基于PLC系统的电梯控制系统设计.docx
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基于PLC系统的电梯控制系统设计
毕业设计(论文)
基于PLC的电梯控制系统设计
学号:
09142087
姓名:
刘楷鹏
专业:
电气工程及其自动化
系别:
机械与电气工程系
指导教师:
杨国庆
副教授
二○一三年六月
摘要
电梯不仅仅是高层建筑罩的必备设施,在多层建筑里也是不可缺少的垂直运输工具。
电梯的控制系统已由初期的继电控制向微机控制发展。
可编程控制器由于具有可靠性高、功能强大等特点已经成为电梯微机控制系统的核心。
本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上,针对6层6站电梯,使用三菱FX2N-80可编程控制器,设计了电梯的控制系统。
包括电梯的指层控制模块、轿内指令和厅外召唤的登记与消号模块、电梯的选层和定向模块、电梯的歼关门运行模块、电梯运行控制模块等,实现了电梯的指层控制、轿内与各层厅站呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠的层站的控制,自动运行和自动开关门等功能。
这种电梯控制系统应用于实际运行的电梯中,运行结果表明:
电梯控制系统安全性和可靠性高,月常保养维护和故障检修方便,运行成本低。
电梯连续运行12000次,故障率为0,平层精度小于±5mm,平衡系数48%~50%,起动、制动及运行平稳、舒适,安全保护和可靠性均达到GB7588.2003的规定,能够满足电梯的控制要求。
关键词:
电梯;控制系统;模块;可编程控制器
ABSTRACT
Withthedevelopmentofmoderncities,anincreasingnumberofhigh-risebuilding,elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thequalityoftheliftperformanceoftheimpactonpeople'slivesbecomingmoreandmoreobvious,itmuststrivetoimprovetheperformanceofelevatorsystems,andensuretheoperationoftheliftissafe,reliableandenergyefficient.Thetraditionalelevatorcontrolsystemuseslogicoftherelaytocontrolcircuit,thiskindofcontrolseasilytobecrash,maintainsinconveniently,themovementlifeisshort,andthatoccupyingalargeareaofspace,itbeingeliminatedgradually.
Forraisingthecredibilityoftheautomaticcontrolsystemandtheworkefficiencyoftheequipments,designasetoftakePLCasthecorecontrolleroftheelevatorautocontrolsystem,usingtoreplaceformermorecomplicatedofafterelectricappliances-thecontactmachinecontrol.Thecorepart(controlpart)ofthesystemusedaJapaneseMitsubishicompanytoproduceoftheFX2N-80typePLCisthesoftwareprocedurecontrolinthecorebecauseofwhattocontrolthepartadoption,thusBepromisingtheelevatorcirculatesnormallyunderthecircumstanceofthisrequest,raisedelevatortobreakdowncheckandtheconvenienceandeasyformaintainconsumedly,stillovercametomoveanoperationsomeartificialinterferencefactorsbringinthemeantime,obtainthegoodresults.
KEYWORDS:
Elevator;PLC;LadderDiagram
1绪论
近年来我国的经济飞速发展,人民生活水平的迅速梯高,工作居住条件得到了巨大的改善。
电梯作为建筑物内的垂直交通运输工具,与人们的生活息息相关。
传统的电梯曳引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变,另外,传统的电梯控制系统由继电器接触器控制逻辑组成,存在着电气元件多、功能弱、电气故障频繁,可靠性差和工作寿命短等缺陷。
可编程控制器(PLC)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。
鉴于其种种优点,目前,电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。
同时,由于电机交流变频调速技术的发展,电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速,不仅能满足乘客的舒适感和保证平稳的精度,还可以降低能耗,节约能源,减小运行费用。
因此,PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行列的一个热点。
本课题的研究题目——“基于PLC的电梯控制系统的设计”做诠释如下PLC控制是指电梯信号控制由PLC及其软件来实现,控制系统的核心为PLC。
其次课题开发的主要任务和内容是:
建立“PLC控制的电梯系统”的总体框架;信号控制系统利用PLC集中处理电梯运行方式、安全保护信号、内指令信号、外召唤信号、井道信号、门区信号、开关门及限位信号等信号,并显示电梯所到楼层、运行方向及呼梯应答等,实现开关门控制;拖动控制系统中曳引机的启动、运行、制动停止,包括正反转信号及多种速度信号,经PLC运算、判断后通过电机来实现。
达到的要求是:
通过深入的理论研究和编程实践,全面认真的完成上述几个内容。
本课题的核心问题有两个:
一是运行效率、平层精度和安全性的要求;二是PLC实现电梯信号控制及其软件开发。
对于第一个问题,通过选择合适的PLC,进行合理的设计和编程便可以实现。
本人选择的PLC是日本三菱公司的FX2N-80型可编程控制器。
