基于plc的電梯控制系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的梯形圖語言。梯形圖語言與繼電器原理圖相類似，形象直觀，易學易懂，電氣工程師和具有一定知識的電氣技術人員都可在短時間內學會，計算機技術和傳統的繼電器控制技術間的隔閡在PLC上完全不存在。因此，許多國家生產的PLC都把梯形圖語言作為第一用戶語言，此外，還可采用指令表進行編程控制。（3）適應性好PLC是通過程序實現控制的。當控制要求發生改變時，只要修改程序即可。由于PLC產品已標準化，系列化，模塊化，因此能靈活方便地進行系統配置，組成規模不同、功能不同的控制系統。其適應能力非常強，既可控制一臺機器，一條生產線，也可控制一個復雜的群控系統；既可以現場控制，又可以遠距離控制。（4）功能完善，接口功能強目前的PLC具有數字量和模擬量的輸入輸出、邏輯和算術運算、定時、計數、順序控制、通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，使設備控制水平大大提高；其接口功率驅動范圍較大，不象普通的計算機輸出信號需放大才能驅動負載，極大地方便了用戶。其常用的數字量輸入輸出接口，就電源而言有110 V、220 V交流和5V、48 V直流等多種，～5 A的范圍內變化，模擬量的輸入輸出有177。50 mV、177。10 V和0～10 mA、4～20 mA等多種規格，可以很方便地將PLC與各種不同的現場控制設備順序連接，組成應用系統。由于PLC具有以上特點，因此，與傳統的繼電器—接觸器控制和現在流行的電腦控制相比較，在電梯這樣的大型電氣設備的控制系統中采用PLC實現控制應是最佳選擇。近年來，PLC在處理速度、控制功能、通信能力及控制領域等方面都不斷有新的突破，正向著電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化(EIC)方向發展，PLC裝置已成為自動化系統的基本裝置，是構成FMS、COMC、FA的主控單元[14]。 轎廂樓層位置檢測方法主要方法有如下幾種:(1) 用干簧管磁感應器或其它位置開關:這種方法直觀、簡單，但由于每層需使用一個磁感應器，當樓層較高時，會占用PLC太多的輸入點。(2) 利用穩態磁保開關:這種方法需對磁保開關的不同狀態進行編碼，在各種編碼方式中適合電梯控制的只有格雷變形碼，但它是無權代碼，進行運算時需采用PLC指令譯碼，比較麻煩，軟件譯碼也使程序變的龐大[9]。(3) 利用旋轉編碼器:目前，PLC一般都有高速脈沖輸入端或專用計數單元，計數準確，使用方便，因而在電梯PLC控制系統中，可用編碼器測取電梯運行過程中的準確位置，編碼器可直接與PLC高速脈沖輸入端相連，電源也可利用PLC內置24V直流電源，硬件連接可謂簡單方便。由以上分析可見，用旋轉編碼器檢測轎廂位置優于其他方法，故本設計采用此法。 PLC的選型根據以上選擇的轎廂樓層位置檢測方法，要求可編程控制器必須具有高數計數器。又因為電梯是雙向運行的，所以PLC還需具有可逆計數器[15]。本設計再考慮到以下幾個方面，因此選用西門子PLC來實現四層樓電梯的電氣控制:(1)配置簡單。各種機型均可采用相同配置，簡化設備采購和倉庫庫存管理。(2)編程方便。用戶可根據不同機型的流程要求編制程序，程序調試和修改都非常簡便，能根據客戶需求進行變化；程序可采用密碼保護，保護自己的勞動成果。而且PLC采用的梯形圖語言簡單易學，容易上手，不像單片機控制系統那樣復雜而且一旦定型不易修改，不能根據客戶需求變化。(3)系統能非常方便地連接到PC機監控系統或其他系統如樓宇自控系統中，根據應用情況，有時可無須增加額外硬件就能實現；增加適當硬件可連接到互聯網上。(4)系統外觀高檔，控制靈活，精確度高；故障率極低，節省維護成本。綜上所述，在本次設計中選用西門子PLC進行過程控制。S7200CNCPU型號包括CPU222CN，CPU224CN,CPU226CN等。 S7200CN針對低性能要求的小型PLC，它能夠控制各種設備以滿足自動化控制需求，緊湊的結構、靈活的配置和強大的指令集使S7200成為各種控制應用的理想解決方案。根據電梯控制的要求，需要22個輸入21個輸出點，可選用CPU226CN作為主控制器。它集成24輸入/16輸出，共40個數字量I/O點；可連接7個擴展模塊，最大擴展168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點；具有12K字節程序和8K字節數據存儲空間和6個獨立的30KHZ高速計數器，兩路獨立的20KHZ高速脈沖輸出，1個RS485通訊/編程口。是具有較強控制力的控制器，用于控制電梯的運行[16]。輸入輸出分布如下表。序號名 稱輸入點序號名 稱輸出點0一層平層0電梯上行記憶1二層平層1電梯下行記憶2三層平層2電機正轉3四層平層3電機反轉4內呼一樓4內呼一樓指示5內呼二樓5內呼二樓指示6內呼三樓6內呼三樓指示7內呼四樓7內呼四樓指示8一層外呼上行8一層外呼上行指示9二層外呼上行9二層外呼上行指示10三樓外呼上行10三樓外呼上行指示11二樓外呼下行11二樓外呼下行指示12三樓外呼下行12三樓外呼下行指示13四樓外呼下行13四樓外呼下行指示14手動開門14門電機正轉15手動關門15門電機反轉16開門限位 17關門限位 18電梯上升極限位19電梯下降極限位 變頻器的選擇隨著變頻器性能價格比的提高，交流變頻調速已應用到許多領域，由于變頻調速的諸多優點，使得交流變頻調速在電梯行業也得到廣泛應用。目前，有為電梯控制而設計的專用變頻器早已問世，其功能較強，使用靈活，但其價格相對較貴。因此，本設計沒有采用專用變頻器，而是選用了通用變頻器，通過合理的配置、設計和編程，同樣可以達到專用變頻器的控制效果。這是本設計的特點之一。目前，市場流行的通用變頻器的種類繁多，而電梯行業中使用的變頻器的品牌也不少，其控制系統的結構也不盡相同，但其總的控制思想卻是大同小異。 變頻器的原理變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現代使用的變頻器主要采用交直交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源提供給電動機，變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制四個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形[16]。