基于PLC的电梯控制系统设计机械CAD图纸

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 摘 要随着现代经济和城市生活的发展，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具，电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著。传统继电器电梯控制系统，由于继电器本身的机械和电磁惯性大，大大降低了电梯系统的可靠性和安全性。为了保证电梯运行既高效节能又安全可靠，必须改进电梯控制方式。根据顺序逻辑控制的需要发展起来的可编程控制器(PLC)，它是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。PLC处理速度快，可靠性高，能够保证电梯正常、安全、可靠地运行。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了变频调速，不仅能满足乘客的舒适感和保证平稳的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。本文将基于PLC的变频调速方法应用到电梯系统中，并对此方法进行研究。首先，分别阐述了电梯继电器控制和PLC控制的特点，突出讲述继电器电梯控制系统暴露的缺点以及PLC电梯控制系统所具有的优点，并对电梯的变频调速控制进行了介绍。其次，在阅读了大量国内外相关文件资料的基础上，对电梯技术和电梯设备的发展进行了综述。然后，介绍了变频器类型以及参数设计的相关知识;同时介绍了PLC选型原则以及PLC控制系统的设计思路;在此基础上，根据电梯系统自身的工作状态要求，进行电梯系统的PLC软件开发，通过软件开发的特点，结合PLC自身的控制规律，设计出可实现一定功能的PLC电梯控制系统。最后的模拟调试结果表明，基于PLC的变频调速电梯系统运行效率高，系统安全可靠性强，并且系统构造简单易于实现，满足了对电梯系统期望的要求。关键词: 电梯，可编程控制器，变频调速，旋转编码器I本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 AbstractAlong with the development of modern economy and city life, the elevator has become a essential walking tool for people in daily life, and the performance of elevators obviously influences peoples lives. The traditional elevator system based on relay largely decreases the reliability and security since the mechanical and electromagnetic inertia of relay is big In order to ensure the efficiency and reliable securities, the control method of elevator must be changed. The programmable logic controller(PLC),which develops based on sequence logical control, is digital operation electronic device specialized in the industrial application environment. PLC possesses fast process speed and high reliability. Therefore, PLC can be able to ensure the elevator run normally, securely and reliably. In addition. The drive method of elevators has replaced the DC velocity modulation with frequency control due to the development of AC frequency control of motors. The frequency control not only satisfies the comfort sense of passengers and ensures the stable precision, but also decreases the loss of power, saves resources and reduces expenses. The frequency control method based on PLC is applied to the elevator system and further researched.Firstly, the essay respectively presents the characteristics of the elevator system based on relay control and PLC control, specially formulates the defects exposed from relay control system and the advantages of PLC control system, introduces the frequency control of elevators. Secondly, based on reading many domestic and international relative literatures. The development of elevator techniques and elevator devices is overviewed. And then, the relative knowledge of frequency-converter is introduced; the principle of PLC model election and design scheme of PLC control system are introduced as well. On the basis of these, the PLC software of elevator system is developed according to the working states demands of the elevator. A elevator system based on PLC control is designed through combining the characteristics of software development and the rules of PLC control. Finally, the analog examination shows the elevator frequency control based on PLC possesses high operational efficiency and strong system security. The system structure is simple and easily realized, and satisfies the demands of the elevator system expected.Key words: Elevator, Programmable Logic Control(PLC), Frequency Conversion & Velocity