电气自动化毕业设计 基于三菱FX2N的PLC电梯控制系统设计.docx

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电气自动化毕业设计基于三菱FX2N的PLC电梯控制系统设计

摘要

在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。

特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。

随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器（PLC）应用于三层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。

该电梯控制系统具有指层、厅召唤、选层选向、手动和自动等功能，具有集选控制的特点。

在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。

关键词：

电梯；变频器；PLC控制；变频调速

MitsubishiFX2NPLCelevatorcontrolsystemdesign

Abstract

Inthemodernsocialandeconomicactivities,computertechnology,automaticcontroltechnologyandpowerelectronictechnologyhasbeenrapiddevelopment,thelifthasbecomeasymbolofurbanmaterial.Especiallyinthehigh-risebuilding,theelevatorisnotalackofverticaltransportationequipment.Withtherapiddevelopmentofhigh-risebuildingsoftoday,theliftindustryalsohasenteredanewperiodofdevelopment,elevatorcontroltechnologyhasbeendevelopedtotheFMspeedregulator,thelogiccontrolbythePLCtoreplacetheoriginalrelaycontrol,manyofitsfunctionstraditionalrelaycontrolsystemcannotbeachieved.

ThedesignforthestatusquoofChina'selevatorindustrywillbeaprogrammablelogiccontroller（PLC）usedforthree-storeyelevatorcontrollogic,throughtherationalselectionanddesign,notonlytoimprovethereliabilityoftheelevator,maintainability,andflexibility,whileextendingtheoflifeandshortenthedevelopmentcycleoftheelevatorandtheelevatorcontroltoraisetheleveloftheelevatoroperationtoimprovethecomfort,sothatthelifttoreachamoresatisfactorycontroleffect.Inthispaper,thedesignoftheelevatorbytheelevatorwhencomparedwiththetraditional,intherunwithgoodcomfort,inlifecansaveenergy,andachievedgoodeconomicandsocialbenefitstoachievethedesiredpurpose.Theelevatorcontrolsystemhasameanlayer,theOfficeofcallstothelayerselected,manualandautomaticfunctionswithasetoffeaturestocontroltheelection.

Inintroducingthebasicstructureoftheliftonthebasisofthedepthanalysisoftheworkingprincipleoftheelevator,onthemeritsandcharacteristicsofPLC,thefocusofananalysisofthelifthardwaredesignandsoftwaredesign,researchandPLCbasedcontrolsystemdesignedtolifttheachievementoftheprogram,Finally,thestudyofthisthesisaresummarizedandprospects.

Keywords：

Elevator，PLCcontrol，VVVF，Inverter

1绪论

1.1.课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

在现代社会和经济活动中，电梯已是城市物质文明的一种标志。

在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。

每幢大型高楼都可以说是一座垂直的城市。

电梯不仅是代步的工具，也是人类物质文明的标志。

电梯问世不过100多年，但发展神速。

作为升降设备，据说它起源于公元前236年古希腊阿基米德设计的一种人力驱动的卷筒卷扬机。

事实上，早在公元前1115年至1079年之间我国劳动人民就已经开始使用“桔棒”、“辘护”等人力升降机。

18世纪末瓦特发明了蒸汽机后，人们尝试用蒸汽机来驱动。

1852年，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯（ElishaGraviesOtis）发明了世界上第一部以蒸汽机为动力、配有安全装置的载人升降机。

