基于三菱PLC五层电梯控制系统的设计_教学案例/设计_教学研究_教育专区。实习论文 题 学 专 目 基于三菱 PLC 五层电梯控制系统的设计 院 业 苏州大学文正学院 电气工程及自动化 二〇 〇 八届 吴方圆 刘文杰 毕业届别 姓 名 指导教师 基于三菱 PLC 五

  实习论文 题 学 专 目 基于三菱 PLC 五层电梯控制系统的设计 院 业 苏州大学文正学院 电气工程及自动化 二〇 〇 八届 吴方圆 刘文杰 毕业届别 姓 名 指导教师 基于三菱 PLC 五层电梯控制系统的设计 摘要:电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具,是机电一体化的复杂 运输设备。它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电 力拖动系统和土建工程等多个科学领域。目前我国国产电梯大部分分为 继电器及 PLC(可编程控制器)控制方式两种,继电器控制系统性能不 稳定,故障率高,大大降低了电梯的舒适性、可靠性和安全性,给乘用 人员的工作和生活带来了诸多不便, 因而 PLC 在电梯控制中得到了广泛 应用。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,以电梯为主要标志的现在高层建筑的垂直交通工具,其设 计要求稳定性高、安全性高。随着高层建筑的飞速发展,电梯控制技术 也已发展到了调频调压调速,其逻辑控制由 PLC 代替继电器控制。 本文在针对我国电梯现状的基础上,将 PLC、变频器实现五层电梯常规 控制,通过合理的选择和设计,大大提高电梯的控制水平,改善电梯运 行的舒适感,使电梯达到较为理想的运行效果,并实现电梯的精确位移 控制。 在介绍电梯基本结构的基础上,深入分析电梯的工作原理,阐述 PLC 的 特点和优点,重点分析电梯的硬件设计和软件设计,研究分析并提出基 于 PLC 电梯控制系统设计的实现方案,最后对本论文进行总结。 绪论 一、 课题名称:基于三菱 PLC 五层电梯控制系统的设计 二、 设计目的及意义 进入二十一世纪,随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用,人们对电 梯的安全性、可靠性要求越来越高,继电器控制的弱点就越来越明显。PLC(可 编程控制器)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。鉴于其多种优点,目前,电梯的继电器控制 方式已逐渐被 PLC 控制取代。同时,由于电机交流变频调速技术的发展,电梯的 拖动方式也已由原来的直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此,PLC 控制技 术加变频调速已称为现代电梯行业的一个热点。 而 PLC 是一种适用于自动化控制的专用计算机,实质上属于计算机控制方 式,与普通计算机一样,以通用或专用 CPU 作为字处理器,实现字运算和数据存 储,另外还有位处理器,进行点(位)运算与控制。PLC 控制一般具有可靠性高、 易操作维修、编程简单、灵活性强等特点。 电梯采用 PLC 控制,用软件实现对电梯运行的自动控制,可靠性大大提高; 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;PLC 可实现 各种复杂的控制系统,方便地增加或改变控制功能;PLC 可进行故障自动检测报 警显示,提高运行安全性,并便于检修;用于群控调配和管理,并提高电梯运行 效率;更改控制方案时不需改动硬件接线。 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。电动机交流变频调速技术是当今节电、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主要手段。变频调其优异的调 速性能和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其他 许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 变频调速电梯使用的是异步电动机,比同容量的直流电动机具有体积小、占 空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点;变频调速电梯使用先 进的 SPWM 和 SVPWM 技术,明显改善了电动机供电电源的质量,减少谐波,提高 了效率和功率因数,节能明显。 变频器以其优越的性能,在电梯行业广泛应用。