毕业设计（论文）基于plc控制的变频调速电梯系统设计

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1、 1. 绪 论1.1 课题研究的背景和意义 随着社会经济发展和人们物质文化生活水平的提高，建筑业迅速发展，高楼层建筑越来越多，为人们提供便利的上下交通运输工具显得非常重要，电梯在人们日常生活中的作用也日趋重要，安装电梯的场所越来越多。电梯产业迅速发展，已成为工作和生活中的必需上楼工具。针对飞速发展的电梯产业，提供安全、高效、舒适的电梯控制系统，使每一部电梯都能安全高效舒适地运行，成为电梯产业发展的重要任务。现代社会中，电梯已经成为不可缺少的运输设备。电梯的存在使得高层建筑的交通更为便利。电梯是将机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的

2、机电设备，它是建筑物中的常见的垂直交通工具。电梯作为一种较为复杂的机电一全化设备，它由多许机械构件和电子、电气、大规模集成电路组成的微型计算系统及声、光控制部件所组成。我们从按下电梯的按钮到完成电梯的运行并走出电梯轿厢，可以体现出电梯的许多功能，如：电梯的定向选层、电梯的起动、加速、稳速运行、到站减速、平层停车、开关门。还有检修功能、安全保护功能、消防功能、楼层显示等。电梯控制技术的发展主要经历了三个阶段：继电器控制阶段，微机控制阶段，现场总线控制阶段。继电器控制是电梯产业中最为传统的一种控制方式。继电器控制系统存在很多缺点与不足，如：故障率高、维护不方便、耗能比较大、编程繁琐等缺点。从人们对

3、电梯的需求出发，这种系统已经满足不了人们日常的需求，将逐渐被淘汰。 可编程序控制器（PLC）控制系统具有可靠性高、编程和维护方便等主要特性。自 20 世纪90 年代以来，(PLC)在电梯控制系统中的应用日渐普遍，特别是在我国中小型电梯企业的产品中得到广泛的应用。近年来，在我国的电梯行业中，传统的继电器控制方式基本已经被淘汰，逐渐被 PLC 控制系统和微控制器数字控制系统所取代。其中,PLC 由于编程简单、容易维护、设计和调试周期短、抗干扰能力强、可靠性高等优点，被广泛地应用于电梯控制系统中。 目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能

4、省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。随着经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代，其应用越来越广。电梯是现代高层建筑的垂直交通工具，其设计要求稳定性、安全性及高。随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，电梯得到了快速发展，当前电梯总的发展趋势主要体现在以下几个

5、方面从电梯控制系统的实现方法分，电梯的控制系统经历了继电器控制、可编程序控制（PLC）、单片微机控制、多微机控制多种形式。继电器控制系统是80年代最广泛的一种电梯控制方式，有控制逻辑线路简单、直接、易于理解和掌握的优点，但由于该类系统是由众多继电器、接触器构成，使用一段时间后其接触点往往接触不良，所以电梯故障高，众多的继电器、接触器动作噪声较大，整个控制柜体积大。随着多微机系统在电梯控制系统中的应用，电梯控制发生了限大的变化，因为微机在电梯中的应用不仅取代了大部分继电器和选层器，而且使整个系统更加可靠，灵活性更加提高，功能大增强了。但微机的集成度高，功能项目固化，一般维修人员及工程人员不能修改

6、或增加其功能,只能回生厂家或用专用的工具。可编程控制器取代继电器构成的电梯控制系统，可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且触点少、可靠高、故障率低、维修方便、噪声小。最主要的是它的可编程功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可。虽然PLC的编程语言需不尽相同，但都有通俗易懂，便于自学的优点一般维修及工程人员都能掌握,PLC电梯控制系统比较适用于小高层的楼房.随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有越来越广泛的应用，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。随着经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，这使得

7、交流变频调速电梯控制系统已经进入一个崭新的时代。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装

8、置成本较高；而PLC具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。第三章变频器的参数设计3.1选择变频器的原因：电梯是一种垂直运输工具，它在运行中不但具有动能，而且具有势能。它经常处在正反转，反复起制动过程中。为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好

