5層電梯控制系統(tǒng)設計【基于PLC的5層電梯控制系統(tǒng)設計】【西門子PLC】

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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 Encoder II 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 選題背景 1 1.2 電梯設備與電梯發(fā)展動態(tài) 1 1.2.1 電梯發(fā)展簡介 1 1.2.2 電梯的分類 2 1.2.3 電梯的主要參數(shù) 2 1.2.4 電梯變頻調速控制 3 1.3 設計內容 4 2 調速變頻器類型選擇及其設計參數(shù) 5 2.1 通用變頻器簡介 5 2.2 VS一616G5型通用變頻器 6 2.3 變頻器結構及參數(shù)設計 8 2.3.1 變頻器容量計算 8 2.3.2 變頻器制動電阻參數(shù)的計算 9 3 電梯系統(tǒng)的設計 9 3.1 PLC簡介 9 3.2 PLC控制電梯的優(yōu)點 11 3.3 電梯控制系統(tǒng)的設計 11 3.4 可編程控制器(PLC)的選型 12 3.5 電機調速系統(tǒng)的設計 12 3.6 設計思路 13 3.6.1 電梯控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 13 3.6.2 點數(shù)的分配及機型的選擇 14 3.6.3、內部繼電器分配 16 4 PLC系統(tǒng)程序設計 17 4.1 電梯的自檢狀態(tài) 17 4.2 電梯的正常工作狀態(tài) 17 4.3 系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程 17 4.3.1 電梯初始化環(huán)節(jié) 17 4.3.2 電梯位置的確定與顯示 18 4.3.3 停層信號的登記與消除環(huán)節(jié) 18 4.3.4 外呼信號的登記與消除環(huán)節(jié) 19 4.3.5 開關門環(huán)節(jié) 21 4.3.6 電梯的定向環(huán)節(jié) 22 4.3.7 電梯的加速 24 4.3.8 電梯平層減速與停車 24 4.3.9 616G5參數(shù)設置 25 4.4 程序框圖設計： 26 5 PLC程序檢測及仿真 28 5.1 仿真 28 致謝 29 參考文獻 30 附錄 31 畢業(yè)設計說明書 1 緒論 1.1 選題背景 從19世紀50年代人類發(fā)明出真正意義上的電梯以來，電梯控制技術就越來越顯示出其重要性。隨著我國經濟的高速發(fā)展，高層建筑日益增多，電梯成為人們日常生活必不可少的代步工具。而現(xiàn)今建筑物規(guī)模越來越大，樓層越來越多，電梯性能的好壞對人們生活的影響越來越顯著，因此人們對電梯的調速精度、調速范圍等靜態(tài)和動態(tài)特性提出了更高的要求——提高電梯系統(tǒng)的性能同時，保證電梯的運行既高效節(jié)能又安全可靠。 傳統(tǒng)的電梯曳引電動機采用接觸器來實現(xiàn)電動機工作狀態(tài)的改變，雙速異步電動機在定子回路中串電抗與電阻來實現(xiàn)電動機的調速，這滿足不了乘客的舒適感；另外，傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)由繼電器控制邏輯組成，存在著電氣元件多、功能弱、電氣故障頻繁，可靠性差和工作壽命短等缺陷?？删幊炭刂破鳎≒LC: Programmable Logic Controller）是根據順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置，其可靠性、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網功能，具備高速記數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，在機械、化工、電子、紡織、交通等行業(yè)德到廣泛應用。鑒于其種種優(yōu)點，目前，電梯的繼電器控制方式已逐漸被PLC控制代替。同時，由于電機交流變頻調速技術的發(fā)展，電梯的拖動方式已由原來直流調速逐漸過渡到了交流變頻調速，不僅能滿足乘客的舒適感和保證平層的精度，還可以降低能耗，節(jié)約能源，減小運行費用。因此，PLC控制技術加變頻調速已成為現(xiàn)代電梯行列的一個熱點。 1.2 電梯設備與電梯發(fā)展動態(tài) 1.2.1 電梯發(fā)展簡介 1854年，在紐約水晶宮舉行的世界博覽會上，美國人伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯第一次向世人展示了他的發(fā)明－歷史上第一部安全升降梯。從那以后，升降梯在世界范圍內得到了廣泛應用。以奧的斯的名字而命名的電梯公司也開始了她輝煌的旅程。150年以來，她已經發(fā)展成為世界、亞洲和中國領先的電梯公司。自從我國實行改革開放政策以來，全國各地高層建筑不斷涌現(xiàn)，作為高樓的垂直交通工具―電梯，其需求量日益增長。