这是世界上第一台具有安全装置的电梯，在电梯历史上具有划时代的意义。

1889年，奥的斯公司推出了第一台电力驱动齿轮直接传动电梯。

1903年，奥的斯公司设计出了槽轮式驱动电梯。

槽轮式驱动也称为曳引式驱动，是在曳引绳的一端提升重物，另一端为平衡重，依靠曳引绳与开有绳槽的曳引轮之间的磨擦来驱动重物作垂直运动。

其设计思想为长行程并具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。

电梯曳引传动控制技术也经历了由简单到复杂的发展阶段。

从19世纪末电梯问世开始，对于调速性能要求较高的电梯，都是采用直流电机控制。

直流电机控制系统具有调速范围宽、可连续平衡地调速以及控制方便、灵活、快捷、准确等优点。

然而，早期的直流电机控制系统往往是直流发电机一电动机组调速系统，其体积、重量、能耗和噪声都很大。

由于交流单速控制和交流双速控制电梯的结构简单、价格较低、使用维护方便，所以从电梯问世至今，交流单速控制和交流双速控制一直广泛地应用于调速性能要求不高的场合。

交流双速电梯是靠改变定子绕组接线以变换电动机极对数P的方法进行调速。

变极调速转速是成倍地变化，因此调速的平滑性差，但它在每个转速等级运转时，都具有较硬的机械特性，稳定性好，但乘坐舒适感差，普遍应用于货梯。

1967年，由于电子技术及半导体器件的发展，出现了交流调压调速（ACVV）控制。

交流调压调速是通过控制电动机定子绕组电压来改变转差率s的方法实现调速。

交流调压调速系统采用调节器调节晶闸管交流调压电路中晶闸管的触发脉冲相位，即调节电动机的端电压，达到改变转速的目的。

交流调压调速控制电梯在起动、稳速及制动的全过程中实现了闭环控制，将速度给定曲线以模拟量或数字量的形式送入电梯传动系统，在反馈控制的作用下，使电机转速跟踪给曲线变化。

其制动减速可采用能耗制动、反接制动等方式，乘坐舒适感、平层精度均优于变极调速双速电梯，其缺点是电动机转子的发热较大、能量消耗较大。

1976年，微处理器应用于电梯控制。

在1980年，出现了将微机用于速度控制和运行管理控制的全电子化交流反馈控制的电梯，其精确的控制使电梯的舒适感和群控性能得到进一步提高。

应用微机取代继电器控制逻辑实现闭环控制，进一步提高电梯的性能和可靠性，并减少现场调试要求，是电梯控制技术的方向。

1984年，由于固态功率器件的不断发展及微机技术的应用，出现了交流变频调速（VVVF）电梯控制系统。

交流变频调速是通过调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率来调速的。

它通过电压、电流和速度的信号反馈，由计算机对交流电动机进行精确调节控制，使电梯运行效率大大提高，运行性能更加完善。

VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层、准确、低噪音、安全等目标。

由于其具有优越的调速性能、显著的节能效果，已取代交流调压调速电梯成为电梯控制方式的主流。

在电梯控制系统方面，目前国外发达国家的电梯正在推广32位微机控制系统。

并已经开始淘汰16位以下微机控制系统。

利用微机对电梯的控制不仅能使系统的动态品质的提高，也将大大提高电梯运行效率。

它们都采用闭环反馈单微处理机控制系统或多微处理机协调控制系统。

在电梯传动系统方面，采用交流变压变频（VVVF）调速技术，使电梯从超低速到高速无级调速高精度运行，具有节能、对电网污染小、乘坐舒适感佳等优点。

在交流电机变频调速控制系统中通常采用矢量控制技术，这种控制方式能使得电机在各种速度运行时具有良好的机械特性，特别是在低速控制性能尤为突出。

在电梯反馈系统方面，采用绝对值位置编码器从电梯轿厢上反馈轿厢绝对位置信号，对曳引电机进行以距离为原则的控制，以实现直接平层技术，来达到优越的电梯运行效果。

1.1.2课题研究的意义

目前电梯的控制方式主要有继电气控制系统、微机控制系统和PLC控制系统。

由继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。

随着人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越来高，继电器控制的弱点就越来越明显，继电气控制系统具有故障率高、可靠性差、接线复杂、通用性差等特点；微机控制具有控制系统体积减小、节能可靠等特点，但其抗干扰能力弱；可编程控制器具有控制灵活，抗干扰能力强、运行稳定、实现多种运行状态故障显示等特点。

因此，可编程控制器控制得到广泛，采用PLC组成的控制系统可使电梯运行更加安全、方便、舒适，尤其在层数和控制功能较少的场合，采用PLC控制较为有利。

2系统总体概述

2.1电梯控制系统设计要求

电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。

图2.1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指示器、门机、调速装置与拖动系统等。

系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，由PLC作出正确的控制决策，向拖动和门机系统发出控制信号，完成电梯门的开关动作。

