變頻器結(jié)合PLC多層電梯控制設(shè)計論文

1前言

1.1選題背景與意義

我們祖先抽水用的水井轱轆是一種最早的人力卷揚機。

1835年，升降機的動力由人力等其他形式的動力轉(zhuǎn)換為蒸汽為動力。

1853年，升降系統(tǒng)的安全保護裝置首先由美國人奧蒂斯研發(fā)出。

1858年，人們研發(fā)出帶有安全裝置的升降系統(tǒng)，這種升降系統(tǒng)可以載人，而且這種升降系統(tǒng)首先是以蒸汽為動力。

1903年，曳引式電梯產(chǎn)生，由于曳引式電梯具有種種優(yōu)點，所以一直沿用至今。

1928年，集選控制電梯產(chǎn)生。

1949年，群控電梯產(chǎn)生。

1955年，開發(fā)出了由工業(yè)微型計算機控制的電梯系統(tǒng)。

回顧電梯的發(fā)展歷史，新技術(shù)、新理論總是不斷的在推動著電梯向前發(fā)展。之前的幾十年間，促使電梯不斷發(fā)展的是人們在乘坐電梯時的安全問題。然而在資源匱乏的今天，在考慮到電梯的安全、便捷的前提下，節(jié)能是電梯發(fā)展的重要方向。

從我們學(xué)校的圖書館來看，每天有近千次的學(xué)生來圖書館看書、上自習(xí)，然而，只有一臺電梯在工作，人流高峰期時僅靠一臺電梯根本運轉(zhuǎn)不過來，從而使得我們的圖書館的功能無法發(fā)揮極致。而我們學(xué)校的理工實驗大樓，雖然也是只有一臺電梯在運作，但是理工實驗的學(xué)生流量依靠一臺電梯完全可以有效的疏解。

1.2電梯的分類和組成

電梯的構(gòu)成：

(1)曳引系統(tǒng)

(2)導(dǎo)向系統(tǒng)

(3)轎廂和對重系統(tǒng)

(4)門系統(tǒng)

(5)安全保護系統(tǒng)

(6)電氣控制系統(tǒng)

電梯的基本組成如圖1.1所示。

1.3電梯的發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1國外電梯發(fā)展情況

世界知名的生產(chǎn)電梯的公司主要有美國的奧蒂斯公司、日本三菱公司、日立公司和芬蘭科恩等公司[1]。這些比較大的電梯制造廠商由于核心技術(shù)過硬，從電梯開始發(fā)展就引領(lǐng)者電梯的發(fā)展潮流，而且產(chǎn)品性能優(yōu)良所以這些大公司的主導(dǎo)著超過半數(shù)的全球電梯市場。

1.3.2國內(nèi)電梯發(fā)展情況

在建國之后，電梯產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國內(nèi)電梯總的保有量有較大提升，但也主要作為外國的代工廠。近年來，我國的電梯產(chǎn)業(yè)得到飛速的提升，發(fā)展了自己的品牌，其中較為優(yōu)秀的有上海華蒂、上海三菱、上海永達。

1.4電梯新技術(shù)

現(xiàn)階段，國際上開發(fā)出的較為先進的電梯控制技術(shù)有以下幾個方面：

(1)全數(shù)字識別乘客技術(shù)；

(2)數(shù)字智能型安全控制技術(shù)；

(3)第四代無機房電梯技術(shù)；

(4)雙向安全保護技術(shù)；

(5)快速安裝技術(shù)；

(6)節(jié)能技術(shù)；

(7)數(shù)字監(jiān)控技術(shù)；

(8)無線遠程控制及報警技術(shù)。

1.5論文的主要內(nèi)容

本設(shè)計主要對八層電梯系統(tǒng)進行了討論和研究。特別適合于一般的大型商場。論文所進行的主要內(nèi)容有以下幾個方面：

(1)查閱了電梯的發(fā)展歷史，了解到對電梯發(fā)展起至關(guān)重要的幾個階段，新技術(shù)的產(chǎn)生對于電梯的發(fā)展起著至關(guān)重要的角色。