各種類型、規(guī)格繁多的電梯已在高樓內投入運行。 電梯是服務于三分之一樓層的固定式升降設備。它具有一個轎廂，運行在至少兩列垂直上的傾斜角小于15°的剛性導軌之間。轎廂尺寸與結構形式便于乘客出入或裝卸貨物。它適用于裝置在兩層以上的建筑內，是輸送人員或貨物的垂直提升設備的交通工具。 隨著電子工業(yè)的發(fā)展，新技術、產品不斷用于電梯控制系統(tǒng)，如可編程控制器的應用；單片機的應用；無觸點半導體邏輯控制晶閘管（俗稱可控硅）的應用；集成電路及數(shù)字控制、計算機群控制及調頻調壓技術的應用、拖動系統(tǒng)簡化、性能提高等。 電梯技術的發(fā)展主要表現(xiàn)為以下幾個特點： ⑴結構不斷緊湊化，體積不斷輕型化、小巧化。隨著新技術、新結構、新材料、新工藝的發(fā)展，電梯的機械系統(tǒng)結構簡單化、體積小型化、材料輕型化、工藝先進化、外觀漂亮化。同時，無機房電梯在新世紀將會有較大速度發(fā)展。 ⑵技術含量更高，性能更好。電梯行業(yè)技術發(fā)展非常迅速，幾年前推出的具有先進性能、高舒適性的VVVF電梯，如今已成為電梯行業(yè)的標準配置，因為永磁同步無齒輪曳引機具有更節(jié)能、更潔凈、更安全、更安靜、更經濟的特點，所以永磁同步曳引機逐步成為新型曳引機的主流；由于永磁技術的先進性，將來很有可能取代VVVF技術。另外，網絡控制和智能群控系統(tǒng)以其控制的先進性、快速性、準確性和可靠性亦是電梯的發(fā)展潮流。 ⑶安裝更方便、更快捷。高效、安全、可重復使用的無腳手架安裝，將是高層電梯安裝的主要方式，隨著技術的開發(fā)、應用，電梯的硬件系統(tǒng)給安裝帶來更大的方便，使電梯安裝更快、效率更高。此外，電梯的雙向安全裝置、無底坑、無線控制、綠色環(huán)?！踩?、環(huán)保、節(jié)能、舒適，也將是未來電梯的重要發(fā)展方向。 1.2.2 電梯的分類 電梯的分類有各式各樣： ⑴按用途分類乘客電梯；載貨電梯；客貨電梯；病床電梯；住宅電梯；特種電梯。 ⑵按速度分類低速電梯1m/s以下；高速電梯1~2m/s；超高速電梯4m/s以上。 ⑶按驅動電源分類交流電梯速度一般小于2m/s，直流電梯速度一般大于2m/s。 ⑷按控制方式分類層間控制；簡易集選控制；集選控制有無司機控制。 1.2.3 電梯的主要參數(shù) ⑴載重量(kg)制造和設計規(guī)定，電梯的額定載重量。 ⑵轎廂尺寸(mm)：寬*深*高。 ⑶轎廂形式有單或雙面開門及其他特殊要求等，以及對轎頂、轎底、轎壁的處理，顏色的選擇，對電話的要求等等。 ⑷轎門形式有柵欄門、封閉式中分門、封閉式雙折門、封閉式雙折中分門等。 ⑸開門寬度(mm)：轎廂門和層門完全開啟時的凈寬度。 ⑹開門方向：人在轎外面對轎廂門向左方向開啟的為左開門，門向右方向開啟的為右開門，兩扇門分別向左右兩邊開啟者為中開門，也稱中分門。 ⑺曳引方式：常用的有半繞1：1吊索法，轎廂的運行速度等于鋼絲繩的運行速度。半繞2：1吊索法，轎廂的運行速度等于鋼絲繩運行速度的一半。全繞1：1吊索法，轎廂的運行速度等于鋼絲繩的運行速度。 ⑻額定速度(m/s) ：制造和設計所規(guī)定的電梯運行速度。 ⑼電氣控制系統(tǒng)：包括控制方式、拖動系統(tǒng)的形式等。如交流電機拖動或直流電機拖動，轎內按鈕控制或集選控制等。 ⑽停層站數(shù)(站) ：凡在建筑物內各樓層用于出入轎廂的地點均稱為站。 ⑾提升高度(mm) ：由底層端站樓面至頂層端站樓面之間的垂直距離。 ⑿頂層高度(mm) ：由底層端站樓面至機房樓板或隔音層樓板下最突出構件之間的垂直的距離。電梯的運行速度越快，頂層高度一般越高。 ⒀底坑深度(mm) ：由底層端站樓面至井道底面之間的垂直距離。電梯的運行速度越快，底坑一般越深。 ⒁井道高度(mm) ：由井道底面至機房樓板或隔音層樓板下最突出構件之間的垂直距離。 ⒂井道尺寸(mm) ：寬*深。電梯的主要參數(shù)是電梯制造廠設計和制造電梯的依據。用戶選用電梯時，必須根據電梯的安裝使用地點、載運對象等，按標準的規(guī)定，正確選擇電梯的類別和有關參數(shù)與尺寸，并根據這些參數(shù)與規(guī)格尺寸，設計和建造安裝電梯的建筑物，否則會影響電梯的使用效果。 ⒃電器設備及控制裝置：有曳引機，選層器傳動及控制柜、轎廂操縱盤、呼梯按鈕和廳外指示器組成。 ⒄其它裝置：對重裝置、補償裝置等。 1.2.4 電梯變頻調速控制 電梯的未來發(fā)展可歸結于以下幾點： ⑴結構不斷緊湊化，體積不斷輕型化、小巧化。隨著新技術、新結構、新材料、新工藝的發(fā)展，電梯的機械系統(tǒng)結構簡單化、體積小型化、材料輕型化、工藝先進化、外觀漂亮化。同時，無機房電梯在新世紀將會有較大速度發(fā)展。 ⑵技術含量更高，性能更好。電梯行業(yè)技術發(fā)展非常迅速，幾年前推出的具有先進性能、高舒適性的VVVF電梯，如今已成為電梯行業(yè)的標準配置，因為永磁同步無齒輪曳引機具有更節(jié)能、更潔凈、更安全、更安靜、更經濟的特點，所以永磁同步曳引機逐步成為新型曳引機的主流；由于永磁技術的先進性，將來很有可能取代VVVF技術。另外，網絡控制和智能群控系統(tǒng)以其控制的先進性、快速性、準確性和可靠性亦是電梯的發(fā)展潮流。 ⑶安裝更方便、更快捷。高效、安全、可重復使用的無腳手架安裝，將是高層電梯安裝的主要方式，隨著技術的開發(fā)、應用，電梯的硬件系統(tǒng)給安裝帶來更大的方便，使電梯安裝更快、效率更高。此外，電梯的雙向安全裝置、無底坑、無線控制、綠色環(huán)?！踩?、環(huán)保、節(jié)能、舒適，也將是未來電梯的重要發(fā)展方向。 如今隨著電力電子技術、微電子技術和計算機控制技術的飛速發(fā)展，交流變頻調速技術的發(fā)展也十分迅速。電動機交流變頻技術是當今節(jié)電，改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速性能和起制動平穩(wěn)性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。 ⑴變頻調速電梯使用的是異步電動機，比同容量的直流電動機具有體積小、占空間小、結構簡單、維護方便、可靠性高、價格低等優(yōu)點。 ⑵變頻調速電源使用了先進的SPWM技術SVPWM技術，明顯改善了電梯運行質量和性能；調速范圍寬、控制精度高，動態(tài)性能好，舒適、安靜、快捷，已逐漸取代直流電機調速。 ⑶變頻調速電梯使用先進的SPWM和SVPWM技術，明顯改善了電動機供電電源的質量，減少諧波，提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)能明顯。 1.3 設計內容 目前國內70～80年代安裝完成的電梯絕大部分是繼電器控制，線路復雜，節(jié)點接線多，故障率高，調速方式一般采用變極調速、調壓調速、直流調速。由于大部分老式電梯的電控系統(tǒng)可靠性欠佳，用戶尋求對電梯的電控系統(tǒng)進行改造，以節(jié)約資金。因此，對電梯控制技術進行研究，找出一條適合國產老式電梯的改造之路，并進而提高國產電梯的技術水平和質量，具有十分重要的意義。 針對以上難題，本設計提出采用功能強、故障率低、可靠性高的可編程控制器（PLC）來控制電梯，并采用交流變頻調速系統(tǒng)，在各種負載下都有良好的調速性能和準確的停車性能，滿足乘客的舒適感和保證平層精度（即準確停車），并能節(jié)約大量電能。 本次設計的主要內容如下： 首先對電梯系統(tǒng)及可編程控制器（PLC）、變頻器作了比較全面的總結和介紹。接著闡述了電梯控制系統(tǒng)的分類及特點，電梯的控制系統(tǒng)分為調速和信號控制及顯示等部分。確定了系統(tǒng)的總體結構，由PLC來實現(xiàn)電梯信號控制變頻器實現(xiàn)變頻調速，完成了變頻器和可編程控制器（PLC）的選擇。然后是系統(tǒng)硬件開發(fā)，完成了變頻器的參數(shù)設置及PLC的選型、I/O點數(shù)分配以及旋轉編碼器與變頻器的連接。在分析了電梯系統(tǒng)的軟件設計方法基礎上，結合實際硬件電路，設計并用STEP7繪制出梯形圖。 2 調速變頻器類型選擇及其設計參數(shù) 2.1 通用變頻器簡介 本設計選擇通用變頻器。采用通用變頻器構成變頻調速傳動系統(tǒng)的主要目的是: ⑴為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環(huán)境等要求。 ⑵為了節(jié)約能源、降低生產成本。 上個世紀80年代初，通用變頻實現(xiàn)了商品化。在近20年的時間內經歷了由模擬控制到全數(shù)字控制和由采用BJT到采用工GBT兩個大發(fā)展過程。 ⑴容量不斷擴大 80年代初采用的BJT的PWM變頻器實現(xiàn)了通用化。到了90年代初，BJT通用變頻器的容量達到了6OOKVA，400KVA以下的已經系列化，前幾年主開關器件開始采用工GBT，僅三、四年的時間，IGBT變頻器的單機容量已達1800KVA，隨著工GBT容量的擴大，通用變頻器的容量也將隨之擴大。 ⑵結構的小型化 變頻器主電路中功率電路的模塊化，控制電路采用大規(guī)模集成電路(LS工)和全數(shù)字控制技術，結構設計上采用“平面安裝技術”等一系列措施，促進了變頻電源裝置的小型化。另外，一種混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技術，把功率電橋、驅動電路、檢測電路、保護電路等封裝在一起，構成了一種“智能電力模塊”這種器件屬于絕緣金屬基底結構，所以防電磁干擾能力強，保護電路和檢測電路與功率開關間的距離盡可能的小，因而保護迅速且可靠，傳感信號也十分迅速。 ⑶多功能和智能化 電力電子器件和控制技術的不斷進步，使變頻器向多功能化和高性能化方向發(fā)展。特別是微機的應用，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。 ⑷應用領域不斷擴大 通用變頻器經歷了模擬控制、數(shù)字控制、數(shù)?；旌峡刂?，直到全數(shù)字控制的演變，逐步地實現(xiàn)了多功能化和高性能化，進而使之對各類生產機械、各類生產工藝的適應性不斷增強。最初通用變頻器僅用于風機、泵類負載的節(jié)能調速和化纖工業(yè)中高速纏繞的多機協(xié)調運行等，到目前為止，其應用領域得到了相當?shù)臄U展。