基于PLC和变频器的电梯控制系统的设计说明

基于PLC和变频器的电梯控制系统的设计 摘要 随着现代社会和城市生活发展，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 是不可或缺的垂直运输设备。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，这不仅 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。 关键词：电梯；可编程控制器；变频器 Abstract Along with the development of modern economy and city life, computer technology, automatic control technology and power electronic technology rapid development, the elevator has become a symbol of urban material civilization. Especially in high-rise buiIdings, the elevator is an indispensable vertical transportation equipment. Traditional relay elevator control system, due to the mechanical and electromagnetic relay inertia big, greatly reduces the reliability and security of the elevator system. 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. Key Word : The elevator; PLC; VFD 1 绪论 5 1.1 课题的研究背景 5 1.2 交流曳引电梯调速方式的发展 7 1.3 电梯发展展望 8 1.4 变频器的特点和其在电梯中应用 8 1.4.1 变频器的工作原理 9 1.4.2 变频器系统构成 9 1.4.3 变频器的分类、规格以及满足条件 9 1.4.4 电梯变频调速控制的特点 10 1.5 可编程控制器的特点及其在电梯控制中的应用 10 1.5.1 PLC的系统构成 11 1.5.2 PLC的工作原理 13 1.5.3 PLC 的特点 13 1.5.4 PLC控制电梯的优点 15 1.6 电梯的基本结构及性能指标 16 1.6.1 曳引系统 16 1.6.2 轿箱和重量平衡装置 17 1.6.3 电力拖动系统 17 1.6.4 电气控制系统 17 1.6.5 安全保护系统 18 1.6.6 电梯的性能指标 18 2 变频器简介 20 2.1 变频器的选型 20 2. 2 VS-616G5 变频器 21 2. 2. 1 VS-616G5变频器的简介 21 2.2.2 VS-616G5变频器的主要性能、特点及选用 22 2.2.3 VS-616G5变频器运行参数及设置原则 23 2.2.4 VS-616G5变频器控制回路的端子 25 2.2.5 VS-616G5变频器多级调速的PLC控制 26 2.2.6 变频器容量及制动电阻参数的计算 28 3 PLC的简介 30 3.1 PLC的选型 30 3. 2 Ffe-80MR 型 PLC 32 3. 2.1 FX2N-80MR 型 PLC 的 I/O 点分配 32 3. 2. 2 FX2N-80MR 型 PLC 的硬件接线 34 4 硬件设计 35 4.1 电梯速度曲线 35 4. 2 电梯位置的确定 36 4. 3 轿厢的平层与停车 36 4.4 电梯的安全保护环节 36 4. 5 电梯控制系统的设计 38 4. 6 电梯自动门的设计 39 4. 7 拖动电机电路的设计 40 4. 8 电梯设备的选择 42 5 软件设计 43 5.1 电梯的三个工作状态 43 5.2 电梯控制系统实现的功能 44 5.3 电梯主要梯形图程序说明 45 5. 3.1 楼层显示电路控制 45 5. 3. 2 轿厢选层按钮指示灯控制 46 5. 3.3 门厅召唤电路控制 47 5. 3. 4 电梯选向电路控制 48 5. 3. 5 电梯平层电路 48 5. 3. 6 电梯起动电路和换速电路控制 49 总结 50 致 51 参考文献 52 附录 54 1绪论 电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向 的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速 精度、调速围等静态和动态特性提出了更高的要求。在电梯的变频调速系统中，电机 的实际最大转速为其额定转速，因此，电梯的变频调速属“恒转矩调速"。 1.1课题的研究背景 电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领 域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全 性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零 部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有在电梯的制造、安 装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。 同时，随着电梯拖动技术、控制技术的快速发展，电梯已从直流电动机拖动到交 流单速电动机驱动、交流双速电动机驱动，到交流调压调速(ACVV，Alternating Current Voltage )控制，发展到交流调压调频技术(VVVF，Variable Voltage Variable Frequency)控制，其逻辑控制也由可编程序控制器(PLC)代替原来的继电 器控制，使得电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降 耗、降低噪音等方面得到了极大的发展。新制造的电梯都采用了对电动机实现线性调 速的调压调频技术，由于VVVF电梯采用PLC控制，有完善的自检测、自诊断、自保护 功能，因而十分安全可靠。 PLC是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制 器的基础上发展起来的新型控制器，它是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用 计算机。可编程序控制器不同于顺序控制器和通用的微机控制装置，它不仅充分利用 微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和 模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。 PLC现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一，具有可靠性高、 逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网功能，易与计算机接口， 能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等高性能模块等优异性能，同时可以取代 由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统的继电——接触控制系 统。由此，可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技 术。 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，广泛的适用围及其它许多优点，而被国 外公认为最有发展前途的调速方式。 总之，利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全 性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。本文所选用的VS-616G5通 用变频器，可自行设置速度曲线来实现平稳操作和精确控制，使乘客在乘坐电梯时更 加舒适。为满足电梯安全性的要求，变频器通过与电动机同轴连接的旋转编码器和脉 冲发生器(PG，Pulse Generator )，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。PLC负责 处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状 态信号送给PLC，形成双向联络关系，这是系统的核心。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，旋转编码器根据A、B脉冲 的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。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变频器部，以便进行运算调 节，所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运行。控制系统结构图如下图1. 1所示。 信息控制系统 轿厢操作盘 厅外呼梯盒 安全装置 显示装置 图1.1电梯的控制系统 1.2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，大致可以分化为三个阶段。 第一个阶段是七十年代，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，其中极对数少 的绕组成为局速绕组，用于电梯的启动及稳速运行,极对数多的绕组成为低速绕组， 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。 第二个阶段是八十年代盛行的交流调压调速电梯，