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基于PLC电梯系统控制
本科生毕业设计说明书(毕业论文)
题目:
基于PLC电梯系统控制
学生姓名:
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专业:
电气工程及其自动化
班级:
指导教师:
基于PLC电梯系统控制
摘要
随着经济的快速发展,高层建筑物业已经层出不群了,那么随着高层建筑物的出现,电梯在现实生活中已成为了人们垂直运动的必备交通公交。
同时,人们对电梯的要求也在不断的提高,舒适性、安全性、可靠性等特点是现代电梯发展的趋势。
本文在介绍电梯结构的基础上,也说明了电梯的拖动系统的工作原理,本文重点就是研究分析如何用可编程控制器来实现电梯的控制,通过PLC与变频器的对接实现了升降机的变频调速,通过PLC与旋转编码器的对接实现了轿厢位置的准确定位,通过PLC的控制实现了电梯到层显示、內选指示灯控制、外呼梯控制针对这些问题对电梯系统进行了新的一步设计,从而实现变频调速的电梯系统。
关键词:
电梯;变频调速;PLC系统
BasedonTheDesignAndControlofTheElevatorPlc
Abstract
Withtherapideconomicdevelopment,Propertyhaslayersofhigh-risebuildingsnogroupof,Thenwiththeemergenceofhigh-risebuildings,Elevatorinreallifepeoplehasbecomeanessentialbustransportationverticalmovement.Atthesametime,Peopleontheelevatorrequirementsarealsoconstantlyimproving,comfort、security、Reliabilityisthedevelopmenttrendofmodernelevator.Theelevatorhasbeendevelopedrapidly.
Thispaperdescribesthestructureoftheelevatoronthebasisof,Alsoshowstheelevatordragsystemworks,Thisarticlefocusesonhowtouseresearchandanalysisisaprogrammablecontrollertoachievetheelevatorcontrol,HowdockingPLCandinverterfrequencycontroltoachievealift,HowthePLCandtherotaryencodertoachievethedockingpositionoftheexactlocationofthecar,Tosolvetheseproblemsfortheelevatorsystemforanewstepinthedesign,InordertoachieveVVVFelevatorsystem.
Keywords:
elevator;VVVF;plcsystem
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1电梯的发展状况1
1.1.1我国电梯的发展状况1
1.1.2国外电梯的发展状况2
1.1.3电梯发展的控制趋势3
1.2课题背景及意义4
1.3论文研究内容5
第二章PLC、变频器与旋转编码器概述6
2.1可编程控制器的概述6
2.1.1可编程控制器的生产与发展6
2.1.2可编程控制器的定义与特点7
2.1.3可编程控制器的工作原理9
2.1.4可编程控制器的编程语言10
2.2变频器的概述11
2.2.1变频器的概述11
2.2.2变频器的分类12
2.2.3交直交变频器调速的原理12
2.2.4VVVF变频变压调速原理13
2.2.5MM440变频器使用简介15
2.3旋转编码器17
2.3.1旋转编码器的定义17
2.3.2旋转编码器的工作原理17
2.3.3旋转编码器的分类17
第三章电梯的控制系统设计20
3.1电梯结构的模型与性能20
3.1.1电梯的结构模型20
3.1.2电梯控制性能要求23
3.2电梯plc控制的系统框图24
3.3plc控制电梯的逻辑关系26
3.4电梯控制各部分电路图27
3.4.1电梯控制的主回路27
3.4.2电梯控制的控制回路28
3.4.3旋转编码器与plc脉冲检测34
第四章电梯控制系统的软件设计37
4.1STEP7-Micor/WIN编程软件概述37
4.1.1STEP7-Micor/WIN软件窗口组件37
4.1.2STEP7-Micor/WIN软件的使用39
4.2系统程序设计40
4.2.1內选指示灯控制40
4.2.2外呼梯信号控制42
4.2.3到层信号控制44
结束语45
参考文献47
致谢48
第一章绪论
一.1电梯的发展状况