Adjustment, Revolving EncoderII本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 摘 要IAbstractII1 绪论11.1 本设计的背景11.2 本设计的意义11.3 本设计的内容22 电梯设备与电梯发展动态22.1 电梯的出现22.2 电梯设备简介22.2.1 电梯的分类22.2.2 电梯的主要参数32.2.3 电梯的安全保护装置42.3 电梯的发展概况42.3.1 电梯技术发展概况52.4 交流曳引电梯调速方式的发展52.5 电梯变频调速控制的特点62.6 电梯发展展望73 调速变频器类型选择及其设计参数73.1 变频器的分类及选择73.1.1 变频器的分类73.1.2 变频器的类型选择83.1.3 变频器的规格选择83.1.4 选择的变频器应满足的条件83.2 通用变频器简介83.3 VS一616G5型通用变频器103.4 VS-616G5型通用变频器电梯调速系统123.5 变频器结构及参数设计123.5.1 参数设计133.5.2 变频器自学习功能的应用方法133.5.3 变频器容量计算133.5.4 变频器制动电阻参数的计算144 PLC的选型及其控制系统的设计144.1 PLC的特点144.2 PLC控制电梯的优点164.3 电梯控制系统的设计164.4 可编程控制器(PLC)的选型174.5 电机调速系统的设计174.6 设计思路184.6.1 电梯控制系统实现的功能184.6.2 点数的分配及机型的选择195 系统软件开发215.1电梯的自检状态215.2 电梯的正常工作状态225.3 系统的软件开发过程225.3.1 电梯初始化环节225.3.2 停层信号的登记与消除环节235.3.3 外呼信号的登记与消除环节235.3.4 开关门环节245.3.5 电梯的定向环节255.3.6 电梯的上升与下降275.3.7 电梯位置的确定与显示295.3.7 轿厢的平层与停车295.3.8 616G5参数设置305.4 程序框图设计30致谢32参考文献33英文文献及翻译资料.34本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 1 绪论1.1 本设计的背景从19世纪50年代人类发明出真正意义上的电梯以来，电梯控制技术越来越显示出它的重要性。伴随着我国经济的快速发展，高层的建筑日益增多，电梯成为大家日常生活必不可少的代步工具。而现今建筑物规模越来越大，楼层也越来越多，电梯性能的好坏对人们生活的影响也越来越显著，因此人们对于电梯的调速精度、调速范围等静态与动态特性提出了更高要求提高电梯系统性能的同时，保证电梯运行既高效节能又安全可靠。传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变，双速异步电动机在定子回路中串电抗与电阻来实现电动机的调速，这满足不了乘客的舒适感，此外，传统的电梯的控制系统由继电器控制逻辑组成，存在着电气元件多、电气故障频繁、功能弱，可靠性差和工作寿命短等缺陷。可编程控制器（PLC: Programmable Logic Controller）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，它是专门为工业环境应用所设计的数字运算操作的电子装置，它的可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，在机械、化工、电子、纺织、交通等行业德到广泛应用。鉴于其各种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。同时，得益于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来的直流调速逐渐过渡到了交流变频调速，这不仅能满足乘客的舒适感和保证平层的精度，还可以节约能源，降低能耗，减小运行费用。因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。1.2 本设计的意义在电梯业也是如此，目前国内7080年代安装完成的电梯大部分是继电器控制，线路复杂，故障率高，节点接线多，调速方式一般采用变极调速、调压调速、直流调速。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，并找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。对于老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。调速系统采用交流变频调速，在各种负载下都有良好的调速性能和准确的停车性能，并满足乘客的舒适感和保证平层精度（即准确停车），并能节约大量电能。1.3 本设计的内容本次设计的主要内容如下：首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）和变频器作了比较全面的总结和介绍。接着阐述了电梯控制系统的特点和分类，电梯的控制系统分为调速和信号控制等部分。确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制变频器实现变频调速，完成了变频器和可编程控制器（PLC）的选择。然后是系统硬件开发，完成了变频器的参数设置及PLC的选型、I/O点数分配以及旋转编码器与变频器的连接。在分析了电梯系统的软件设计方法基础上，结合实际硬件电路，设计并用STEP7绘制出梯形图。2 电梯设备与电梯发展动态2.1 电梯的出现1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人格雷夫斯第一次向世人展示了他的发明历史上第一部安全升降梯。从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始了她辉煌的旅程。150年以来，她已经发展成为世界、亚洲和中国领先的电梯公司。自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具电梯，其需求量日益增长。各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。为了确保电梯正常运行、安全使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。2.2 电梯设备简介2.2.1 电梯的分类电梯的分类有各式各样：按用途分类乘客电梯；载货电梯；客货电梯；病床电梯；住宅电梯；特种电梯。按速度分类低速电梯1m/s以下；高速电梯12m/s；超高速电梯4m/s以上。按驱动电源分类交流电梯速度一般小于2m/s，直流电梯速度一般大于2m/s。按控制方式分类层间控制；简易集选控制；集选控制有无司机控制。2.2.2 电梯的主要参数载重量(kg)制造和设计规定，电梯的额定载重量。轿厢尺寸(mm)：宽*深*高。轿厢形式有单或双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电话的要求等等。轿门形式有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、封闭式双折中分门等。开门宽度(mm)：轿厢门和层门完全开启时的净宽度。开门方向：人在轿外面对轿厢门向左方向开启的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称中分门。曳引方式：常用的有半绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。半绕2：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一半。全绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。