如搬運機械，從反抗性負載的搬運車輛、帶式運輸機到位能負載的起重機、提升機、立體倉庫、立體停車廠等都己采用了通用變頻器;金屬加工機械，從各類切削機床直到高速磨床乃至數(shù)控機床，加工中心超高速伺機的精確位置控制都已應用通用變頻器;在其它方面，如農用機械、食品機械、木工機械、印刷機械、各類空調、各類家用電器甚至街心公元噴水池，可以說其應用范圍相當廣闊，并且還將繼續(xù)擴大。 2.2 VS一616G5型通用變頻器 電梯的調度要求除了一般工業(yè)控制的靜態(tài)、動態(tài)性能外，他的舒適度指標往往是選擇中的一項重要內容。本設計中拖動調速系統(tǒng)的關鍵在于保證電梯按理想的給定速度曲線運行，以改善電梯運行的舒適感;另外，由于電梯在建筑物內的耗電量占建筑物總用電量的相當比例，因此，電梯節(jié)約用電日益受到重視。 考慮以上各種因素，本設計選用安川VS一616G5型全數(shù)字變頻器。它具有磁通矢量控制、轉差補償、負載轉矩自適應等一系列先進功能，可以最大限度地提高電機功率因數(shù)和電機效率，同時降低了電機運行損耗，特別適合電梯類負載頻繁變化的場合。另外，VS一616G5變頻器的啟動、制動具有可任意調節(jié)的S曲線和零頻仍可輸出150%力矩的特點，配以高精度的旋轉編碼器，控制精度可達0.01一0.02%，使得電梯運行舒適感好，零速抱閘，平層精度高。無須配專用電機，可自學習所配電機的各個參數(shù)，精確控制任何品牌的電機。采用高性能工GBT，載波頻率20KHZ，從而使變頻器輸出一個不失真的正弦流波形，使電機始終運行于靜噪音狀態(tài)。 VS一616G5型變頻器是安川電機公司面向世界推出的21世紀通用型變頻器。這種變頻器不僅考慮了V/f控制，而且還實現(xiàn)了矢量控制，通過其本身的自動調諧功能與無速度傳感器電流矢量控制，很容易得到高起動轉矩與較高的調速范圍。 VS一616G5變頻器的特點如下: ⑴包括電流矢量控制在內的四種控制方式均實現(xiàn)了標準化。 ⑵有豐富的內藏與選擇功能。 ⑶由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。 ⑷保護功能完善、維修性能好。 ⑸通過LCD操作裝置，可提高操作性能。 通用變頻器VS-616G5可直接控制交流異步電動機的電流，使電動機保持較高的輸出轉矩；它適合用于各種應用場合，可以低速下實現(xiàn)平穩(wěn)起動并且極其精確地運行，其自動調整功能可使各種電動機達到高性能的控制。VS-616G5將U/f控制、矢量控制、閉環(huán)U/f控制、閉環(huán)矢量控制四種控制方式融為一體，其中閉環(huán)矢量控制是最適合電梯控制要求的。變頻器的配置及容量選擇VS-616G5變頻器用在電梯調速系統(tǒng)中時，必須配PG卡及旋轉編碼器，以供電動機測速及反饋。旋轉編碼器與電動機同軸連接，對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B、兩相脈沖，當A相脈沖超前B相脈沖90°時，可認為電動機處于正轉狀態(tài)。當A相脈沖滯后于B相脈沖90°時可認為電動機處于反轉狀態(tài)，旋轉編碼器根據AB相脈沖的相序，可判斷電動機旋轉方向，并根據AB脈沖的頻率（或周期）測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此反饋信號送給616G5內部，以便進行運算調節(jié)。 當電梯減速運行時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器回饋電能。這時同步轉速下降，交-直-交變頻器的直流部分電壓升高，制動電阻的作用就是消耗回饋電能。抑制直流電壓升高。除PG卡和制動電阻外。VS-616G5還需要配置600脈沖旋轉編碼器和電梯運行曲線輸入板（可選配）。其容量可選1∶1配置，即電動機容量和變頻器容量相等。最好采用大一數(shù)量級選配，即11kW電動機選15kW的變頻器、15kW電動機選18kW的變頻器。 2.3 變頻器結構及參數(shù)設計 VS-616G5變頻器共有9組參數(shù)，每一組參數(shù)的設計都具有特定的含義。常用參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 變頻器常用參數(shù) 參數(shù) 功能 A組 確定控制模式 B組 選擇運動功能 C組 確定加減速時間和轉矩補償時間 D組 選擇頻率 E組 確定運行壓頻曲線 F組 保護設置 H組 確定偏差標準 變頻器參數(shù)設計的原則： ⑴減小啟動沖擊及增加調速的舒適感，其速度環(huán)比例系數(shù)宜小些，而積分時間常數(shù)宜大些； ⑵提高了運行效率，快車頻率應選為工頻，而爬行頻率要盡可能低些，以減小停車沖擊； ⑶零速一般設計為0Hz，速抱閘功能將影響舒適感；變頻器其他常用參數(shù)可根據電網電壓和電機銘牌數(shù)據直接輸入。 為了使變頻器工作在最佳狀態(tài)，在完成參數(shù)設置后，需使變頻器對所驅動的電動機進行自學習，而616G5就具有曳引機參數(shù)自學習的功能，其方法是：將曳引機制動輪與電機軸脫離，使電動機處于空載狀態(tài)，然后啟動電動機，讓變頻器自動識別并存儲電動機有關參數(shù)，變頻器將根據識別到的結果調整控制算法中的有關參數(shù)。