多层电梯轿厢门控制系统的设计.docx
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多层电梯轿厢门控制系统的设计
毕业设计[论文]
题目:
多层电梯轿厢门
控制系统的设计
系别:
电气与电子工程系
专业:
电气工程及其自动化
姓名:
李 保 玉
学号:
1214040401
指导教师:
葛广军
平顶山工学院
年月日
摘要
在科学技术迅速发展、人民生活水平日益提高的今天,电梯在日常生活中已占有越来越重要的地位,对电梯也提出了更高的要求。
作为电梯系统的关键部件,电梯门机控制系统的重要性不言而喻。
由于现行门机控制系统存在着或这或那的问题,所以设计一种控制方法较为简单、调速性能好、实时处理能力强的门机调速系统有着重要的现实意义,这也正是本课题设计的任务。
本文将可编程序控制器(PLC)与通用变频器结合起来,应用于电梯门机进行逻辑控制和变频调速,大大提高了电梯门机的可靠性、平稳性、可维护性以及灵活性,延长了使用寿命。
这种电梯门机控制系统较原有电梯门机控制系统可以更容易的完成更为复杂的控制任务,并能获得较好的速度曲线,能使电梯门在安全平稳的状态下运行,其许多优点是传统的电梯门机控制系统无法媲美的。
该电梯门机控制系统具有手动和自动的功能,并且具有多档调速的功能。
通过对系统的硬件及软件的设计,完成了系统的模拟仿真,实现了对电梯门机系统安全、可靠、平稳控制的目的。
关键词:
可编程控制器(PLC) 变频器 多档调速[3] 速度曲线
Abstract
Intherapiddevelopmentofscienceandtechnology,increasingthepeople'sstandardoflivingtoday,theliftintheirdailyliveshaveoccupiedmoreandmoreimportantposition,theelevatorisalsoahigherdemand.Askeycomponentsoftheelevatorsystem,elevatordoorcontrolsystemoftheimportanceofself-evident.Astheexistingdoorcontrolsystemortheexistenceofthisorthatproblem,sotodesignarelativelysimplemethodofcontrol,performanceandspeed,real-timeprocessingabilityofthegatespeedregulationsystemhasimportantpracticalsignificance,thisispreciselythisSubjectdesigntask.
Elevatorhigh-risebuildingisanindispensablemeansoftransportintheverticaldirection.Elevatorcardoorsystemsintheelevatorsystemisanimportantpartofthesafeoperationoftheelevatorplaysavitalrole.ThisarticlewillProgrammableLogicController(PLC)andGMconvertercombinetheelevatordoormachineusedforlogiccontrolandFrequencyControl,greatlyimprovingthereliabilityoftheelevatordoormachine,asmooth,maintainabilityandflexibility,Extendtheservicelife.Thiselevatordoorcontrolsystemthantheoriginalelevatordoorcontrolsystemcanmoreeasilycontrolthecompletionofmorecomplextasks,andbetteraccesstothespeedcurve,makeasmoothelevatordoorinasafestateofoperation,manyofitsAdvantagesofthetraditionalelevatordoorcontrolsystemcannotbecomparable.
Theelevatordoorcontrolsystemwithnodriversanddriversoperatingmanualandautomaticoperationthatisthefunctionandmulti-functionalstallspeed.Throughthesystem'shardwareandsoftwaredesign,andtheelevatordoormachinesystemissafe,reliable,stablecontrolpurposes.