第二个问题,根据电梯所要实现的功能以及PLC的顺序执行程序的特点,编写PLC程序主要是采取模块化编程思想,即根据各功能实现的条件及原则编写各个功能模块来实现。
1.1PLC及其在电梯控制中的应用特点
1.1.1PLC的特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机,实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样。
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(布尔处理器),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。
(1)可靠性
对可维修的产品,可靠性包括产品的有效性和可维修性。
①PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件,它的接线大大减少,与此同时,系统的维修简单,维修时间短。
②PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计,例如,冗余设计,断电保护,故障诊断和信息保护及恢复等,提高了MTTF(平均无故障时间),使可靠性提高。
③PLC有较高的易操作性,它具有编程简单,操作方便,维修容易等特点,一般不易发生操作的错误。
④PLC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更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言,编程错误率大大降低,而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
⑤在PLC的硬件方面,采用了一系列提高可靠性的措施。
例如,采用可靠性的元件;采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
⑥PLC的软件方面,也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如,采用软件滤波等;软件自诊断;简化编程语言等。
(2)易操作性
PLC的易操作性表现在下列几个方面:
①操作方便
PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示,对大中型的PLC,编程器采用了CRT屏幕显示,因此,程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接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上显示。
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,由于梯形图与电气原理图较为接近,容易掌握和理解。
采用布尔助记符编程语言,十分有助于编程人员的编程。
③维修方便
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。
当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修人员可以很快的找到故障的部位,以便维修。
(3)灵活性
PLC的灵活性表现在以下几个方面:
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、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
②扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同,即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
③操作的灵活性。
操作十分灵活方便,监视和控制变得十分容易。
1.1.2PLC控制电梯的优点
(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,方便地增加或改变控制功能。
(4)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。
(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改动硬件接线。
此外,微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能,但也存在抗扰性差,系统设计复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷而没被广泛采用。
PLC控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。
1.2课题的提出
PLC以其优越的性能,在很多领域中得到了广泛的应用。
在电梯业也是如此,目前国内70~80年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制,线路复杂,节点接线多,故障率高,系统结构庞大,能耗较高,机械动作噪音大,严重地影响电梯运行质量。
应对这些电梯进行更新和改造。
但是更新需要大量资金,对使用单位来说有一定困难,所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。
近年来,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,取得了良好效果。
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。
1.3课题的主要讨论内容
课题所研究的内容主要是用可编程控制器(PLC)改造在用电梯自动控制系统。
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳,用户寻求对电梯的电控系统进行改造,以节约资金。
因此,对电梯控制技术进行研究,找出一条适合国产老式电梯的改造之路,并进而提高国产电梯的技术水平和质量,具有十分重要的意义。
论文的主要内容如下:
首先对电梯系统及可编程控制器(PLC)作了比较全面的总结和介绍。
接着阐述了电梯控制系统的分类及特点,电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。
确定了系统的总体结构,由PLC来实现电梯信号控制,有双速电机实现调速,完成了电机和可编程控制器(PLC)的选择。
然后是系统硬件开发,完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。
