六層電梯控變頻控制課程設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電梯是垂直方向的運輸設備，是高層建筑中不可缺少的交通運輸設備。它靠電力，拖動一個可以載人或物的轎廂，在建筑的井道內導軌上做垂直升降運動，在人們生活中起著舉足輕重的作用。而控制電梯運行的PLC系統(tǒng)也要求越來越高，要求達到電梯運行的“穩(wěn)、準、快”的運行目的。該系統(tǒng)主要由PLC、邏輯控制電路組成。其中包括交流異步電動機、繼電器、接觸

2、器、行程開關、按鈕、發(fā)光指示器和變頻器組成為一體的控制系統(tǒng)。本機控制單元采用以西門子的可編程控制器PLC對機器進行全過程控制。而要想電梯能穩(wěn)定可靠的運行，就需要一套精準的控制系統(tǒng)。電梯的控制系統(tǒng)有很多種類，常見的有微機控制和PLC控制。研究目的是實現(xiàn)PLC對實際機械系統(tǒng)的控制，拖動系統(tǒng)采用通用變頻器實現(xiàn)對雙速三相異步電動機的控制。</p><p>　　關鍵詞 電梯；控制系統(tǒng)；變頻器；PLC</p>

3、<p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1 電梯的概述</p><p>　　1.1.1 電梯的概念</p><p>　　電梯是服務于規(guī)定樓層，運行在至少兩列垂直的或傾斜角小于15°的剛性導軌之間的固定式升降設備。</p><p>　　廣義的電梯概念包括載人（貨）電梯、自動扶

4、梯、自動人行道等，是指動力驅動，利用沿剛性導軌運行的箱體或者沿固定線路運動的梯級（踏步），進行升降或者平行運送人或者貨物的機電設備。</p><p>　　狹義的電梯是指服務于規(guī)定樓層、有轎廂的垂直升降設備，不包括自動扶梯、自動人行道。自動扶梯是帶有循環(huán)運行梯級，用于向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅動設備。自動人行道是帶有循環(huán)運行式走道，用于水平或微傾斜的輸送乘客的固定電力驅動設備。</p><

5、;p>　　1.1.2 電梯的分類</p><p>　　按用途分類：乘客電梯、載貨電梯、病床電梯、雜物電梯、服務電梯、住宅電梯、特種電梯。</p><p>　　按驅動方式類：交流電梯，直流電梯、液壓電梯、齒輪齒條電梯、直線電機驅動的電梯。</p><p><b>　　按速度分類：</b></p><p>　　低速電

6、梯（速度不大于1.75m/s）</p><p>　　中速電梯(速度大于1.75m/s小于或等于2.5m/s)</p><p>　　高速電梯(速度大于2.5m/s小于或等于6m/s)</p><p>　　超高速電梯(速度大于6m/s) </p><p><b>　　按有無減速器分類：</b></p><

7、p>　　有減速器的電梯：常用于梯速為2.0m/s以下的電梯</p><p>　　無減速器的電梯：常用于梯速為2.0m/s以上的電梯</p><p>　　按有無司機分類：有司機電梯、無司機電梯、有/無司機電梯。</p><p>　　按控制方式分類：手柄操縱控制電梯、按鈕控制電梯、信號控制電梯、并聯(lián)控制電梯、群控電梯、微機控制電梯。</p><

8、p>　　1.12 電梯的工作原理</p><p>　　一部電梯主要由轎廂、配重、曳引機、控制柜/箱、導軌等主要部件組成。電梯在做垂直運行的過程中，有起點站也有終點站。對于三層以上建筑物內的電梯，起點站和終點站之間還設有?？空?。起點站設在一樓，終點站設在最高樓。各站的廳外設有召喚箱，箱上設置有供乘用人員召喚電梯用的召喚按鈕。一般電梯在起點站和終點站上各設置一個按鈕，中間層站的召喚箱上各設置兩個按鈕。而電梯的

9、轎廂內都設置有（雜物電梯除外）操縱箱，操縱箱上設置有手柄開關或與層站對應的按鈕，供司機或乘用人員控制電梯上下運行。召喚箱上的按鈕稱外召喚按鈕，操縱箱上的按鈕稱指令按鈕。</p><p>　　電梯的運行工作情況和汽車有共同之處，而電梯的自動化程度比較高，一般電梯的司機或乘用人員只需通過操縱箱上的按鈕向電氣控制系統(tǒng)下達一個指令信號，電梯就能自動關門、定向、起動、在預定的層站平層?？块_門。對于自動化程度高的電梯，司機或

