机电一体化毕业设计（论文）-用PLC和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统.docx

山西职业技术学院毕业论文毕 业 设 计（论文）题目：用PLC和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统 系部： 电气工程与自动化系专业： 机电一体化 班级： 机电A1003 姓名： 指导教师： 山西职业技术学院山西职业技术学院电气工程与自动化系毕业设计（论文）任务书 题目名称：用PLC和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统 学生学号： 1012100316 指导教师： 学生姓名： 学生专业： 机电一体化 山西职业技术学院电气工程与自动化系2012年11月30日毕 业 设 计 任 务 书开始日期：2012 年 11 月 5 日完成日期：2012 年 11 月 29 日 答辩日期：2012 年 11 月 30 日 1、设计目的考核学生对本专业知识的掌握和应用。2、设计题目用PLC和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统3、设计内容和要求内容:1、按开门按钮SB1，电梯轿厢门即启动（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即减速（10HZ），10秒后停止。2、 按关门按钮SB2，电梯轿厢门即启动（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即减速（10HZ），10秒后停止。要求: 1、 设计思路2、 变频器设置3、 PLC的I/O分配4、 程序设计5、 系统接线图4、设计报告要求1.详细阐述系统功能及控制过程；2.详细阐述设计过程，包括根据功能要求确定方案、器件选型、设计电路图，软件编程思路等；3.采用AUTOCAD绘制电路图(包括主回路图，控制电路图， PLC I/O 口分配等；4.程序流程图、梯形图；5.写出设计体会与建议。5、进度要求第一阶段： 了解工艺，查阅资料 ( 1 周) 第二阶段： 元器件选型，绘制电路图 ( 1 周) 第三阶段： 设计编程思路，编制程序 ( 1 周 ) 第四阶段： 总结设计中的问题，得出结论 ( 3 天) 第五阶段： 撰写论文及准备答辩 ( 3 天) 考勤要求： 每周两次讨论 共 4 周 6、任务分配用一周时间的时间了解室内温度控制的工艺流程，并查阅相关资料。第二周时间设计几个可行的方案，选择最合适的方案及所需要的单片机类型和温度传感器类型。最后两周时间，设计硬件电路和软件程序及排版论文。指导教师签名：2012 年 月 日毕 业 设 计 （论 文）进 度 计 划 表日期工作内容执行情况指导教师签字11月510日了解电梯的结构及发展前景、意义，并查阅相关资料。11月1013日了解PLC的组成、分类、应用及选型规则。11月1418日熟悉变频器的功能及其应用。11月1922日绘制相关的电路图，以及表格11月2325日设计编程思路，列出编程。11月2627日总结设计中的缺点及可能的解决方法11月2829日总结在设计过程中的心得体会教师对进度计划实施情况总 评签名 年 月 日 目录摘要31.绪论32论文方案选择及器件简介32.1本次论文方案选择32.2器件简介32.2.1 PLC简介32.2.2变频器简介33.电梯门控制系统硬件设计33.1变频器的选择33.2.PLC的选择条件及定型：33.3伺服电机的选定：33.4变频器“程序步”转速设计33.4.1输入控制端的“程序步”功能33.4.2 程序步的控制特点33. 5 PLC控制系统硬件及接口电路设计33.5.1 PLC的I/O端口分配表33.5.2 PLC硬件电路设计33.5.3变频器硬件电路设计34、电梯轿厢门机控制系统软件设计34.1开门关门环节34.1.1开门环节电梯主要情况34.1.2关门环节34.2程序步开关门运行过程35、总结3参考文献3附录A电梯轿厢门控制系统梯形图3附录B电梯轿厢门控制程序指令表3摘要在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。关键词：电梯；变频器；PLC控制；变频调速1.绪论课题主要研究内容及意义论文研究的电梯门机控制系统，是一个典型的电机伺服系统，是电梯门开关的执行机构。据统计，电梯门开关不正常是现代电梯运行过程中比较容易出现的故障。随着国民经济的飞速发展，现代化大厦目益增多，电梯成为人们日常生活工作中不可或缺的工具。电梯的正常运行关系着人身安全，因此，电梯门的开关不仅要动作可靠、准确，而且还必须运行平稳，反应迅速，动态特性好，这对电机本身及其控制系统均提出了较高的要求。控制系统的主要技术要求有：适用范围广，适用于开门宽度在之间的电梯门；电动机起动、停止，各段速度的转换要求加减速过程平滑，具有曲线的加减速过程：门扇运行各状态点速度可设置。