顯然，這一組自學習到的參數(shù)，是和變頻器匹配的最佳參數(shù)，使變頻器能對該電動機進行最佳控制。 2.3.1 變頻器容量計算 變頻器的功率可根據曳引機電機功率、電梯運行速度、電梯載重與配重進行計算。設電梯曳引機電機功率為P1，電梯運行速度為V，電梯自重為W1電梯載重為W2，配重為W3，重力加速度為g，變頻器功率為P。在最大載重下，電梯上升所需曳引功率P2由式(3-1)計算： （3-1） 式中，為摩擦力； 電機功率，變頻器功率P應接近電機功率，相對于留有安全裕量，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=（600×9.8＋108×9.8）×1.5≈10.4kW；又有式（3-2）得P=15.6KW。由于采用變頻調速，效率高。依照計算結果選1.5倍裕量，取變頻器容量為15kW。 2.3.2 變頻器制動電阻參數(shù)的計算 由于電梯為位能負載，電梯運行過程中產生再生能量，所以變頻調速裝置應具有制動功能。帶有逆變功能的變頻調速裝置通過逆變器雖然能夠將再生能量回饋電網，但成本太高，采用能耗制動方式通過制動單元將再生能量消耗在制動電阻上，成本較低而且具有良好的使用效果，能耗制動電阻的大小應使制動電流Iz的值不超過變頻器額定電流的一半，即： （3-3） =2×513/35.5≈28.9(Ω) （3-4） 其中為額定情況下變頻器的直流母線電壓，取≥30Ω。由于制動電阻的工作不是連續(xù)長期工作，因此其功率可以大大小于通電時消耗的功率。即： =0.4×5132/30≈3.5kw （3-5） 最后，選用的制動電阻為R=30Ω，功率為P=3.5kW的電阻。 3 電梯系統(tǒng)的設計 3.1 PLC簡介 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)字運算和數(shù)據存儲，另外還有位處理器（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。 （1）PLC的可靠性 l 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，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短。 l PLC采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，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MTTR，使可靠性提高。 l 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。 l 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，編程錯誤率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設計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。 l 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，采用軟件濾波等；軟件自診斷；簡化編程語言等。 （2）PLC的易操作性 l 操作方便。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。 l 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，十分有助于編程人員的編程。 l 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減低。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，方便維修。 （3）PLC的靈活性 PLC的靈活性表現(xiàn)在以下幾個方面： l 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。 l 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。 l 操作的靈活性。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得十分容易。 3.2 PLC控制電梯的優(yōu)點 ⑴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。 ⑵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。 ⑶PLC可實現(xiàn)各種復雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。 ⑷PLC可進行故障自動檢測報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。 ⑸用于群控調配和管理，并提高電梯運行效率。 ⑹更改控制方案時不需改動硬件接線。 