在分析了电梯系统的软件设计方法基础上,设计出了软件流程图,提出了模块化编程思想,介绍了系统的软件开发。
1.4电梯的功能要求
(1)电梯运行到指定位置后应具有手动或自动开/关门的功能。
(2)利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。
(3)能自动判断电梯的运行方向,并发出响应的指示信号。
(4)电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。
电机正传,电梯上升;电梯反转,电梯下降。
(5)电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。
电机正传,轿厢门打开;电机反转,轿厢门关闭。
(6)每一层楼设有呼叫按钮;轿厢内设有开关轿厢门按钮;轿厢内的层面指令按钮。
(7)电梯启动、运行、到站实现速度的调节。
(8)行车时,厅门和轿厢都不能开门。
开门之后不能行车,有门连锁保护。
平层时可自动开门、手动开门,夹人时自动开门。
2电梯的介绍
要想计出可靠而使用的电梯控制系统,就要考虑到有关电梯的方方面面如电梯的快速性、电梯的舒适度等。
这就要求我们编写符合实际的程序,并根据实际情况选择合适的硬件设备,以完成任务。
2.1电梯的概述
2.1.1电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重,缠绕在曳引轮和导向轮上,曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动,靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力,实现轿厢和对重的升降运动,达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动,防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸,使电梯运转,在失电情况下制动,使轿厢停止升降,并在指定层站上维持其静止状态,供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件,对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化,使曳引电动机负载稳定,轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制,同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
2.1.2电梯结构及分类
(1)电梯的结构
电梯的机械部分是电梯的躯体,同时电子电气是电梯的神经和大脑。
机械部分与电子电气之间的有机结合,才能实现电梯的功能。
它由曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、对重装置、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等组成。
(2)电梯的分类
电梯的分类非常丰富,根据使用性质、驱动方式、运行速度、有无司机、操纵控制方式等不同,有多种分类方法,不再一一详述。
2.2系统控制方案设计
2.2.1控制方式的选择
继电器和PLC都可以控制电梯的运行方式,但控制方法的不同会使得电梯具有不同的特点,如表2-1为PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。
表2-1PLC与继电器控制系统功能与特点的比较
比较项目
继电器控制
PLC控制
对生产工艺变化的适应性
需进行重新设计与接线.适应性差
只需对程序进行修改.适应性强
控制功能的实现
通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能
对进行编程实现所需控制要求
控制的实时性
机械动作时间常数大,实时性差
微处理器控制,实时性非常好
复杂控创能力
极差
很强
可靠性
元器件多、触点多,容易出现故障
采用大规模集成电路.绝大部分是软继电器,可靠性高
柔韧性和灵活性
差
具有种类齐全的扩展单元,扩展灵活
占用空间与安装
控制柜体积大、笨重,安较施工工作量大
体积小,重量轻,安装工作量小
使用寿命
易损、寿命短
寿命长
维护
复杂、工作量大
工作量小
价格
极低
较高
所以本系统最终能够选择以PLC控制电梯的运行方式。
2.2.2电梯控制系统的控制要求
本设计主要设计一个五层层电梯控制系统,其主要控制要求如下:
(1)开关门控制
当某一楼层的电梯指示灯一直亮时,表示该层电梯正在进行开门、延时、关门的动作。
为保证电梯运行的安全性,电梯的开关门信号和故障报警信号必须是互锁的,也就是说,当故障报警信号有效时,开关门信号都不会显示,同时楼层指示灯也不会亮。
(2)内外呼叫控制
一旦有乘客按下某层的呼叫按钮,该层相应的电梯指示灯就亮起来,不过不能立即开门。
呼叫信号要一直保持到电梯到达该层后且呼叫信号的指示与电梯的运行方向相同时才会被撤消。
(3)上下行控制
电梯在每个楼层分别设置一个外呼按钮,电梯运行时楼层指示灯亮。
但是上下行指示灯不能同时亮,各个楼层的指示灯也不可以同时亮。
一个呼叫请求在完成之前如果收到另一个呼叫请求,则要判断两个呼叫请求是否是在同一个方向,如果是不再同一方向则不截车,反之则截车。
在行车过程中,如果故障报警信号有效,则任何操作都无效,指示灯也不亮。
在上下行期间,电梯的速度由变频器给定。
2.2.3电梯控制系统总体方案的确定
本系统是主要由PLC、变频器、控制箱、显示器、曳引电动机组成的交流变频调速系统(简称VVVF)。
通过PLC去控制电梯的运行方式,可以使得控制系统的可靠行更高,结构显得更加紧凑。
本系统的硬件框图如图2-2所示。
图2-2电梯控制系统框图
从图2-2可以看出,该系统主要由两个部分组成,其中电梯控制的逻辑部分由PLC来实现。
通过分析研究电梯的实际运行情况和控制规律,从而设计开发出电梯联动控制程序,使得PLC能够控制电梯的运行操作。
电梯的调速部分则选用高性能的矢量控制变频器,配以脉冲发生器(编码器)测量鼠笼式曳引电动机的转速,从而够成电机的闭环矢量控制系统,实现鼠笼式曳引机电动机交流变频调速(VariableVoltageVariableFrequency,简称VVVF)运行。
PLC首先接收来自电梯的呼梯信号、平层信号,然后根据这些输入信号的状态,通过其内部一系列复杂的控制程序,对各种信号的逻辑关系有序的进行处理,最后向直流门控电机、变频器和各类显示器适时地发出开关量控制信号,对电梯实施控制。
