PLC控制电梯毕业设计初稿

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1、山东科技大学学士学位论文 摘要摘要摘要在现代社会及经济活动中，电梯已成为城市物质文明的标志。电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术得到了快速发展，交流变频调速技术已进入一个崭新的时代，其应用越来越广。新技术的产生发展同时也促进了电梯行业的快速发展。现在电梯的拖动技术已经发展到了变压变频调速，其逻辑控制也由 PLC 代替原来的继电器控制。本文采用 PLC 和变频器实现电梯常规控制的基础上，通过对变频器和PLC 芯片的合理选择和设计大大提高了电梯的控制水平，使电梯达到

2、了较为理想的控制和运行效果。关键词关键词：电梯，PLC，变频器，变频调速山东科技大学学士学位论文 摘要ABSTRACTIn the modern social and economic activities, the elevator has become a symbol of urban material civilization.Elevator performance good or bad influence on peoples lives more and more significant, so must try to improve the performance of th

3、e elevator system, to ensure energy-efficient operation of the lift both safe and reliable. Along with our country economy, the rapid development of microelectronics technology, computer technology and automatic control technology obtained fast development, VVVF technology has entered a new era, its

4、 application more widely. The generation of new technology development and promote the rapid development of the elevator industry. Now drag the elevator technology has developed to the VVVF, which is also controlled by the PLC logic to replace the original relay control.In this paper, to achieve lif

5、t conventional PLC and inverter control, based on the frequency converter and the PLC chip through the rational selection and design greatly improves the level of control of the elevator, the elevator reached the ideal control and operating results.Keyword:Elevator ,PLC, Inverter,VVVF山东科技大学学士学位论文 目录

6、目录目录摘要摘要.11 绪论绪论.11.1 研究目的及意义.11.2 国内外研究现状.21.3 本课题研究内容.42 电梯的概述电梯的概述.52.1 电梯的产生.52.2 电梯的设备.52.2.1 电梯的结构.52.2.2 电梯的种类.72.2.3 电梯的主要参数.82.2.4 电梯的安全保护装置.93 变频器变频器的的选择及参数设计选择及参数设计.113.1 变频器的概述.113.1.1 变频器的简介.113.1.2 变频器的发展方向.133.1.3 变频器的调速原理.14山东科技大学学士学位论文 目录3.1.4 变频器的分类.153.1.5 变频器的主要功能.153.2 变频器的选择.17

7、3.2.1 变频器品牌型号.183.2.2 选择变频器规格.183.2.3 选择的变频器应满足的条件.193.3 通用变频器.193.3.1 通用变频器简介.203.3.2 西门子 M440 变频器简介.213.3.3 变频器主要参数设置.244 PLC 的的选选择择.274.1 可编程控制器的概述.274.1.1PLC 的定义及特点 .274.1.2PLC 的基本结构和工作原理 .314.2.1 S7-200 PLC 的系统配置.345 系统硬件设计系统硬件设计.365.1 电机调速系统的设计.365.2 电梯的控制要求.365.3 电梯工作过程分析.38山东科技大学学士学位论文 目录5.4

8、 系统流程图.385.5 I/O 点数分配 .395.5.1I/O 分配表.395.5.2PLC 外部接线图.406 系统软件设计系统软件设计.426.1 西门子可编程序控制器介绍.426.2 控制系统程序设计.436.2.1 开关门控制.436.2.2 轿厢内呼叫.456.2.3 轿厢外呼梯.476.2.4 顺向截梯和逆向截梯.49总结总结.53参考文献参考文献.54致谢致谢.55附录附录.56附录 A 外文文献.56附录 B 中文翻译.61山东科技大学学士学位论文 绪论11 绪论绪论1.1 研究目的及意义研究目的及意义电梯是安装在建筑物内的一种交通工具，是为了满足人们对于垂直运输的需要而建

9、立的。在现代社会电梯就如同汽车、轮船一般不可或缺。有关资料显示，在美国，每年乘坐其他交通工具的人数约为 80 亿人次而乘坐电梯的人数达到 540 亿人次之多。如今，电梯的使用情况已成为衡量现代化发展程度的一种标志，从某种意义上说，电梯也成为研究一个城市中居民生活状态的最完美空间。社会生产力的不断发展带动了人类文明的高速发展,特别是 20 世纪 70年代以后,高层建筑在世界范围内得到的迅猛发展,极大地促进了电梯技术的改良和革新近半个世纪以来,电梯技术从原始的模型升降机发展到能满足人类需要的高级智能化电梯。最初的电梯是由司机操作控制的,然而这样不但浪费人力还很浪费财力于是,为了解决这个问题,便在旅

