基于PLC的电梯控制系统设计

摘 要随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。 而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活紧密相关，随着人们对其要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动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。本文在电梯专用变频器的基础上，采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。电梯的调速部分选用高性能的矢量控制电梯专用变频器，利用光电编码器测量曳引电动机的转速，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、楼层和位置等信号；发出信号包括给调速系统的速度信号、门电机的开关门信号，楼层显示信号。电梯一次完整的运行过程，就是曳引电动机从起动、匀速运行到减速停车的过程。PLC接收来自操作面板和呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号 ，经程序判断与运算后实现电梯的控制，PLC在输出显示和监控信号的同时向变频器发出运行方向、启动、加速、减速、运行和制动停梯信号。关键词：可编程控制器 变频器 电梯 曳引机AbstractWith the development of the economy,microelectronic technology、computer technology and the automatic theory are developed rapidly, the AC variable frequency technology has been in a new state. Its application is becoming more and more widely. But the elevator as an important traffic in skyscraper, it also has developed quickly with improving requirement of the people. Its dragging technology has developed from DC timing to AC variable frequency timing and its logic control-relay control also has been replaced by PLC.The article is based on the now-being general frequency converter,using PLC to control the elevator, the reliability is improved and the feeling of comfort is better through the reasonable selection and design, so the effect of control is more ideal. Elevator parts of the governors choice of high-performance vector control for the lift converter, use photoelectric encoder measurement Dray motor speed, a closed-loop vector control system. Part of the logic circuits to achieve by the PLC, PLC received a call from the scene, speed, floor and location, and other signals; sent a signal to the speed control system, including the speed signal, the doors of the motor switch signals the door, floor show that signal. Elevator a full course of the operation, is the motor from starting Dray, uniform running to slow down the process of stopping. PLC to receive calls from the operation panel and the call signal box ladder, Car and door systems function well, and the signal converter and the status of signal, the operator after the judgement and procedures to achieve the elevator control, PLC in output and control signals At the same time the issue of the direction of travel to the converter, start, speed up, slow down, the Brake stopped running and staircase signal.Key word： PLC Converter