(2)對變頻器和PLC進行了詳細的介紹，確定使用變頻器結(jié)合PLC對電梯拖動系統(tǒng)進行控制。并對比不同控制方法的優(yōu)劣，以及確定使用西門子S-200PLC作為本設(shè)計的控制核心，采用安川616G5變頻器對電機進行控制。并在此基礎(chǔ)上對變頻器和PLC進行了選型計算。

(3)對電梯的硬件系統(tǒng)進行了詳細的介紹，明確了本設(shè)計所要達到的目標，進而對于變頻器的參數(shù)進行了設(shè)置，對于PLC的點數(shù)進行了分配，介紹了電梯運行的速度曲線。

(4)對于電梯的控制程序進行了設(shè)計。

2變頻器和PLC系統(tǒng)的概述

2.1變頻器結(jié)合PLC對電梯控制的優(yōu)點

變頻器結(jié)合PLC對電梯控制有以下優(yōu)點：

(1)變頻器結(jié)合PLC可以實現(xiàn)用程序?qū)﹄娞葸M行控制，可使電梯更加可靠。

(2)由于不是使用繼電器對電梯進行控制，可以省去很多復(fù)雜的接線。

(3)控制程序的修改是比較容易的，所以對電梯控制系統(tǒng)的修改也是比較容易的。

(4)PLC功能強，所以易于實現(xiàn)電梯的檢修。

(5)由于PLC和變頻器的工作效率高，所以電梯的控制效率比較高。

(6)很容易改變控制方式。

(8)變頻器可以使得電梯按照既定的速度曲線運行。

(9)變頻器的使用可以明顯改變輸入功率因數(shù)，可以實現(xiàn)節(jié)能的效果。

2.2 PLC的概述

現(xiàn)代社會對產(chǎn)品的需求不像以前那種大批量的單一品種和規(guī)格，更加注重產(chǎn)品的靈活性，定制性等特點。這就要求我們的生產(chǎn)線能夠快速的做出調(diào)整，可編程控制器(PLC)就是為了滿足這種需求才被開發(fā)出來的，PLC產(chǎn)生后就迅速作為通用工業(yè)控制裝置被廣泛用于工業(yè)控制現(xiàn)場。

2.2.1 PLC的發(fā)展歷史

1960年在美國通用汽車公司的鼓動下，新型工業(yè)控制器PLC產(chǎn)生了。由于其體積小、編程簡單、可以在比較差的環(huán)境下正常工作，所以被很多廠商競相使用。1971年，美國的這項技術(shù)傳入日本，在其基礎(chǔ)上日本開始研發(fā)自己的可編程控制器。1974年，我國開始研發(fā)屬于自己的PLC，并于1977年逐漸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。

2.2.2 PLC的發(fā)展階段

PLC由于被創(chuàng)造出來比較晚，但是微處理器并沒有限制它的發(fā)展，反而微處理器的飛速發(fā)展帶動了PLC的飛速發(fā)展。

第一階段(20世紀60年代—20世紀70年代中期)：此時PLC是繼電器控制系統(tǒng)的替代品[1]。

第二階段(20世紀70年代—20世紀80年代)：隨著微處理器的大力發(fā)展，PLC開始采用微處理器作為CPU，大大的提高了PLC的功能[1]。

第三階段(20世紀80年代后期—至今)：隨著微處理器的不斷升級，PLC的功能不斷的得到強化，速度不斷的得到提升。

2.2.3 PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC的結(jié)構(gòu)組成如圖2.1所示。

2.2.4 PLC的工作原理

它的工作原理如圖2.2所示。

2.2.5本設(shè)計對PLC的選型

本設(shè)計的控制對象的八層客梯，每個電梯的硬件完全相同，但在設(shè)計控制系統(tǒng)時要考慮一下幾點：

(1)對輸入/輸出點的選擇

本設(shè)計的控制對象為八層客梯，為一層到八層，所以轎廂內(nèi)的樓層內(nèi)呼按鈕為8個，根據(jù)實際，一層只具有上行的功能，八層只具有下行的功能，所以外呼上行和下行按鈕都為7個。除此之外，開關(guān)門按鈕、電梯層定位傳感器、限位開關(guān)等都要考慮在內(nèi)。