2论文方案选择及器件简介2.1本次论文方案选择当前，电梯门机控制系统主要有由交流电机及其调速系统构成的，也有少数由单片机结合变频器控制伺服交流电机及其调速系统构成的。后者除整套系统的成本较高外，虽然体积小，寿命长，但控制较复杂，对控制系统中的处理器性能要求较高，而且如果为同步电机，在带载情况下还易出现失步现象。而后者尽管控制简单，但直流电机体积大，维护困难，寿命短，电刷结构带来电磁火花，易形成干扰。这些缺陷在电梯实际运行中就表现为电梯门开关不正常，维护工作量大等困扰操作人员的问题，进一步可造成严重经济损失甚至人身伤害。此次，结合本人三年专业知识，将使用可编程控制器（PLC）,变频器(VVVF)来控制交流伺服电动机来实现电梯箱门控制系统。2.2器件简介2.2.1 PLC简介可编程控制器（PLC）定义：PLC是一种数字运算操作的电子装置；专为工业环境下应用而设计，它采用存储器春初程序，按程序执行逻辑运算，顺序控制，定时，技术和算术运算等操作，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械式生产过程。可编程控制器（PLC）基本结构：PLC的型号、规格繁多。它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成（如图2-2所示）。图2.2 可编程控制器的结构简化框图PLC的特点：1.使用方便，编程简单；2.功能强，性能价格比高；3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；4.可靠性高，抗干扰能力强；5.系统的设计、安装、调试工作量少；6.维修工作量小，维修方便；2.2.2变频器简介（1）变频器的基本结构：变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。（如图：2.3）整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电能。逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。图2.3 变频器的结构简化框图（2）变频器的工作原理：主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（3）变频器控速特点：电动机交流变频调速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主要手段。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。3.电梯门控制系统硬件设计3.1变频器的选择变频器的选择条件：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。其选型主要满足以下条件： （1）为降低电梯成本，首选通用变频器。（2）电梯门机的启动和停车都要平稳。（3）变频器带有防止失速功能。（4）变频器具有优良的转矩特性。变频器型号的确定：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。考虑以上各种因素，本设计选用本学期所学的富士FRN30G11S-4变频器。3.2.PLC的选择条件及定型：在工程应用中可选用的PLC机型很多，比如三菱公司的FX系列、OMRON公司的C系列、西门子等，它们功能都差不多，在工程应用中各有千秋，至于要选择哪种机型，就要根据自己的设计需要及应用水平。因为根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。就本次四层电梯的设计而言，上述三种机型都行，但根据课本学习和熟悉程度，本次设计采用三菱公司生产的FX系列PLC FX1S-30MR。3.3伺服电机的选定：异步电动机交流调速原理 交流异步电动机是应用最广泛的一种动力机械。异步电动机所以能得到这样广泛的应用，是由于它结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便，而且效率高、重量轻、价格低。但异步电动机存在的缺点之一是调速性能差。此次设计所用的电梯门电动机只是用来拖动门扇，其功率不是太大，并且门机频繁的起制动，这就要求电动机快速停止，准确定位，往复运转，频繁起动，防止滑行，且还要有断电抱闸的功能。因此本次设计选用了具有电磁制动功能的HYD22-180L-0.75.3.4变频器“程序步”转速设计设计所选用的富士FRN30G11S-4变频器。3.4.1输入控制端的“程序步”功能（1） 功能含义介绍变频器可以设定若干步工作频率，其频率的切换是由外接的开关器件改变输入端子的状态和组合来实现的。例如，当端子X1、X2、X3被预置为多程序步转速的信号输入端时。通过开关KA1、KA2、KA3的不同组合，可输入7个程序步转速的信号，如图3-3所示。