目前国内七八十年代安装完 成的电梯绝大部分是以继电器控制,线路复杂,节点接线多,故障率高,调速方 式一般采用变极调速、调压调速、直流调速,维修困难,属于能耗型调速,效率 低,发热量大,调速性能指标较差,严重地影响电梯运行质量。近年来,采用功 能强、故障率低、可靠性高的 PLC(可编程控制器)来控制电梯,为改善电梯继 电器控制的不足取得了良好的市场效果。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。 课题所研究的内容主要针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在的功 能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷,提出采用功能强、故障率低、可 靠性高的可编程控制器(PLC)来控制电梯。调速系统采用交流变频调速,在各 种负载下都有良好的调速性能和准确的停车性能, 满足乘客的舒适感和保证平层 精度(即准确停车)并能节约大量电能。 三、设计基本原理及各结构图 轿厢操作盘 厅外呼叫厅 安全装置 输 入 接 口 PLC 主机 输 出 接 口 指挥层 调整器 井道装置 CPU 存储 器 拖动控制 门机控制 图1 电梯控制 PLC 系统的基本结构图 拽引机 门机 显示 现场信号 PLC 变频器 电源 PG 图2 系统结构框图 第一章 电梯设备与电梯的控制 1.1 1.1.1 电梯设备 电梯的分类 (1) 按用途分类:乘客电梯;载货电梯;客货电梯;病床电梯;杂物电梯; 住宅电梯;特种电梯等。 (2) 按速度分类:低速电梯,1m/s 以下;高速电梯,1~2m/s;超高速电 梯,4m/s 以上。 (3) 按驱动电源分类:交流电梯,速度一般小于 2m/s;直流电梯,速度 一般大于 2m/s。 (4) 按控制方式分类:层间控制;简易集选控制;集选控制;有无司机控 制;群控等。 1.1.2 电梯的主要组成部分 (1) 曳引部分:通常有曳引机和曳引钢丝绳组成。电动机带动曳引机旋转使轿 厢上下运动。 (2) 轿厢和厅门:轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成;厅门一般有封闭式、 中分式、双折中分式和直分式等。 (3) 电气设备及控制装置:由曳引机、选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼 梯按钮和厅外指示器组成。 (4) 其他装置:对重装置、补偿装置等。 1.1.3 电梯轿箱的控制要求: a:选向:根据电梯各层内选外呼信号的先后和停止时轿箱所在的楼曾位置 决定电梯的运行方向。 b:选层换速:指电梯能够根据轿内所选层而决定运行方向,而且遵守或一 直向上,或一直向下的原则。并且在每次平层的时候都能够换速。 c:楼层位置的指示:选用了数码管显示的方法。由于 FX2N 系列已有内部计 数-译码驱动模块, 所以只要外部加上 LED 七段显示管和电源就可以显示楼层了。 1.1.4 电梯门的控制要求: 要求当电梯平层的时候,电梯门自动打开,经过 05 秒钟后电梯门自动关上。 如果遇到有人在门中间的情况,电梯会因为光电开关的作用而自动开门。 1.2 (1) PLC 电梯控制系统的优点 在电梯控制中采用 PLC,用软件实现对电梯运行的自动控制,可靠性大 大提高。 (2) (3) (4) (5) 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。 PLC 可实现各种复杂的控制系统,方便增加或改变控制功能。 PLC 可进行故障自动检测报警显示,提高运行安全性,并便于检修。 用于群控调配和管理,并提高电梯运行效率。 第二章 一、电梯控制系统实现的功能 电梯的硬件系统 电梯的控制系统实现如下功能: (1) 一台电机控制上升和下降,各层设上/下呼叫开关(最顶层与起始层只设 一只)。 (2) 电梯到位后,具有手动或自动开关门功能。 (3) 电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及层楼指令键, 警铃风扇及 照明按键。 (4) 待客自动开门,当电梯在某曾停梯待客时,按下层外召唤按钮,应能自动 开门迎客, 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,在调定时间内自动关闭轿厢照明。 (5) 自动关门与提早关门,在一般情况下,电梯停站 4 至 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。 (6) 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。 (7) 内指令记忆,当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时,电梯应能按顺序停靠 车门,并能至调定时间,自动确定运行方向。 (8) 自动定向,当轿厢内操纵盘选层指令相对于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。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。 (9) 呼梯记忆与顺向截停,电梯在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。 (10)自动返回基站,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。 二、速度给定曲线 为了满足乘客舒适感,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。 为了获得良好的舒适感, 将电梯的起动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。其意义为加速度由 0 加速到 1000 转/分 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。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,系统采用的 VS-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 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 所示, 图中 a 为加速度, v 为速度。 图 3.4 速度运行曲线 时间内位抛物线 时间内加速起动阶段, 在 t1~t2 时间内为直线 时间内为稳速运行阶段;t4~T 时间内为 减速制动阶段。减速制动阶段速度曲线与加速起动启动阶段想对称。 三、 减速及平层控制 电梯的工作特点是频繁起动制动,为了提高工作效率、改善舒适感,要求电 梯能平滑减速至速度为零时,准确平层,即“无速停车抱闸”,不要出现爬行现 象或低速抱闸,即直接停止,要做到这一点关键是准确发出减速信号,在接近层 楼面时按距离精确地自动矫正速度给定曲线。系统采用旋转编码器检测轿厢位 置,只要电梯一运行,计算机就可以精确地确定走过的距离,到达与减速点相应 的预置数时即可发出减速命令。 不论哪种方式产生的减速命令, 由于负载的变化、 电网波动、 钢丝绳打滑等, 都会使减速过程不符合平层技术要求,为此一般在离层楼 100~200mm 处需设置 一个平层矫正器,以确保平层的长期准确性。 电气原件: 电气原件 元件符号 KM1 上行接触器 名称及作用 元件符号 1SB1~4SB1 名称及作用 1 层~4 层上行外呼 按钮 2 层~5 层下行外呼 按钮 KM2 下行接触器 2SB2~5SB2 KM3 KM4 KM5 高速接触器 低速接触器 启动加速接触器 1HL~5HL 6HL,7HL HL6,HL7 1 层~5 层指示灯 上下行指示灯 操纵箱上下行指示记 忆灯 1 层外呼记忆灯 2 层上呼记忆灯 2 层下呼记忆灯 3 层上呼记忆灯 3 层下呼记忆灯 4 层上呼记忆灯 4 层下呼记忆灯 5 层下呼记忆灯 运行状态选择钥匙开 关 基站开关梯匙开关 安全窗开关 安全钳开关 限速器开关 轿内急停开关 上平层感应器 下平层感应器 开门感应器 电源开关 KM6~KM8 KM9 KM10 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9,SQ10 SQ11~SQ15 制动减速接触器 开门接触器 关门接触器 基站开关 开门到位开关 关门到位开关 开门调速开关 关门调速开关 1 层~5 层厅门锁开 关 轿门关闭到位开关 上限位开关 下限位开关 上行强迫停止开关 下行强迫停止开关 开门按钮 关门按钮 上行启动按钮 下行启动按钮 1 层~5 层内选按钮 HL8 HL9 HL10 HL11 HL12 HL13 HL14 HL15 SA1 SQ16 SQ17 SQ18 SQ19 SQ20 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5~SB9 SA2 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 1KR 2KR 3KR SQ 第三章 系统软件开发 在电梯控制中, 有大量的逻辑信号需要处理, 这部分工作是由 PLC 来完成的, 系统软件根据运行要求及保护要求由 PLC 来实现逻辑控制。 