10、馆和住宅楼里采用了简易的自动控制方式来控制电梯它的优点是可以不利用人力便可自动记住呼梯信号以响应最先呼叫的乘客的需求,不过这种控制方式却无法同时一记住多个呼梯信号,这就造成电梯的使用不方便、效率低于人力操作效率的缺点。为了解决这一问题,后来便出现了集选控制,该控制很好地解决了原先那种简易的自动山东科技大学学士学位论文 绪论2控制不能记住多个呼梯信号的问题并且还具有能在运行方向上依次进行响应的特点。电梯的拖动技术经历了直流电动机驱动到交流单速电动机驱动、交流双速电动机驱动、交流调速调压控制及后来的交流调速调频调压控制的几个阶段，这几个阶段的发展使电梯控制技术得以不断成熟。可编程序控制器（PLC）

11、最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，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。具有安全、可靠等优点。因此，PLC 控制技术加变频调速技术已经成为现代电梯行业的一个热点。1.2 国内外研究现状国内外研究现状 电梯最初是以升降机为模型的。公元前年，古希腊的阿基米德设计了第一台升降机。在我国，使用的水井辘轳也是一种人力卷扬机。随着蒸汽机的产生，1835 年，世界上出现第一台以蒸汽机为动力的载货升降机。1853 年，美国人奥的斯研究出一种用于升降机的安全装置，使得轿厢能够正常运行，保证了乘载人员的安全。它是现代电梯安全钳的胚体，为电梯的发展奠定基础。1858 年，世界上第一台以蒸汽机为

12、动力并带有安全装置的载人升降机诞生。1889 年，直流电动机作为动力率先被奥的斯公司使用，山东科技大学学士学位论文 绪论3由于电动机的优点，电梯真正趋于实用化。由于是以电力带动轿厢升降，所以人们称之为“电梯” 。1903 年，电梯的安全性和传动机构能有了重大改进，摩擦拽引的形式取代了传统的鼓轮绕绳式。此后，电梯在动力发展比较成熟后，电气控制以及速度调节问题得到了更大的关注。1915 年，自动平层控制系统设计成功。1924 年，信号控制系统的发展使电梯操纵大大简化。1928 年，开发了集选控制电梯。第二次世界大战以后，新技术特别是电子技术的发展，电梯的发展得到了极大的推动。1949 年，纽约联合

13、国大厦，首次使用了群控电梯。1955 年，出现了小型计算机控制的电梯。1967 年，可控硅技术的出现，是电梯的拖动系统简化，性能得到了很大的提高。1971 年，集成电路被广泛应用，出现了数控电梯。1976 年，电梯开始采用电脑进行电气控制，使其进入了一个崭新的发展时期。八十年代，出现了调压调频的交流电梯，从而又开拓了电梯电力拖动的新领域。1992年 12 月，奥的斯公司在日本东京的 Narita 机场安装了水平穿梭人员运输系统。1993 年，三菱公司在日本横滨地区 12.50m/s 速度的超高速乘客电梯，是当时世界速度最快的乘客电梯。1996 年，奥的斯公司引入集垂直运输与水平运输的复合运输系

14、统的概念。该系统采用直线电机驱动，在一个井道内设置多台轿厢。轿厢在计算机导航系统控制下，可以在轨道网络内交换各自运行路线。2000 年，深圳市旺龙智能科技有限公司在中行苑安装了第一套 IC 卡电梯控制器，从此深圳开始出现 IC 卡电梯控制系统。由山东科技大学学士学位论文 绪论4于人们对节能、安全、智能的要求越来越高，IC 卡电梯控制产品广泛的安装在各种大厦中的电梯。 从以上可以看出，每当解决了关于电梯安全性能的重大问题后，电梯的发展就会进入一个新的发展阶段。而在今天，在大力倡导节能的今天，电梯将往节能的方向不断发展，同时，也要兼顾舒适度、快速性、安全性等问题。1.3 本课题研究内容本课题研究内

15、容随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们生产生活必不可少的工具之一，其性能也对人们的生活产生了越来越大的影响。因此必须保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。传统的电梯采用继电器来实现电机工作状态的改变，继电器存在电器元件多、功能弱、故障频繁、可靠性差和寿命短等问题。因此本次设计针对继电器电梯存在的问题，采用可编程控制器（PLC）和变频器改造现有的电梯控制系统。首先，先介绍一下电梯的基本概况，然后选择所能用到的变频器，然后再介绍 PLC 的选择及硬件设计，完成在介绍软件设计，最后总结本次毕业设计。山东科技大学学士学位论文 电梯的概述52 电梯的概述电梯的概述2.1 电梯的产生电梯的产生

16、 1854 年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙格雷夫斯奥的斯第一次展示了他的发明升降机，这是历史上第一部安全升降机。从此以后，升降机得到了广泛应用。而我国，从改革开放以来，全国各地高层建筑不断出现，而电梯的需求量也日益增长，各种电梯也不断被开发出来并投入运行。为确保电梯正常运行、安全使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。2.2 电梯的设备电梯的设备2.2.1 电梯的结构电梯的结构电梯是机电合一的一种大型的复杂的产品，是现代科学技术的综合产品。电梯的结构包括四大空间和八大系统。其中，四大空间包括：机房部分、井道部分、层站部分和轿厢部分。八大系统包括：曳引系统、导向系