(2)對存儲容量的選擇

對于存儲容量的確定的一般原則是沒必要過大，夠用就好，但要留有一定的裕量。

(3)對I/O響應(yīng)時間的選擇

PLC的I/O響應(yīng)時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲等[8]。

西門子公司的S7-200PLC系列產(chǎn)品有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。

綜上所述，主機采用具有24入/16出的CPU226，擴展模塊選擇具有16入/16出的EM223。這樣它們的總的輸入/輸出為40入/ 32出。在留有余量的情況下符合了設(shè)計要求。因為要求輸出能夠帶動較大的負載所以采用繼電器輸出。PLC通過RS-484接口和電腦鏈接，依靠STEP7-Micro/WIN軟件進行編程、調(diào)試而后下載到PLC內(nèi)存。

西門子PLC的主機的功能可以擴展。CPU226主機最多有7個擴展模塊。

擴展模塊有數(shù)字量模塊、模擬量模塊、智能模塊三類[9]。智能模塊用來完成一些普通模塊達不到要求的功能，如空間測距功能、濕度檢測功能。

數(shù)字量擴展模塊可參考表2.2。

模擬量擴展模塊可參考表2.3。

2.3 STEP7-Micro/WIN編程軟件概述

STEP7-Micro/WIN編程軟件是西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計和開發(fā)的程序編輯軟件。它功能強大、易學(xué)易用，可以方便的用來開發(fā)用戶程序。

2.3.1 STEP7-Micro/WIN軟件的窗口組件

STEP7-Micro/WIN的窗口組件如圖2.3所示。

2.4變頻器概述

2.4.1變頻器簡介

通過輸入頻率的變換，可以使得交流電機的速度調(diào)節(jié)變得非常容易，所以變頻器的產(chǎn)生有非常重要影響�，F(xiàn)代社會中交-直-交變頻器的應(yīng)用最為廣泛，其工作框圖如圖2.4所示。

2.4.2變頻器的分類

變頻器分類：

(1)按變換頻率的方法分：

交—直—交變頻器

交—交變頻器

(2)按主電路分：

電壓變頻器

電流變頻器

(3)按變頻器調(diào)壓方法分：

PAM變頻器

PWM變頻器

(4)按工作原理分：

U/F控制變頻器

轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器

矢量控制通用變頻器

直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器

(5)按照用途分：

通用變頻器

高性能專用變頻器

高頻變頻器

2.4.3變頻器的調(diào)速原理

                                                                                                     (2-1)

式中n0——同步轉(zhuǎn)速；

              f——電源頻率，單位為HZ；

              p——電動機極對數(shù)；

              s——電動機轉(zhuǎn)差率。

由公式可知，改變電源的頻率、電動機極對數(shù)或電動機轉(zhuǎn)差率即可實現(xiàn)調(diào)速[1]。

設(shè)計中應(yīng)該保持磁通不變，因為磁通變大變小都會對電機的運行帶來不利的影響。即：

                                                                                                  (2-2)