自从我国实行改革开放政策以来,随着技术的进步和经济的发展,全国各地高层建筑不断涌现、比比皆是,作为高楼大夏的垂直交通工具——电梯,其普及率相应提高,需求量日益增长。
各种类型、规格繁多的电梯已经在各楼堂馆所、商住楼宇内投入使用。
在我国参与电梯制造、营销、安装和维修保养的从业人员近上万人,使用和管理人员则数以几千。
再加上随着经济的迅猛发展以及人们工作条件和生活水平的提高,建筑业发展日益壮大,高层建筑如雨后春笋般的涌现。
作为建筑物内提供垂直交通运输的电梯,也得到迅速的发展。
目前,电梯和汽车一样,已经成为人们生活中不和缺少的交通运输工具。
电梯是一种相当复杂的机电综合设备,具有零碎、分散、垂直运行、频繁启动、安装与调试工作远离制造厂等特点。
近几年来,随着新技术的不断引进和国内电梯生产厂商的合资化的进行,电梯产品换代迅速。
虽然微机控制方式成为主流,但继电器和plc控制依旧大量的存在。
同时,随着智能建筑的出现,网络技术在电梯技术方面得到了很大的应用,运程控制也是势在必得。
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设备。
同时,由于电机交流变频调速技术的发展,电梯的拖动方式由原来的直流调速变为现在的变频调速,不仅能满足顾客的舒适要求,还可以降低能耗、节能减排,运费小。
所以PLC控制技术已经成为现在的一个热点。
一.1.1我国电梯的发展状况
电梯是当今世界高层建筑中必不可少的垂直方向的交通工具,特别是在现代社会和经济活动中,电梯已经成为城市物质文明的一种标志。
电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。
它具有一个轿厢,运行在至少两列垂直的倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
它适用于装置在两层以上的建筑内,是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。
追溯电梯这种提升设备的历史,早在公元前2600年,埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统,这套系统的基本原理至今仍无变化:
即一个平衡物下降的同时,负载平台上升。
早期的升降工具基本以人力为动力。
1203年,在法国海岸边的一个修道院了安装了一台以驴子为动力的起重机,这才结束了用人力运送重物的历史。
1854年,在纽约水晶宫举行的世界博览会上,美国第一次向世人展示了他的发明——历史上第一台安全升降梯。
从那以后,升降梯在世界范围内得到了广泛的应用。
1889年12月,美国奥的斯电梯公司制造除了名副其实的电梯,它采用了直流电动机为动力,通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索,悬挂并升降轿厢。
1892年,美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置,取代传统的轿箱内拉动绳索的操纵方式,为操纵方式现代化开了先河。
1900年开始出现交流感应电动机驱动电梯。
1903年又出现了拽引式驱动的电梯,为长行程和具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。
电梯的雏形源于公元前236年的古希腊,它是由阿基米德设计的由人力驱动的卷筒式的劵扬机。
其实,我国北方农村常见的水井绞车就是我们的祖先在在公元前使用的一种人力升降设备。
一.1.2国外电梯的发展状况
90年代以来,400多万台电梯在世界各地运行着,同时以每年15万台的需求量增加着,预计近十年内世界年平均增长率为7%,亚太地区的年增长率为9%。
世界著名的几家电梯公司,诸如美国奥的斯公司、瑞士迅达公司、日本三菱和日本公司,以及芬兰的科恩公司等,其电梯的产量已占世界市场的51%。
其中奥的斯公司和三菱公司是世界上年产量较大的电梯生产企业。
据有关资料统计,日本仔1990-1991一年中,共生产电梯31500台。
其中,直流电梯为23台,占0.07%;交流电梯为22690台,占72%;液压电梯为7829台,占24.8%;住宅楼梯为966台,占3.1%。
在亚洲,日本对电梯市场占有结对的优势,其占有率为67%。
目前除了以交流电梯取代直流电梯外,在低层建筑中正在越来越多的使用液压电梯。
电梯在国外发展的也很好,在美国发展很快,曾经在美国的戴维斯特大厅安装了第一批直流电动机涡轮蜗杆电梯,速度是0.5m/s。
1990年美国的一个公司又创造出世界上第一台自动扶手电梯,之后美国又进一步的研究制造出一部速度达6m/s的高速电梯。
在二战以后,美国的建筑业得到迅速发展,这也将促使电梯的快速发展。
电梯行业在日本也发展的很快,1977年日本三菱公司制造出一台速度高达10m/s的电梯,在1987年日本又将交流变频系统运用到2m/s电梯系统中。
一.1.3电梯发展的控制趋势
在我国,70年代的电梯产品主要是交流双速电梯,其调速原理是通过改变电梯牵引电动机的极对数而实现高速与低速运行的,这种电梯结构简单,使用和维护方便,尽管平滑调速不够理想,舒适感较差,但在调速指标要求一般的场合,仍能满足使用需求。