Elevator Dray Machine目 录第1章 绪 论11.1 电梯系统概述11.1.1 电梯的定义与特征11.1.2 电梯的分类11.2 可编程控制器PLC控制的电梯系统概述31.2.1 可编程控制器PLC控制电梯技术的发展31.2.2 可编程控制器PLC的组成41.2.3 可编程控制器PLC的工作过程61.2.4 可编程控制器控制电梯的特点61.2.5 可编程控制器控制电梯的优点7第2章 系统硬件选择82.1 电梯选型的注意事项82.2 曳引机构的选择92.3 变频器的选择112.3.1 变频器技术的发展112.3.2 变频器箱体结构的选择122.3.3 变频器功率的选择122.3.4 变频器容量的选择132.3.5 变频器的工作原理142.4传感器的选择15第3章 系统硬件设计183.1 系统控制电路设计183.2 系统保护电路设计213.3 系统信号电路设计293.3.1 层楼信号控制电路设计293.3.2 超载信号指示电路设计303.4 PLC主模块的的选择313.5 PLC的I/O分配343.6 PLC控制接线设计353.7 PLC扩展模块的设计373.8 PLC供电系统的设计373.9 系统原理图38第4章 系统软件设计414.1软件设计特点414.2系统流程图设计424.3系统梯形图设计45第5章 结论55参考文献56致谢57附 录58IV第1章 绪 论1.1 电梯系统概述电梯是伴随现代高层建筑物发展起来的重要垂直运输工具，是建筑物内的一种大型机电产品。它既有完备的机械专用设备，又有较复杂的驱动装置和电气控制系统。1.1.1 电梯的定义与特征1电梯的定义： 根据国家标准GBT7024.1一1997电梯、自功扶梯、自动人行道术语，电梯的定义为：服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构型式便于乘客出入或装卸货物。2电梯的特征(1)电梯是由电力来驱动的。(2)电梯是沿着垂直方向运行的一种提升设备。(3)轿厢要方便于乘客或承载货物。1.1.2 电梯的分类电梯按运行速度分为：（1）低速梯：速度V1m/s的电梯。（2）快速电梯：速度1.0m/sV2.0m/s的电梯。（3）高速电梯：速度V2.0m/s的电梯。电梯按拖动方式分为：（1）交流电梯：包括采用单速交流电机拖动、交流异步双速电机变极调速电机拖动（简称交流双速电梯；速度一般小于1.0m/s）；交流异步双绕组双速电机调压调速拖动的电梯（俗称ACVV拖动电梯）；交流异步单绕组单速电机调频调压调速拖动的电梯（俗称VVVVF拖动）。（2）直流电梯：包括采用直流发电机电机组拖动；直流晶闸管励磁拖动；晶闸管整流器供电的直流拖动，这在80年代中期前用在中、高档乘客电梯上，以后不再生产。电梯按控制方式分为：（1）手柄操纵控制电梯 由电梯司机操纵轿箱内的手柄开关，实行轿厢运行控制的电梯。 司机用手柄开关操纵电梯的启动、上、下和停层。在停靠站楼板上、下0.51m之内有平层区域，停站时司机只需在到达该区域时，将手柄扳回零位，电梯就会以慢速自动到达楼层停止。有手动开、关门和自动门两种，自动门电梯停层后，门将自动打开。手柄操作方式一般应用在低楼层的货梯控制。（2）按钮控制电梯 操作层门外侧按钮或轿厢内按钮，均可使轿厢停靠层站的控制。 1）轿内控制按钮箱安装在轿厢内，由司机进行操纵。电梯只接受轿内按钮的指令，厅门上的召唤按钮只能以燃亮轿厢内召唤指示灯的方式发出召唤信号，不能截停和操纵电梯，多用于客货两用梯。2）轿外按钮控制由安装在各楼层厅门口的按钮箱进行操作。操作内容通常为召唤电梯、指令运行方向和停靠楼层。电梯一旦接受了某一层的操作指令，在完成前不接受其他楼层的操作指令，一般用在杂物梯上。（3）信号控制电梯 将层门外上下召唤信号、轿厢内选层信号和其他专用信号加以综合分析判断，由电梯司机操纵控制轿厢的运行。 电梯除了具有自动平层和自动门功能外，还具有轿厢命令登记、厅外召唤登记、自动停层、顺向截停和自动换向等功能。这种电梯司机操作简单，只需将需要停站的楼层按钮逐一按下，再按下启动按钮，电梯就能自动关门启动运行，并按预先登记的楼层逐一自动停靠、自动关门。在这中间，司机只需操纵启动按钮。当一个方向的预先登记指令完成后，司机只需再按下启动按钮，电梯就能自动换向，执行另一个方向的预先登记指令。在运行中，电梯能被符合运行方向的厅外召唤信号截停。采用这种控制方式的常为住宅梯和客梯。（4）集选控制电梯 将各种信号加以综合分析，自动决定轿厢运行的无司机控制。 乘客在进入轿厢后，只需按一下楼层按钮，电梯在等到预定的停站时间时，便自动关门启动运行，并在运行中逐一登记各楼层召唤信号，对符合运行方向的召唤信号，逐一自动停靠应答，在完成全部顺向指令后，自动换向应答反向召唤信号。当无召唤信号后，电梯自动关门停机或自动驶回基站关门待命。当某一层有召唤信号时，再自动启动前往应答。由于是无司机操纵，轿厢需安装超载装置。采用这种控制方式的，常为宾馆、办公大楼的客梯。集选控制电梯一般都设有司机操纵转换开关。实行有司机操纵时，与信号控制电梯功能相同。 （5）群控电梯 对集中排列的多台电梯，公用层门外按钮，按规定程序的集中调度和控制，利用微机进行集中管理的电梯。（6）并联控制电梯 23台集中排列的电梯，公用层门外召唤信号，按规定顺序自动调度，确定其运行状态的控制，电梯本身具有自选功能。1.2 可编程控制器PLC控制的电梯系统概述电梯作为高层建筑不可缺少的运输工具，其使用已越来越广泛。电梯控制系统主要采用以下三种控制方式：继电器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高，控制方式不灵活及功率消耗大等特点，目前已逐渐被淘汰。微机控制系统虽然在智能控制方面有较大的功能，但也存在一定的不足之处，即抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，这些都限制了微机控制系统应用的广泛性。