中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。如圖42所示。圖42 變頻器的基本構成變頻器是利用輸出功率可改變的交流電力拖動設備。變頻器調速的主要工作原理是將供給電機定子的三相交流工頻電經大功率整流元件整流變成直流，再將直流電用正弦波脈寬調節技術逆變為頻率可調、幅度也隨之改變的三相交流電。以此為電源再供給電機使用。如圖43所示。圖43 變頻器的電路連接示意圖 變頻器的選擇電梯的調速要求除了一般工業控制的靜態、動態性能外，它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，電梯節約用電日益受到重視。考慮以上各種因素，本設計選用安川VS616G5型全數字變頻器，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[8]，可以最大限度地提高電機功率因數和電機效率，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[17]。 VS616G5型變頻器的特點VS616G5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。VS616G5變頻器的特點如下:(1) 包括電流矢量控制在內的四種控制方式均實現了標準化。(2) 有豐富的內藏與選擇功能。(3) 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。(4) 保護功能完善、維修性能好。(5) 通過LCD操作裝置，可提高操作性能 VS616G5型變頻器的結構及參數設置由于采用PLC作為邏輯控制部件，故變頻器和PLC通訊時采用開關量而不用模擬量。由于616G5是通用型變頻器，因而用在電梯控制上為了滿足運行效率、舒適感、平層精度和安全性的要求，其參數設置比專用型變頻器要復雜得多。616G5變頻器共有9組參數，每一組參數的設定都具有特定的含義。常用參數如表43 [10]。表43變頻器參數參數功用A組確定控制模式B組選擇運行功能C組確定加減速時間及轉矩補償時間D組選擇頻率E組確定運行壓頻曲線F組保護設置H組確定偏差標準參數設置的原則:(1) 為減小啟動沖擊及增加調速的舒適感，其速度環的比例系數宜小些，而積分時間常數宜大些；(2) 為了提高運行效率，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；(3) 零速一般設置為0Hz，速抱閘功能將影響舒適感；(4) 變頻器其他常用參數可根據電網電壓和電機銘牌據直接輸入，具體的設置見表44。表44安川616G5變頻器主要參數設置表參數名稱設定值說明A102控制方式選擇2不帶PG矢量控制方式B101頻率指令選擇1　B102運行指令選擇1　B103停止方法選擇0　B104反轉禁止選擇0　B201零速電平選擇　B204停止時直流制動時間　C103加速時間2　C104減速時間2　C201加速開始時S型曲線時間　C202加速完了時S型曲線時間　C203減速開始時S型曲線時間　C204減速完了時S型曲線時間　C501ASR比例增益15　C502ASR積分時間13s　D109檢修速度200rpm　E101輸入電壓設置380v　E104最高輸出頻率50Hv　E105最大電壓380　E106額定電壓頻率50Hv　E109最低輸出頻率電壓0v　E201電機額定電流　按電機銘牌設置E202電機額定滑差　按電機銘牌設置E203電機空載電流　按電機銘牌設置E204電機極數　按電機銘牌設置F101PG常數　按電機銘牌設置F102PG斷線檢測時的動作選擇0　F103超速時的動作選擇0　F104超度偏差過大時的動作選擇0　F105PG分頻比　根據電機極數設置 變頻器自學習功能的應用方法為了使變頻器工作在最佳狀態，在完成參數設置后，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，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，變頻器將根據識別到的結果調整控制算法中的有關參數。顯然，這一組自學習到的參數，是和變頻器匹配的最佳參數，使變頻器能對該電動機進行最佳控制。 變頻器容量及制動電阻參數的計算(1) 變頻器容量的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為P2,P2=[(W1 +W2W3)g+F1]v (41)其中F1=K(W1+W2W3)g+f為摩擦力，f可忽略不計。K是傳動系統中隨牽引力變化的摩擦力的摩擦系數。電機功率P1，變頻器功率P應接近于電機功率P1，相對于P2留有安全裕量，可取P≈ P2。因為：K=，W1=1600Kg，W2=800Kg，W3=2000 Kg，g=，v=代入以上各參數，得P2= KW。電機功率P1=11 KW，變頻器的功率P應接近于電機功率P1，相對于P2留有較大裕量，可取P= P2=。(2) 變頻器制動電阻參數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Rz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 IZ=UD/RZ≤IN/2 (42) 其中UD為額定情況下變頻器的直流母線電壓。由于制動電阻的工作不是連續長期工作，因此其功率可以大大小于通電時消耗的功率。根據這個原則，日本三菱公司為各種型號的變頻器配備了制動電阻，查閱變頻器的使用說明書可得，電機額定功率為11 KW時。本文采用24V增量式旋轉編碼器，它與主電動機同軸相連，在PLC中通過對此脈沖的計數，可以用程序計算出電梯走過的距離及當前的速度[18]，從而完成調速系統的位置和速度反饋。接口示意圖如上圖44。圖44 調速系統接口示意圖，使得變頻器停止工作。、。VOL+、VLL是調頻調壓的電壓控制端。這些端口通過PLC的擴展實現。第五章 軟件設計 電梯控制系統的主流程圖根據電梯控制要求,電