9、的调速性能和正确停车性能。为满足这些要求，采用变频器控制电动机是最合适的。变频器不但可以提供良好的调速性能，并能节约大量电能。我们先确定变频器的牌子，再确定变频器的型号、规格。 1，按变换环节分类 1)交-交变频器 2）交-直-交变频器 2，按直流环节的储能方式 1）电流型变频器：直流环节的储能元件是电感线圈 2）电压型变频器：直流环节的储能元件是电容器 3，按控制模式（工作原理分） 1)U/F 控制变频器。 2）转差频率控制变频器。 3）矢量控制变频器。 4，按用途分： 1）通用变频器。 2）高性能专用变频器。 3）高频变频器。 5，按变频器调压方法分 1）PAM变频器 2）PWM变频器变频

10、器是变频调速的核心设备，它的品质对于变频调速系统非常重要，它的质量影响我们系统的可靠性。所以我们对于品牌选择时要慎重考虑。设备的平均使用寿命是一个重要的参考依据，同时我们根据预期使用寿命来选择品牌，选择经验丰富，口碑好的知名品牌。在同一品牌中选择具体型号，则需要我们由确定的变频调速设计方案、功能来决定。变频器产品的说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用的是定子的电流,我们根据具体工程的情况，有以下几种不同的变频器规格的选择方式：1）按照标称功率选择一般作初步投资估算依据。2）按照电动机额定电流选择多用于恒转矩负载的新设计项目。3）按照电动机实际运行电流选择多用于改造工程。4）按照转矩

11、过载能力选择选择的变频器应满足的条件：1、根据被控设备的负载特性选择专用电梯变频器的类型。2、所选择电梯变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。3、为降低电梯成本,首选通用变频器。4、电梯的启动和停车都要平稳。5、变频器带有防止失速功能。6、变频器具有优良的转矩特性。电梯专用型变频器，是研发人员专门针对电梯行业，如别墅电梯、货梯、家用电梯、公寓大楼商用客梯等量身定制的一款新型的专用型的变频器。研究人员通过对整个电梯行业进行详细的调研之后，发现：以前的电梯主要是用继电器来控制的，具有线路复杂、接点接线多、故障率高等特点；以前的电梯的调速方式以变极调速、调压调速和直流调速为主，这些调速方式的特点

12、，造成耗能大、机械磨损大、使用寿命低、维修成本高、维修困难、启停不平稳、等特点电梯专用型变频器的特点：1、采用高性能磁束向量控制(FOC)技术，可以驱动异步电动机和永磁同步电机，具有静态自学习电机参数以及编码器原点偏移角的功能，使用方便；2、零速启动转矩可达150%，可防止电梯溜车；3、电流保护极限可达300%；4、无需承重补偿，采用启动零速位置控制模式，消除启动顿感；5、采用PDFF控制，轻松调试各段频宽，配合5组S曲线，确保良好的舒适度；6、同时具有多种启动/停止控制时序选择，便于配合各种上位机时序；7、对外部机械抱闸及接触器的控制，极大地方便了客户的使用；8、并且支持UVW、正余旋、通讯

13、等形式的编码器，能够实时检测编码器断线，迅速报警输出，确保电梯安全；9、模块化和薄形化设计充分展现人体力学和视觉享受的完美结合；10、还可与汇川工控产品如PLC等实现无缝连接，为客户制定个性化的解决方案。11、可选购PG回授卡 (支持ABZ&UVW & Heidenhain1387、1313编码器)12、支持RS-485及监控软件13、可选购LCD数字操作面板电梯专用型变频器的适用场合：1、别墅梯；2、货梯；3、家用客梯；4、公寓大楼商用客梯；5、天车场合；6、其它需要控制的同步电机等电梯的调度要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。本设计中拖动调速系

14、统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感。另外考虑到节能等经济效益以及使用的可靠性等。本设计采用ME320电梯专用变频器。ME320LN系列电梯专用变频器是苏州默纳克控制技术自主开发生产的新一代高性能电梯专用矢量控制变频器。它是多年电梯应用行业经验沉淀结合电机矢量控制、平滑曲线计算等先进算法而诞生的产品，是电梯行业最实用、最专业、最易用的专用变频器！ ME320LN电梯专用变频器操作面板独特的单键设计使复杂的键盘操作变的轻松自如；可以通过通用的RJ45 端口连接到任何位置的操作面板，使电梯调试变的方便、简单。 适用于永磁同步电机和异步电动机的驱动控制，具备多种旋转编