17、统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力控制系统、电气控制系统、和安全保护系统。其结构如图 2-1：山东科技大学学士学位论文 电梯的概述6 图 2-1 电梯基本结构1减速箱；2曳引轮；3曳引机底垫；4导向轮；5限速器；;6机座；7导轨支架；8曳引钢丝绳；9开关碰铁；10紧急终端开关；11导靴；12轿架；13轿门；14安全钳；15导轨；16绳头组合；17对重；18补偿链；19补偿链导轮；20张紧装置；21缓冲器；22底坑；23层门；24呼梯盒 v25层楼指示灯；26随行电缆；27轿壁；28轿内操纵箱；29开门机；30井道传感器；31电源开关；山东科技大学学士学位论文 电梯的概述732控制柜；33引电

18、机；34制动器(抱闸)2.2.2 电梯的种类电梯的种类电梯有很多种分类方法，而不同的分类方法之间又是相互交叉的。1、按照用途分类：客梯，代号 K；货梯，代号 H；客货梯，代号L；病床电梯，代号 B；住宅电梯，代号 Z；杂物电梯，代号 W；船舶电梯，代号 C；观光电梯，代号 G；还有其他的一些专用电梯在这里就不一一赘述了。2、按照速度分类：（1）低速电梯：速度不大于 1m/s 的电梯，规格有 0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s、1 m/s。（2）中速电梯：速度为 12 m/s，规格有 1.5 m/s 和 1.75 m/s。（3）高速电梯：速度大于 2 m/s，规格有 2 m/s、

19、2.5 m/s、3 m/s。甚至有的超高速电梯速度可以达到 6 m/s、10 m/s。3、按照拖动方式分类：（1）直流电梯：曳引电机是直流电动机，分直流有齿和直流无齿两类。（2）交流电梯：曳引电机是交流电动机，分为交流单速电梯、交流双速电梯、交流调速电梯和变频调速电梯四类。（3）液压电梯：靠液压传动的电梯，分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。山东科技大学学士学位论文 电梯的概述84、按照控制方式分类：手动操作控制、按钮控制、信号控制、层间控制、简易集选控制、集选控制有无司机控制、群控、并联控制等。其实电梯的分类方法多种多样，就不一一详述了。2.2.3 电梯的主要参数电梯的主要参数（1）载重量(kg)

20、制造和设计规定，电梯的额定载重量。（2）轿厢形式：单或双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电话的要求等等。（3）轿厢尺寸(mm) 宽*深*高。（4）轿门形式：栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、封闭式双折中分门等。（5）开门宽度(mm) 轿厢门和层门完全开启时的净宽度。（6）开门方向：人在轿外面对轿厢门向左方向开启的为左开门，门向右向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称中分门。（7）曳引方式：常用的有半绕 1：1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度；半绕 2：1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一半；全绕 1：1 吊索法，

21、轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。（8） 电气控制系统 包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电山东科技大学学士学位论文 电梯的概述9机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。（9） 额定速度(m/s)：制造和设计所规定的电梯运行速度。（10）停层站数(站)：凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均称为站。（11）提升高度(mm)：由底层端站楼面至顶层端站楼面之间的垂直距离。（12）顶层高度(mm)：由底层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直的距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。（13）底坑深度(mm)：由底层端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，

22、底坑一般越深。（14）井道尺寸(mm) 宽*深。（15）井道高度(mm)：由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。电梯的主要参数是电梯制造和设计的依据。用户在选择时，必须根据电梯的使用地点、运载对象等，按照标准正确的选择，否则会影响电梯的使用效果。2.2.4 电梯的安全保护装置电梯的安全保护装置（1）电磁制动器：装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。山东科技大学学士学位论文 电梯的概述10（2）强迫减速开关：分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。（3）限位开关：

23、当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。（4）行程极限保护开关：当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。（5）急停按钮：装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。（6）厅门开关：每个厅门都装有门锁开关。仅当厅门关上才允许电梯启动；在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。（7）关门安全开关：常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。（8）超载开关：当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。（9）其它的开关

24、：安全窗开关，钢带轮的断带开关等。 山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计113 变频器的选择变频器的选择及参数设计及参数设计 本文通过多种方案的比较对照，完成了电梯控制系统的变频器的选择。3.1 变频器的概述变频器的概述3.1.1 变频器的简介变频器的简介变频器是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，将工频电源变成另一种频率的电源控制系统。变频器的结构如图 3-1 所示，按变流方式可分为交直交变频器和交交变频器两种。交直交变频器先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称做间接变频；交交变频器将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需