转速档次与各输入端子状态之间的关系如表3-1所示。表3-4“程序步”输入端子与各步的关系输入端子状态程序步X3（SS4）X2（SS2）X1（SS1）OFFOFFON1OFFONOFF2OFFONON3ONOFFOFF4ONOFFON5ONONOFF6ONONON7(2) 变频器的功能预置以富士FRN30G11S-4 变频器为例，如表3-5所示。表3-5变频器功能预置预置目的功能码功能含义数据码数据含义 选择 功能 端子F01频率设定0键盘面板F02运行操作1由外部端子输入运行F03最高频率50Hz输出最高频率为50HzE01选择X1端子SS1接点输入型号组合E02选择X2端子SS2E03选择X3端子SS4选择各程序步转速的工作频率C05第1步运行频率在上限频率和下限频率之间预置C06第2步运行频率C07第3步运行频率C08第4步运行频率C09第5步运行频率C10第6步运行频率由表3-5可知, 功能预置分三个步骤:第一步：在基本功能端子中设定操作方式和最高输出频率.第二步:在输入控制端子中选择若干个端子(此次设计3个即可满足)作为多档转速输入控制端;第三步:预置各档转速的运行频率。变频器中所预置的频率以十进制数存储在功能存储器中，以便在运行时能迅速对应相应频率。变频器各程序步运行频率设置，如表3-6所示：表3-6开关门频率预置功能码运行档频率预置C05第1步运行20HzC06第2步运行40HzC07第3步运行10HzC08第4步运行20HzC09第5步运行40HzC10第6步运行10Hz3.4.2 程序步的控制特点程序步转速控制电路如图3-4所示，说明如下:图3-4多档速的PLC控制电路示意图通过PLC的三个输出端子Y1Y3的编码（与表 3-1类似），完成六档的输入。本设计共计六个档，分别为开门三个档与关门三个档，开门与关门过程中各改变频率三次。 3. 5 PLC控制系统硬件及接口电路设计3.5.1 PLC的I/O端口分配表本文电梯门机控制器要实现电梯门的开关控制，同时要求能够通过PLC的输出端口进行编码输出，作为变频器的多档调速输入端。具体的I/O端口分配如下:表3-7I/O端口分布I/O端口分布表输入端口输出端口X001开门按钮输入Y001多档调速输出X002关门按钮输入Y002多档调速输出Y003多档调速输出Y004正转开门输出Y005反转关门输出3.5.2 PLC硬件电路设计 1PLC的输入电路 如图3-4所示开关X1X2分别用于控制电梯门的开关。2PLC的输出电路如图3-4所示, 输出端Y001、Y002、Y003分别接至变频器的输入控制端的X1、X2、X3, 用于控制X1、X2和X3的状态,从而决定变频器的输入状态控制程序步调速；Y004Y005分别接至变频器正转输入端(FWD)与反转输入端(REV)，控制电机的正反转，即控制开关门。3.5.3变频器硬件电路设计图3-6变频器硬件电路图（1）通过PLC的输出端子Y001Y003接至变频器的输入端X1X3来控制变频器的多档调速。（2）FWD和REV分别为变频器的正转与反转输入端，分别接至PLC的输出端Y005与Y006，用来控制电机的正反转，即控制门机的开关门。（3）PLC端子为PLC信号电源输入端,连接PLC输出信号电源。4、电梯轿厢门机控制系统软件设计4.1开门关门环节4.1.1开门环节电梯主要情况：按开门按钮X1，电梯轿厢门即启动（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即减速（10HZ），10秒后停止。开门梯形图如下：4.1.2关门环节电梯的关门程序如图4-3所示，按关门按钮X2，电梯轿厢门即启动（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即减速（10HZ），10秒后停止。4.2程序步开关门运行过程在3.4中我们已经知道，开门与关门过程各有三次变频变速，故电梯轿厢的程序步调速可分为以下两种情况：1 开门过程调速第一步：按下X1，接到电机正转指令Y4闭合电机转动,M1(YOO1)闭合信号接通Y003Y001输出编码为001(其中0表示不带电，1表示带电，以下同此)，CO5程序步启动2S后定时器T1时间到常闭T1断开M1(YOO1)失电复位第一档结束。第二档：常开T1闭合M2(Y002)闭合Y003Y001输出编码为0106S后定时器T2时间到第二档结束。第三档：常开T2闭合M1（YOO1）闭合Y003Y001输出编码为01110S后定时器T3时间到常闭T3断开Y4等全部失电复位第三档结束。2 关门过程调速第一档：按下X2,接到电机反转指令Y5闭合电机转动,YOO3闭合信号接通Y003Y001输出编码为100 2S后定时器T4时间到第一档结束。第二档：常开T4闭合M11（Y001）闭合Y003Y001输出编码为1016S后定时器T5时间到常闭T5断开M11（Y001）失电复位第二档结束。