15、码器接口； 具有电机参数自调谐功能，可以进行静止调谐或者完全调谐； 支持多段速和模拟量的速度给定； 灵活的启动曲线处理、多段 S曲线设定、4级加减速时间设定可以保证良好的电梯运行舒适感； 具有简单实用的蓄电池运行功能，48V 电源输入即可完成停电自救； 具有使能检测、抱闸接触器控制、输出接触器控制、强迫减速判断、超速保护、速度偏差检测、提前开门、触点粘连检测、电机过热检测、启动预转矩补偿等多种电梯专用功能，使电梯控制变得简单、易行； 操作面板独特的单键设计使复杂的键盘操作变的轻松自如；并可以通过RJ45端口连接到任何位置，使电梯调试变的方便、简单；参数拷贝单元使用简单，便于批量调试； 内置直流

16、电抗器与制动单元，提高了系统的输出功率因数，减少了电气系统外配部件成本； 全系列独立风道设计、专业的防雷设计、专业化的加工制作平台、先进的工艺流程控制保证了ME320LN电梯专用变频器品质； ME320LN电梯专用变频器内置完全的防雷击设计，大大提高了系统的可靠性。另外，ME320LN电梯专用变频器具有超强的抗干扰能力，符合严酷的EMC测试标准； ME320LN在驱动器出现过流、过压/欠压、输入/输出缺相、过载以及控制存储异常等故障时，会立刻进行保护，切断输出，封锁抱闸，禁止再次运行。基本规格载波频率2kHz 16kHz；根据负载特性，自动调整载波频率。输入频率分辨率模拟设定：最高频率 0.1

17、%输出频率精度数字设定：最高频率 0.01%模拟设定：最高频率 0.01%控制方式开环矢量控制（SVC）/ 闭环矢量控制（VC）/VF 控制 启动转矩0.5Hz/180%（SVC） / 0Hz/200%（VC）调速范围1：100 （SVC）/ 1：1000 （VC）/ 1：50 （V/F）稳速精度0.5%（SVC） /0.05%（VC）过载能力150% 额定电流 60 秒 /180% 额定电流 1 秒。电机调谐带负载调谐 / 无负载调谐加减速曲线直线或S曲线加减速方式/四组加减速时间和四组S曲线设定等多种组合。检修控制可以通过任意多段速指定多段速运行实现最多 8 段速运行自动电压调整（AVR）

18、当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定显示与操作LED显示可显示设定频率、输出频率、输出电压、输出电流等参数参数拷贝使用LED操作面板可实现参数的快速复制保护功能上电短路检测、输入输出缺相保护、过流保护、过压保护、欠压保护等40 种保护按键锁定和功能选择实现按键的部分或全部锁定，定义部分按键的作用范围，以防止误操作表3-1 ME320LN产品技术规范表个性化功能上电外围设备安全自检可实现上电对外围设备进行安全检测如接地、短路等停电应急运行应急运行方案实现简单、方便超速保护内置电梯超速保护功能；多种动作选择判断速度偏差内置速度偏差检测功能；及时发现电梯潜在隐患强迫换速功能具有强迫换速检测功能；

19、有效防止电梯冲顶蹲底直接停靠功能结合直接停靠命令，实现无爬行运行电机温度检测及时判断电机温度，消除安全隐患启动补偿三种启动转矩补偿方式：模拟量、数字量、无称重QUICK 健用户自由定义快捷菜单定时控制方便实现定时控制功能表3-2ME320LN的个性化功能输入输出特性运行命令通道两种通道：操作面板给定、控制端子给定频率源共有 4 种频率源：数字给定、多段速给定、模拟电压 1 给定、模拟电压 2 给定。输入端子10 路数字输入端子，其中 1 路可作高速脉冲输入，可兼容有源 PNP或 NPN 输入方式 2 路模拟量输入端子，其中 1 路只能用作电压输入，另 1 路可作电压或电流输入。输出端子3路数字

20、式输出端子 2路继电器输出端子 1路模拟量输出端子，分别可选 0/4 20mA 或 0/2 10V，可实现设定频率、输出频率等物理量的输出表3-3ME320LN的输入输出特性ME320LN电梯专用变频在电梯调速系统中，必须配备PG卡及旋转编码器，以供电机的测速和反馈。旋转编码器与电动机同轴相连，对电动机进行测速。我们选择PG卡型号：MCTC-PG-B，需要提供5V电源，适配长线驱动增量型编码器，UVW型编码器；分频固定1分频。 变频器的功率可根据曳引机电机运行的速度、电梯的功率、电梯的配重与载重进行计算。设电梯运行的速度为，电梯自重为，电梯载重为，配重。重力加速度为，变频器的功率为。电梯曳引机