3.1 电梯的三个工作状态 电梯控制系统由呼叫到响应形成一次工作循环, 电梯工作过程又细致分为自 检、正常工作、强制工作等三种工作状态。电梯在三种工作状态之间来回切换, 构成了完整的电梯工作过程。 3.1.1 电梯的自检状态 PLC 通电后,PLC 中的程序已开始运行,但因为电梯尚未读入任何数据,也 就无法在收到请求信号后通过固化在 PLC 中的程序作出响应。 为满足处于响应呼 叫就绪状态这一条件,必须使电梯处于平层状态已知楼层且电梯门处于关闭状 态。电梯自检过程的目标是:先按下启动按钮,再按下恢复正常工作按钮,电梯 首先是电梯门处于关闭状态,然后电梯自动向上运行,经过两个平层点后停止。 3.1.2 电梯的正常工作状态 电梯完成一个呼叫响应的步骤如下: (1)电梯在检测到门厅或轿厢的呼叫信号后将此楼层信号与轿厢所在的楼层信号 比较,通过选向模块进行选向。 (2)电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿厢运动。轿厢运动速度要经过低 速转变为中速再转变为高速,并以高速运行至减速点。 (3)当电梯检测到目标层楼层监测点产生的减速点信号时,电梯进入减速状态, 由中速变为低速,并以低速运行到平层点停止。 (4)平层后,经过一定延时后关门,知道碰到关门到位形成开关;再经过一定延 时后关门,直到碰到关门到位形成开关。电梯控制系统始终时时显示轿厢所 在楼层。 3.1.3 电梯强制工作状态 当电梯的初始位置需要进行调整或电梯需要检修时, 应设置一种状态使电梯 处于该状态时不响应正常的呼叫, 并能移动到导轨上、 下行极限点间的任意位置。 控制台上消防/检修按钮按下后,使电梯立刻停止原来的运行,然后按下强行上 行(或下行)按钮,电梯上行(或下行);一旦放开该按钮,电梯立刻停止,当 处理完毕时可用恢复正常工作按钮来使电梯跳出强制工作状态。 3.2 软件设计要求 (1)呼梯信号发出时,能根据呼叫层数和当前所在层站作出上、下行判断。 (2) 若有两个呼梯信号,优先响应先发出的信号,到站后停留 5s,再响应后 发出的呼梯信号;若有同方向的呼梯信号,则按顺序执行。 (3) 在电梯运行或停层时,均可操作启动/停机控制开关使电梯暂停运行及重 新启动。 (4) 设有手动控制上、下行按钮开头。 (5) 电梯轿厢有行程终端限位保护开头(即上、下行限位保护) ,当越限时, 电梯停止运行,并发出报警信号。 (6) 厅外和轿内均有指示电梯运行方向和所在位置的指示信号。 设计总结 经过近两周的学习和研究,通过在图书馆、网络中查阅有关资料,了解了电 梯的起源和发展,并且加深了对电梯的运行过程、控制系统的认识,熟悉了可编 程控制器(PLC)在电梯控制系统中的运用,在所学知识的基础上,利用已有的 电梯控制系统设计及借鉴了前人的研究成果, 对电梯控制系统作了深入的分析和 研究。通过此次毕业设计,使我对原有知识理论有了更为系统化、理论化、实用 化的理解,对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力有了提高。 本设计利用 PLC 控制技术和交流变频调速控制技术, 针对旧电梯继电器控制 进行改造,充分利用现代换流技术、矢量变换控制技术和数字化电子控制技术, 达到对旧电梯电动机转速实现线性控制。 利用通用变频器和 PLC 实现了对电梯的 控制,通过合理的设备选型、参数设置和软件设计,提高了电梯运行的可靠性, 改善了电梯运行的舒适感,并节约了电能。 采用 PLC 和交流变频调速技术改造后的电梯,结构紧凑,噪声低,运行效率 高,维修简单,故障率低,一次大大提高了乘坐的舒适感,同时可以最佳地利用 电网的能量, 提高功率因数, 降低曳引电机容量 20%以上, 具有明显的节能特性, 也具有一定得经济效益和社会效益。 致 谢 在本次毕业设计过程中,刘文杰老师对该论文从选题、构思、资料收集到最 后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 使我对 PLC 控制系统及交流变频技术有 了深刻的认识,使我得以最终完成实习,在此表示衷心感谢。刘老师严谨的治学 态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度、积极进取的科 研精神以及诲人不倦的师者风范是我终生学习的楷模 。最后,我要向在百忙之 中抽时间对本文进行审阅、评议的各位老师表示感谢!