第三档：常开T5闭合M22(Y002)闭合Y003Y001输出编码为11010S后定时器T6时间到常闭T6断开Y5等全部失电复位第三档结束。多档的实现：对于只有三个输出端子，要借用内部辅助继电器来实现控制。开关门共计六个档，将各档的编码排列如下：表4-1开关门档位编码档位第一档第二档第三档开门档001010011关门档100101110M1、M11中只要有一个接通，则Y001“动作”变频器的X1端接通;M2、M22中只要有一个接通，则Y002“动作”变频器的X2端接通;5、总结本论文是针对电梯的门机控制系统进行的研究。详细地分析了门机运行的过程，指出了系统运行时存在的一些问题，并给出了解决这些问题的具体方法，通过这些方法的实现，较好地完成了对门机的控制，达到了平稳、安全、可靠的控制目的。完成了控制电路主要器件及驱动电机的选择。控制器件选用的是当前在电梯控制系统中常用的PLC, PLC控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强等优点；变频器选用的是日本富士司生产的通用变频器FVR-E11S。此种变频器体积小、功能强、干扰小且性价比较高。速运行时，为减小机械冲击所采取的分段曲线过程进行了详细的理论分析。完成了系统运行曲线的设计。针对系统运行的问题给出了门机运行分段的速度变化曲线等，并对门机加/减设计。设计了控制电路、电机的驱动电路、保护电路和检修电路等。设计中实现了对电机的变频调速控制，为实现系统的可靠运行加了保护、防夹处理，整体设计简单，可靠性高。完成了系统软件的设计，并在实验台上通过了实验仿真。系统软件多档调速方式实现电梯门的正常开关门控制中的速度控制。通过以上所述的设计，使得系统在模拟运行状态下工作稳定可靠，较好地实现了电梯门机系统的控制，基本实现了设计目的。但由于时间问题及个人能力有限，此次设计并不是非常完善,并不清楚具体的负载工作情况。此外，系统中还有很多值得研究的方面，在本文中没有涉及或涉及的不够深入，比如对门机是否开关到位可以取消限位开关，采用无位置传感器来检测、语音提示等等，这些都是本课题今后的研究方向。参考文献1李惠升.电梯控制技术M.北京:机械工业出版社.20032吴国政.电梯原理使用维修M.北京:电子工业出版社,19993韩安荣.通用变频器及其应用(第二版)M.北京:机械工业出版社,20004王整风，谢云敏.可编程控制器原理与实践教程M.上海：上海交通大学出版社，20075陈家盛.电梯结构原理及安装维修（第三版）M北京：机械工业出版社，20066何超.交流变频调速技术M.北京：北京航空航天大学出版社，20067刘剑,朱德文,梁质林.电梯电气设计M北京：中国电力出版社，20068曾毅,王效良,吴皓,张朝平.调速控制系统的设计与维护M.济南：山东科学技术出版社,20029张燕宾.常用变频器功能手册M.北京：机械工业出版社,200410张汉杰,王锡仲,朱学莉.现代电梯控制技术M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,200111富士电机株式会社.FVR-E11S操作说明书.INR-Si47-0535b.12国家技术监督局.传感器图用图型符号.GB/T 14479-93.13MITSUBISHI.三菱微型可编程控制器使用手册.FX2N系列.14何小溪，仲伟峰，张杰。变频器在电梯门控制中的应用J.电工技术杂志.2001年第六期.附录A电梯轿厢门控制系统梯形图附录B电梯轿厢门控制程序指令表山西职业技术学院_电气工程与自动化_系毕业设计（论文）成绩考核表课题： 用PLC和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统 学生姓名： _专业： 班级 指导老师： _ _所在单位： 职称： 毕业论文（设计）指导教师评语：指导教师_ 年 月 日毕业论文（设计）审阅教师评语：审阅教师： _审阅时间： 年 月 日答辩组成员：学生答辩情况：答辩意见：答辩小组组长签名： 年月日毕业设计（论文）成绩1 设计说明书（论文报告） 分总分： _（等级： ）2 答 辩 分3 平 时 成 绩 分：系（部）意见年月日学 校 意 见年月日1 、本表填写一式两份：一份留系部保存，一份交教务处审查后存入学生档案。2 、此件需用碳素笔填写，不能打印。山西职业技术学院_电气工程与自动化_系毕业设计（论文）成绩考核表课题： 用PLC和变频器设计电梯轿厢开关门的控制系统 学生姓名： _专业： 班级 指导老师： _ _所在单位： 职称： 毕业论文（设计）指导教师评语：指导教师_ 年 月 日毕业论文（设计）审阅教师评语：审阅教师： _审阅时间： 年 月 日答辩组成员：学生答辩情况：答辩意见：答辩小组组长签名： 年月日毕业设计（论文）成绩1 设计说明书（论文报告） 分总分： _（等级： ）2 答 辩 分3 平 时 成 绩 分：系（部）意见年月日学 校 意 见年月日1 、本表填写一式两份：一份留系部保存，一份交教务处审查后存入学生档案。2 、此件需用碳素笔填写，不能打印。