而PLC控制系统由于运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强等优越性，成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。1.2.1 可编程控制器PLC控制电梯技术的发展在早期的国产电梯控制系统中，电梯信号的逻辑控制一般是由继电器电路来实现的。电器控制电路虽然具有很多优点，如成本低、技术成熟，但存在着以下缺点：(1)继电器触点多、线路复杂。系统中少则几十个，多的有上百个继电器和接触器，这些触点在使用中容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障较多。(2)用一般的继电器控制电路很难实现较复杂的控制功能，控制管理水平较低、(3)电器的电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。(4)系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪声大。(5)由于线路复杂，易出故障，因而安装、调试、维修的工作量大、时间长、费用高。电梯的继电器控制系统故障率高，降低了电梯的运行可靠性和安全性。随着计算机技术的进步和计算机软硬件价格的下降。传统的继电器控制方式已由计算机控制方式所取代。PLC是一种用于自动化控制的专用计算机，它具有下列特点：(1)结构较简单，减少了数字运算部分，加强了直接控制需要的逻辑运算功能和计数、计时、步进等功能，从而使造价降低。(2)输入、输出接口标准化，输入输出信号均经过隔离、滤波处理，以增强系统的抗干扰能力PLC的平均故障间隔时间可达几十万小时，适于生产现场应用。(3)控制程序可固化在半导体存储器(ROM)中，不易丢失和损坏，而且更换方便。(4)编程器和控制器分离，编程器可以一机多用，大大降低了成本；编程器具有编程、现场调试、模拟运行、在线测试、故障检测、固化程序和打印程序等多种功能使用和维修都非常方便； (5)采用模块化结构，可根据系统的需要扩展，对简单或复杂的控制系统均可应用；有些还可通过现场总线与其它智能设备连接，构成计算机控制网络系统。 (6)程序编制简单，操作人员经过一段时间学习便可掌握。(7)体积小，功耗低，结构紧凑，接插件少，可靠性高，有停电保护数据和状态的功能。(8)设计、安装、维护简单，性能价格比高。综上所述，PLC是一种完备的通用控制设备，它能控制开关量、模拟量，具有可靠性高，抗干扰能力强，并具有完成逻辑判断、定时、计数、记亿和算术、运算等功能；可以取代以继电器为主的各种控制设备。因此在现代电梯控制系统中也大量采用了PLC。1.2.2 可编程控制器PLC的组成PLC的结构如图1.1所示。PLC由中央处理单元、存储器、输入输出接口电路和其它一些辅助电路组成。图1.1 PLC的结构图（1）中央处理单元(CPU) 是PLC的核心部分，它集成在一个芯片上，其中包括有控制电路、运算器和寄存器。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、输入输出(I/O)接口电路连接。也有些PLC的中央处理单元采用单片机，如MCS51系列单片机。（2）存储器是具有记亿功能的半导体电路，用来存储系统程序、用户程序及各种逻辑变量和信息。系统程序是由PLC的制造厂家在研制系统时确定的，它存储在只读存储器(ROM)中,完成系统诊断、指令解释、子程序调用管理、逻辑运算、通信等功能, 系统程序在PLC使用过程中是不改变的。用户程序是随PLC的应用对象而定的，它是用户根据使用环境和生产工艺的控制要求编与的，用户程序一般存于带后备电他的CMOS静态RAM、EPROM、EEPROM或Flash存储中。PLC工作中经常变化的数据一般存干RAM中。（3）PLC的输入电路可以接收现场的各种输入信号，如按钮、行程开关、限位开关、传感器输出的开关量和模拟量。为了防止干扰信号输入到PLC内，输入接口电路一般都具有光耦合电路和滤波电路。 (4)PLC是通过输出电路向被控(执行部件)对象输出控制信号的。被控器件有继电器、接触器、电动机等。输出电路一般由输出接口电路和功率放大电路组成。另外，PLC还有其它一些接口电路，如D/A从和A/D转换、与计算机连接的接口电路、打印机的接口电路等。1.2.3 可编程控制器PLC的工作过程PLC(programmer logic controller),即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程控制器的存储器，用来在其内部进行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和运算操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制机械的生产过程，PLC及其有关外围设备，都易于扩充功能原则设计。PLC工作过程是周期循环扫描的工作过程，如图1.2所示：PLC采用集中采样，集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。PLC工作过程分三阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。图 1.2 PLC扫描工作原理图1.2.4 可编程控制器控制电梯的特点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，以通用和专用 CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算与数据存储。