25、中间环节，称做直流变频。早期的变频器由晶闸管（SCR）组成，SCR 属于半控型器件，不能通过门极关断 SCR，需要强迫换流装置才能实现换相，故主电路结构复杂。此外，晶闸管的开关速度慢，变频器的开关频率低，输出电压谐波分量大。全控型器件通过门极控制既可使其开通又可使其关断，该类器件的开关速度普遍高于晶闸管，用全控型器件构成的变频器具有主回路结构简单、输出电压质量好的优点。常用的全控器件有电力场效应管（Power-MOSFET） 、绝缘栅极双机型晶体管（IGBT） 。山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计12现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modul

26、ation，PWM） ，其基本思想是：控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。 a) b)图 3-1 变频器结构示意图a)交-直-交变频器 b)交-交变频器目前，我们所使用的变频器主要采用交-直-交方式，它一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成，如图 3-2 所示。整流由整流桥实现，将方向不断改变的交流电变成方向单一的直流电，中间直流环节起滤波、储能、缓冲无功功率的作用，逆变器为 IGBT 三相桥式逆变器，输山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计13出 PWM 波形。图 3-2 交直

27、交变频器结构框图变频器广泛应用于电机的调速，以可靠性高、精度高、功能强、操作简便、体积小、重量轻、转矩大等优点，不断替换其它的调速方式，广泛的应用于各个行业，例如机械、化工、石油、建筑、钢铁、电子、医药、电梯、城市供水、中央空调、污水处理等各领域。目前，我国的变频器生产主要集中在沿海地区，随着对国外先进变频技术的学习及国内巨大的市场需求，国产变频器在 21 实际进入大发展时期。3.1.2 变频器的发展方向变频器的发展方向今后，变频调速技术将向以下几个方面发展： 1、实现高水平的控制。对于各个领域的控制，采用各种理论实现高水平控制。诸如，电动机和机械模型控制，采用矢量控制、磁场控制等，智能控制思

28、想的控制，采用模糊控制、神经元网络控制等。2、开发清洁能源的变频器。降低负载侧的谐波分量，减少对电网和山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计14电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的 PWM 控制，对大容量变流器，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。3、缩小变频器的体积。通过提高功率和控制元件的集成度和改变功率器件的冷却方式，使变流装置变得紧凑。4、高速度的数字控制。采用更好的微处理器充当控制中心，提高控制对数据的处理能力，处理速度，实现各种算法，使得图形编程的控制技术有很大发展。3.1.3 变频器的调速原理变频器的调速原理三相异步电动机的转速公式为： n=n0

29、(1-s)=60f (1-s)/p式中：n0同步转速； f电源频率，单位为 Hz； p电动机极对数； s电动机转差率。所以，从上面公式可知，改变电源的频率、电动机极对数或电动机转差率即可实现调速。而变频器就是通过改变电源的频率实现的调速。异步电动机调速时，希望主磁通保持不变，原因是，主磁通太弱，铁芯利用不充分，同样转子电流下，电动机的负载能力下降；若主磁通太强，铁芯发热，波形变坏。山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计15由公式 E1=4.44f1N1m式中，E1电动机定子每相电动势； f1电动机定子频率； N1定子相绕组有效砸数； m每极磁通量。 可知，要使 m 保持基本不变，必须

30、保持 E1和 f1的比例不变或者微小变化。因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律，同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。3.1.4 变频器的分类变频器的分类变频器的种类非常多，根据不同的分类方法有以下几种分类：1、按照变换频率的方法分：交直交变频器、交交变频器交交变频器2、按主电路工作方式分：电压型变频器、电流型变频器3、按变频器调压方法不同分：PAM 变频器、PWM 变频器4、按工作原理分：U/f 控制变频器、VC 控制变频器、SF 控制变频器5、按用途分类：通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计1

31、63.1.5 变频器的主要功能变频器的主要功能变频器主要具有以下功能：【7】1、频率给定功能。变频器可以根据给定的信号，输出对应的频率。给定信号可以是模拟量信号，也可以是数字量信号。给定信号为模拟量信号时，变频器输出的频率精度略有下降，通常为 0 .2%以内。变频器根据输入的电压或者电流值得到相应的频率输出。变频器外部有若干个输入端，用以控制多段速度，输入端子的通断（1/0） ，按照二进制组合形成一个值，使变频器输出一个对应的频率。2、加减速时间设置功能。变频器起动时，起动频率可以很低，加速时间可以由用户自行给定，这样有效的解决了起动电动机电流大和机械冲击的问题。当处于减速过程中，如果拖动系统