Keywords:
programmablelogiccontroller(PLC)converterSpeedcurve
Multi-speedfile
第1章 绪论
1.1课题的背景及意义
电梯是高层宾馆、高层商店、高层住宅、多层厂房和多层仓库等高层建筑不可缺少的交通运输工具。
随着科学技术的日新月异,人们生活水平的不断提高,电梯已不仅是代步或运输的工具,而且是人类物质文明的标志。
随着国民经济的飞速发展,现代化大厦日益增多,电梯成为人们日常生活中不可缺少的代步工具。
电梯能否正常运行关系着越来越多人的利益,因此对电梯的快速性、可靠性和平稳性提出了更高的要求。
而电梯轿厢的门机控制系统是电梯设备中动作最频繁的部分,因此门机运行的快速平稳与否对整个电梯系统的快速性和平稳性产生很大的影响。
电梯门机是集光机电技术为一体的电梯设备的一个重要组成部分,是电梯平层停梯后,乘客进出轿厢的通道。
由于门机的频繁开关门动作,容易导致故障发生,在一般的电梯故障中,有70%~80%出现在电梯门上。
目前的电梯门机控制系统均有其固有的缺陷,这些缺陷使电梯不能正常运行、维护工作量大甚至造成人身伤害。
因此,研制一种高性能、高可靠性且维护方便、成本适中的电梯门机控制系统具有重要的现实意义。
我国已经成为全球最大的电梯市场。
八十年代以来,随着经济建设的持续高速发展,我国电梯需求量逐年增长,但国外品牌充斥着国内绝大部分市场。
加大力度发展具有自主知识产权控制系统的民族电梯事业,研究一种经济,可靠,维护方便、性价比好的电梯门控系统是十分必要的,该课题具有很高的研究价值和实用性。
1.2门机控制系统的发展概况
早期电梯门机的控制和运行,大多采用直流驱动的方式。
直流电机换向实现正反转控制,串、并联电阻实现高低速控制。
采用直流电动机驱动的特点是:
能在宽广的范围内平稳且方便地调节速度,实现频繁的快速启动、制动和反转,有较强的过载能力,能承受频繁的冲击负载。
但是直流电机结构复杂,制造成本高,运行维护工作量大,故障率高。
另外,采用电枢串、并联电阻作降压调速,它的调速性能很差,尤其是在低速运行时,由于采用串、并联电阻实现调速,其电机的机械特性很软,往往是速度调整合适了,转矩又不足了,造成电梯门不能可靠到位。
表现出操作后电梯不运行,或者速度高了之后又出现门的撞击声。
同时在调速电阻上还要产生能量的浪费。
随着交流调速技术的发展,交流异步电动机的调速性能有了较大的改进,又由于交流异步电动机结构简单、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高、工作特性较好。
而且和同容量的直流电机相比,异步电动机的质量约为直流电机的一半,而其价格仅为直流电机的1/3。
所以交流机驱动已经成为当前的主流驱动方式。
基于交流调速技术的成熟和电子器件的飞速发展,出现了一种可编程逻辑器件(PLC)+变频器+交流异步电动机的门机控制系统,它提高了门机的可靠性,改善了电梯门机的运行特性,能使门机达到较理想的运行曲线。
该系统变频器的频率控制采用外部端子多步频率选择控制方式,由PLC控制变频器的运行。
这种控制方法较以前有了很大的进步,电梯门机运行的平滑性和快速性有了很大的提高。
1.3课题研究的主要内容
本次设计是针对电梯的门机控制系统进行的研究。
确定电梯轿厢门控制系统的方案,对主要器件及系统主要参数进行整定。
使电梯门快速打开、关闭,一方面要解决速度问题,还应考虑减少机械的碰撞以提高其寿命及防夹、报警等安全问题,这就要求电梯门不能按匀速运行,而应采取加速、减速的运行方式。
要使门机在加速、减速运行时平稳,选择好的伺服电机、设计出优良的控制电路,施以当前先进的控制方法是本次课题所研究的内容。
在设计中要严格按照电梯轿厢门控制系统的主要技术要求,设计出的系统争取满足多种中分式电梯门的开门宽度,使之适用范围广;电动机启动、停止时,各段速度的转换及加减速过程要平稳,具有平稳过渡曲线的加减速过程;门扇运行各状态点速度可设置,加减速时间可设置;最终完成系统的高性能设计,使系统具有自动控制的工作状态,能适应内部和外部条件的变化。
第2章 门机控制方案选择及主要器件简介
2.1门机控制方案的选取
2.1.1电梯门的型式[1]
电梯门按运动方式可分为两类,即滑动门和旋转门。
旋转门多用于国外的小型分寓,这种门几乎不占用井道空间,特别适用于无轿门电梯。
目前我国普遍采用的是滑动门。
滑动门按其开门方向又可分为中分式、旁开式和直分式三种。
1、中分式门:
中分式门是由中间向两侧分开。
开门时,左右门扇以相同的速度向两侧滑动;关门时,则以相同的速度向中间合拢。
此种门常用于客货梯,在生活中较常见。
2、旁开式:
旁开式门是由一侧向另一侧推开或由一侧向另一侧合拢。
按门扇的数量多少,常分为单扇、两扇和三扇旁开式门。
此种门多用于货梯。
3、直分式门:
直分式门由下向上推开的,又称闸门式门,按门扇的数量多少,也可分为为单扇、两扇和三扇等。
此种门多用于杂物梯和大吨位的货梯上。
2.1.2电梯门的构造及工作方式
电梯的门有轿门和厅门之分。
轿门设在轿厢门靠近厅门的一侧,是轿厢的出入口,供司机、乘客和货物进出。
一些简易杂物梯上,轿厢门由人力开、关,所以称为手动门。
而大多数电梯由装在轿厢顶部的自动门开门机来开门和关门,这种门称为自动门。
开关门通常以电动机为动力,通过曲柄连杆和摇杆滑块及绳轮联动等机构,将电机的旋转运动转换为开关门的直线运动[1]。
一般情况下,当轿厢到达某一楼层停车后,轿门的门刀插入厅门的门锁中,在轿门的开关的同时,带动该层的厅门开关,否则,厅门不能打开。
电梯的开关门是通过开门继电器和关门继电器控制门电机的正反转实现的。
开门方式包括:
开门按钮开门,停车自动开门,安全触板开门,本层开门和超载开门;关门方式包括:
关门按钮关门,停站延时自动关门。
2.1.3电梯轿厢门控制系统的控制及驱动方式
电梯轿厢门控制系统主要采用以下三种控制方式:
一种是继电器控制系统,一种是PLC控制系统,三是微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高、控制方式不灵活、以及功率消耗大等特点、目前已逐渐被淘汰;微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能,但也存在抗干扰性差、系统设计较复杂、一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷;而PLC控制系统由于运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强等优点,已成为目前电梯门机控制系统中使用最多的控制方式。
电梯技术中,驱动系统是典型的运动控制系统,它控制电梯门的起动、加速、稳速运行以及减速等运动方式,驱动系统的性能直接影响到电梯的关门精度、振动、噪声等。
常见电梯门机驱动方式[1]:
(1)直流门机驱动系统
但是直流电机结构复杂,制造成本高,运行维护工作量大,故障率高。
另外,采用电枢串、并联电阻作降压调速,它的调速性能很差,尤其是在低速运行时,由于采用串、并联电阻实现调速,其电机的机械特性很软,往往是速度调整合适了,转矩又不足了,造成电梯门不能可靠到位。
表现出操作后电梯不运行,或者速度高了之后又出现门的撞击声。
同时在调速电阻上还要产生能量的浪费。
(2)交流双速驱动系统
其三相交流感应电动机定子采用两个不同极对数的绕组,开环控制方式,线路简单,耗能大,调速性能差。
(3)交流调压调速系统
三相交流感应电动机定子由采用晶闸管的交流调压器供电,调速性能优于前者,但它本质上是属于改变电动机转差率的调速方法,在调速过程中,大量的转差功率被消耗,导致电动机转子发热,是一种低效的调速方法。
(4)变频变压调速系统
变频调速技术的发展,使其调速性能达到直流调速水平,与前三种相比,是一种高效调速技术,且驱动控制设备体积小,重量轻。
2.1.4方案的确定
针对当前电梯门机在我国的使用情况,此次设计对门机的结构型式采用了具有出入方便、工作效率高、可靠性好等优点的中分式门,此种门在我国多数场合占据主流型式,在生活中十分常见。
综合当前电梯轿厢门控制系统的方展发向和现实生活中门机控制系统应用中所表现出的缺陷,对于此次控制及驱动方式的设计,本次设计决定采用PLC+变频器+交流异步电动机的门机控制系统(如图2-1所示)。
以PLC和变频器控制的调速方式,具有加、减速平稳,运行可靠,大大提高了系统的自动化程度。
该系统由PLC控制变频器的运行,控制电机的正反转,达到开关门作用。
开关门过程中的调速由变频器设定多步频率来实现,主要用PLC的输出端作为变频器多档调速输入端的控制信号,通过端子的编码方式决定变频器事先预设的频率,从而决定变频器的输出电压频率大小,进而对电机的转速实现控制。
该系统结构简单,控制方便灵活,便于维护,易于对系统进行改动扩展。
图2-1 门机控制系统框图[14]
2.2PLC简介
2.2.1可编程控制器(PLC)的定义[4]
1987年,国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee-IEC)颁布了PLC标准草案,其第3版对PLC作了如下的定义:
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、计时、计数和算术运算等操作的指令,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或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于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。
2.2.2可编程控制器(PLC)的基本结构
PLC的型号、规格繁多。
它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成(如图2-2所示)。
图2-2 可编程控制器的基本结构[4]
1.中央处理单元CPU
CPU是PLC的核心,由控制器和运算器组成,并通过内部总线同存储器及输入/输出接口电路相连。
其主要作用是:
执行用户程序,从程序存储器中逐条取出用户程序,经过解释程序解释后逐条执行,完成程序规定的逻辑和算术运算,产生相应的控制信号去控制输出电路,实现程序规定的各种操作。
2.存储器
PLC的存储器用来存放程序和数据。
程序分系统程序和用户程序。
3.输入/输出接口电路(简称I/O)
输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分,是PLC的重要组成部分。
PLC将现场输入信号转换成微处理器能接受的信号,且最大程度排除干扰信号,提高可靠性;输出能将微处理器送出的弱电信号放大成强电信号,驱动各种负载。
与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同,PLC的I/O接口是按强电要求设计的,即其输入接口可以接受强电信号,其输出接口可以直接和强电设备相连接。
(1)输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。
前者用由发光二极管和光电三极管组成的光耦合器作为关键器件,输入端加上变化的信号,发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号,它照射光电三极管导通。
二极管和三极管是按完全隔离的,信号不会反馈。
而且二极管正向阻抗值较低,外界干扰源内阻较高,根据分压原理,干扰源馈送到输入端的干扰噪声很小,增强了抗干扰能力。
微电脑的输入接口电路一般由数据输入寄存器、“选通”电路和中断请求逻辑电路集成而成。
光耦合信号经寄存器进CPU。
(2)输出接口电路一般由微电脑输出接口和功率放大电路组成。
前者由输出数据寄存器、“选通”电路和中断请求电路组成。
功率放大电路一般采用继电器、可控硅即晶闸管或晶体管输出。
由于输入——内部电路——输出在电器上完全隔离,从而有效地防止了现场的强电干扰。
4.编程器