80年代,交流调压调速电梯技术已经成熟,其调速原理是通过改变三相异步电动机的定子供电电压而实现电动机的转速变化,由于采用了闭环控制,使电机的转速跟踪给定速度变化,制动过程快而平稳,精度较高,其调速性能优于交流双速电梯。
90年代,出现了调压调速调频电梯,其调速原理是调节交流电机定子绕组供电电压的幅值和频率。
由于调压调速调频电梯在传动系统中,采用了微机控制技术、脉宽调制技术及矢量变换技术,使其转速的控制与直流电机极为相似。
这种电梯体积小、质量轻、节省能源、运行效率高,几乎囊括了以往电梯的所有优点,所以,自问世以来受到国内外电梯行业的极大关注。
当今,微机控制已成为电梯技术的发展方向,许多生产厂家与科研单位合作,相继推出了用可编程控制器取代基电气控制系统和用微机控制的电梯新机型,使电梯的控制功能增强,性能明显改善,可靠性及舒适性有所提高。
随性和电梯技术的发展以及产量的提高,中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置。
目前,国内电梯产业仍存在不完善之处。
建设部在建字144号文件中发布了相关于提高电梯质量的若干规定。
提出:
各厂家生产的机型需进行整顿;在八五期间,分批淘汰定型机电气控制的交流双速电梯以及1m/s以下的低速电梯,到1997年将全国淘汰老邢继电器控制电梯;要统一技术标准,在制造、安装、保养和维护等方面进行综合治理;要开展产品质量认证,在建立全国性完整的电梯管理法规、落实检查机构、壮大安装调试队伍、组建维修保养网络和提高相关人员技术素质等方面,我国电梯行业正在进行这一系列的实质性地工作,并走向法规化。
一.2课题背景及意义
在高层宾馆、商店、住宅多层厂房和库房等地人们在垂直方向上不可没有的一种交通工具那就是电梯,随着国家经济的发展高层建筑是层出不群,所以这就要求电梯的服务效率和服务质量要有极其高的要求。
电梯是一个机电一体化的系统,所以它被应用的领域是很广泛的,比如:
机械工程,电子技术,电力电子技术,电机与拖动理论,自动控制理论,电力拖动自动控制系统,微机技术和土建工程等领域,在这么多的领域被应用所以就得考虑可靠性、舒适感和美学等问题。
电梯是服务于规定楼层的固定升降设备,它有一个轿厢,运行在至少两列垂直的倾斜角小于15°的刚性轨道之间。
传统的电梯是拽引电动机采用接触器来实现电动机工作状态的改变,双速异步电动机在电子回路中串联电抗和电阻来实现电动机的调速,但是这样的方法满足不了人们都舒适的感觉。
传统的电梯是控制系统是由继电器接触器控制逻辑组成,所以就存在很多不足,不如:
电器元件多,功能弱,电气故障频繁等问题。
一.3论文研究内容
主要研究内容如下:
本论文通过PLC控制技术来实现实验电梯的全自动化控制仿真运行。
电梯是根据外部呼应信号以及自身控制规律等运行的,而呼叫时随机的,电梯控制系统是采用随机逻辑方式控制。
分析电梯的控制系统的硬件设计,根据电梯的控制原理和功能要求用PLC实现对电梯的运行控制设计。
研究如何实现电梯的并联控制策略,并联电梯的通信等。
进一步研究如何实现电梯的群控以及各个电梯的通信和信号的传递。
本文的主要工作就是以PLC作为工具控制电梯的升降操作,其实验步骤安排如下:
首先对四层电梯的硬件部分进行一次分析,判断需要什么样的电机、开关、信号灯等;
然后,绘制其控制面板图,再根据控制面板图估计一下i/o点数,确定合适机型;绘制流程图、梯形图、写出语句。
为了达到设计要求,基于系统不同的功能要求,将系统划分为电梯开关门控制、电梯到达楼层指示、楼层呼叫指示灯控制、轿厢内指令指示控制和电梯方向选择、启动控制、满员超载指示、限位保护等基本模块。
系统功能划分有利于简化设计思想,提高效率。
第二章PLC、变频器与旋转编码器概述
二.1可编程控制器的概述
二.1.1可编程控制器的生产与发展
以往的顺序控制器主要以继电器组成,由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作,若要改变控制的顺序就必须改变控制器的硬件接线,使用起来不灵敏,也麻烦。
1968年,美国最大的汽车制造商——通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要,要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器,并从用户角度提出了新一代控制器应具有的十大条件,立即引起了考法新潮。
这十大条件是:
(1)编程方便,可现场修改程序
(2)维修方便,可采用插件式结构
(3)可靠性高于继电气控制装置
(4)体积小于机电控制
(5)数据可直接送入管理计算机
(6)成本可与继电器盘竞争
(7)输入可谓市电
(8)输出可谓市电,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器
(9)扩展时原系统改变量少
(10)用户存储器大于4KB
早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组,它采用了一些计算机技术,但简化了计算机的内部电路,对工业现场环境适应性较好,指令系统简单,一般只具有逻辑运算功能。