10、乘用人員一次還可下達一個以上的指令信號，電梯便能依次起動和停靠，依次完成全部指令任務。</p><p>　　盡管電梯和汽車在運算工作過程中有許多不同的地方，但仍有許多共同之處，其中乘客電梯的運行工作情況類似公共汽車，在起點站和終點站之間往返運行，在運行方向前方的?？空旧嫌许樝虻闹噶钚盘枙r，電梯到站能自動平層?？块_門接乘客。而載貨電梯的運行工作情況則類似卡車，執(zhí)行任務為一次性的，司機或乘用人員控制電梯上下運行時一般

11、一次只能下達一個指令任務，當一個指令任務完成后才能再下達另一個指令任務。在執(zhí)行任務的過程中，從一個層站出發(fā)到另一個層站時，假若中間層站出現(xiàn)順向指令信號，一般都不能自動?？浚暂d貨電梯的自動化程度比乘客電梯低。</p><p>　　本設計主要研究六層六站的電梯控制系統(tǒng)，分述其硬件設計和軟件設計過程。 設計程序要求完成電梯控制系統(tǒng)主要達到以下要求：</p><p>　　電動機額定功率為7.5

12、kW的3相異步電動機：額定電壓400VAC；額定電流15.3A，額定功率7.5kW,額定轉速1455r/min；額定功率因數(shù)0.82，額定效率0.9。</p><p>　　采用兩個固定頻率，50HZ對應1m/s 速度，6HZ的速度用于減速停車。</p><p>　　起動和制動斜坡積分時間設定為3秒，其中含有0.7秒的平滑積分時間。</p><p>　　變頻器采用遠方

13、控制方式。</p><p>　　變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。</p><p><b>　　變頻器的報警處理。</b></p><p>　　2 電梯變頻調速控制系統(tǒng)</p><p>　　2.1 變頻調速電梯系統(tǒng)運行原理</p><p>　　電力電網送來的380V動力電源變

14、為可控的直流電，經變頻器轉變?yōu)榭烧{的頻率可變的變頻變壓三相正弦交流電，驅動電動機平穩(wěn)運行。若配置交流變頻曳引機效果更佳，成本亦低。當電梯檢修時，PLC向變頻器發(fā)出方向和檢修運行信號，系統(tǒng)按預先編好的速度指令使電梯轎廂作上、下慢速運行。變頻器內部帶電流反饋和速度反饋。電梯的速度總是跟隨理想曲線的變化而變化的。</p><p><b>　　2.2 變頻器</b></p><

15、p>　　2.2.1 變頻調速原理</p><p>　　由電機學原理可知三相異步電動機的轉速可由下式表示：</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p>　　式中：f為電機的電源頻率，p為電動機定子繞組的極對數(shù)，s為轉差率 從上式可看出，在極對數(shù)P和轉差率不變的情況下，轉速n與電機電源的頻率f成正比，改變電動機的頻率f就

16、可以改變電動機的轉速，從而實現(xiàn)電梯的零速起動。</p><p>　　2.2.2 變頻器組成、工作原理及其分類</p><p>　　變頻器組成及工作原理</p><p>　　變頻器通常由主電路、控制電路和保護電路組成。主電路如圖2.1所示。主電路包括整流器、逆變器和中間直流環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖2.1 變頻器主電路圖</p&g

17、t;<p>　　其整流電路采用的是不可控的二極管整流電路，而變頻器的輸出頻率和輸出電壓均由逆變器按PWM方式來完成。利用參考電壓波與載頻三角波互相比較來決定開關器件的導通時間，從而實現(xiàn)調壓。</p><p>　　逆變器又稱負載變流器，最常見的結構形式是利用6個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中的主開關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。</p>&

18、lt;p>　　中間直流環(huán)節(jié)。由于逆變器的負載是異步電動機，屬于感性負載，故在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。此無功功率要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容或電抗）來緩沖，故又稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　變頻器的類型</b></p><p>　　按電源的性質來分：電壓型變頻器，電流型變頻器</p><

19、;p>　　按輸出電壓調節(jié)方式分：PAM方式，PWM方式，高載波變頻率PWM方式</p><p>　　按控制方式分：U/f控制，轉差頻率控制，矢量控制</p><p>　　按電壓等級分：低壓變頻器，高壓大容量變頻器</p><p>　　按用途分：通用變頻器，高性能專用變頻器，高頻變頻器，小型變頻器</p><p>　　選擇MM420變頻器

20、進行控制。變頻器與PLC采用USS通訊方式，通過速度反饋構成閉環(huán)實現(xiàn)電梯的無級調速及準確定位。對變頻器按要求所給電機參數(shù)進行快速調試，快速調試后對變頻器進行其他參數(shù)。</p><p>　　變頻器快速調試設置如下表：</p><p>　　表2.1 變頻器設置</p><p>　　設置以上參數(shù)的方法，詳見變頻器使用手冊。其它參數(shù)根據(jù)控制方式參考手冊設置。</p&

