-4所示，图中当层的层楼辅助继电器是用上层或下层的层楼信号关断的。 图4-4 层楼信号产生与消除环节梯形图 4.4停层信号登记与消除环节梯形图 乘客或司机通过对轿厢内操纵盘上选层按钮的操作，可以选择欲去的楼层。选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯亮，当电梯到达所选的楼层后，停层信号即被消除，指示灯也应熄灭。其梯形图4-5所示，图中各内选层辅助继电器梯形图支路中串入了层楼辅助继电器的动断触点。 26 图4-5 停层信号登记与消除环节梯形图 4.5外呼信号登记与消除环节梯形图 乘客或司机在厅门外呼梯是，呼梯信号应被接收和记忆。当电梯到达该楼层，且定向方向与目的方向一致时，呼梯要求已满足，呼梯信号应被消除。故其梯形图如图4-6所示。图4-6中，按下外呼按钮时，相对应的外呼辅助继电器接通，外呼按钮下的时候，表示呼梯要求已被电梯接受并记忆，而该信号的消除环节由当层层信号的动断触点与都匀行方向信号的动断并联构成的(M03为上行辅助继电器，M104为下行辅助继电器)。这样安排是前边提到过的电梯运行中只应同向呼梯的原则决定的。即电梯将停止，呼梯要求已满足呼梯信号被取消。电梯运行方向与呼梯目的地方向相反时，如电梯从一楼向上运行(上行)，而呼梯要求从二楼向下，若由区三楼以上的内选层要求及外呼梯要求，电梯到达二楼时(无二楼上行要求，电梯到达二楼时)不停梯，呼梯要求没有满足，呼梯不能消除;待乘客进入轿厢，选层(去一楼)，电梯定向下，则二楼下呼梯信号满足，呼梯信号被消除。 27 图4-6 外呼信号登记与消除环节梯形图 4.6定向环节梯形图 在自动运行状态下，电梯首先应确定运行方向，也即定此阿向。电梯的定向只有两种情况，即杀过农行和下行。电梯处于待命状态，接受到内选和为呼信号时，应将电梯所处的位置与内选和外呼信号进行比较，定是上行和下行。一旦电定向后，内选和外呼对电梯进行顺向运行的要求，没有满足的情况下，定向信号不能消除。检修状态下运行方向直接由上行下行气动按钮确定，不需定向，故其梯形图如图4-7所示。途中M103及M104分别为定上行及向行辅助继电器，它们线圈的工作条件出顶块由内呼信号和电梯位置信号著称，前文中所说的“比较”是通过电梯位置信号对呼梯信号的“屏蔽”实现的，比如当电梯上行且位于2层 28 时，M111的动断触点断开，1层的内呼外呼都不再能影响上行状态。 图4-7定向环节梯形图 29 4.7起动加速和稳定运行环节梯形图 其梯形图如图4-8所示。 图4-8 起动加速和稳定运行环节梯形图 4.8停层信号梯形图 电梯在停车制动前,应首先确定其停层信号,即确定要停靠的楼层,应根据电梯的运行方向与外呼信号的位置和轿内选层信号比较后得出。其梯形图如图4-9所示。图中，各层的停车触发信号在下行下呼，上行上呼及内选层信号存在时产生，这些都是符合前边所谈到的停车原则的。当存在触发信号电梯又运行到当层时产生停车信号。停车信号M105梯形图支路中M103、M104动断触点的作用是为了解决呼梯方向与电梯运行方向相反时的停车问题(如二楼向下的外呼信号，使电梯从一楼向上运行时，M151不会触发，至二楼位置，靠M103、M104的动断触点使M105接通)而设置的。而停车信号的消除是停车时间到，T50为停车时间定时器。 30 图4-9停层信号梯形图 4.9制动过程环节梯形图 为解决电梯进入平层区间后才出现停车信号致使电梯过急停车的问题，采用微分指令将X36及X37变成短信号。其梯形图如图4-10所示。 31 4-10 制动过程梯形图 32 5 故障报警及消防运行 5.1电梯的报警的原因及处理方法 5.1.1曳引电动机绕阻碰壳接地短路 现象:电流剧增，电源总开关保险丝熔断或自动跳扣，控制线路断电;电机温度急剧上升，大大高于铭牌额定值;绕组对电机外壳的绝缘电阻为零(若电机为单绕组YY/Y接法时，电机6个出线端子对机壳电阻均为零，双绕组Y/Y接法时，电机三个出线端子对机壳电阻为零);碰壳部位在电机绕组的下端位置。 原因:1、绕组本身有创伤，如嵌线、打槽楔时导线绝缘有机械损伤隐患;使用日久绝缘强度降低，造成局部电击穿。2、电机润滑油室漏油，浸渍绕组，油中的水份和灰尘将降低绕组绝缘等级，天长日久会因漏电造成发热，最后导致击穿。3、电梯频繁起制动(起动电流一般为额定电流的3,4倍)，电机长期处于高温运行状态，绝缘过早老化而被击穿。 预防及处理方法:1、电机使用前用500V绝缘摇表测绝缘电阻，要求在0.5MΩ以上。2、保养时，保持绕组尤其是下端部的清洁，经常用皮老虎吹去灰尘和杂物。