（1）可靠性PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件，它的连线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。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。 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，一般不容易发生操作的错误。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。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，对存储器内容的保护等。PLC的软件方面，也采用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。（2）易操作性对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可以显示，更改程序的操作也可以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。 PLC具有多种程序设计语言可供使用。由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。 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，维修人员可以很快找到故障的部位。（3）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简单、易于拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。1.2.5 可编程控制器控制电梯的优点在电梯控制中采用PLC，用软件实现了对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。去掉了选层器和大部分继电器，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可以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;更改控制方案时不需要改动硬件接线。第2章 系统硬件选择2.1 电梯选型的注意事项电梯选型是电梯设计一个重要环节，应该谨慎。应考虑以下问题：一、决定输送能力的主要参数电梯数量、承载能力与额定速度电梯应具有适当的输送能力。输送能力能满足5分钟高峰期的乘梯要求，就可以认为电梯的选用是合理的电梯到达门厅的时间间隔不应太长。一般要求不应超过2-3分钟。简单的估算办法：电梯从底层直达顶层应不超过4560s。候梯时间与乘梯时间应尽量缩短。这是为了满足乘客的心理要求。比较能接受的限度是：候梯时间不超过30s，乘梯时间不超过90s。 目前值得注意的是盲目追求电梯速度的倾向。高速电梯不一定会缩短乘梯时间，提高输送效率。实际上还要考虑楼房高度、停层站数及调度技术，对于不太高且停站数较多的建筑物，高速电梯一般只能在中、低速运行，而高速梯和中速梯停层的开关门时间及乘客出入时间无甚差别。为了提高电梯运行效率，减少乘客乘梯时间，近年来出现了直接停靠、提前开门、快速关门等新技术。直接停靠是在运行曲线中取消了低速平层段，电梯从额定速度按一定减速度减到零速，此时正好是平层位置。如有微小偏差，可用“再平层”的技术予以调整；提前开门是指轿厢还未达到零速即未完全平层的一小段安全距离之内开门机开始动作，待轿厢完全准确平层时门已基本打开；快速关门是指满足最大阻止关门力和门最大动能限制的前提下提高关门平均速度，从而缩短关门时间。这些措施在每个停站的平层及开关门过程中节省的时间看似不多，但许多层站累计起来其效果比单纯提高电梯速度要好得多。二、需要着重考虑的技术性能可靠性、先进性与舒适性所谓可靠性是指电梯系统在规定的时间内保持规定功能的能力，是建立在大量统计数据基础上的概率概念。我们对电梯的可靠性要求，是指在运行时间里故障要尽可能少，并且一旦出现故障要能很容易排除。而影响到人身安全的环节如安全钳、限速器、安全触板、光栅门区保护系统等要绝对不能失灵。电梯的先进性目前主要体现在拖动与控制技术方面，随着电力电子技术与计算机技术的发展出现了根本性的进步，矢量控制的调频调压调速技术（VVVF）使交流异步电机的调速性能达到了直流电机的水平，使用计算机的逻辑控制系统正在取代继电器并使电梯的控制功能不断增加，网络控制和模糊控制理论的应用又使电梯调度控制向智能化方向发展。舒适感主要指电梯的加速度、振动、噪声、装璜、照明等指标，其目的是给乘客提供一个尽量舒适的乘梯环境。早期舒适感要求主要是把超重与失重感、烦噪与焦虑感等控制在乘客能忍受的范围之内；现代的舒适感则追求使乘客不但在生理上而且在心理上把乘坐电梯当成为“上上下下的享受”。在电梯选型时显然可靠性是最重要的指标。国标GB10058中规定：电梯运行6万次故障少于5次为合格品，少于2次为一等品，少于1次为优等品，并且在附录B中对故障作了定义。目前应当引起注意的除对可靠性的忽视倾向之外，还有一个值得重视的倾向是过份追求舒适感。一些项目在电梯选型时刻意体察电梯的轻微振动、噪声以及装璜的“美感效果”，对其他技术问题关心甚少，最终造成了选型失误，这种事例可以说屡见不鲜。三、拖动控制方式交流双速、调压调速与调频调速电梯停层时梯速为零。正常运行时以额定速度作匀速直线运动。在零速与额定速度之间则作加速或减速过渡，对这一段时间里电机转速的控制叫作调速。在轿厢作加速或减速运动时，乘客会出现超重与失重。普通人对超重和失重的承受能力是很有限的，我国国标GB10058规定了a值不得大于1.5m/s2。