额定速度(m/s) ：制造和设计所规定的电梯运行速度。电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。停层站数(站) ：凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均称为站。提升高度(mm) ：由底层端站楼面至顶层端站楼面之间的垂直距离。顶层高度(mm) ：由底层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直的距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。底坑深度(mm) ：由底层端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。井道高度(mm) ：由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。井道尺寸(mm) ：宽*深。电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据。用户选用电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、载运对象等，按标准的规定，正确选择电梯的类别和有关参数与尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物，否则会影响电梯的使用效果。电器设备及控制装置：有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅外指示器组成。其它装置：对重装置、补偿装置等。2.2.3 电梯的安全保护装置电磁制动器：装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。强迫减速开关：起分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。限位开关：当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。行程极限保护开关：当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。急停按钮：装于轿厢司机操纵盘上，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。厅门开关：每个厅门都装有门锁开关。仅当厅门关上才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。关门安全开关：常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。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。其它的开关：安全窗开关，钢带轮的断带开关等。2.3 电梯的发展概况随着现代建筑的发展，日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要的标志，作为高层建筑的垂直运载工具-电梯得到了快速发展。电梯是服务于三分之一楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直上的倾斜角小于15的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。追溯电梯这种提升设备的历史，早在公元前我国就有利用人力作动力和简单提升设备，直到现在我国北方部分农村仍用手摇轱辘提取井水的升降提水装置，所以说，我国是世界上最早出现这种提升设备电梯雏形的国家之一。随着电子工业的发展，新技术、产品不断用于电梯控制系统，如可编程控制器的应用；单片机的应用；无触点半导体逻辑控制晶闸管（俗称可控硅）的应用；集成电路及数字控制、计算机群控制及调频调压技术的应用、拖动系统简化、性能提高等。生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新手柄开关操纵，按钮控制，信号控制，集选控制、人机对话等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿箱电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势，变速式自动人行道扶梯大大节省了行人的时间；不同外形的扇形、三角形、半棱形、圆形观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升现代人生活质量的承诺。2.3.1 电梯技术发展概况电梯的速度要求越来越快，高速、超高速电梯的数量愈来愈多。电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。逐步被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房位置灵活等特点，使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。交流拖动电梯更是得到迅速的发展，已由以前的变级调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF），使得电梯的速度、加速度控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒适感大为改善。电梯的逻辑控制已从过去简单的继电器接触器控制发展为可编程序控制器（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等，电梯可靠性得到很大的提高。电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足拥护的使用功能要求。如紧急停车操作，消防员专用、防捣乱系统等。智能群控管理得到广泛应用。机械传动方面，由于国际上机构加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，已使电梯的传动形式多样化。2.4 交流曳引电梯调速方式的发展交流电梯与交流电机的发展紧密相连，至今已有三十多年的发展历史，经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展历程，大致可以划分为三个阶段:第一个阶段是70年代，其主要标志是交流双速电梯，它采用改变牵引电机极对数来实现调速。电机通常采用两种或两种以上不同极对数的绕组制成，其中极数少的绕组称为高速绕组，用于电梯的起动及稳速运行，极数多的绕组称为低速绕组，用于电梯的制动及维修。这种电梯结构简单、价格低廉、使用和维护都很方便，但调速不够平滑、舒适感较差。第二个阶段是80年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。调压调速的方法是通过改变三相异步电机定子端的供电电压实现电机的调速，其制动多采用能耗制动。第三个阶段是90年代，变压变频调速电梯(VVVF电梯)开始占据了世界电梯的市场。VVVF电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值和频率来实现转速的调节。电梯传动系统中，由于大量采用微机控制技术和脉宽调制技术 (PWM技术)，其运行效率得到了大幅度的提高，电梯的体积大为缩小。现代交流调速技术向电梯控制领域的渗透，使得交流调速电梯的调速性能几乎完全可以和直流电梯相媲美。由于变压变频调速(VVVF)的良好特点，目前新制造的电梯都实现了调压调频调速控制。VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层准确、低噪音、安全等目标。由于其优越的调速性能、显著的节能效果，在很多应用场合已取代交流调压调速电梯而成为现在电梯市场的主流。