随着微电子技术和集成电路的发展,特别是为处理器和微计算机的迅速发展,在20世纪70年代中期,美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多的引入微机技术,位处理器及其他大规模的集成电路芯片成为其核心部件,使可编程控制器性能价格比产生了新的突破。
现在的可编程控制器度采用了微处理器、只读存储器、随机存储器或是单片机作为其核心。
近来,可编程控制器的发展更为迅速,更新换代周期为3年左右,其结构不断改进,功能日益增强,性能比越来越高。
展望未来,可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展,一方面是大型可编程控制器不断向高速、大容量和高功能方向发展。
如有的扫描速度可高达0.1ms/K,可处理几万个开关量I/O信号和多个模拟量I/O信号,用户程序存储器容量最大达十几兆字节。
另一方面,发展简易经济的超小型可编程控制器,以适应单片控制、小型自动化的需要。
另外,不断增强其对过程控制功能;研制采用工业标准总线,使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备,分别执行不同的任务;增强可编程控制器的联网通信功能,便于分散控制与集中控制的实现;大力开发智能I/O模块,增强可编程控制器的功能。
二.1.2可编程控制器的定义与特点
2.1.2.1可编程控制器的定义
可编程控制器缩写为PC,为了和个人计算机相区别开,把可编程控制器缩写为PLC。
可编程控制器一直在发展中,因此直到目前为止,还未能对其下最后的定义。
美国电器制造商协会给plc做了如下的定义:
plc是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体以存储指令,用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能,并通过数字或模拟的输入和输出,以控制各种机械或生产过程。
定义强调了可编程控制器是“数字运算造作的电子系统”,即它是一种计算机。
它是“转为在工业环境下应用而设计”的工业计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”,因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作,它还具有“数字量或模拟量的输入/输出控制”的能力,并且非常容易与“工业控制系统连成一体”,易于扩充。
定义强调了可编程控制器直接应用于工业环境,它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别于一般的微计算机控制系统的一个重要特征。
2.1.2.2可编程控制器的特点
现代工业生产复杂多样的,他们对控制的要求也各不相同。
可编程控制器由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员和工人欢迎。
(1)可靠性高,抗干扰能力强。
这往往是用户选择控制装置的首要条件。
Plc生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施,使它可以直接安装与工业现场而稳定可靠的工作。
目前各生产厂家生产的plc,其平均无故障时间度大大超过了IEC规定的10万小时。
而且为了适应特殊场合的需要,有的plc生产商贾环采用了冗余设计和差异设计,进一步提高了其可靠性。
(2)适应性强,应用灵活。
由于plc产品均成系列化生产,品种齐全,多数采用模块的硬件结构,组合和扩展方便,用户可根据自己的需要灵活选用,以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。
(3)编程方便,易于使用。
Plc的变成可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言,直观易懂,深受现场技术人员的欢迎。
(4)控制系统技术、安装、调试方便。
Plc中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的软元件,又用程序代替硬接线,安装接线工作量少。
设计人员只要有plc就可以进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。
(5)维修方便、维修工作量小。
Plc有完善的自诊断、履历请保存褚及监视功能。
Plc对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。
(6)功能完善。
除基本的逻辑控制、定时、技术、算术运算等功能外,配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制等功能,为方便工厂管理又可与上位机通信。
二.1.3可编程控制器的工作原理
1.plc工作方式