另外，如果加速度总在波动，乘客就会有颠簸的感觉，甚至出现眩晕。这就要求加速度变化率尽可能减小。直流电机具有良好的调速性能，但直流电机用集电环供电，维修工作量较大。交流异步电机结构简单，工作可靠，随着计算机与电力电子技术的发展，用不同的调速方式满足了不同电梯的需要。低速电梯常采用交流双速（AC-2）方案，控制环节少，故障概率低。主要缺点是平层准确度和乘坐舒适感很难两全。中速电梯多采用调压调速（ACVV）技术。这种调速方式用改变电压的方式改变电机的转矩，通过对电机转矩与负载力矩之间差值的调整，控制电机正、负角加速度，并用全闭环的控制方式使电梯在受控的速度和加速度下运行，目前已成为国产电梯的主导产品。近十年来出现了调频调压调速（VVVF）的新技术。这种调速技术发展很快，其调速性能已完全可与直流电机相媲美。除了具有良好的舒适感之外，平层准确度也大为提高，而且具有明显的节能效果。2.2 曳引机构的选择曳引式提升机构是世界上电梯行业广泛采用的提升形式。在曳引式提升机构中，钢丝绳悬挂在曳引轮上，其一端与轿厢连接，另一端与对重连接(平衡重)。曳引轮转动时，使曳引钢丝绳与曳引轮之间产生摩擦力，从而带动电梯轿厢上、下升降。目前电梯生产中常见的最基本的曳引传动结构如图2.1所示。其结构最为简单，应用也最为广泛，因此本设计采用此种曳引传动结构进行设计。图2.1 曳引传动结构图曳引系统的功能是输出与传递动力，使电梯运行。 曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、电磁制动器等组成。 （1）曳引机：它是电梯的动力源，由电机、曳引轮等组成。以电机与曳引轮之间有无减速箱曳引机又可分为无齿曳引机和有齿曳引机。 无齿曳引机由电机直接驱动曳引轮，一般以直流电机为动力。由于无减速箱为中间传递环节，它具有传动效率高、噪声小、传动平稳等优点。但存在体积大造价高等缺点，一般用于2m/s以上的高速电梯。 有齿曳引机的减速箱具有降低电机输出转速，提高输出力矩的作用。减速箱多采用蜗轮蜗杆传动减速，其特点是启动传动平稳、噪声小，运行停止时根据蜗杆头数不同起到不同程度的自锁作用。有齿曳引机一般用在速度不大于2m/s的电梯上。配用的电机多为交流机。曳引机安装在机房中的承重梁上。 曳引轮是曳引机的工作部分，安装在曳引机的主轴上，轮缘上开有若干条绳槽，利用两端悬挂重物的钢丝绳与曳引轮槽间的静摩擦力，提高电梯上升、下降的牵引力。（2）曳引钢丝绳：连接轿厢和对重（也称平衡重），靠与曳引轮间的摩擦力来传递动力，驱动轿厢升降。钢丝绳一般有46根，其常见的绕绳方式有半绕式和全绕式。（3）导向轮：因为电梯轿厢尺寸一般比较大，轿厢悬挂中心和对重悬挂中心之间距离往往大于设计上所允许的曳引轮直径，所以要设置导向轮，使轿厢和对重相对运行时不互相碰撞，安装在承重梁下部。（4）电磁制动器：是曳引机的制动用抱闸，由制动电磁铁、制动臂、制动瓦块等组成。当电机通电时松闸，电机断电时将闸抱紧，将曳引机制动停止。制动电磁铁一般采用结构简单、噪声小的直流电磁铁。电磁制动器安装在电机轴与减速器相连的制动轮处。2.3 变频器的选择变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。2.3.1 变频器技术的发展变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。 随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗如何。这里仅以量大面广的交直交变频器为例，阐述它的发展趋势： (1) 高性能。如果说过去国产的通用变频器主要是压频控制，那么，今天的不少品牌变频器已提升到矢量控制及转矩控制；如果说前几年国产高压变频可靠性还不高，那么今天已研制出同国外相差不大的品牌。不少厂家通用变频器总的来说都在追求高可靠性，高转矩，高精度，低谐波。 (2) 模块化。通用变频器已有向模块化发展的趋势，即高性能的电机驱动模块（通用变频器）十功能模块（如注塑机卡、张力卡等）十专用模块（如电梯、拉丝机、卷染机等）。这样，有特殊功能和特殊需求时，不必加许多外围部件，插一个功能卡或专用卡即可，简单而降低成本。 (3) 专用化。国外的变频器早已有许多专用型的，但价格昂贵，如电梯专用、车床专用、造纸机专用、化纤生产线专用等。近20年来我们中国人对变频器应用的一大贡献就是把通用变频器通过一些智能控制单元，廉价的用到转炉、起重机、机床、纺丝机、造纸生产线、印染设备及高架旅运车等，近年又出现了专用变频器，如注塑机专用变频器、抽油机专用变频器、潜油电泵专用变频系统等产品，这些都是一些国外大公司没有的。我们填补了国际上的空白。 (4) 功能多。通用型变频器装备了许多适用的功能：频率跳跃功能。风机等负荷在其振点电流突然增大，变频器具有跳过该频率点的功能。瞬时停电再启动功能。受闪电等影响瞬时停电，变频器具有电动机在任何状态下再启动功能、不必使电机的转速为0。记忆功能。可以记忆系统的运行状态、运行时间、跳闸时的详细数据等。通信功能。具有010V，420mA、RS485等通信接口及通信协议。2.3.2 变频器箱体结构的选择变频器的箱体结构要与条件相适应,必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。有下列几种常见结构: (1) 敞开型IP00型。本身无机箱,可装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上,尤其适于多台变频器集中使用时选用,但环境条件要求较高。 (2)封闭型IP20 型。适于一般用途,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合。 (3)密封型IP45 型。适于工业现场条件较差的环境。 (4)密闭型IP65 型。适于环境条件差,有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。2.3.3 变频器功率的选择变频器负载率与效率的关系为:当= 50%时,= 94%;当= 100%时,= 96%。虽然增一倍,变化仅2%,但对中大功率(几百千瓦至几千千瓦) 电动机而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积。从效率角度出发,在选用变频器功率时,要注意以下几点。(1)变频器功率与电动机功率相当时为最合适,以利于变频器在高效率状态下运转。(2)在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时,则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率,并且应略大于电动机的功率。(3)当电动机属频繁启动、制动工作或处于重载启动且较频繁时,可选取大一级的变频器,以利于变频器长期、安全地运行。(4)经测试,电动机实际功率确实有富余,可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器,但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。(5) 当变频器与电动机功率不相同时,则必须相应调整节能程序的设置,以利于达到较高的节能效果。2.3.4 变频器容量的选择变频器的容量可根据曳引电动机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行选取。设电梯曳引电动机功率为P，电梯运行速度为v，电梯自重为W，电梯载重为W，配重为W，重力加速度为g，则 P=v（W W W）gF (2-1)式中,F=K(W WW)g ，K=0.04 。W=2000kg ，W=1000kg ，W=2400kg ，g=9.8m/s,v=1.6m/s 。则P=1.6(6009.82116.8)W=12.79KW , 确定曳引电动机功率后,则可选定变频器的容量。拖动电动机采用国产CVF160L4电梯专用变频电动机,其功率15KW , 额定电压380V ,Y形接法,转速1450r/min。与变频电动机配套，选用华为TD31004T0150E电梯专用变频器。变频器额定容量21KW,额定电压380V，三相交流供电，额定输出电流32A，适配电动机15KW。该变频器综合了国内外多种电梯专用变频器的特点。该变频器用于电梯拖动的接线如图2.2所示。图2.2 变频器接线图采用DPSMCU结构和先进的模块化设计，调速范围为1.504.00m/s。通过变频器的智能化自学习功能，在井道内准确地测出每层站的距离（脉冲数），并将其记忆在变频器中。虽然不在井道中设置减速感应器，却能准确地确定每层的减速点，提高了运行控制精度。在传统的减速控制基础上，增加了灵活的加速度曲线设定计算功能，在保证电梯舒适感的同时，大大简化了逻辑控制系统中对电梯速度的控制。加速度曲线如图2.3所示。通过调节减速时间参数可调节电梯的平层精度。图2.3 加速度曲线变频器的接线及功能：变频器的上下行驶信号及高低速信号由PLC的输出触点进行控制。当Y4闭合时，电梯上行，Y5闭合时电梯下行；利用Y6，Y7的通断状态控制电梯的运行速度。另外在变频器内部可通过参数设置，决定电梯的加减速曲线、加减速时间、各种运行速度、过流过载保护和电流、速度、频率显示功能。2.3.5 变频器的工作原理变频器实现VVVF变压变频调速有两种方式：交-交变频系统,交-直-交变频系统，交-直-交系统是较常用的而且是系统是使用的型式，下面就以它为例说明变频器工作原理。变频器的主要组成部分有：整流器、滤波器、逆变器，控制部分，如图2.4所示。图2.4 变频器原理图整流器是晶闸管三相桥式电路，它的作用是将定频定压交流电变换为可调的直接电流电。然后作为逆变器的直流供电电源。逆变器也是晶闸管三相桥式电路，但它的作用与整流器相反，它将直流电变换为可调频率的交流电。它是变频器的关键所在。中间滤波环节由电容器或电抗器组成，它的作用是对整直后的电压或电流进行滤波，根据中间的滤波方法不同，又可分为两种形式：用电容滤波为电压型，其特点是电源阻抗小，类似于电压源，逆变输出的电压波型为较平的矩形波；采用电感滤波为电流型，其特点是电源阻抗大，类似电流源，逆变输出的电流波形为一较平直的矩形波，电压波形为正弦波，控制部分提供一定的控制整流器和逆变器的运行状态，以实现f,v的协调变化。对于交-直-交系统，变频是由变频器完成的，而变压有多种方式，如自耦变压、直流调压、斩波等，其中PWM脉宽调制型变压，使变频变压都在变频器上进行，使变频器的功率变换级为两个，控制级变为一个，可提高功率因数，又可改善输出波形，成为变频器的重要发展方向。2.4传感器的选择为了人员和货物以及电梯本身的安全，国家标准GB7588电梯制造与安装安全规范为防止电梯超载运行制定了严格要求。除了轿厢的有效面积要求予以限制外，第14.2.5条规定：在轿厢超载时，电梯上的一个装置应防止电梯正常启动及再平层；超载是指超过额定载荷的10，并至少为75kg。在电梯超载的时候，本设计1000kg的电梯，设定载荷大于1075kg时为超载，在电梯内装载1075kg的载荷，这样当载荷大于1075kg的时候，传感器输出高电平信号。进而断开关门继电器防止了电梯正常启动及再平层。目前测量载重的传感器比较多，有压敏电阻式、电涡流式、电容式等等。这些传感器的特点是电路设计复杂，安装操作麻烦，随着测量量程的增加，体积也会相应增大。并且大多数传感器测量时需要与被测物体相接触，比较容易磨损，一旦接触表面不均匀，则灵敏度会下降很多，大大限制了传感器的使用寿命。