21、的电机功率为，摩擦力为，摩擦系数为0.02,。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为: 可忽略不计。变频器功率应接近电机功率，电机功率相对于留有安全裕量,可取。电梯自重为；电梯载重为；电梯平衡系数取0.5；电梯配重为； ；曳引电动机功率：电梯是位能负载，电梯在运行的过程中会产生能量回馈，所以在变频调速装置中应具备制动功能。虽然具有逆变功能的四象限变频调速装置能够通过将再生能量回馈电网，但成本会很高。采用能耗制动方式，能够通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本低，而且具有良好使用效果。在本次电梯调速系统设计中，配制动电阻。当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈能量。这时同步转速会

22、下降，变频器内部的整流部分电压会升高，制动电阻会把回馈的能量消耗。抑制直流电压过高。ME320LN电梯专用变频器只有在容量大于30KW时需要外置制动单元。变频器型号适配电机（kW）制动电阻最大值（）制动电阻最小值（）功率（W）制动单元ME320LN-4002-SA290230600标准内置ME320LN-4003-SA1701351100ME320LN-4005-SA115901600ME320LN-4007-SA85652500ME320LN-4011-SA1155433500ME320LN-4015-SA1543354500ME320LN-4018-SA34255500ME320LN-40

23、22-SA2224226500ME320LN-4030-SA3020169000ME320LN-4037-SA37161311000MDBUN-60-TME320LN-4045-SA45141113500MDBUN-60-T表3-4 ME320LN系列电梯专用变频器制动组件通过对曳引机电机容量估算，我们选择22KW的电动机，对应匹配的变频器型号为：ME320LN-4022-SA，选择的制动电阻为22欧，功率为6500W。ME320LN变频器共有17组参数，每一组都有其特定的含义，如图3-5所示。F0基本参数F9故障与保护参数F1电机参数FAPG 参数F2矢量控制参数FB通讯参数F3启停控制参数

24、FC专用增强功能参数F4输入功能参数FD特殊功能参数F5输出功能参数FU监控参数F6速度参数FJ保留参数F7曲线参数FF厂家参数F8键盘与显示参数FP用户参数3-5变频器功能参数表参数设置的原则：1)为减小启动的冲击及增加调速舒适感，其速度环比系数最好小一些，而积分时间常数最好大些:(2)为了提高运行的效率，快车频率最好选为工频（50HZ）运行，而爬行频率可能要低一些，以减小停车冲击(3)零速一般设置为0HZ，(4)变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，或者通过变频器调谐功能读取电机部分参数【21】【22】。本章小结对变频器的类型进行了概述,并确定由来实现电梯速度控制,完成了

25、电梯控制系统中变频器的选择。第四章 PLC型号选择及其控制系统的设计3.1 PLC 的选择 3.1.1 PLC 的定义和特点 1 PLC的定义 PLC 在不断发展，因此对它下一个确切定义是困难的。1980 年 PLC问世后，由美国电气制造商协会National Electric Manufacturer Association NEMA)对 PLC下过如下的定义: PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制51982 年，国际电工委员会(International Electrical C

26、ommittee IEC)颁布了PLC 标准草案，1985 年提交了第 2 版，1987 年的第 3 版对 PLC 作了如下的定义:PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。上述的定义表明， PLC 是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。 PLC 能如此迅速发展的原因是由于

27、它具有通用计算机所不及的一些下列特点： 一 可靠性对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC 的可靠性高，表现在下列几方面。 （1）与继电器逻辑控制系统比较，PLC 可靠性提高的主要原因: 1) PLC 不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。 2) PLC 采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。 3) PLC 有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作

28、的失误，可靠性高。 2）与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因: 1)PLC 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC 的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高. 2)在 PLC 的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件;采用先进的工艺制造流水线生产;对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。 3)在PL

29、C的软件设计方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等8，9，10。 一份用户选用 PLC 原因的调查报告指出，在各种选用 PLC 的原因中，第一位的原因是由于 PLC 可靠性高的用户达 93%。其次，才是性能和维修方便等原因。可见可靠性高是PLC的主要特点。 二 易操作性 PLC 的易操作性表现在下列三个方面: (1)操作方便对 PLC 的操作包括程序输人的操作和程序更改的操作。大多数PLC 采用编程器进行程序输人和更改的操作。编程器至少提供了输人信息的显示，对大中型的 PLC，编程器采用 CRT 屏幕显示