32、的惯性大，频率下降又很快，电动机将处于强烈的再生制动状态，从而产生过电流和过电压，使变频器跳闸。为避免上述情况，可进行减速时间的合理选择。3、加减速模式选择功能。有些机械装置，对于速度的要求是不同的，如运输皮带类的控制对象，被输送物体的惯性力与加速度成正比，加速度太大，被输送的物体很容易滑落或跌落，又如电梯，起动、停止速度太快，会使乘客感到不舒服。变频器根据负载的不同，可以提供不同的加减速曲线，常见的有三种：线性方式、S 形方式、半 S 形方式。线性加速时，频率和时间成正比，可以用在大多数负载中；S 形方式的初始速度较缓慢，山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计17中间阶跃为线性加速

33、，尾段又逐渐减为零，可适用于带式运输机一类的负载；半 S 形一半为 S 形，另一半为线性，使用于低速时负载较轻，加速时可以快一点的负载。4、节能功能。大多数变频器都提供了自动节能功能，只需用户加以选择，变频器就可以自动搜索最佳工作点，达到节能的目的。5、保护功能。变频器拥有过电流、过电压、过载保护的功能。当电流、电压超过一定值或由于负载过重导致发热超过一定值时，变频器会跳闸保护。3.2 变频器的选择变频器的选择 当确定了变频器的品牌和型号，以及确定变频器的规格后，也就完成了变频器的选择。变频器的选择主要考虑其额定值和频率指标，主要有： 1、输入侧的额定值，主要是电压和相数，在我国的中小容量变频

34、器中，输入电压的额定值有以下几种：380/50Hz，220230V/50Hz 或 60Hz。2、输出侧的额定值，主要由输出电压 UN、输出电流 IN、输出容量 SN、配用电动机容量 PN、过载能力。3、频率指标，主要考虑频率范围、频率分辨率、频率精度等指山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计18标。频率范围、指变频器能够输出的最高频率 fmax 和最低频率fmin。3.2.1 变频器品牌型号变频器品牌型号变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对于系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质，显然是需要考虑的重要方面。同时，设备的平均寿命的长短是一个重

35、要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验和口碑仍然是主要依据。在同一品牌中选择具体型号时，则主要依据已经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定。3.2.2 选择变频器规格选择变频器规格变频器产品说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。根据具体工程的情况，可以有以下几种不同的变频器规格选择方式：（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） 按照转矩过

36、载能力选择山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计19综上所述，根据实际工程情况，以适当的方法选择变频器规格很重要。选择结果多数情况下变频器标称功率与电动机匹配，少数情况需要放大。所以，笼统的认为放大一级功率选择变频器是没有错的想法，但会造成浪费。总的来说从生产成本来作合适的选择。3.2.3 选择的变频器应满足的条件选择的变频器应满足的条件选择变频器应满足以下的条件：（1） 根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。（2） 所选择通用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

37、） 变频器具有优良的转矩特性。3.3 通用变频器通用变频器随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。因此本次设计采用了通用变频器。采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的是：山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计20（1）为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求。（2）为了节约能源、降低生产成本。3.3.1 通用变频器简介通用变频器简介上个世纪 80 年代初，通用变

38、频实现了商品化。在近 20 年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 两个大发展过程。（1） 容量不断扩大80 年代初采用的 BJT 的 PWM 变频器实现了通用化。到了 90 年代初，BJT 通用变频器的容量达到了 600KVA，400KVA 以下的已经系列化，前几年主开关器件开始采用 IGBT，仅三、四年的时间，IGBT 变频器的单机容量已达 1800KVA，随着 IGBT 容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。 （2） 结构的小型化变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系

39、列措施，促进了变频电源装置的小型化。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计21等封装在一起，构成了一种“智能电力模块” （Intelligent Module，IPM）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。（3） 多功能和智能化电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。（4） 应用领域不断扩大通用变频

40、器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器；金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床，加工中心超高速伺机的精确位置控制都已应用通用变频器；在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公元喷水池，可以说其

41、应用范围相当广阔，并且还将继山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计22续扩大。3.3.2 西门子西门子 M440 变频器简介变频器简介电梯的调度要求除了一般的工业控制要求的动、静态性能外，还要着重考虑它的舒适度。本设计关键在于保证电梯按理想给定速度曲线运行，改善电梯的舒适感。而西门子新一代 M440 变频器可以控制电机从静止到平滑起动期间提供 200%3s 的过载能力。M440 的矢量控制和可编程的 S曲线功能，使轿厢在任何情况下都能平稳运行且保持乘客的舒适感，特别在轿厢突然停止或起动时。M440 变频器内置了制动单元，用户只需选择制动电阻即可实现再生发电制动，因此可节约系统成本。因

42、此本次设计选用了西门子 M440 型变频器。MICROMASTER 440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从 120W 到 200kW（恒定转矩（CT）控制方式） ，或者可达 250 kW（可变转 矩（VT）控制方式） ，供用户选用。它具有矢量控制、V/f 控制等功能，改善了动态响应和电动机的控制特性。同时它的复合制动功能改善了制动特性，加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能，以及动力制动的斜坡缓冲功能，本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉

43、冲宽度 调制的开关频率是可选的，因而降低了山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计23电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制 系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。MICROMASTER 440 既可用于单独驱动系统，也可集成到自动化系统中。MICROMASTER 440 的特点：（1）易于安装，参数设置和调试。（2）易于调试。（3）牢固的 EMC 设计。（4）

44、可由 IT （中性点不接地）电源供电。（5）对控制信号的响应是快速和可重复的。（6）参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置。（7）电缆连接简便。（8）具有多个继电器输出。（9）具有多个模拟量输出 (0-20 mA)。（10）6 个带隔离的数字输入，并可切换为 NPN/PNP 接线。山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计24（11）2 个模拟输入： AIN1：0-10 V，0-20 mA 和-10 至+10V AIN2：0-10 V，0-20 mA（12）2 个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入.（13）BiCo (二进制互联连接)技术。（14）模块化设计，配置

45、非常灵活。（15）脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低。（16）详细的变频器状态信息和全面的信息功能。（17）有多种可选件供用户选用：用于与 PC 通讯的通讯模块，基本操作面板 (BOP) ，高级操作面板(AOP) ，用于进行现场总线通讯的 PROFIBUS 通讯模块。3.3.3 变频器主要参数设置变频器主要参数设置西门子 M440 变频器特点及技术指标如图 3-3 所示：山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计25 图 3-3M440 的特点及技术指标MM440 有两种参数类型：以字母 P 开头的参数为用户可改动的参数；以字母 r 开头的参数表示本参数为只读参数。本次设计的变频器

46、参数设置如表 3-1：为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其斜坡上升时间和斜坡下降时间应当长一些。同时为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频山东科技大学学士学位论文 变频器的选择及参数设计26率应尽可能低些，以减小停车冲击。表 3-1 变频器参数设置变频参数设定值功能说明P01000电机的功率单位为 KW，电网频率 50HzP03001电机类型为异步电机P0304380电动机的额定电压（380V）P030510电动机的额定电流（10A）P030716电动机的额定功率（16KW）P031050电动机的额定频率（50Hz）P03111500电动机的额定转速(1430r/min)P070112

47、接通正转/断开停车P070212反转（与正转命令配合使用）P10800电动机的最小频率（0Hz）P108250电动机的最大频率（50Hz）P112010斜坡上升时间（10s）P112010胁迫下降时间（10s）山东科技大学学士学位论文 PLC 的选择274 PLC 的选择的选择本次设计采用 PLC 控制电梯，相比于传统的继电器控制的电梯，PLC控制电梯具有以下优点：（1）在电梯控制中采用了 PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。（3）PLC 可实现各种复杂的控制系统，方便的增加或改变控制功能。（4）PLC 可进

48、行故障自动监测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。（6）更改控制方案时不需要改动硬件连线。4.1 可编程控制器的概述可编程控制器的概述4.1.1PLC 的定义及特点的定义及特点 1、PLC 的定义1980 年可编程控制器问世后，NEMA(美国电气制造商协会)对其做过如下定义：“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、计时和算式运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。 ” 山东科技大学学士学位论文 PLC 的选择28 1982 年，IEC(国际电工委员会)颁布了可编程控制器标准草案第一

49、稿，将其定义为：“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、计数、计时和算式运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易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。 ” 由此可见，PLC 是能直接运用于工业环境的，而且具有与其它顺序控制装置明显不同的特点。目前，PLC 已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，大致使用在以下六个方面：开关量的逻辑控制、模拟

50、量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。正是由于 PLC 的使用范围广泛，优点众多，才成为解决自动控制问题的最有效工具。2、PLC 的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强电气控制设备的关键是可靠性要高。PLC 采用了现代大规模集成电路技术，生产工艺制造严格，并且内部电路具有很强的抗干扰能力，因此具有很高可靠性。（2）配套齐全、功能完善、适用性强PLC 发展至今，已形成了大、中、小各规模的系列产品，可用于各种规模的工控场合。现代 PLC 除了具备逻辑处理功能，还具备完善的数字运算能力，被许多数字控制领域所运用。随着近年 PLC 功能单元的大量涌现，PLC 也渗透到了温度控制、位置控制、CN

51、C 等各项工业控制中，另外随山东科技大学学士学位论文 PLC 的选择29着 PLC 通信能力的加强以及人机界面技术的不断发展，对 PLC 组成的各种控制系统的使用也变得非常容易。（3）控制灵活，程序可变，具有良好的柔性PLC 产品采用模块化的形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选择，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件方便快捷的适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。（4）系统设计、建造的工作量小，维护方便，易改造PLC 用存储逻辑取代了