目前，VVVF电梯已经遍布世界各国，如日本的三菱公司、东芝公司、日立公司、美国的奥的斯公司等大的电梯制造厂家在VVVF电梯的研制和进一步开发等方面，都取得了骄人的成就。在我国，电梯工业起步较晚，改革开放以来，也取得了一定的进步，如上海三菱、天津奥的斯、中国迅达、苏州迅达、广州电梯工业公司等五家电梯生产厂家，其产品都有一定的市场份额和技术含量。但遗憾的是，这些公司多为合资公司，电梯控制关键部分的变频器、控制器等重要组成部分很大程度依靠进口，其核心技术牢牢控制在国外大公司手中。2.5 电梯变频调速控制的特点随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频技术是当今节电，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。变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。2.6 电梯发展展望结构不断紧凑化，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、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。同时，无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。技术含量更高，性能更好。电梯行业技术发展非常迅速，几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯，如今已成为电梯行业的标准配置，因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁净、更安全、更安静、更经济的特点，所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流；由于永磁技术的先进性，将来很有可能取代VVVF技术。另外，网络控制和智能群控系统以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。安装更方便、更快捷高效、安全、可重复使用的无脚手架安装，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更大的方便，使电梯安装更快、效率更高。此外，电梯的双向安全装置、无底坑、无线控制、绿色环保安全、环保、节能、舒适，也将是未来电梯的重要发展方向。3 调速变频器类型选择及其设计参数3.1 变频器的分类及选择3.1.1 变频器的分类变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类：按变换频率的方法分：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;按变频器调压方法的不同分：PAM变频器；PWM变频器;按工作原理分类：U/f控制变频器；VC控制变频器；SF控制变频器;按照用途分类：通用变频器；高性能专用变频器；高频变频器;3.1.2 变频器的类型选择变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其与可靠性相关的质量品质，显然是选择时的重要考虑方面。同时，设备的平均寿命长短是一个重要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验和口碑仍然是主要依据。在同一品牌中选择具体型号时，主要依据己经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定的。3.1.3 变频器的规格选择变频器产品说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。因此，直接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。根据具体工程的情况，可以有以下几种不同的变频器规格选择方式:按照标称功率选择:一般作初步投资估算依据。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。按照电动机实际运行电流选择:多用于改造工程。按照转矩过载能力选择。综上所述，根据实际的工程情况，以适当的方法选择变频器的规格很重要。选择结果在多数情况下变频器标称功率与电动机匹配，少数情况下需要放大。所以，认为放大一级功率选择变频器是没有错的想法，但会造成浪费。总的来说从生产成本来做合适的选择。3.1.4 选择的变频器应满足的条件根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。为降低电梯成本，首选通用变频器。电梯的启动和停车都要平稳。变频器带有防止失速功能。变频器具有优良的转矩特性。3.2 通用变频器简介为了满足以上的条件，本设计选择通用变频器。采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的是:为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求。为了节约能源、降低生产成本。上个世纪80年代初，通用变频实现了商品化。在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用工GBT两个大发展过程。容量不断扩大80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了6OOKVA，400KVA以下的已经系列化，前几年主开关器件开始采用工GBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA，随着工GBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。结构的小型化变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路(LS工)和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。多功能和智能化电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。应用领域不断扩大通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都己采用了通用变频器;金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床，加工中心超高速伺机的精确位置控制都已应用通用变频器;在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公元喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。3.3 VS一616G5型通用变频器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。考虑到以上各种因素，本设计将选用安川VS一616G5型全数字变频器。它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以在最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别的适合电梯类负载频繁变化的场合。此外，VS一616G5变频器的启动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01一0.02%，使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。采用高性能工GBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。