式中E1——電動機定子每相電動勢；

f1——電動機定子頻率；

N1——定子每相繞組有效匝數(shù)；

Φm——每極磁通量。

公式可知，要使Φm保持基本不變，必須保持E1和f1的比例不變或者微小變化[1]。

2.4.4變頻器的主要功能

(1)頻率給定功能；

(2)加減速時間設(shè)置功能；

(3)加減速模式選擇功能；

(4)節(jié)能功能；

(5)保護功能。

變頻器產(chǎn)品說明書都提高標稱功率數(shù)據(jù)，但實際上限制變頻器使用功率的是定子電流參數(shù)[4]。

選擇方式：

(1)按標稱功率；

(2)按電動機額定電流；

(3)按電動機實際流通電流；

(4)按轉(zhuǎn)矩過載能力。

綜上所述，以錯誤的方式選擇變頻器將會對系統(tǒng)造成很大的影響�；�本上所選的變頻器的標稱功率和電動機的功率是符合的，只有在比較極端的情況下是需要大一點的。所以，不能簡單的依據(jù)高一級的功率來選擇變頻器，那樣會造成浪費的。

變頻器應(yīng)滿足的條件：

(1)根據(jù)負載特性選型；

(2)所選類型與符合電機參數(shù)；

(3)首選通用變頻器；

(4)能使電梯平穩(wěn)起停；

(5)有防失速功能；

(6)轉(zhuǎn)矩特性好。

(7)理想速度曲線運行

(8)節(jié)能

綜上所述，這個設(shè)計中的變頻器采用VS-616G5通用變頻器。

這種變頻器具有如下特點：

(1)具有標準的四種控制方式。

(2)選擇功能豐富。

(3)功能全、體積小。

(4)便于維修。

(5)采用LCD操作裝置，具有較高的操作性能。

常用參數(shù)如表2.4所示。

變頻器參數(shù)設(shè)計原則：

(1)減小啟動沖擊及增加調(diào)速的舒適感，其速度環(huán)比例系數(shù)宜小些，而積分時間常數(shù)宜大些[3]；

(2)高速運行時頻率應(yīng)為50 HZ，低速運行時頻率小于50 HZ；

(3)零速一般設(shè)計為0HZ，速抱閘功能將影響舒適感[3]。

變頻器容量計算

設(shè)電梯曳引電機功率為Py。

電梯運行平均速度為V。

電梯自身重量為G1。

轎廂內(nèi)乘客總重為G2。

電梯所帶配重為G3。

重力加速度為g。

變頻器功率為P。

電梯爬升所需功率為Pon：

                                                                                                  (2-3)

其中 為摩擦力，δ可忽略不計。

變頻器功率P應(yīng)接近電機功率Py，既是Pon留有安全余量[4]。

可取。

所以：

有所以：

根據(jù)計算結(jié)果選1.5倍余量，參考變頻器功率等級，所得變頻器功率為15。

變頻器制動電阻參數(shù)的計算

考慮到成本因素本設(shè)計采用能耗制動方式。

能耗制動電阻RZ與制動電流IZ的關(guān)系為：

                                                                                                                (2-4)

式中UD  ——直流母線電壓；

RZ   ——制動電阻；

IZ   ——制動電流。

(1)轎廂升降拖動系統(tǒng)

轎廂拖動系統(tǒng)如圖3.1所示。

(2)電梯的呼叫系統(tǒng)和指示系統(tǒng)

內(nèi)選和外呼組成了電梯的呼叫系統(tǒng)。

(3)電梯安全保護系統(tǒng)

為保證電梯的安全運行，保障乘客的人身安全和貨物的安全，電梯系統(tǒng)中設(shè)有各種安全裝置[1]。

(1)電梯應(yīng)該具有能夠自動工作的能力，而且當電梯檢修時應(yīng)該具有強制工作的工作模式；

(2)電梯應(yīng)該能夠按照設(shè)定的速度曲線運行；

(3)當電梯上行時優(yōu)先執(zhí)行比當前層高的內(nèi)選信號，下行同理；

(4)內(nèi)選按鈕或外呼按鈕時應(yīng)該有對應(yīng)的指示燈發(fā)光；

(5)電梯的開始運行、運行結(jié)束和到達目的層均應(yīng)該有語音播報；

(6)當有障礙物在門間的感應(yīng)區(qū)時執(zhí)行開門指令；

(7)當轎廂所載乘客重量大于預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)執(zhí)行開門指令，并發(fā)出警示音提醒；