3、避免油室漏油，确保绕组不被油污浸渍，必要时可在电机端盖下部最低处钻一个Φ10,16mm的通孔，避免端盖存油浸渍绕组。4、降低电机的运行负载持续率(JC)，使电机温升不超过允许值，必要时安装电机的热敏元件实现温度自动控制。5、装冷却风扇。6、若电机绕组确已碰壳则只能重绕绕组。 5.1.2曳引电动机拍轴 现象:电动机运转时抖动，电机轴与铜套之间发出声响。严重者轴头冒烟。 产生的原因: 1、润滑油室缺油，电机轴颈得不到润滑。 2、甩油环失灵带不上油。 3、轴颈和铜套磨损使间隙过大，不能形成油隙，产生干摩擦。 4、电机和减速机的不同轴度超差。 5、润滑油脂不好，牌号不对或太脏，轴颈得不到良好的润滑。 处理方法: 1、注意油室的油量，油位应在油标标准线位置。 2、检查电机甩油环转动是否正常。 3、定期清洗油室(一般每季一次)，油应清洁，牌号应符合要求(一般为30 33 号机油)。 4、校正电机与减速箱的不同轴度。 5.2电梯的消防运行 消防运行是电梯的一个重要的辅助性功能。在电梯投入使用后，这种功能必须始终保持正常，且电梯检验部门每年应验证其是否“灵活可靠”。然而近几年来在很多地区却发生了多起误入消防状态干扰电梯正常运行的问题。 34 6 结论 电梯采用PLC变频调速系统提高了系统运行的平稳性、工作的可靠性，操作与维护也很方便，接线简单、编程直观、扩展容易、安全性高、可调节电梯运行速度、舒适感好等特点，同时节约了大量电能。由于系统选用了通过PLC控制变频器来调节电机的速度，而电机的正转、反转，变频调速是通过软件来实现的;具有良好的速度稳定性和安全可靠性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。实验证明设计的程序合理可行。 35 致 谢 本文的研究工作通过上网广泛搜集资料和在图书馆查阅书籍，根据设计的要求记录相关的资料、数据信息。并在我的指导老师许老师的精心指导下完成的。在我的设计过程中老师您在百忙之中抽出时间为我查漏补缺。在我的学业和论文的设计工作中倾注着老师辛勤的劳动成果。在此我要向我的指导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助。在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意～请接受我诚挚的谢意! 衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师。在这里由衷的对你们说一句:你们辛苦了。谢谢你们～ 36 参考文献 [1] 范永胜、王岷著，《电气控制与PLC应用》，195-200页，中国电力出版社，2004 [2] 吴丽著，《电气控制与PLC实用教程》，255-258页，黄河水利出版社，2005 [3] 李良仁著，《变频调速技术与应用》，115-117页，电子工业出版社，2004 [4] 孙传森、钱平著，《变频器技术》，43-75页，高等教育出版社，2005 [5] 李惠晟著，《电梯控制技术》，44-47页，机械工业出版社，2006 [7] 丁斗章著，《变频调速技术与系统应用》，187-196页，机械工业出版社，2005 [8] 叶安丽著，《电梯技术基础》，11-28页，中国电力出版社，2004 [9] 张燕宾著，《变频调速应用实践》10-22页，机械工业出版社，2000 37 附录:电梯外部界接线图 KA2 RUN Y000 KM1 KAI X000 Y001 KM2 SA1-1 X001 Y002 KM3 SA1-2 X002 Y003 KM4 SB1 X003 Y004 KM5 SB2 X004 Y005 KM6 SB3 X005 Y006 KM7 SB4 X006 Y007 KM8 SQ5 X007 Y010 KM9 SQ6 X010 Y011 KM10 SQ7 X011 Y014 1HL SQ17 X012 Y015 2HL FXSQ18 X013 Y016 3HL 2N--64MR SB5 X014 Y021 6HL SB6 X015 Y022 7HL SB7 X016 Y023 HL1 1KR X021 Y024 HL2 2KR X022 Y025 HL3 3KR X023 Y030 HL8 1SB1 X026 Y031 HL9 2SB1 X027 Y032 HL10 2SB2 X030 Y034 HL12 3SB2 X032 COM 6KR X036 7KR X037 N COM L 38