3.3 電梯控制系統(tǒng)的設計 PG 門電機 呼叫信號 位置信號 樓層顯示 呼叫顯示 光電編碼器 拽引機 PLC 變頻器 電源 圖3.1 控制系統(tǒng)原理圖 圖4-4控制系統(tǒng)原理圖 本控制系統(tǒng)是采用VS一616G5型變頻器和西門子S7—200系列PLC組成的變頻調速電梯控制系統(tǒng),電氣控制硬件框圖如圖3.3,它由曳引電機、門電機、變頻器、可編程控制器PLC及其他電氣元件構成。電梯的調速部分選用高性能的矢量控制變頻器,利用光電編碼器測量曳引電機的轉速,構成閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。電路的邏輯部分由PLC來實現(xiàn),PLC接受來自現(xiàn)場的呼叫、轉速、樓層、位置等信號。發(fā)給調速系統(tǒng)的速度信號、門機的開關門信號、樓層顯示及呼叫顯示信號。系統(tǒng)控制原理圖如圖3.1所示： 3.4 可編程控制器(PLC)的選型 根據以上選擇的轎廂樓層位置檢測法，要求可編程控制器必須具有高數(shù)計數(shù)器，綜合考慮后，系統(tǒng)選擇了西門子S7——200系列PLC。 西門子S7—200系列PLC具有以下幾方面的優(yōu)點: ⑴S7—200系列PLC配置靈活，除主機單元外，還可擴展1/0模塊，A/D模塊，D/A模塊和其它特殊功能模塊。 ⑵ S7—200系列PLC指令功能豐富，有多種指令，且指令執(zhí)行速度快。 ⑶ S7—200系列PLC可用內部輔助繼電器M，定時器T，計數(shù)器C等功能和數(shù)量滿足了系統(tǒng)控制要求的需要，尤其是高速計數(shù)器能接受脈沖編碼器脈沖。 ⑷S7—200的編程可用編程器，編程方便。編程語言可用梯形圖或指令表。 PLC主機及擴展、機械系統(tǒng)、轎廂操縱盤、廳外呼梯盤、指層器、門機、調速裝置與主拖動系統(tǒng)等。系統(tǒng)控制核心為PLC主機、呼梯盤、井道及安全保護信號通過PLC輸入接口送入PLC，存儲在存儲器及召喚指示燈等發(fā)出顯示信號，向拖動和門機控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號。 3.5 電機調速系統(tǒng)的設計 在電梯拖動控制系統(tǒng)中速度曲線圖形直接影響著電梯的舒適感和平層準確度。如果電梯在啟動加速和減速制動時，速度曲線圖性的加、減交界處不圓滑，乘客會感覺很不舒服，為了滿足舒適感提高運輸效率及正確平層要求，電梯的速度給定曲線是一個關鍵環(huán)節(jié)。人們對于速度變化的敏感度主要是加速度的變化率，舒適感就意味著要平滑的加速和減速。為了獲得良好的舒適感，將電梯的起制動速度曲線設計成由兩段拋物線(S曲線)及一段直線構成，而這一曲線形狀的構成及改變，則是由加速度斜率及S曲線變化率決定的。加速斜率是以速度給定從0加速到1000轉/分所需要的時間來定義的。其意義為加速度由0加速到1000轉/秒2所需要的時間。因此通過改變起動加速時間可獲得不同的起動曲線斜率。增大加速時間值起動曲線變緩，反之，起動曲線變急。同理，增加S曲線變化率起動曲線彎曲部分變緩，反之，起動曲線彎曲部分變急。而S曲線變化率的變化，也可通過改變S曲線起始、終了加速時間來實現(xiàn)，本設計采用的616G5變頻器就具有S曲線加速時間設定功能，故將加速時間和S曲線加速時間配合調整，即可獲得理想的起動曲線。同理，制動曲線也可按此方法調整。理想的電梯速度給定曲線如圖3.2所示。 圖3.2 速度運行曲線 圖中a為加速度，v為速度，0-t1和t2-t3時間內為拋物線速度曲線，t1-t2時間內為直線速度曲線;t3-t4時間內為穩(wěn)速運行階段；t4-T時間內為減速制動階段。減速制動階段速度曲線與加速起動階段相對稱。 3.6 設計思路 3.6.1 電梯控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 ⑴一臺電機控制上升和下降，各層設上/下呼叫開關(最頂層與起始層只設一只)。 ⑵電梯到位后，具有手動或自動開門關門功能。 ⑶電梯內設有方向指示燈及電梯當前層號指示燈及層樓指令鍵，及照明。 ⑷待客自動開門，當電梯在某層停梯待客時，按下層外召喚按鈕，應能自動開門。自動關門待客。當完成全部轎廂內指令，又無層外呼梯信號時，電梯應自動關鍵客按迎門在調定時間內自動關閉轎廂照明。 ⑸自動關門與提早關門，在一般情況下，電梯停站應能自動關門;在延時時間內，若按下關門按鈕，門將不經延時提前實現(xiàn)關門動作。 ⑹按鈕開門。在開關過程中或門關閉后，電梯啟動前，按下操縱盤上開關按鈕，門將打開。 ⑺內指令記憶。當轎廂內操縱盤上有多個選層指令時，電梯應能按順序停靠車門，并能至調定時間，自動確定運行方向。 ⑻自動定向，當轎廂內操縱盤選層指令相對與電梯位置具有不同方向時，電梯應能按先入為主的原則，自動確定運行方向。自動換向，當電梯完成全部順向指令后，應能自動換向，應答相反方向的信號。 ⑼呼梯記憶與順向截停。電梯在運行中應能一記憶層外的呼梯信號，對符合運行方向的召喚，應能自動逐一?？繎?。 