52、接线逻辑，减少了控制设备外部的接线数量，大大缩短了控制系统设计和建造的周期，这也使维护变得很容易。（5）重量轻、体积小、能耗低新近出产的超小型 PLC 的底部尺寸小于 100 毫米，重量小于 150 克，功耗仅仅数瓦。体积小能够使 PLC 很容易地装入机械内部，能够十分理想地实现几点一体化。3、PLC 发展简介20 世纪 60 年代，电子技术的发展推动了控制电路的电子化，晶体管等无触点器件的应用促进了控制装置的小型化和可靠性的提高。20 世纪60 年代中期，小型计算机被应用到过程控制领域，大大提高了控制系统的性能。但当时计算机价格昂贵，编程很不方便，输入/输出信号与工业现场不兼容，因而没能在工

53、业控制中得到推广与应用。20 世纪 60 年代末期，西方工业国家出现经济大萧条，作为工业龙头的汽车工业受到沉重打击。美国通用汽车公司（General Motors Corporation，GM）为了在激烈的市场竞争中战胜对手，摆脱困境，制定出多品种、小批量、不断推出新车型来吸引顾客的战略。但原有的控制系山东科技大学学士学位论文 PLC 的选择30统由继电器和接触器等组成，灵活性差，不能满足生产工艺不断更新的需要。1968 年，GM 提出了以下 10 条招标的技术指标：（1）编程简单，可现场修改程序。（2）维护方便，采用模块式结构。（3）可靠性高于继电器控制柜。（4）体积小于继电器控制柜。（5）

54、数据直接送入计算机。（6）价格能与继电器控制柜竞争。（7）输入可以是交流 115V。（8）输出AC 115V、2A，能直接驱动电磁阀。（9）扩展时系统变更很小。（10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4KB。1969 年，美国数字设备公司（Digital Equipment Corporation，DEC）开发出世界上第一台能满足上述要求的样机，在 GM 的汽车装配线上获得成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、使用灵活、体积小、寿命长等一系列优点很快就推广到其他工业领域。随后德国、日本等国相继引进这一技术，使 PLC 迅速在工业控制中得到了广泛应用。在可编程序控制器的早

55、期设计中虽然采用了计算机的设计思想，但只能进行逻辑（开关量）控制，主要用于顺序控制，所以被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，微处理器被广泛应用于PLC 设计中，使 PLC 的功能增强，速度加快，体积小，成本下降，可靠性高，更多的具有了计算机的功能。除了常规的逻辑控制功能外，PLC 还具有模拟量处理、数据运算、运动控制、PID（Proportional-Integral-Differential）控制和网络通信等功能，易于实现柔性制造系统（Flexible 山东科技大学学士学位论文 PLC 的

56、选择31Manufacturing System，FMS） ，因而与机器人及计算机辅助设计/制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）一起并称为现代控制的三大支柱。此外，可编程序控制器在设计中还借鉴了计算机的高级语言，给实际应用带来了方便。为了使其生产和发展标准化，美国电器制造商协会（National Electrical Manufactures Association，NEMA）经过调查，将其正式命名为 Progrannable Controller，简称 PC（后人为与个人计算机 Personal Comp

57、uter 区别起见称做 PLC） ，并给出了 PLC 的定义。尽管 PLC 种类繁多、功能各异，但其工作原理、基本功能、系统构成等方面均有共同之处，所以只要掌握一种 PLC 的原理与应用，其他自然触类旁通。4.1.2PLC 的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理1、PLC 的基本结构PLC 的种类繁多，功能和指令系统也不同，但是结构与工作原理大同小异，一台完整的 PLC 通常由中央处理单元 CPU、存储器、输入输出等部分组成。如图 4-1 所示：山东科技大学学士学位论文 PLC 的选择32图 4-1PLC 的硬件结构（1）主控部分主控部分包括中央处理器，系统程序存储器、用户程序及数据存储器、

58、输入输出扩展接口、外部设备接口和电源等部分。其中，中央处理器是PLC 的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路，用于运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，将结果送到输出端，并响应外部设备的请求以及进行各种内部判断等。（2）输入/输出（I/O）接口I/O 接口是 PLC 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备的控制信号，输出接口是将主机处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备。（3）输入/输出扩展单元I/O 扩展接口用于将外部输入/输出端子数的扩展单元和基本单元连接在一起。输入输出扩展接口有并行接口、串行接口和双口存储器等多种形状。（4）外部设备接口外部设备接

59、口是 PLC 主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，山东科技大学学士学位论文 PLC 的选择33PLC 可以与编程器、打印机等外部设备相连。该接口的功能是串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。外部设备接口一般分为通信接口和专业接口两种。通信接口采用标准的通用接口，如 RS232、RS422 和 RS485A，专业接口是指各 PLC 厂家专有的自成标准和系列的接口。通信接口是 PLC 实现人机对话、机机对话的通道，通过这些接口，PLC 主机可与编程器、监视器、打印机及其他的 PLC 和计算机相连。（5）编程器编程器是 PLC 利用外部设备，用户用来输入、