图2.1电梯PLC控制系统的基本结构图

（1）电梯控制系统实现的功能

1）每一楼层均设有呼叫按钮SB及位置开关SQ；

2）当电梯停于某层时，若有一高层呼叫，则电梯上升至呼叫层停止；

3）当电梯停于某层时，若有一低层呼叫，则电梯下降至呼叫层停止；

4）响应呼叫信号后，呼叫指示灯亮，直至电梯到达该层时熄灭；

5）当有多个呼叫信号，能自动根据呼叫楼层停靠，经过延时后，继续上升或下降运行，直到所有的信号响应完毕；

6）电梯运行途中，任何反方向呼叫无效，且呼叫指示灯不亮；

7）轿厢位置用7段数码管显示，上行、下行用上、下箭头指示。

2.2电梯设备

2.2.1电梯的分类

电梯的分类有各式各样：

（1）按用途分类有客梯、货梯、医用梯、观光电梯等。

（2）按速度分类低速电梯1m/s以下

中速电梯1～2m/s

高速电梯2m/s以上

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）按控制方式分类有层间控制，简易集选控制，集选控制，有/无司机控制，群控等。

2.2.2电梯的主要组成部分

（1）电梯轿厢

轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

（2）曳引机

曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

（3）电梯井道及导轨

电梯井道是用以供电梯轿厢运行的通道。

电梯导轨就是在轿厢和墙壁之间的轨道，上面有轮子在滑动，表面很光滑，用矫厢导轨支架来支撑。

它可以用来防止轿相晃动。

货梯和客梯上都装有。

（4）导向系统

导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

（5）门系统

门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

（6）重量平衡系统

平衡系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

系统主要由对重和重量补偿装置组成。

（7）电力拖动系统

电力拖动系统的功能是提供动力，实现电梯速度控制。

电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成

（8）电气控制系统

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。

电梯是机、电一体化产品。

其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。

各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。

尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成;而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。

2.2.3PLC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/0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。

2.2.4电梯曳引电机及门电机电路图

根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图3.4所示。

图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1～KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。

FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。

FU1为熔断器，起过电流保护作用。

图2.2电梯曳引电机及门电机电路图

2.2.5电梯的安全保护环节

在前述中已述及，电梯运行的充分与必要条件中的第三点就是电梯的各种安全保护必须可靠有效。

这是为了保证电梯最安全，最可靠的运行。

我们国家近几年来电梯的安全标准已向国际上的电梯安全标准靠近，且基本上相等效。

并在1987年颁布了GB7588-87的《电梯制造与安装安全规范》。

这一新标准与国际上正在执行的EN81-1（或英国的BS5655）《电梯制造与安装安全规范》相等效。

并于1995年进行了修订。

根据电梯安全标准的要求，不论何种电梯均要符合标准中的安全保护要求。

现就一般电梯常用的且必不可少的安全保护环节简介如下。

（1）超速断绳保护

有关这部分已在前面的第一章的第二节和第五节中有较详细的叙述，因此有关这一保护的机械作用原理不再赘述，而只就电气部分作简要说明如下。

按GB7588-95标准的规定，当电梯下降速度达到额定速度的115％时，限速器上的第一个开关动作，使电梯自动减速；而当达到140％时，限速器上的第二个开关动作，切断控制回路使电梯停止运行；而此同时，限速器通过机械结构使限速器钢丝绳卡死不动，而电梯轿厢仍在向下，这样被卡住的限速器钢丝绳产生一个向上提拉力，从而把它与之相关的轿厢安全钳向上提起，使仍在下行的轿厢被安全钳楔块紧紧的卡在电梯导轨上，这样使下行的电梯轿厢被掣停于某一位置而不再下降；同时把与之相对应的安全钳开关断开，进一步使电气控制电路切断，强令电梯停止。

这一保护是很重要的，凡是在有可能使各类人员进入电梯轿厢内的电梯，必须设置这一保护，是极为重要的保护环节，绝不能等闲视之，但只有在不允许，也不能进入各类人员的小型杂物电梯上才可不设置这一保护环节。

（2）层门锁保护

前面我们曾述及：

电梯运行的三个充分与必要条件中之一是，电梯必须关闭好门后方可运行。

因此电梯门（包括轿厢门和各层楼的所有层门）必须闭锁；若没有闭锁好，是不允许电梯运行的!