21、gt;<p>　　3 電梯電氣控制系統(tǒng)</p><p>　　3.1 PLC及其在電梯控制中的應用特點</p><p>　　3.1.1 PLC定義及其特點</p><p>　　PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計算機，實質上屬于計算機控制方式。PLC與普通微機一樣，以通用或專用CPU作為字處理器，實現(xiàn)通道(字)的運算和數(shù)據(jù)存儲，另外還有位處理器(

22、布爾處理器)，進行點(位)運算與控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、維修、編程簡單、靈活性強等特點。</p><p>　　可靠性:對可維修的產品，可靠性包括產品的有效性和可維修性。</p><p>　　PLC不需要大量的活動元件和接線電子元件，它的接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短。</p><p>　　PLC采用了一系列可靠性設計的方法進行設

23、計，例如，冗余設計，斷電保護，故障診斷和信息保護及恢復等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。</p><p>　　PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不易發(fā)生操作的錯誤。</p><p>　　PLC是為工業(yè)生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低，而為工業(yè)

24、惡劣操作環(huán)境設計的硬件使可靠性大大提高。</p><p>　　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:采用先進的工藝制造流水線制造;對干擾的屏蔽、隔離和濾波等;對電源的斷電保護;對存儲器內容的保護等。</p><p>　　PLC的軟件方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措施。例如，采用軟件濾波;軟件自診斷;簡化編程語言等。</p><p

25、>　　易操作性，PLC的易操作性表現(xiàn)在下列幾個方面:</p><p>　　操作方便對PLC的操作包括程序輸入和程序更改的操作。大多數(shù)PLC采用編程器進行輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，對大中型的PLC，編程器采用了CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作也可直接根據(jù)所需要的地址編號或接點號進行搜索或順序尋找，然后進行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上顯示。</p

26、><p>　　編程方便PLC有多種程序設計語言可供使用。對電氣技術人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖較為接近，容易掌握和理解。采用布爾助記符編程語言時，十分有助于編程人員的編程。</p><p>　　維修方便PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快的找到故障的部位，以便維修。</p><p>　　靈活性

27、，PLC的靈活性表現(xiàn)在以下幾個方面:</p><p>　　編程的靈活性。PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程方便、應用面拓展。</p><p>　　擴展的靈活性。PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它可根據(jù)應用的規(guī)模不同，即可進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。</p><p>　　操

28、作的靈活性。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得十分容易。</p><p>　　3.1.2 PLC控制電梯的優(yōu)點</p><p>　　在電梯控制中采用了PLC，用軟件實現(xiàn)對電梯運行的自動控制，可靠性大大提高。</p><p>　　去掉了選層器及大部分繼電器，控制系統(tǒng)結構簡單，外部線路簡化。</p><p>　　PLC可實現(xiàn)各種復雜的控制系統(tǒng)，方

29、便地增加或改變控制功能。</p><p>　　PLC可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。</p><p>　　用于群控調配和管理，并提高電梯運行效率。</p><p>　　更改控制方案時不需改動硬件接線。</p><p>　　3.2 PLC的選擇 </p><p>　　PLC電梯控制系統(tǒng)的控制核

30、心是PLC。哪些信號需要輸入PLC，PLC需要輸出哪些信號，以及采用何種編程方式都需要仔細分析。輸入輸出點的確定是設計整個控制系統(tǒng)的首要問題，決定系統(tǒng)的程序及硬件線路的方案。</p><p>　　3.2.1 PLC機型的選擇</p><p>　　PLC選擇的依據(jù)主要決定于由兩個方面：一是I/O的點數(shù)，二是用戶存儲器的容量。</p><p>　?、買/O點數(shù)的估算根

31、據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后調整和擴充，一般應加上10%～15%的備用量。</p><p>　?、谟脩舸鎯ζ魅萘康墓浪阌脩魬贸绦蛘加枚嗌賰却媾c許多因素(如I/O點數(shù)、控制要求、運算處理量、程序結構等)有關。</p><p>　　根據(jù)自己所設計的為六層的電梯控制系統(tǒng)，根據(jù)需要控制的開關、設備大約有32個輸入點，28個輸出點需進行控制，同時留有20%的裕量，綜合考慮后

32、，選擇西門子S7-200.</p><p>　　3.3 電梯電氣控制系統(tǒng)設計方案 </p><p>　　電梯電氣控制系統(tǒng)設計方案的確定對于電梯電氣控制系統(tǒng)整體軟件設計起著至關重要的作用，這也是電梯電氣控制系統(tǒng)的一個主貫穿線，它主要包括以下幾個部分。</p><p>　　3.3.1 PLC的I/O地址分配：</p><p>　　根據(jù)本設計中