可编程控制器是一种工业计算机,古塔的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的,即是通过执行反应控制要求的用户程序来实现。
但是cpu是以分时操作方式来处理各项任务的,计算机在每一瞬间只能做一件事,所以程序的执行是按程序一次完成相应各电器的动作,便成为时间上的串行。
由于运算速度极高,各电器的动作似乎是同时完成的,但是实际输入——输出的响应是有滞后的。
概括而言,plc的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期。
Cpu从第一条指令开始,按顺序逐条的执行用户程序指导用户程序结束,然后返回第一条指令开始新的一轮是扫描。
Plc就是这样周而复始的重复上述环扫描的。
执行用户程序时,需要各种现场信息,这些现场信息已接到plc的输入端。
Plc采集现场信息即输入信号有两种方式:
(1)集中采样输入方式。
一般在扫描周期开始或结束将所有输入信号采集并存放到输入映像寄存器中。
执行用户程序需输入状态均在输入映像寄存器中取用,而不直接到输入模块去取用。
(2)立即输入方式。
随程序的执行需要拿一个输入信号就直接从输入断货输入模块取用这个输入状态,如“立即输入指令”就是这样,此时输入映像寄存器的内容不变,到下一次集中采集输入时才变化。
plc整个运行可分为三部分:
第一部分是上电处理。
机器上电后对plc系统进行一次初始化工作,包括硬件初始化,I/O模块配置检查,停电保持范围设定等。
第二部分是扫描过程。
plc上电处理完成以后进入扫描工作过程。
先完成输入处理,其次完成与其他外设的通信处理,再次进行时钟、特殊寄存器更新。
第三部分是出错处理。
plc每扫描一次,执行一次自诊断检查,确定plc自身的动作是否正常。
2.plc工作过程
它的工作过程可分为三个阶段:
(1)输入采样阶段。
plc在输入采样阶段,首先扫描所有输入端子,并将各输入状态存入内存中对应的输入映像寄存器中。
此时,输入寄存器被刷新。
接着,进入程序执行阶段,在程序执行阶段和输出刷新阶段,输入映像寄存器与外界隔离,无论输入信号如何变化,其内容保持不变,直到下一个扫描周期的输入采样阶段,才重新写入输入信号。
(2)程序执行阶段。
根据plc梯形图程序扫描原则,plc按先左后右、先上后下的步序豫剧逐句扫描。
(3)输出刷新阶段。
在所有指令执行完成后,元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中,通过一定方式输出,驱动外部负载。
二.1.4可编程控制器的编程语言
plc提供了完整的编程语言,以适应plc在工业环境中的应用。
利用编程语言,按照不同的控制要求编制不同的控制程序,这相当于设计和改变继电器控制的硬接线线路,也就是所谓的“可编程序”。
程序及可以有编程器方便的送入到plc内部的存储器,也能方便的读出、检查与修改。
由于plc是专为工业环境控制需要而设计的,因而对于使用者来说,编程时完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构,不必使用各计算机使用的语言,而把plc内部看作是由许多“软继电器”德国逻辑部件组成,利用plc提供的编程语言来编程程序。
plc提供的编程语言通常有三种:
梯形图、指令表和功能图。
梯形图表达式是在继电气控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变来的,它与继电气控制系统原理图相呼应。
指令表语言类似计算机中的助记符语言,它是可编程控制器最基础的编程语言,它是用一个或几个容易的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。
功能图是一种较新的编程方法,它的作用是用功能图来表达一个顺序控制过程。
二
三
三.1
三.1.1
三.1.2
三.1.3
二.2变频器的概述
二.2.1变频器的概述
1.初始变频器
变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用,将工频(50HZ)电源变换成为频率可调节的电能控制装置,变频器有着“现代工业维生素”之称,可以广泛应用与工业电动机调节、控制的各种领域。
在节能方面的效果也有不容忽视。
随着各界对变频器节能技术和应用等方面认识的逐渐加深,近些年来,我国变频器市场变得异常活跃。
变频器产生的最初目的是速度控制,应用于印刷、电梯、纺织、机床和生产流水线等行业。
而目前相当多的运用是以节能为目的。
由于中国是能源消耗大国,而中国的能源储备又相对贫乏,因此国家大力提倡各种节能措施,其中着重推出了变频器变速技术。
在水泵、中英空调等领域,变频器可以取代传统的通过限流阀和回流旁路技术,充分发挥节能效果;在火电、冶金、矿山、建材行业,高压变频调速的交流电动机系统的经济价值正在得以体现。
变频器是一种高技术含量、高附加值、高效益回报的高科技产品,符合国家产业发展政策。
在过去的二十几年,我国变频器行业从
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