在电梯控制系统中,由于电梯的控制属于随机性控制,各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之间的关联性很强,逻辑关系处理起来非常复杂,这就给PLC的编程带来很大难度。
在PLC向变频器发出开关量控制信号的同时,为了满足电梯的要求,变频器又需要通过鼠笼式曳引电动机同轴连接的脉冲发生器和PG卡,对电动机完成速度检测及反馈,形成闭环系统。
脉冲发生器输出脉冲,PG卡接收到脉冲以后,再将此反馈给变频器内部,以便进行运算调节。
根据脉冲的相序,可判断出电动机的转动方向,并可以根据脉冲的频率测得电动机的转速。
3三菱FX2N可编程控制器介绍
3.1可编程控制器的基础认识
3.1.1三菱FX2N的PLC控制器的主要特点:
(1)集成型高性能。
CPU、电源、输入输出三为一体。
(2)高速运算
基本指令:
0.08μs/指令
应用指令:
1.52~几百μs/指令
(3)安全、宽裕的存储器规格
内置8000步RAM存贮器
安装存储盒后,最大可以扩展到16000步。
(4)丰富的软元件范围
辅助继电器:
3072点,定时器:
256点,计数:
235点
数据寄存器;8000点
(5)除了具有输入输出16~256点的一般速途,还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
(6)面向海外的产品适合各种安全规格
3.1.2PLC的性能指标和分类
(1)PLC的主要性能指标
①输入/输出点数(I/O点数)
I/O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。
它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。
②存储容量
存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量,一般以步为单位,二进制16位即一个字为一步。
③扫描速度
一般以执行1000步指令所需时间来衡量,单位为ms/k步,也有以执行一步指令所需时间来计算的,单位用µs/步。
④功能扩展能力
可编程序控制器除了主模块之外,通常都可配备一些可扩展模块,以适应各种特殊应用的需要,如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。
⑤指令系统
指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和,它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。
(2)PLC系统的组成
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置,其硬件结构与微型计算机控制系统相似。
PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
3.2可编程控制器的工作方式
3.2.1PLC的扫描工作方式
可编程序控制器在进入RUN状态之后,采用循环扫描方式工作。
从第一条指令开始,在无中断或跳转控制的情况下,按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序,即按顺序逐条执行程序,直到程序结束。
然后再从头开始扫描,并周而复始地重要进行。
可编程序控制器工作时的扫描过程如图3-1所示,包括五个阶段:
内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。
PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。
扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
图3-1PLC的扫描过程
3.2.2PLC的程序执行过程
PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段,如图3-2所示。
图3-2PLC的程序执行过程
3.2.3PLC的扫描周期
在PLC的实际工作过程中,每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外,还要进行自诊断、与外设(如编程器、上位计算机)通信等处理。
即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。
3.2.4PLC的I/O响应时间
PLC采用集中I/O刷新方式,在程序执行阶段和输出刷新阶段,即使输入信号发生变化,输入映像寄存器区的内容也不会改变,还会影响本次循环的扫描结果。
输出信号的变化滞后于输入信号的变化,这产生了PLC的输入输出响应滞后现象,最大滞后时间为2-3个扫描周期。
3.3可编程控制器的编程语言
PLC的编程语言有梯形图语言、指令表、顺序功能图语言等。
其中前两种语言用得较多,顺序功能图语言也在许多场合被采用。
本课题所采用的编程语言为梯形图语言。
4电梯PLC的设计
4.1交流双速电梯的主电路
图4-1是交流双速电梯的主电路图。
图中M1为电梯专用型双速笼型异步电动机;KM1、KM2为电动机正反转接触器,用以实现电梯上、下行控制;KM3、KM4为电梯高低速运行接触器,用以实现电梯的高速或者低速运行;KM5为启动加速接触器;KM6、KM7、KM8为减速制动接触器,用以调整电梯制动时的加速度;L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗和电阻,当KM1或者KM2与KM3通电吸合时,电梯将进行上行或下行启动,延时后KM5通电吸合,切除R1、L1,电梯将转为上行或下行的稳速运行;当电梯接收到停层指令后,KM3断电释放,KM4通电吸合,电机转为低速接法,接入阻抗制动,实现上升与下降的低速运行,且KM6-KM8依次通电吸合,用来控制制动过程的强度,提高停车制动时的舒适感;至平层位置时,接触全部断电释放,抱闸抱死,电梯停止运行。
图4-1主电路图
4.2门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路
图4-2为电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路。
门电动机为他励直流电动机,可由KM9、KM10控制其正反转。
KM9接通时,电阻R2与电动机电枢并联,电流由电枢左端流向右端,电动机正转实现开门,压下SQ8时,R2部分被短接,实现开门调速。
KM10接通时,电动机将反转,实现关门,并由SQ9、SQ10与R3一起实现关门调速。
当电梯上下运行时,抱
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