33、的電梯控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能和其實際的操作工藝過程，首先歸納本系統(tǒng)中所有輸入信號和輸出信號；然后根據(jù)PLC的輸入點和輸出點進行I/O地址分配，使每個輸入信號對應PLC內部的輸入繼電器，每個輸出信號對應PLC內部的輸出繼電器。</p><p>　　表3.1 PLC的I/O表</p><p>　　3.3.2 PLC控制程序的編制方法</p><p>　　PLC梯形圖

34、的編制采用模塊化設計。模塊化程序結構清晰、便于調試。如：層樓繼電器回路、召喚信號的登記與清除、內選信號指令登記與清除、開關門、運行方向的選擇等。模塊間不完全獨立，它們之間存在著有機聯(lián)系，且編程時要考慮各條指令間的邏輯關系。</p><p>　　3.4 電梯電氣控制系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　電梯的整體運行過程：</p><p>　　當乘客進入轎廂后，由乘客根

35、據(jù)欲前往的層站，逐一按下相應層站的選層按鈕，便完成了運行指令的預先登記，電梯便自動決定運行方向。再按啟動按鈕，電梯自動關門，當門完全關閉后，門鎖微動開關閉合，使門鎖繼電器吸合，電梯開始啟動、加速，直至穩(wěn)速運行。當電梯到達欲停靠的目的層站前方某一距離位置時，由井道內的行程開關向電梯控制系統(tǒng)發(fā)出轉換信號，電梯便自動減速準備?？?。當轎廂進入到平層區(qū)(即?？繉诱旧戏交蛳路降囊欢斡邢蘧嚯x)時，井道平層傳感器動作，發(fā)出平層信號控制轎廂準確平層，并自

36、動取消，自動開門。對某類電梯，如果在平層時平層精度超過標準要求，則電梯進行校正運行，電梯以最低的速度慢行到準確平行位。如果繼續(xù)平向運行，司機只需按下啟動按鈕，電梯便按預先登記的樓層，按序逐一自動?？?，自動開門。</p><p>　　在電梯運行過程中，如果廳外有人按下廳門召喚電鈕，只要此時的召喚申請乘梯方向符合此時電梯的運行方向，則電梯能被順向截停。當同向登記指揮都已被執(zhí)行以后，電梯便自動換向運行，執(zhí)行另一方向的運

37、行登記指令。如果電梯在某一層站關門時，有人或物碰觸了門安全觸板，或被非接觸式的光電式、電子式裝置檢測到關門障礙時，電梯便停止關門并立即轉為開門。如果欲乘電梯的乘客正逢電梯關門時，可按下外上、下召喚按鈕中與電梯欲行方向相同的一個按鈕，電梯便立即開門，這種操作，用于為本層開門。如果由于乘客過多而超載，則電梯超載檢測裝置發(fā)出超載信號，阻止電梯啟動并開門，直到滿足限載要求，電梯方能恢復正常運行。如果停層時間到，便自動關門啟動、加速，直至穩(wěn)速運行

38、。在運行過程中，可根據(jù)各樓層廳外召喚信號，對符合運行方向的召喚信號，將逐一應答，自動?？?，自動開門。在完成同向全部登記以后，如有反向廳外召喚信號，則電梯自動換向運行，應答反向廳外召喚信號。如果沒有召喚信號時，電梯便自動關門停機，或自動駛回基站待命。如果某一樓層再有召喚信號，電梯便自動啟動前往應召。</p><p><b>　　部分控制梯形圖如下</b></p><p>

39、;<b>　　PWM設置部分</b></p><p><b>　　PWM調速部分</b></p><p>　　3.5 電梯模型PLC控制系統(tǒng)構成，運行原理</p><p>　　六層電梯實際模型控制系統(tǒng)的硬件是由三相異步電動機、變頻器、傳感器、旋轉編碼器、觸摸屏、FP∑（2臺）等組成。采用PC—LINK網絡實現(xiàn)了PLC的遠

40、程控制，其PLC控制系統(tǒng)結構框圖如下圖所示：</p><p>　　圖3.1 PLC控制原理圖</p><p><b>　　總結 </b></p><p>　　變頻調速電梯控制系統(tǒng)，經過最后的設計已經具備了自動響應層樓召喚信號（含上召喚和下召喚）、轎廂層樓顯示（十進制方式）、電梯直駛功能和反向最遠停站功能、檢修應急處理功能、自動開關門和應急手動

41、開門、關門功能，基本上完成了電梯控制的各個環(huán)節(jié)。</p><p>　　和以往的課程設計一樣，在本次設計中，自己充分運用了在校所學知識（運動控制技術、PLC、自動控制原理等），認真查閱相關資料，和同學相互合作，充分學習到，理論知識只是鋪墊，只有實踐才能檢驗和加強在學校學到的知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　

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