30、，因此，程序的输人直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或 CRT 屏幕上显示。所以 PLC 具有操作方便的特点。 (2)编程方便 PLC 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解，所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用，并发挥出更有效的功能特点。 (3

31、)维修方便 PLC 所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和 CRT 屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。 为便于维修工作的开展，有些 PLC 的制造企业提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障树等维修用的资料。有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件10 天津大学硕士学位论文 第三章 硬件选型 板，使维修工作变得十分方便。 PLC 的面板和结构的设计也考虑了维修的方便性，例如，对需维修的部件设置在便于维修的位置，信号灯设置在易于观察的部位，接线端

32、子采用便于接线与更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，从而大大节省维修时间。 采用标准化元件和标准化工艺生产流水线作业，使维修用的备品备件简化，也使维修变得方便。 三 灵活性 PLC 的灵活性表现在下列三方面： (1)编程的灵活性 PLC 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。由于采用软连接的方法，在生产工艺流程更改或者生产设备更换时，可以不必改变 PLC 的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性

33、特点，使 PLC 能大量地替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和计算机集成过程控制系统(CIPS)中，PLC正成为主要的控制设备，得到广泛的应用。 (2)扩展的灵活性 PLC 的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输人输出单元增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台 PLC 的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数

34、据的交换等。这种扩展的灵活性大大地方便了用户。 (3)操作的灵活性操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。 四 机电一体。化为了使得工业生产过程的控制更平稳、更可靠，向优质高产低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化仪表、电子、计算机综合的要求，而 PLC 正是这一要求的产物，它是专门为工业过程控制而设计的控制设备，它的体积大大减小，功能不断完善，抗干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机

35、的功能综合在一起。因此，它已成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要控制设备。 3.1.3 PLC 与其他工业控制系统的比较 1 PLC 与继电器控制系统的比较 几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与 PLC 相比较，存在着质的差别，表 31 给出了 PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。 1 PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则： 1) 最

36、大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。 2) 保证PLC控制系统安全可靠 保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。 3) 力求简单、经济、使用及维修方便 一个

37、新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 4) 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。 电梯控制系统一

38、般由厅门信号、轿厢操纵盘、变频器、PLC构成，控制系统如图4-1所示： 变频器实现变频调速功能，PLC完成逻辑控制部分，处理各种信号的逻辑关系，给变频器发出控制信号，同时变频器也向PLC反馈本身的运行状态，形成双向联络关系。系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，能够进行速度检测及反馈，实现速度和位置闭环控制。此外系统配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能，制动单元能够抑制变频器内部直流母线电压升高。4.1 可编程序控制器的选择 轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态、所处位置、及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据标记的内选与外呼

39、信号和轿厢的位置关系，确定运行方向当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机发出减速信号，使其换速当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类：即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰【17】。 位置检测方法主要有如下几种: （1） 用于簧管磁感应器或其它位置开关。这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用太多的输入点。 （2）利用稳态磁保开关。这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采

40、用指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。 （3）利用旋转编码器。目前,一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元,计数准确,使用方便,因而在电梯控制系统中,可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置,编码器可直接与高速脉冲输入端相连,电源也可利用内置直流电源,硬件连接可谓简单方便。 旋转编码器是一种旋转式测量装置,通常安装在被测轴上,随被测轴一起动，用以测量转动量主要是转角，并把它们转换成数字形式的输出信号。在电梯中用码盘来检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反馈信号和位置指示号。旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直

41、接算出轿厢相应的位置行程，进而，算出电梯运行过程中轿厢所处层楼位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等。【18】 以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故系统采用此法。可编程控制器的选型为了完成设定的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型26，27。本系统为五层楼的电梯,采用集选控制方式。所需输入/输出点数与内存容量估算如下: 1) 输入/输出点的估算。 输入点有:门厅按钮8个，轿厢内按钮8个，楼层感应传感器5个，轿厢门限开关2个，检修开关1个，平层传感器2个，减速传感器2个，过载测量传感器1个，PG卡1个，障碍检测光电传感器1个共31