(8)當轎廂行駛與層門、轎廂門的打開形成互鎖；

(9)安全保護裝置應(yīng)該充分應(yīng)用到電梯的各個系統(tǒng)中。

如圖3.2所示。

輸入地址如表3.1所示。

數(shù)字量輸入點：

(1)各樓層外呼狀態(tài)指示燈

(2)各樓層內(nèi)選按鈕

(3)各樓層平層光電傳感器()

(4)開門到位

(5)關(guān)門到位

(6)檢修按鈕

(7)電機轉(zhuǎn)動COM

(8)24V電源

(9)各樓層平層信號SM

輸出地址如表3.2所示。

數(shù)字量輸出點：

(1)數(shù)碼管各段顯示

(2)數(shù)碼管上/下箭頭控制顯示

(3)各樓層內(nèi)呼記憶

(4)開/關(guān)門控制

(5)電機正/反轉(zhuǎn)控制

(6)電機啟動/停止控制

(7)24V+電源

(8)各樓層外呼燈控制

本設(shè)計中電梯的運行速度曲線可采用下面兩種方法：

(1)線性加速方式

圖3.3給出了f與t。0~t1電梯加速，t2~t3 電梯減速。線性速度曲線可以在很大的程度上滿足乘客乘坐電梯的舒適性，而且滿足平層要求。

(2) S形加速方式

如圖3.4所示。當電梯以S形曲線運行是會給乘客帶來更高的舒適度。

表3.3為616G5變頻器參數(shù)設(shè)置參考說明。

安川616G5變頻器電氣原理圖如圖3.5所示。

電梯系統(tǒng)是以PLC控制系統(tǒng)為核心的，圖3.6示出了PLC控制的系統(tǒng)示意圖。

PLC電氣原理圖如圖3.7所示。

S7-200常用的指令表達方式有三種：梯形圖、指令表、功能圖[1]。

(1)位表示格式：標識符I 地址，例如I124.7。

(2)字節(jié)表示格式：標識符B  地址，例如IB10。

(3)字表示格式：標識符W  地址，例如MW2。

(4)雙字表示格式：標識符D  地址，例如SMD4。

(1)基本邏輯“與”、“或”、“非”運算；

(2)置位、復(fù)位指令；

(3)定時器指令；

(4)計數(shù)器指令；

(5)比較操作指令。

(1)自檢：電梯的自檢既是電梯在運行之前的自我檢測，通過此種方式來確定電梯是否能夠正常運行。

(2)自動工作：當有高于轎廂所在層的內(nèi)選信號或者外呼信號時，控制系統(tǒng)來確定轎廂的運行方向，而后拖動系統(tǒng)按照變頻器輸出的S形曲線運行，到達目標層后，減速停止，并抱閘。延時一段時間執(zhí)行關(guān)門指令。而后響應(yīng)下一個內(nèi)選或外呼信號。

(3)強制工作：強制工作模式的建立是為了應(yīng)對電梯出現(xiàn)故障時的電梯檢修。在這種工作狀態(tài)下，不接受其他的內(nèi)選和外呼信號，并且，在工程師的操縱下電梯應(yīng)該可以運行到導(dǎo)軌上下極限的任意位置。

電梯工作流程圖如圖4.2所示。

此自動開關(guān)門程序由模擬電位器實現(xiàn)。其梯形圖如圖4.3所示。

(1)內(nèi)選指示燈

轎廂內(nèi)控制面板上裝有每層電梯的控制按鈕。按下按鈕，指示燈亮。其參考程序如圖4.4梯形圖所示。

(2)外呼指示燈

它的參考程序如圖4.5梯形圖所示。

本設(shè)計用七段數(shù)碼管來顯示電梯的實時位置。隨著轎廂位置的改變而不斷的變化。其程序流程圖如圖4.6所示。

轎廂自動開關(guān)門的程序流程如圖4.7所示。

如圖4.8所示電梯上下行程序流程圖。

圖4.9所示平層控制程序流程圖。

如圖4.10示出了電梯的總體運行效果圖。

本設(shè)計主要對八層電梯系統(tǒng)進行了討論和研究。本設(shè)計方案具有性能穩(wěn)定、產(chǎn)品成型時間短、以及乘坐舒適、安全等特點。特別適合于一般的大型商場。論文所進行的主要內(nèi)容有以下幾個方面：