VS一616G5型变频器是安川电机公司为面向世界推出的21世纪通用型变频器。这种变频器不但考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能和无速度传感器电流矢量控制，容易得到高起动转矩与较高的调速范围。VS一616G5变频器的特点如下:包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。有丰富的内藏与选择功能。由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。保护功能完善、维修性能好。通过LCD操作装置，可提高操作性能。VS一616G5型变频器的标准规格如表3-1:表3-1 VS616G5型变频器的标准规格电压200V400V容量范围1.2-1100KVA1.4-460KVA电源电压频率200V：三相200/200/208/220V400V：三相380/400/415/460V电压允许变动+10% -15%频率允许变动15%控制特性控制方式正选波PWM控制： 无传感矢量控制（无PG） 带传感矢量控 制（带PG） V/F控制 带传 V/F控制 （用参数切换）启动转矩150%Hz（无PG） 150%r/min（带PG）速度控制范围1:100（无PG） 1:1000（带PG）速度控制精度0.2%（无PG） 0.02%（带PG）速度响应5Hz（无PG）30Hz（带PG）转矩极限有转矩精度5%转矩响应20Hz（无PG）以上 150Hz（带PG）以上频率控制范围0.1-400HZ频率精度(温度变化)数字式指令0.01%(-10+40)模拟式指令0.1%(25+10)频率设定分辨率（运算分辨率）数字式指令0.01Hz/100Hz模拟式指令0.03Hz/60Hz输出频率分辨率0.01Hz过载量额定输出电流的150%IN频率设定信号-10V 10V， 0 10V，4 20MA加减速时间0.016000.0S制动转矩约20% 带制动选择150%抑制高次谐拔波电源直流电抗器内带（200V24KVA、400V26KVA以下可以选择）12相整流不能变动主控制功能瞬停再启动、下降控制、转矩控制、零点伺服控制等操作装置16字2线日语液晶显示器接通插件板可选择16种（最多可装3块）保护功能电机保护、变频过载、瞬间过电流、电压下降、过电压、输入缺相3.4 VS-616G5型通用变频器电梯调速系统通用变频器VS-616G5可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩；它适合用于各种应用场合，可以低速下实现平稳起动并且极其精确地运行，其自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制。VS-616G5将U/f控制、矢量控制、闭环U/f控制、闭环矢量控制四种控制方式融为一体，其中闭环矢量控制是最适合电梯控制要求的。变频器的配置及容量选择VS-616G5变频器用在电梯调速系统中时，必须配PG卡及旋转编码器，以供电动机测速及反馈。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B、两相脉冲，当A相脉冲超前B相脉冲90时，可认为电动机处于正转状态。当A相脉冲滞后于B相脉冲90时可认为电动机处于反转状态，旋转编码器根据AB相脉冲的相序，可判断电动机旋转方向，并根据AB脉冲的频率（或周期）测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给616G5内部，以便进行运算调节。当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。这时同步转速下降，交-直-交变频器的直流部分电压升高，制动电阻的作用就是消耗回馈电能。抑制直流电压升高。除PG卡和制动电阻外。VS-616G5还需要配置600脉冲旋转编码器和电梯运行曲线输入板（可选配）。其容量可选11配置，即电动机容量和变频器容量相等。最好采用大一数量级选配，即11kW电动机选15kW的变频器、15kW电动机选18kW的变频器。3.5 变频器结构及参数设计VS-616G5变频器共有9组参数，每一组参数的设计都具有特定的含义。常用参数如表3-2所示。表3-2 变频器常用参数参数功能A组确定控制模式B组选择运动功能C组确定加减速时间和转矩补偿时间D组选择频率E组确定运行压频曲线F组保护设置H组确定偏差标准3.5.1 参数设计参数设计的原则：减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；提高了运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击；零速一般设计为0Hz，速抱闸功能将影响舒适感；变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入。3.5.2 变频器自学习功能的应用方法为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而616G5就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是：将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。3.5.3 变频器容量计算变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为V，电梯自重为W1电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率P2由式(3-1)计算： P2=（W1+W2-W3）g+F1*V （3-1）式中，F1=K(W1+W2-W3)g+&为摩擦力，&可忽略不计；电机功率，变频器功率P应接近电机功率，相对于留有安全裕量，可取 P=1.5P2 （3-2）其中，k=0.02， W1=2000Kg，W2=1000Kg，W3=2400Kg，g=9.8m/s， V=1.5m/s由式（3-1）得P2=（6009.81089.8）1.510.4kW；又有式（3-2）得P=15.6KW。由于采用变频调速，效率高。依照计算结果选1.5倍裕量，取变频器容量为15kW。3.5.4 变频器制动电阻参数的计算由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高，采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果，能耗制动电阻的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即： （3-3） =2513/35.528.9() （3-4）其中为额定情况下变频器的直流母线电压，取30。由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。即： =0.45132/303.5kw （3-5）最后，选用的制动电阻为R=30，功率为P=3.5kW的电阻。4 PLC的选型及其控制系统的设计4.1 PLC的特点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，实现字运算和数据存储，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。（1）PLC的可靠性l 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，系统的维修简单，维修时间短。l 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MTTR，使可靠性提高。l 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。