因此本设计采用一种新的，基于霍尔效应的非接触式霍尔传感器，作为电梯智能传感器，实现电梯载荷量的远距离传送。在传输方式上采用现今比较流行的电源线载波通讯，通过双音多频(DTMF)信号发生器，将传输数据转换成双音多频信号，并耦合入电源线进行远距离数据传输。霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于霍尔磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化成为线性的电压信号输出。根据霍尔效应原理，如果垂直作用于元件平面的磁感应强度为B，通过元件的电流为I，则无负荷时产生的霍尔电压如下式所示： V=fkIB (2-2)式中 k元件的灵敏度（V/AT）；I通过元件的电流（A）；B磁感应强度（T）；f形状系数，由元件的形状和霍尔角所决定，一般小于1。由上式看出，霍尔电压VH的大小与电流I和磁感应强度B的乘积成正比关系，并与元件的灵敏度有关。若使控制电流I固定，则VH与B成比例变化。当霍尔传感器在一个均匀梯度磁场中移动时，元件所输出的电压变化就能反映出位移的情况。 霍尔传感器在应用于电梯称重变送装置时，将集成了线性霍尔传感器的整个变送装置固定在活络轿厢的底部，并在轿厢底部放置一块永久磁体。当人进入轿厢内时，轿厢底部因受重而产生形变，磁体和霍尔传感器之间产生位移，引起霍尔传感器感应的磁场磁通量变化，从而产生相应的线性电压输出，进而获得载重、位移与电压的对应关系。输出的电压经过差分放大得出需要采集的量。如果轿厢底部的橡胶的压缩位移为3mm10mm，称重变送装置可对5kg的载荷变化量做出反应。 霍尔传感器与永久磁体间的距离对传感器的灵敏度、线性度与量程都有很大影响，若霍尔传感器与永久磁体距离很近，则该处的磁场强度很大，传感器容易饱和，线性度差，量程小；若霍尔传感器与永久磁体距离太远，则磁场很弱，霍尔传感器感应不到磁场，灵敏度降低，因此称重变送装置安装时必须确定永久磁体与称重变送装置间的最佳距离。在实际应用中，电梯空载时保持称重变送装置与磁体间距在19mm22mm左右最为理想。为了使安装满足上述要求，利用CPU控制双色发光二极管作为提示灯，当称重变送装置与永久磁体间的距离到达最佳距离的误差范围(0.1mm)内时，提示灯交替闪烁，此时固定称重变送装置，完成安装。 实际安装中需要注意的是，应尽可能将变送装置安装在靠近轿底中心部位，并将其安装在电梯轿底承重梁上，感应磁体吸附在活动轿底，且标志面正对传感器感应点，并使轿底磁体对准传感器上端面中心点，同时必须保证本装置上端面与磁体端面相互平行。实际调试时，由于永久磁体所固定的活动轿底为导磁材料，磁体吸附在其表面后，磁感应强度会有所增强，所以一切数据应以现场测试所得为准。第3章 系统硬件设计3.1 系统控制电路设计本控制系统是采用变频器和PLC组成的变频调速电梯控制系统，电气控制硬件框图如图3.1所示。图3.1 控制系统硬件原理框图系统由曳引电动机、门电动机、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电梯专用变频器，利用光电编码器测量曳引电动机的转速，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、楼层和位置等信号；发出信号包括给调速系统的速度信号、门电机的开关门信号，楼层显示信号。该硬件电路具有设计简单、工作可靠等优点。电梯一次完整的运行过程，就是曳引电动机从起动、匀速运行到减速停车的过程。PLC接收来自操作面板和呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号 ，经程序判断与运算后实现电梯的集选控制，PLC在输出显示和监控信号的同时向变频器发出运行方向、启动、加速、减速、运行和制动停梯信号。具有PG反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的值取决于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。 旋转编码器与主电动机同轴连接，通过PG卡(又名编码器连接板)对电动机测速和反馈电梯的位置 。旋转编码器与电动机同轴连接，产生A、B两相脉冲。当A相脉冲超前于B相脉冲90度时，认为电动机处于正转状态;当A相脉冲滞后于B相脉冲90度时，认为电动机处于反转状态。根据A、B相脉冲的相序，可判断电动机的转向。根据A、B脉冲的频率(或周期)可测得电动机的转速。若以A、B相脉冲的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。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变频器，以便进行运算调节。曳引电动机正转(或反转)控制及高速控制信号有效时，电动机开始从0Hz到50Hz开始起动，起动时间在3S左右，然后维持50Hz的速度一直运行，完成起动及运行段的工作。当轿厢到达各楼层计数点时，楼层数加1或减1。为防止计数脉冲高电平期间反复计数，采用楼层计数信号上升沿触发楼层计数。用PLC的高速计数器对PG卡的输出脉冲进行计数，当高速计数器的计数值与换速点对应的脉冲数相等时，且目的层有有效的选层信号或呼梯信号，则发出换速信号，电梯转入爬行阶段。当换速信号到来后，PLC撤消高速信号，同时输出爬行信号，此时爬行的输出频率为6Hz。从50Hz到6Hz的减速过程在3S之内完成，当达到6Hz速度时电梯停止减速，并以此速度爬行。当高速计数器的计数值与平层点的计数脉冲相等时发出平层信号。当平层信号到来后，PLC撤消爬行信号，同时发出停梯信号，此时电动机从6Hz减速到0Hz，电梯停梯。