42、个。 2）内存容量的估算 用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量I/O总点数有63个，模拟量I/O数为0个。利用估算PLC内存总容量的计算公式: 所需总内存字数=开关量I/O总点数(1015)+模拟量I/O总点数(150250)再按30%左右预留余量。估算本系统需要约2K字节的内存容量。 ）可编程控制器机型的选择 H1U，H2U, H3U 系列是汇川公司今年来推出的高性能小型可编程控制器，,FX0S,FX0N,FX2N 是微型可编程控制器。它们都体积都比较小，但

43、功能强大，内置高速记数器，外观，高度，深度都差不多但性能价格有很大的差别。如表 33 所示。 根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后，选择汇川技术生产的H2U-3624MR-XP型号，具有60点的可编程控制器，继电器输出。汇川H2U系列PLC具有以下几个优点：1）H2U系列PLC是深圳市汇川控制技术研发的高性价比控制产品，指令丰富，高速信号处理能力强，运算速度快，允许的用户程序容量H2U可达24K步，且不需外扩存储设备。2）制器标配三个独立通讯口，可扩展为四个，方便现场接线；通讯端口支持多种通讯协议，包括MODBUS主站、从站协议，尤其方便了与变频器等

44、设备的联机控制；提供了严密的用户程序保密功能，子程序单独加密功能，方便用户特有控制工艺的知识产权保护。支持USB下载，支持CANlink组网通讯。3）控制器提供了多种编程语言，用户可选用梯形图、指令表、步进梯形图、SFC顺序功能图等编程方法。4）对高速输出信号的处理部分，H2U系列除2416MT、3624MT型号外，其他MT型号标配3路高速输出；MTQ版本则提供了六路高速脉冲输入、五路高速脉冲输出功能，处理能力增强。5）H2U可用内部辅助继电器M,状态继电器S,定时器T,寄存器D,计数器C的功能和数量满足了系统控制要求的需要,尤其是高速计数器等能接受脉冲编码器脉冲。 根据系统控制的要求,本系统

45、的输入选用直流24V的输入模块。输出模块选用继电器输出形式。 开关量输出单元的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源的不同，可分为直流输出单元（晶体管输出方式，或者继电器触点输出方式）和交流输出单元（晶闸管输出方式或者继电器触点输出方式）。在继电器输出方式中，继电器作为开关元件，同时又是隔离器件。发光二极管（LED）构成输出状态显示器，当PLC输出一个接通信号时候，内部电路使继电器线圈K通电。继电器触点闭合使得负载回路的的负载L接通得电，VD作为续流二极管以消除线圈的反电动势，同时状态指示发光二极管（LED）导通点亮。根据负载的需要，负载回路的电源

46、既可以选用交流电源，也可以选用直流电源。特别也指出的是，继电器模式具有断点确切，可以实际切断所控制的回路电器连接的作用，同时这种模式既适合于直流又适合于交流的情况，因此这种模式在开关频率不是太高的情况下是首先选择的输出控制方案。下图给出了这种第五章硬件设计5.1 电机调速系统的设计 在电梯拖动控制系统中速度曲线图形直接影响着电梯的舒适感和平层准确度。如果电梯在启动加速和减速制动时，速度曲线图性的加、减交界处不圆滑，乘客会感觉很不舒服，为了满足舒适感提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。 为了

47、获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线 (S曲线)及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从 0 加速到 1000 转/分所需要的时间来定义的。其意义为加速度由 0 加速到 1000 转/秒2所需要的时间。因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。增大加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。同理，增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之，起动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化，也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现，本设计采用的 616G5 变频器就具有S曲线加速时间设定功能，故将加速时间和

48、S曲线加速时间配合调整，即可获得理想的起动曲线。同理，制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图 4.1 所示，图中a为加速度，v为速度12。 异步电机的调速方法及经济技术比较 异步电动机转速表达式为: 式中：为同步转速，为电源频率,为电动机的磁极对数，S为异步电动机的转差率。从上式可以看出，要调节异步电动机的转速，可以从改变下列三个参数如：1） 变极调速：改变异步电动机定子绕组的磁极数。鼠笼型转子结构的异步电动机，其转子的极对数能自动地与定子极对数相对应。可以通过改变定子绕组的接法，以改变定子的极对数，从而使异步电动机的同步转速得到改变，达到调节转速的目的。变极调速的优点是:操作简