(1)查閱了電梯的發(fā)展歷史，了解到對電梯發(fā)展起至關(guān)重要的幾個階段，新技術(shù)的產(chǎn)生對于電梯的發(fā)展起著至關(guān)重要的角色。

(2)對變頻器和PLC進行了詳細的介紹，確定使用變頻器結(jié)合PLC對電梯拖動系統(tǒng)進行控制。并對比不同控制方法的優(yōu)劣，以及確定使用西門子S-200PLC作為本設(shè)計的控制核心，采用安川616G5變頻器對電機進行控制。并在此基礎(chǔ)上對變頻器和PLC進行了選型計算。

(3)對電梯的硬件系統(tǒng)進行了詳細的介紹，明確了本設(shè)計所要達到的目標，進而對于變頻器的參數(shù)進行了設(shè)置，對于PLC的點數(shù)進行了分配，介紹了電梯運行的速度曲線。

(4)對于電梯的控制程序進行了設(shè)計。

電梯系統(tǒng)的組成涵蓋了多種技術(shù)、多種學(xué)科。相對于其他系統(tǒng)而言電梯控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，非常綜合，涉及的課題較多，工作量較大。結(jié)合實際，作者做出以下幾方面的展望。

(1)實際中一般商場會有地下一層、地下二層，由于考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性，在本設(shè)計中沒有考慮進去，而是直接從地上一層到地上八層進行的設(shè)計，所以在進一步的研究中要把地下停車場考慮進去。

(2)本設(shè)計為一臺電梯的控制系統(tǒng)，然而實際上商場客流量非常大，一臺電梯有時并不能滿足需求，比較大的商場里面一般一個電梯見里面有三部或是四部電梯采用群控方式控制。所以在進一步的研究中應(yīng)以群控系統(tǒng)為主。

(3)目前，電梯的運行單單僅靠編好的程序，就是那里有呼叫信號，轎廂向哪個樓層運行。沒有考慮到樓層人數(shù)多少的影響。有時上班高峰一樓聚集了很多人，等待上八樓。五樓和六樓都有一個人等待上八樓。假如現(xiàn)在電梯在八樓則電梯會先去響應(yīng)五樓和六樓的呼叫只有分別送五樓和六樓的人上了八樓，電梯才會到一樓，送一樓的人上八樓。這樣就給數(shù)量多的人造成了麻煩。所以電梯應(yīng)該具有智能系統(tǒng)，可以自行統(tǒng)計某一時間段，某一樓層人數(shù)，而后按照人數(shù)自動調(diào)節(jié)，首先響應(yīng)人數(shù)多的樓層。

致謝

至此畢業(yè)設(shè)計完成之際，我由衷的感謝吳艷敏老師給予的悉心教導(dǎo)和指點。她博學(xué)多識、誨人不倦給我解答了很多疑難問題，這次畢業(yè)設(shè)計我才能順利的完成。感謝負責此次畢業(yè)設(shè)計的教務(wù)組的老師們，感謝他們?yōu)榇舜萎厴I(yè)設(shè)計所做的充分準備，和耐心的督促。幾年的大學(xué)時光對我來說是非常寶貴的，感謝所有授課的老師們，正是由于他們的教導(dǎo)和支持，使我學(xué)到了扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識。感謝我的父母，是他們無私的支持讓我可以走到現(xiàn)在。

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