3.6.2 點數(shù)的分配及機型的選擇 按照系統(tǒng)要求，PLC的點數(shù)分配如表（3-1）所示： 表 3-1 I/O點數(shù)的分配 輸入 輸出 開門信號 I0.0 正向運行 Q0.0 關門信號 I0.1 反向運行 Q0.1 開門限位信號 I0.2 電機加速 Q0.2 關門限位信號 I0.3 電機減速 Q0.3 超載信號 I0.4 超載報警 Q0.4 檢修信號 I0.5 開門 Q0.5 變頻器故障信號 I0.6 關門 Q0.6 一層選層信號 I0.7 一層選層指示燈 Q0.7 二層選層信號 I1.0 二層選層指示燈 Q1.0 三層選層信號 I1.1 三層選層指示燈 Q1.1 四層選層信號 I1.2 四層選層指示燈 Q1.2 五層選層信號 I1.3 五層選層指示燈 Q1.3 一層上呼信號 I1.4 一層上呼信號燈 Q1.4 二層上呼梯信號 I1.5 二層上呼信號燈 Q1.5 三層上呼梯信號 I1.6 三層上呼信號燈 Q1.6 四層上呼梯信號 I1.7 四層上呼信號燈 Q1.7 二層下呼梯信號 I2.0 二層下呼信號燈 Q2.0 三層下呼梯信號 I2.1 三層下呼信號燈 Q2.1 四層下呼梯信號 I2.2 四層下呼信號燈 Q2.2 五層下呼梯信號 I2.3 五層下呼信號燈 Q2.3 一層上平層 I2.4 上行顯示 Q2.4 一層下平層 I2.5 下行顯示 Q2.5 二層上平層 I2.6 二層下平層 I2.7 三層上平層 I3.0 三層下平層 I3.1 四層上平層 I3.2 四層下平層 I3.3 五層上平層 I3.4 五層下平層 I3.5 上極限限位 I3.6 下極限限位 I3.7 根據表（3-1）可知，設備大約有32個輸入點，22個輸出點，考慮10-15%的裕量，故選擇西門子S7—200系列CPU226（圖3.3）以及擴展模塊EM223（DC24V16點輸入/16點輸出）。CPU226為24點輸入16點輸出，外加擴展模塊足以滿足系統(tǒng)需要。另外，CPU226可以提供DC5V電流為1000mA，EM223模塊耗DC5V總電流為150mA?？梢娺@種配置是可行的。系統(tǒng)配置圖如圖3.4所示。 交流雙速電梯的主電路圖如附錄1所示。圖中M1為YTD系列專用雙速籠型異步電動機（6/24極）；KM1、KM2為電動機正反轉接觸器，用以實現(xiàn)電梯上、下行控制；KM3、KM4為電梯高低速運行接觸器，用以實現(xiàn)電梯的高速與低速運行接觸器；L1、L2與R1、R2為串入電動機定子電路中的電抗與電阻，與KM5～KM8配合實現(xiàn)對電機的加減速控制。當KM1、KM2與KM3通電吸合時，電梯將進行上行或下行起動。延時后KM5、KM11依次通電吸合，切除R1、L1電梯將轉為上行或下行的穩(wěn)速運行；當電梯接收到停層指令后，KM3斷電釋放，KM4通電吸合，電機 轉為低速接法，串入阻抗制動，實現(xiàn)上升與下降的低速運行，且KM6～KM8依次通電吸合，用來控制制動過程的強度，提高停車制動的舒適度。至平層位置時，接觸器全部釋放，抱閘抱死，電梯停止運行。在檢修狀態(tài)時，電梯只能在低速接法下點動運行。 3.6.3、內部繼電器分配 上、下行方向記憶 M0.0～M0.7 平層檢測 M1.0～M1.5 起動、穩(wěn)速運行、制動減速環(huán)節(jié) M2.0～M2.7 上下行顯示 M3.0～M3.7 圖3.3 S7-200 CPU226 PLC外型與端子連接圖 圖3.4 系統(tǒng)配置簡圖 4 PLC系統(tǒng)程序設計 4.1 電梯的自檢狀態(tài) 在電梯控制中，有大量的邏輯信號需要處理，這部分工作是由PLC來完成的，系統(tǒng)軟件根據運行要求及保護要求由PLC來實現(xiàn)邏輯控制。 PLC上電后，PLC中的程序己開始運行，但因為電梯尚未讀入任何數(shù)據，也就無法在收到請求信號后通過固化在PLC中的程序作出響應。為滿足處于響應呼叫就緒狀態(tài)這一條件，必須使電梯處于平層狀態(tài)已知樓層且電梯門處于關閉狀態(tài)。電梯自檢過程的目標為:先按下啟動按鈕，在PLC的第一個掃描周期，檢查電梯是否平層，若電梯為平層，則保持，若電梯未平層，則通過置位使中間繼電器置1，進而使電梯下行直至平層是中間繼電器復位為止。 4.2 電梯的正常工作狀態(tài) 電梯完成一個呼叫響應的步驟如下: ⑴電梯在檢測到門廳或轎廂的呼叫信號后將此樓層信號與轎廂所在的樓層信號比較，通過選向模塊進行選向。 ⑵電梯通過拖動調速模塊驅動直流電機拖動轎廂運動。轎廂運動速度要經過低速轉變?yōu)橹兴僭俎D變?yōu)楦咚?，并以高速運行至減速點。 ⑶當電梯檢測到目標層樓層檢測點產生的減速點信號時，電梯進入減速狀態(tài)，由中速度變?yōu)榈退伲⒁缘退龠\行到平層點停止。 ⑷平層后，電梯開門，直到碰到開門到位行程開關;再經過一定延時后關門，直到碰到關門到位行程開關。電梯控制系統(tǒng)始終實時顯示轎廂所在樓層。 4.3 系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程 4.3.1 電梯初始化環(huán)節(jié) 當PLC首次運行程序時，通過SM0.1控制電梯，檢查電梯是否平層，若電梯為平層，則保持，若電梯未平層，則通過置位使中間繼電器置1，進而使電梯下行直至平層是中間繼電器復位為止。 