49、便、效率高、机械特性硬、可以获得恒转矩与恒功率调速。其缺点是:只能实现有极调速，而且调速的等级十分有限，只适用不要求平滑调速的场合。2） 改变转差率调速：改变异步电动机的转差率。 常见利用改变转差率进行速度调节的方法有下列几种:1） 转子电路串接电阻调速；2） 改变定子电压调速；3） 滑差电机调速；4） 串极调速及脉冲调速等。3） VVVF变压变频调速 VVVF电梯是采用交流单速电动机，通过对交流电动机供电电压和供电频率进行调节、达到输出转速线性化，将交流电动机转速运行曲线线性段区域扩大。由于系统采用的是高精度电光码盘，微机全数字化控制，能使电梯平层精度达到毫米级，并且绝对保证电动机零速下闸，

50、舒适感非常好。 交流变压变频调速的基本原理：由公式知但转差率变化不大时，因此N和成正比。在交流异步电动机中：式中：定子气隙磁通感应电势； 定子频率； 基波绕组系数 每极气隙磁通量一般来说是固定的常量，只需要改变，就能改变，同时保持不变。即：常值。在实际工程中，绕组的感应电动势难以控制，当电势比较高时，可以把定子绕组的漏磁阻压降忽略掉，即，所以：常值。常值。从上面的分析可看出，只有同时改变电源的电压和频率，才能满足变频调速的要求。图5-2 PLC和变频器连接图 5.3 井道系统设计 电梯的井道系统示意图 图 5-3 井道信号系统示意图电梯位置的检测与显示 电梯轿厢中的乘客和门厅中等待乘坐电梯的人

51、都需要知道电梯的当前位置，电梯确定是否能够应答新的召唤指令以及什么时候减速平层制动这都需要知道电梯当前的位置。一般的电梯系统的位置信号都是靠设置在井道中的位置开关来检查的，干簧感应器，就是比较可靠，性能比较好的一种位置开关。在井道中对应每一楼层的适当位置都安装一个干簧感应器，在轿厢运行过程中，每当固定在轿厢顶上的阁磁板插入某楼曾的干簧感应器时，该干簧管的常闭触点接通，表示电梯已经到达该楼层，并置位相应的状态继电器，直到隔磁板插入另外一个楼层的干簧感应器。 5.3.2 轿厢的平层与停车控制 轿厢运行后需要确定在哪一层站停车，平层指的是指停车时轿厢的底与门厅地面应相平齐，一般都有平层误差规定，如平

52、层是两平面相差不能超过5mm，平层停车的过程需要在轿厢顶与停车楼层相平之前就开始，先是减速，然后才开始制动，这样可以减小冲击，提高乘客的舒适感。本系统的平层信号是由平层感应器发出的。如图5-3所示，上平层感应器和下平层感应器都装在电梯轿厢的顶上，隔磁板安装在井道壁上。在上行的过程中，上平层感应器首先插入隔磁板，发出减速信号，电梯开始减速，直到下平层感应器插入隔磁板的时候，说明电梯已经准确平层，发出停车信号，电动机停转，抱闸抱死，并发出开门信号。在电梯下行的过程中井道信号的获得过程与此正好相反。 电梯控制系统的设计 本控制系统是采用ME380LN型变频器和汇川的H2U-3624MR-XP型 PL

53、C 组成的变频调速电梯控制系统,电气控制硬件框图如图 5-3 ，它由门电机、曳引电机、变频器、可编程控制器 PLC 及其他电气元件构成。电梯的调速部分选用高性能矢量控制变频器，利用光电编码器测量曳引电机的转速，实现闭环矢量控制系统。电路的逻辑部分由 PLC 来实现，PLC 接受来自现场的楼层、位置、呼叫、转速等信号。然后再把速度信号、门机的开关门信号、楼层显示及呼叫显示信号发给调速系统。图5-3控制系统原理图 (1)一台电机控制上升和下降(2)各层设上/下呼叫开关(最顶层与起始层只设一只)(3)电梯到位后具有手动或自动开门关门功能(4)电梯内设有层楼指令键,开关门按键,警铃风扇及照明按键(5)

54、电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯(6)待客自动开门,当电梯在某层停梯待客时,按下层外召唤按钮,应能自动开门迎客(7)自动关门与提早关门.在一般情况下,电梯停站4一6秒应能自动关门;在延时时间内,若按下关门按钮,门将不经延时提前实现关门动作.(8)按钮开门。在开关过程中或门关闭后,电梯启动前,按下操纵盘上开关按钮,门将打开。(9)内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时,电梯应能按顺序自动停靠车门,并能至调定时间,自动确定运行方向。(10)自动定向。当轿厢内操纵盘上,选层指令相对与电梯位置具有不同方向时,电梯应能按先入为主的原则,自动确定运行方向。(11)呼梯记忆与顺向截停。电梯在