电梯的控制从性质上可分为两个方面：一是电梯的拖动系统的控制，它是以速度给定曲线为依据，利用模拟或数字控制装置，根据曳引电动机的不同调速方式构成闭环或开环的速度控制系统；另一个是电梯的逻辑控制，也称电梯的操纵，它主要是对电梯的空间距离、位置、时间、起停等逻辑关系进行综合处理，其性能决定着电梯的自动化程度。对于不同类型的电梯，对它的逻辑控制线路有不同的要求，但对电气控制系统的基本要求是相同的。电梯的逻辑控制一般必须具有以下基本功能。1电梯自动开、关门控制 为了实现自功开、关门。电梯对自动开、关机构(或称自动门机系统)的功能有确定的要求。同时，为了减少开、关门的噪声和时间，往往要求门机系统进行速度调节。2电梯的内、外呼梯控制 电梯的运行目的是把乘客运送至目的层站，它是通过揿按轿厢内操纵盘上的选层按钮来实现的，通常称这样的选层按钮信号为“轿内呼梯”信号或称“轿内指令”信号。同样，各个层站的乘客为使电梯能到达所呼叫的层站，必须通过该层站电梯厅门旁的呼梯按钮盒上的上、下两个按钮发出该层站呼叫电梯的信号，通常简称“外呼梯”信号，内、外呼梯信号的作用是使电梯按要求而运行。另一方面由于这两个信号也是位置信号其在控制系统中的作用是与电梯的位置信号进行比较，从而决定出电梯的运行方向上行或是下行、因此，必须对它们进行登记、记忆和消除。 3电梯的运行方向控制 各类电梯运行的充分必要条件之一是要有确定的电梯运行方向，因此，在电梯中，确定运行方向的控制环节(简称定向环节)在所有电梯的控制系统中也与电梯的自动开关门控制环节一样，是一个至关重要的控制环节。所谓电梯的运行方向控制环节，是根据电梯轿厢内乘客欲往层站的位置信号或各层站大厅乘客的召唤信号与电梯所处层楼的位置信号进行比较和判断的。凡是存在电梯现行位置上方向的轿内或大厅召唤信号，则电梯定上行方向；反之，则定下行方向。4电梯的制动减速控制 当电梯将到达目的层站前方的一定距离位置时，必须让电梯制动减速，并使电梯的运行速度尽可能地降低，以至等于零。只有这样，才能保证电梯的平层精确度。所以在电梯控制系统中，电梯的制动减速信号是一个非常重要的控制信号。电梯的制动减速信号是一个位置信号，由电梯的速度和拖动系统的特性所决定。对于一个已确定的拖动系统，则其制动减速距离的大小也已确定：减速控制要完成的任务是在已确定的位置发出减速信号。5平层停车控制 电气控制系统完成了电梯拖动系统的制动减速过程以后。就进入了自动平层停车的阶段，适时而准确地发出平层停车信号，从而使电梯准确地停在目的层楼平面上。自动平层停车信号一般由向上平层和向下平层停车磁感应器或双稳态磁开关产生。各类电梯轿厢平层准确度应达到表3.1的规定值。表3.1电梯轿厢平层准确度电梯种类等级合格品一等品优等品交流双速V0.63m/s151210交流双速V1.00m/s302015交、直流双速V2.50m/s151056选层、定向功能 当电梯接受到若干个轿内、厅外指令时，能根据电梯目前的状态选择最合理的运行方向停靠层站。7指示功能 能在各层厅站及轿厢内指示电梯当前的所在位置，并能在某按钮信号被响应时，消去其记忆。8保护功能 当电梯出现异常情况，如超速、断绳、越限、运行中开门、过载等现象时，控制电梯停止或不能开动。9电梯检修运行控制 应有检修开关、检修主令元件，便于检修人员在机房、轿顶或轿内独立控制电梯，以检修方式运行。其控制线路的设计必须符合国家标准GB75881995电梯制造与安装安全规范中的有关要求。 根据电梯的运行特点，对电梯控制系统有以下要求： (1)安全可靠。电梯性能的一个重要指标就是它的安全控制系统是否完善可靠。电气安全装置与机械安全装置共同构成了电梯的安全保护系统。电梯运行必须安全可靠。国家标准规定。整机可靠性检验为交付使用后的电梯，起制动运行60000次中发生失效(故障)的次数，合格品5次，一等品2次，优等品 1次。电梯每次失效(故障)允许的修复时间不得超过1h。(2)噪声、震动小，起、制动平稳，乘坐舒适。电梯在运行中。控制线路的各元器件噪和震动小，能适应频繁起动、停止、调速及换向工作的要求，能适应在较大范围内变动的提升载荷，能重载起动，加、减速和等速运行平稳，速度曲线平滑。3.2 系统保护电路设计如果电梯系统发生故障，为了避免人员伤亡，电梯设计时都会装有一些保护装置，电梯安全保护装置系统的主要动作关系如图3.2所示。图3.2 电梯安全保护装置系统的主要动作关系电梯的安全性是设计师的首要任务，也是乘客最为关心的，故有许多保护装置。如超速保护装置、缓冲装置等其他安全保护装置。一、超速保护装置电梯在运行中，一旦超速或失控，将会带来无法估量的损害，为了确保电梯的安全运行，必须加装限速器和安全钳。限速器的作用是当电梯轿厢的运行速度达到限定值时，能发出信号切断电源，并以机械动作操纵安全钳。安全钳在限速器的作用下，将轿厢或对重强行制停在导轨上。当电梯的电气系统失灵，轿厢冲顶或蹲底时，除限速器和安全钳外终端超越保护装置将最后发挥作用迫使电梯停驶。1 限速装置限速装置由限速器、钢丝绳、张紧装置三部分组成。限速器一般安装在机房内。张紧装置位于井道底坑。用压导板固定在导轨上。钢丝绳把限速器和张紧装量连接起来。钢丝绳的两端分别绕过限速器和张紧装置的绳轮，并固定在轿架上梁安全钳的绳头板上。电梯的运行速度是通过钢丝绳反映到限速器转速上的，而张紧装置则保证了钢丝绳与限速器之间有足够的摩擦力。当电梯运行时，电梯的垂直运动转化为限速器甩锤或甩轮的旋转。当其旋转速度达到额定速度的115时，限速器就会切断控制电路，并使安全钳动作。对于装有超速开关的限速器，当速度超越极限时，超速开关首先动作，切断电源，使曳引机电磁制动器失电制动。若制动失败，电梯继续下行，限速器就会卡住钢丝绳，迫使安全钳动作，将电梯强行制停在导轨上。没有超速开关的限速器，当轿厢速度超越极限时，限速器就强迫安全钳动作，切断控制电源，将电梯强行制停在导轨上。限速器分摆锤式和离心式两种。离心式限速器使用较多，它是通过旋转所产生的离心力来反映电梯实际速度的。在离心式限