60、检查、修改、调试程序或监视 PLC 的工作情况。通过专用的 PC/PPI 电缆将 PLC 与电脑连接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。（6）电源单元电源是供给 PLC 电源的器件，通常为输入设备提供直流电源。它的作用是把外部的供电电源变换成系统内部各电源所需的电源。PLC 一般使用220V 单向交流电，电源部件将交流电转换成 PLC 内部电路所需的直流电，保证 PLC 正常工作。PLC 的内部电源一般采用开关稳压电源，特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰能力强。因输入电压范围宽，PLC 对其外部工作电源的稳定性要求不高，可允许15%左右的变化。一般 PLC 还可为外部提供

61、DC 24V 电源，供给现场无源开关、外部传感器使用。2、PLC 的工作原理PLC 是采用周期循环扫描的工作方式，CPU 连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU 对用户程序的执行过程是 CPU 的循环扫描，并周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期主要可分为：读输入阶段、执行程序阶段、处理通信请求阶段、执行 CPU 自诊测山东科技大学学士学位论文 PLC 的选择34试阶段和写输出阶段。如果程序中使用了中断，中断事件出现，立即执行中断程序，中断程序可以在扫描周期的任一点被执行。如果程序中使用了立即 I/O 指令，可以直接存取 I/O 点。用立即 I/O指令读输入点时，相应

62、的输入映像寄存器的值未被修改，用立即 I/O 指令写输出点值时，相应的输出映像寄存器的值被修改。4.2 PLCPLC 的选择的选择本次设计采用西门子 S7-200 系列，出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。STEP 7-Micro/WIN V40 是西门子公司专门为 S7-200 系列 PLC 设计在个人计算机 Windows 操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的程序可以相互转换

63、。STEP 7-Micro/WIN V40 提供两套指令集，即 SIMATIC 指令集和国际标准指令集。4.2.1 S7-200S7-200 PLCPLC 的系统配置的系统配置S7-200 PLC 的基本模块也称主机，是一个独立的装置。S7-200 PLC主机的型号、种类较多，可适应不同需求的场合。CPU22X 系列产品有CPU221 模块、CPU222 模块、CPU224 模块、CPU226 模块、CPU226XM 模块。它们指令丰富、速度快、可靠性好、具有较强的通信能力，表 2-1 列出了 S7-200CPU 模块的主要技术指标。 表 2-1 7-200CPU 模块主要技术指标山东科技大学

64、学士学位论文 PLC 的选择35CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM程序存储器2048 字4096 字8192 字用户数据存储器1024 字2560 字5120 字用户存储类型 EEPROM数据后备典型时间50H100H本机 I/O6 入/4 出8 入/6 出14 入/10 出24 入/16 出扩展模块数量2 个7 个内置高速计数器4 个（30KHZ）6 个（30KHZ）模拟量调节电位器12硬件输入中断4 个输入点口令保护有通信口数量1（RS-485）2(RS-485)根据工程需求，合理选择 CPU 和扩展模块是 PLC 系统设计的首要任务。选择过程中，应遵循以下几

65、个原则：（1）最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求。充分发挥 PLC 功能、最大限度地满足被控对象的控制对象，是设计控制系统的前提。这就要求设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及、操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。（2）在满足控制要求的前提下，力求使系统简单、经济，使用及维修方便。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。不宜盲目追求自动化和高指标。（3）保证控制系统工作的安全可靠。保证要求设计者在系统设计上、器件选择上、软件编程上要全面考虑。山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计3

66、6（4）考虑到今后生产发展和工艺的改进，在选择 PLC 的容量时，应适当留有裕量，一般是 10%15%左右。随着控制技术的不断发展，对控制系统的要求也会不断提高，不断加以完善。因此，在控制系统的设计时要考虑到今后的发展和完善。这要求在选择 PLC 机型和输入/输出模块时，要求留有一定的裕量。 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计375 系统硬件设计系统硬件设计5.1 电机调速系统的设计电机调速系统的设计为了满足舒适感，提高平层的精确度，对电梯的速度给定曲线有着很高的要求。如果速度曲线在升降交界处不圆滑，那么乘客就会觉得不舒服，因此，电梯的速度给定曲线就成为满足舒适感和准确平层的关键。而人们对速度变化的敏感度主要取决于加速度的变化率，所以就要求要平滑的加速和减速。为获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计为两段抛物线加一段直线，该曲线形状的构成与改变则由加速度斜率与抛物线变化率决定。加速度是根据从 0 加速到 1000 转/分的速度所需的时间来定义的，也就是加速的由 0 加速到 1000 转/秒2所需的时间，因此，可通过改变起动加速的时间获得不同起动的曲线斜率。5.2 电梯的控制要