4.3.2 電梯位置的確定與顯示 轎廂中的乘客以及門廳中等待乘坐電梯的人都需要知道電梯的當前位置，電梯確定是否能夠應答新的召喚指令以及什么時候減速平層制動這都需要知道電梯的當前的準確位置。一般的電梯系統(tǒng)都的位置信號都是靠設置在井道中的位置開關來實現(xiàn)的，如我們上邊說到的干簧感應器，就是比較可靠，性能比較好的一種。在井道中對應每一樓層的適當位置都安裝一個干簧感應器，在轎廂運行過程中到當固定在轎廂頂上的閣磁板插入某樓曾的干簧感應器時，該干簧管的常閉觸點接通，表示電梯已經到達該樓層，并置位相應的狀態(tài)繼電器，知道隔磁板插入另外一個樓層的干簧感應器。 4.3.3 停層信號的登記與消除環(huán)節(jié) 人員通過對轎廂內操縱盤上1-5層選層按鈕的操作，可以選擇欲去的樓層。選層信號被登記后，選層按鈕下的指示燈亮。當電梯到達所選的樓層后，停層信號即被消除，指示燈也應熄滅。 圖4.1 轎廂內選層燈點亮與取消程序框圖 4.3.4 外呼信號的登記與消除環(huán)節(jié) 人員在廳門外呼梯時，呼梯信號應被接收和記憶。當電梯到達該樓層，且定向方向與目的地方向一致時(基層與頂層除外)，呼梯要求已滿足，呼梯信號應被消除。 按下外呼按鈕時，相對應的外呼輔助繼電器接通，外呼鈕下的指示燈亮，表示呼梯要求已被電梯接收并記憶。而該信號的消除環(huán)節(jié)是由當層信號的動斷觸點與運行方向信號的動斷并聯(lián)構成。這樣安排是前邊提到過的電梯運行中只響應同時呼梯的原則決定的。即電梯運行方向與呼梯目的的地方向一致且到達呼梯樓層時，電梯將停止，呼梯要求已滿足，呼梯信號被消除。電梯運行方向與呼梯目的地方向相反時，如電梯從一樓向上運行(上行)而呼梯要求從二樓向下，若有去三樓以上的內選層要求及外呼梯要求，電梯到達二樓時(無二樓上行要求)不停梯，呼梯要求沒有滿足，呼梯信號不能消除；若三樓以上無用梯要求，電梯將停在二樓，但呼梯信號(二下)，不能立即消除，待人員進入轎廂，選層(去一樓)后，電梯定向下，則二下呼梯信號已滿足，呼梯信號被消除。 4.3.5 開關門環(huán)節(jié) 電梯的開關門存在以下幾種情況： ⑴電梯自動運行停層時的開門。電梯在停層時，至平層位置，Q0.5接通，電梯應開始開門。 ⑵開關門均為手動狀態(tài)，由開關門按鈕I0.0和I0.1實施開門與關門。 ⑶呼梯開門。電梯到達某層站后，如果沒有人繼續(xù)使用電梯，電梯將停靠在該層站待命，若有人在該層站呼梯，電梯將首先開門，以滿足用梯的要求。若其他層站有人呼梯，電梯將首先定向，并起動運行，到達呼梯層時再開門，此時的開門按停層開門處理。 ⑷ 電梯停用后的關門。此時電梯到達基站，人員離開轎廂，電梯自動延遲3秒關門 。 ⑸電梯自動運行時的關門。停站時間繼電器T37延時結束后，電梯自動關門。停站時間未到，可通過關門按鈕實現(xiàn)提前關門。 圖4.3 開關門控制程序框圖 4.3.6 電梯的定向環(huán)節(jié) 在自動運行狀態(tài)下，電梯首先應確定方向，也即定向。電梯的定向只有兩種情況，即上行和下行。電梯處于待命狀態(tài)，接收到內選和外呼信號時，應將電梯所處的位置與內選和外呼信號進行比較，確定是上行還是下行。 圖4.4 電梯定向上行程序框圖 圖4.5 電梯下行程序框圖 一旦電梯定向后，內選與外呼對電梯進行順向運行的要求沒有滿足的情況下，定向信號不能消除。檢修狀態(tài)下運行方向直接由上行和下行起動按鈕確定，不需定向。梯形圖中M3.0及M3.1分別為定上行及定下行中間繼電器，它們線圈的工作條件觸點塊由內外呼信號及電梯位置信號組成，前文中所說的“比較”是通過電梯位置信號對呼梯信號的“屏蔽”實現(xiàn)的 。 4.3.7 電梯的加速 有邏輯關系確定電梯的運動方向，再加上內呼和外呼等信號即可控制電梯的運行，本設計中電梯如果收到上行或下行的信號，并確認門處于關閉位置時，則開始從靜止加速，并經過3秒鐘后到達高速運行速率，并停止加速保持現(xiàn)有速度，只有當減速信號到來時（即檢測到上下平層且同時該層有外呼或內呼）開始電機減速，一直到電梯平層停車為止。 4.3.8 電梯平層減速與停車 轎廂運行后需要確定在那一層站停車，平層即是指停車時轎廂的底與門廳地面應相平齊，一般都有平層誤差規(guī)定，如平層是兩平面相差不能超過5mm,平層停車需過程需要在轎廂底與停車樓層相平之前就開始，先是減速，然后才開始制動，減小沖擊，提高平層的準確性以及乘客的舒適感。本系統(tǒng)的平層信號是由平層感應器發(fā)出的。上平層感應器和下平層感應器都裝在電梯轎廂的頂上，隔磁板安裝在井道壁上。在上行的過程中，上平層感應器首先插入隔磁板，發(fā)出減速信號，電梯開始減速，直到下平層感應器插入隔磁板的時候，說明電梯已經準確平層，發(fā)出停車信號，電動機停轉，抱閘抱死，并發(fā)出開門信號。在電梯下行的過程中井道信號的獲得過程與此正好相反。 4.3.9 616G5參數(shù)設置 A1-01=4 A1-02=3 B1-01=1 C1-01=3s C1-02=3s C2-01=0.6 C2-02=0.6S C2-03=0.6 C2-04=0.6S C5-01=5 C5-02=1s D1-02=50Hz D1-03=6Hz D1-09=10Hz E1-01=380V E1-04=50Hz E1-05=380V H2-01=37 H3-05=1F