55、运行中应能记忆层外的呼梯信号,对符合运行方向的召唤,应能自动逐一停靠应答。(12)自动换向。当电梯完成全部顺向指令后,应能自动换向,应答相反方向的信号。(13)自动关门待客。当完成全部轿厢内指令,又无层外呼梯信号时电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。(14)自动返基站。当电梯设有基站时,电梯在完成全部指令后,自动驶回基站,停机待客。第六章 软件设计 PLC编程介绍 基本逻辑指令PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法。各种型号的PLC的基本逻辑指令其实都大台大同小异，现在我们针对汇川H2U系列作简单的了解。16，26。5江秀汉，可编程序控制器原理及应用M，西安:

56、西安电子科技大学出版社，199616王也平.可编程序控制器原理及应用M，成都:西南交通大学出版社，1994 PLC中梯形图编程方法是仿传统继电器控制系统的电气原理设计的一种设计方法，设计中使用的元件如按钮开关X、中间继电器M、时间继电器T、计数器C、触点等，都和实际的电气元件的特性相似【17】。梯形图编程时使用的元件符号梯形图设计中使用的元件符号及特性说明如图6-1所示，通过将这些“触点”元件的“与”“或”逻辑组合，输出到元件“线圈”：17汇川技术公司.汇川小型PLC指令及编程手册说明手册，2014图6-1梯形图原件符号汇川H2U系列PLC编程系统支持多种元件，如图6-2所示：图6-2系统支持

57、的软元件种类 PLC运行时，主要进行执行X输入检测、用户程序扫描运算、其他元件的状态刷新、将Y状态缓存状态输出到PLC的Y硬件端口等，这些工作内容周而复始的进行，其中的扫描执行用户程序是PLC的核心工作。它会由上至下，直到主程序的所有网络都扫描执行完毕，还有各定时器的刷新、例行的通讯等数据的处理后，PLC系统程序将Y寄存器缓存区的变量状态输出到Y硬件端口中。然后又开始下一轮的用户程序扫描，如此周而复始，直到控制用户执行的“ RUN/STOP”开关被拨动到STOP位置为止。 对于整个PLC而言，其系统软件还需完成一些运行准备、系统通讯、中断处理等工作，系统软件运行流程如图所示6-3所示。对于复杂

58、的用户程序，在系统扫描用户程序过程中，还可以采用“中断”处理的方法响应“用户中断”信号，对重要信号（也有称重要“事件”）作及时处理。所谓“中断”处理，就是CPU检测到特定信号时，立即停下（或中断）当前的例行工作，去执行特定的子程序，子程序执行完毕，才返回到先前被停下的工作点，继续执行例行工作。中断信号的请求能得到及时的响应处理，是“中断”功能的主要特点。在PLC中，有高速信号输入（ X0X5高速计数、定时等中断（有时称为“用户中断”），还有通讯中断，包括系统通讯、用户程序发起的通讯等。在PLC中，各中断享有同一优先级，但不同中断类型，其允许区间稍有不同图6-3汇川PLC执行原理基本指令Auto

59、Shop编程软件为汇川控制技术公司研发的编程后台软件，在该软件环境下，可进行H1U/H2U系列PLC用户程序的编写、下载和监控等功能。该系列PLC基本指令如图6-4所示：电梯调速系统程序设计流程图如图8宋伯生.可编程序控制器M，北京:中国劳动出版社，1993 9皮壮行.可编程序控制器的系统设计与应用实例M，北京:机械工业出版社，2000 10何衍庆.可编程序控制器原理及应用技巧M，北京:化学工业出版社，199812梁宾.关于电梯运行舒适感的调试J，广船科技，2002 , (4 ) : 29-32 5江秀汉，可编程序控制器原理及应用M，西安:西安电子科技大学出版社，199616王也平.可编程序控制器原理及应用M，成都:西南交通大学出版社，1994 17汇川技术公司.汇川小型PLC指令及编程手册说明手册，201419汇川技术公司.ME320L专用说明书说明手册，201219汇川技术公司.ME320L系列PG