并且还要求不可能随意强制拨开各个层楼的层门。

所以各楼层的层门必须要有机械和电气的联锁保护，即只有当各个层门确实关闭好后，机械的钩子锁锁紧后电气触点才能接通，这样电梯就可安全地运行。

由上述可知，层门闭锁保护是机械和电气不可分割的环节。

因此在电梯安装竣工验收时必须提供某一类型的层门闭锁保护装置的型式试验报告和性能检测报告。

（3）电梯门的安全保护环节

这一保护环节主要是指在关门过程中防止夹伤乘客等人员的保护装置。

一般有：

安全触板，光电保护或电子光幕保护装置和关门力限制保护等。

这些保护装置可任选一种或两种以上均可。

这些保护装置是在电梯关门过程中才起作用的。

当有乘客或其他人员在电梯关门过程中碰撞（或接近）电梯门扇时使电梯门停止关闭，并立即开启，从而使乘客不致被门扇夹痛（伤）。

（4）上、下端站的强迫减速保护

为了防止电梯在两端站的永磁感应器或选层器触点等失效而产生不了减速信号所导致的快速冲顶或蹲底，根据电梯安全标准规定，必须在电梯井道内的两端设置强迫减速装置。

（5）上、下方向限位保护及终端保护

对于速度≤lm/s的交流双速电梯，应另设置终端极限开关。

当方向限位保护不起作用时，则最后通过碰铁使极限开关动作，切断电梯的动力电源，迫使电梯强行停止。

（6）缺相、错相保护

如当供给电梯用电的电网系统，由于检修人员检修时不慎而造成三相动力线的相序与原相序有所不同时，就可使电梯原定的运行方向变更为相反的方向，这样就会给电梯运行造成极大的危险性，带来不堪设想的后果。

因此要求在电梯控制系统中必须设置：

缺相、错相的保护继电器。

当输入交流曳引电动机（或直流电梯中的交流原动机，或主变压器）接线端子前的任一部分（例如热保护继电器、接触器的主触头、熔断器、总电源开关等等）发生问题而导致的缺相，均应通过缺相、错相保护继电器的动作而切断控制电路中的安全保护回路。

（7）电梯电气控制系统中的短路保护

一般的电气设备均应有短路保护，在电梯的电气控制系统中也与其他电气设备一样，均用不同容量的熔断器进行短路保护。

（8）曳引电动机（或直流电梯中的交流原动机或主变压器）的过载保护

一般最常用的过载保护是热继电器保护，当电梯长期过载（即电动机中的电流大于额定电流），热继电器中的双金属片经过一定时间（该时间将随电动机中电流大小而变化）后变形而断开串接在安全保护回路中的热继电器触点，从而切断全部控制电路，强令电梯停止运行，从而保护电动机（或主变压器）不因长期过载而烧损。

2.2.6运行方向灯、轿内指令及厅外召唤信号灯

（1）运行方向灯

在电梯确定了运行方向后，其方向指，示灯即被点亮，方向指示灯一般与层楼位置指示灯放在一起，这一方向灯是表明电梯向上（或向下）运行。

只有在消失运行方向后，此灯才熄灭。

（2）预报运行方向指示灯

随着电梯的无司机状态使用状况增多，预报电梯下一次准备运行的方向灯也将得到日益推广使用。

而这种预报运行方向灯常与电梯到站钟常用层楼指示器正面图一起使用。

当电梯按轿厢内指令或楼层的召唤信号而制动减速停车前，可使预报方向灯点亮，并同时发出到站钟声，以告知乘客：

电梯即将到达，告知下一次电梯即将运行的方向。

因此电梯在某一层不准备停车时，该层的预报方向灯也不点亮，到站钟也不响。

只有电梯在该层准备停车，发出减速信号，即将到达该层时，才会点亮该层的准备下一次运行方向灯，同时发出到站钟声以引起乘客注意。

（3）轿内指令记忆灯及层楼厅外召唤信号记忆灯

这种信号灯通常装于指令按钮内和厅外召唤按钮内，它们是由揿按按钮后使继电器吸合的该继电器中的一对触点接通而点亮的。

当该继电器被消号释放后，该记忆灯也熄灭。

2.2.7电梯开关门的设计

多段调速是变频器的一种特殊的组合运行方式，其运行频率由PU单元的参数来设置，启动和停止由外部输入端子来控制。

其中Pr.4、Pr.5、Pr.6为三段速度设定，至于变频器实际运行的参数设定频率，则分别由外部控制端子RH、RM、RL的闭合来决定。

如图2-3所示：

图2-3速度对应段子

按下开门按钮SB1，电梯轿箱门即打开，开门的速度曲线如图所示，按下开门按钮即起动（20Hz），2s后即加速（40Hz），6s后即减速（10Hz），10s后开始停止。

关门方式同开门方式相同。

如下图：

图2-4开门速度曲线

图2-5关门速度曲线

2.3PLC及其在电梯控制中的应用特点

2.3.1PLC的特点

PLC控制制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用十传统继电器控制系统的