l 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，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。l 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。l 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，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。（2）PLC的易操作性l 操作方便。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。l 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，十分有助于编程人员的编程。l 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减低。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，方便维修。（3）PLC的灵活性PLC的灵活性表现在以下几个方面：l 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。l 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。l 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。4.2 PLC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。4.3 电梯控制系统的设计 PG门电机呼叫信号位置信号楼层显示呼叫显示光电编码器曳引机PLC变频器电源图4.1 控制系统原理图图4-4控制系统原理图本控制系统是采用VS一616G5型变频器和西门子S7200系列PLC组成的变频调速电梯控制系统,电气控制硬件框图如图4.1,它由曳引电机、门电机、变频器、可编程控制器PLC及其他电气元件构成。电梯的调速部分选用高性能的矢量控制变频器,利用光电编码器测量曳引电机的转速,构成闭环矢量控制系统。电路的逻辑部分由PLC来实现,PLC接受来自现场的呼叫、转速、楼层、位置等信号。发给调速系统的速度信号、门机的开关门信号、楼层显示及呼叫显示信号。系统控制原理图如图4.1所示：4.4 可编程控制器(PLC)的选型根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后，系统选择了西门子S7200系列PLC。西门子S7200系列PLC具有以下几方面的优点:S7200系列PLC配置灵活，除主机单元外，还可扩展1/0模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。 S7200系列PLC指令功能丰富，有多种指令，且指令执行速度快。 S7200系列PLC可用内部辅助继电器M，定时器T，计数器C等功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器能接受脉冲编码器脉冲。S7200的编程可用编程器，编程方便。编程语言可用梯形图或指令表。PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为PLC主机、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。4.5 电机调速系统的设计在电梯拖动控制系统中速度曲线图形直接影响着电梯的舒适感和平层准确度。如果电梯在启动加速和减速制动时，速度曲线图性的加、减交界处不圆滑，乘客会感觉很不舒服，为了满足舒适感提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。为了获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线(S曲线)及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从0加速到1000转/分所需要的时间来定义的。其意义为加速度由0加速到1000转/秒所需要的时间。因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。增大加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。同理，增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之，起动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化，也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现，本设计采用的616G5变频器就具有S曲线加速时间设定功能，故将加速时间和S曲线加速时间配合调整，即可获得理想的起动曲线。同理，制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图4.2所示。图4.2 速度运行曲线图中a为加速度，v为速度，0-t1和t2-t3时间内为抛物线速度曲线，t1-t2时间内为直线速度曲线;t3-t4时间内为稳速运行阶段；t4-T时间内为减速制动阶段。减速制动阶段速度曲线与加速起动阶段相对称。4.6 设计思路4.6.1 电梯控制系统实现的功能一台电机控制上升和下降，各层设上/下呼叫开关(最顶层与起始层只设一只)。电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及层楼指令键，及照明。待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门。自动关门待客。当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时，电梯应自动关键客按迎门在调定时间内自动关闭轿厢照明。自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站应能自动关门;在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。自动定向，当轿厢内操纵盘选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。自动换向，当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能一记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。4.6.2 点数的分配及机型的选择按照系统要求，PLC的点数分配如表（4-1）所示：表 4-1 I/O点数的分配输入输出开门信号I0.0正向运行Q0.0关门信号I0.1反向运行Q0.1开门限位信号I0.2正常运行频率Q0.2关门限位信号I0.3点动频率Q0.3超载信号I0.4爬行频率Q0.4检修信号I0.5开门Q0.5变频器故障信号I0.6关门Q0.6一层选层信号I0.7一层选层指示灯Q0.7二层选层信号I1.0二层选层指示灯Q1.0三层选层信号I1.1三层选层指示灯Q1.1四层选层信号I1.2四层选层指示灯Q1.2一层上呼信号I1.3一层上呼信号灯Q1.3二层上呼梯信号I1.4二层上呼信号灯Q1.4三层上呼梯信号I1.5三层上呼信号灯Q1.5二层下呼梯信号I1.6二层下呼信号灯Q1.6三层下呼梯信号I1.7三层下呼信号灯Q1.7四层下呼梯信号I2.0四层下呼信号灯Q2.0一层上平层I2.1上行显示Q2.1一层下平层I2.2下行显示Q2.2二层上平层I2.3超载报警Q2.3二层下平层I2.4三层上平层I2.5三层下平层I2.6