编程器有便携式和CRT智能式两大类,前者只能联机编程,而后者既可联机编程,又可脱机编程。
便携式编程器体积小,重量轻,可随身携带,便于在生产现场使用。
一般的小型PLC主要采用便携式编程器。
编程器是专用的,不同型号的PLC都有自己专用的编程器,不能通用。
PLC正常工作时,不一定需要编程器。
因此,多台同型号的PLC可以只配一个编程器。
5.内部电源和其他设备
PLC的内部电源是指将外部输入的交流信号经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足内部电路工作需要的直流电源或电源模块。
PLC的外部设备还有盒式录音机、打印机、EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等。
2.2.3可编程控制器(PLC)的工作原理
当PLC运行时,用户程序中众多的操作需要执行。
但CPU是不能同时执行多个操作的,它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
由于CPU的运算处理速度较高,使得外部出现的结果从宏观上来看几乎是同时进行的,这种分时操作的过程叫做CPU对程序的扫描。
扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始,在无中转或跳转的情况下,按存储地址递增的方向顺序逐条扫描用户程序即执行,直到程序结束。
每扫描完一次程序,就构成一个扫描周期。
然后再从头开始扫描,并周而复始地重复。
PLC的基本工作如下:
(1)输入现场信息:
在系统软件的控制下,顺次扫描各输入点的状态;
(2)执行程序:
顺次扫描用户程序中的各条指令,根据输入状态和指令内容进行逻辑运算;
(3)输出控制信号:
根据逻辑运算的结果,输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号,实现所要求的逻辑控制功能。
上述过程执行完后,又重新开始,反复地执行。
每执行一遍所需的时间称为扫描周期。
图2-3 可编程控制器的基本工作方式[1]
2.2.4可编程控制器(PLC)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。
(1)PLC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。
(2)PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计,使可靠性提高。
(3)PLC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。
(4)PLC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。
(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。
(6)PLC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
(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
(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。
2.3变频器简介
2.3.1变频器的基本结构
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成多种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
图2-4 变频器的基本结构框图[9]
2.3.2变频器的工作原理
1.变频器的组成及工作原理
变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。
主电路如图2-5所示。
图2-5变频器主电路图[9]
2.电压型和电流型变频器
电压型变频器和电流型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同,但是这样一来,却造成两类变频器在性能上相当大的差异,主要表现列表2-1比较如下:
表2-1 电压型变频器与电流型变频器的性能比较[9]
特点名称
电压型变频器
电流型变频器
储能元件
电容器
电抗器
输出波形的特点
电压波形为矩形波
电流波形近似正弦波
电流波形为矩形波
电压波形为近似正弦波
回路构成上的特点
有反馈二极管
直流电源并联大容量
电容(低阻抗电压源)
电动机四象限运转需要再生用变流器
无反馈二极管
直流电源串联大电感
(高阻抗电流源)
电动机四象限运转容易
特性上的特点
负载短路时产生过电流开环电动机也可能稳定运转
负载短路时能抑制过电流
电动机运转不稳定需要反馈控制
3.绝缘门极晶体管(IGBT)
IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,它是一种压控型器件。
其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的,当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,并为晶体管提供基极电流使其导通。
当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时,MOSFET内的沟道消失,晶体管无基极电流,IGBT关断。
4.脉宽调制(PWM)型逆变电路
PWM控制的基本原理:
在采样控制理论中有一个重要结论:
冲量(脉冲的面积)相等而形状不同窄脉冲,分别加在具有惯性环节的输入端,其输出响应波形基本相同,也就是说尽管脉冲形状不同,但只要脉冲在面积相等,其作用的效果基本相同。
这就是PWM控制的重要理论依据。
5.变频器的控制方式
V/F控制:
是一
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