基于通用變頻器的電梯plc控制系統的設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 因素。 （ 6）節能 現代電梯應該合理的選擇拖動方式，以達到節能的目的 ： 1）額定載重量（ kg）：制造和設計規定的電梯載重量。 2）轎廂尺寸（ mm） ：寬深高。 3）轎廂形式：有單或雙面開門及其它特殊要求等，以及對轎頂、轎底、轎壁的處理，顏色的選擇，對電風扇、電話的要求等。 4）轎門形式：有柵欄門、封閉式中分門、封閉式雙拆門、封閉式雙拆中分門等。 5）開門寬度（ mm）：轎廂門和廳門完全開啟的凈寬度。 內容 9 6）開門方向：人在廳外面對廳門，門向左方向的為左開門，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，也稱為中分門。 7）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的運行速度。半繞 2： 1 吊索法，轎廂的運行速度等于鋼絲運行速度的一半。全繞 1： 1 吊索法，轎廂的運行速度等于鋼絲的運行速度。 8）額定速度（ m/s）：制造和設計所規定的電梯運行速度。 9）電氣控制系統：包括控制方式、拖動系統的形式等。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。 10）停層站數（站）：凡在建筑物內各層樓用于出入轎廂的地點均稱為站。 11）提升高度（ mm）：由底層端站樓 面至層頂端站樓面之間的垂直距離。 12）頂層高度（ mm） :由頂層端站樓面至機房樓板或隔音層樓板下最突出構件之的垂直距離。電梯的運行速度越快，頂層高度一般越高。 13）底坑深度（ mm）：由層底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。 14）井道深度（ mm）：由井道底面至機房樓房或隔音層樓房板下最突出構件之間的垂直距離。 15）井道尺寸（ mm）：寬深 [10]。 內容 10 第三章 運行方案設計 總體方案的確定 電梯 PLC 的控制系統和其他類型的電梯控制系統一樣主 要由信號控制系統和拖動控制系統兩部分組成。圖 31電梯系統結構框圖，主要硬件由轎廂、開門機構、曳引機構、控制系統等組成 。 圖 31 電梯 系統結構框圖 PLC 控制系統方案設計 電梯 PLC 的控制系統和其他類型的電梯控制系統一樣主要由信號控制系統和拖動控制系統兩部分組成。圖 41 為電梯 PLC 控制系統的基本結構圖， 主要硬件包括 PLC 主機及擴展、機械系統、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等 [11]。 系統控制核心為 PLC 主機，操縱盤、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內容 11 等發出顯示信號，向拖動和門機控制系統發出控制信號 [12]。 圖 32 電梯 PLC 控制系統的基本結構圖 電梯的控制系統實現如下功能： 1)行車方向由內選信號決定 ,順向優先執行 。 2)行車途中如遇呼梯信號時 ,順向截車 ,反向不截車 。 3)內選信號、呼梯信號具有記憶功能 ,執行后解除。 4)內選信號、呼梯信號、行車方向、行車樓層位置均由信號燈指示 5)停層時可延時自動開門、手動開門、 (關門過程中 )本層順向呼梯開門 。 6)延時自動關門 ,關門后延時等待內選，自動行車 。 7)行車時不能手動開門或本層呼梯開門 ,開門不能行車。 電梯曳引方案 曳引電梯是當今世界應用最為廣泛的梯型，具有安全可靠、提升高度大、結構緊湊等優點 【 】 。 曳引電梯最常用的曳引比有 1： 1 和 2； 1 兩種，其工作原理如圖 33 所示。本設計出于降低對電機的要求的考慮，采用了 2： 1 的 曳引 方案 [13]。 圖 33 電梯曳引系統 工作原理 示意圖 轎廂操縱盤 廳外呼梯 輸入接口 PC 主機 CPU 存儲器 輸出接口 調整器 拖動控制 井道裝置 安全裝置 指層器 門機控制 內容 12 第四章 硬件選型、設計及計算 四層電梯曳引電機及門電機電路圖 根據設計要求 ，本次設計的電氣控制系統主回路原理圖如圖 51 所示。圖中M1， M2 為曳引電機和門電機，交流接觸器 KM1~KM4 通過控制兩臺電動機的運行來控制轎廂和廳門，從而進行對電梯的控制。 FR1， FR2 為起過載保護作用的熱繼電器，用于電梯運行過載時斷開主電路。 FU1 為熔斷器，起過電流保護作用。 圖 41 電氣控制系統主回路原理圖 可編程控制器 (PLC)的選擇 可編程控制器 (PLC)的特點 （ 1）可靠性高，抗干擾能力強 PLC 是為工業控制而設計的，除了對器件的嚴格篩選外，在硬件和軟件兩個方面還采用 可屏蔽、濾波、隔離、故障診斷和自動恢復等措施，使可編程控制器具有很強的抗干擾能力，其平均無故障時間達到 (3～ 5)104h 以上。 內容 13 （ 2）編程直觀、簡單 考慮到大多數電氣技術人員熟悉電氣控制線路的特點， PLC 沒有采用微機控制中常用的匯編語言，而是采用了一種面向控制過程的梯形圖語言。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，負載能力可在 ～ 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 : 內容 14 (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。 內容 15 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，但其價格相對較內容 16 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。 內容 17 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