三层货梯的PLC控制和变频启动设计.docx

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三层货梯的PLC控制和变频启动设计

[摘要]

20世纪60年代末，为了克服传统继电器的种种应用上的缺点，人们研制出了一种先进的可编程序控制器PLC（ProgrammablelogicController），由于PLC具有优良的技术性能，因此它一问世就很快得到了推广应用。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC在工业控制领域内得到广泛的应用愈加明显。

PLC是一种基于数字计算机技术，专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

具体来讲PLC主要具有以下的特点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强；

（2）编程方法简单、直观；（3）体积小、耗能低、重量轻；（4）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；（5）系统的设计/安装、调试工作量少；（6）维修工作量小、维护方便；（7）接口模块功能强、品种多。

PLC在货梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。

由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。

在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。

本论文是以三菱广泛应用的整体中型机FX2N-128为背景机，详细介绍其系统配置，兼顾介绍，指令系统，编程方法和控制系统设计方法，同时也介绍了模块式PLC的一些智能单元。

本人毕业设计的货梯自动运行、消防运行、PLC综合控制三个系统。

论文对PLC的结构、特点、性能以及与现场控制对象的连线进行了具体的研究，并通过PLC实现了货梯的自动控制以及消防运行。

通过此次毕业设计,提高了我们运用理论知识，分析、处理和解决实际问题的综合能力

[关键词]可编程序控制器，货梯控制，

1.绪论3

1.1载货电梯的特点与技术现状5

1.3本文的研究内容、目的与意义5

1.1PLC的概述……………………6

1.2PLC的组成及工作原理…………9

1.3PLC的功能及特点……9

3.货梯控制系统的硬件设计12

3．1可编程控制器（PLC）12

3.2变频器20

3.3货梯控制系统的设计思想25

3.4本章小结30

4.制系统的软件设计32

4.1货梯运行时控制的主要指标：

32

4.2输入信号与编排32

4.3货梯轿厢内、外控制按钮的动作要求33

4.4控制程序流程图34

4.6货梯上行梯形图36

4.6本章小结40

5.货梯的通讯与监控40

5.1货梯的通讯40

5.2货梯的监控43

5.3货梯监控的软件设计45

5.4本章小结48

结论49

参考文献50

1.绪论

1.1载货电梯的特点与技术现状

载货电梯是主要为运送货物而设计的并有人伴随的电梯，通常有专职司机操作。

一般用在事业单位、商场、工矿企业、仓库等场所，货梯的楼层停站大多数在10层以下，运行速度一般在0.63m/s以下。

解放前，全国总共只有电梯2000台，货梯的数量就更加的微乎其微，而且国内几乎没有电梯生产企业。

解放后，随着我国经济建设的发展，电梯企业应运而生。

我国的电梯企业由60年代开始起步，到了70年代己初具规模。

改革开放后，随着经济的快速发展，我国载货电梯的需求量急剧上升。

在我国通过引进国际电梯标准以及发达国家的先进产品和技术，产生了一支以中外合资企业为主体的外向型企业队伍。

如中国迅达公司、天津奥梯斯公司、上海三菱公司、苏州迅达公司和广州电梯工业公司等企业，就是通过合资和补偿贸易方式，引进发达国家的先进管理和技术，不断改善现有产品结构和管理体制，使企业素质和产品质量都提高到了一个新水平，推出一代电梯新产品。

为我国载货电梯的快速发展奠定了坚实的基础。

1.3本文的研究内容、目的与意义

当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。

在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。

世界上有名的几家电梯公司，诸如：

美国奥梯斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51%。

其中，奥梯斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。

早期的电梯控制装置主要是由继电器、接触器控制逻辑电路组成，存在功能弱、故障多、寿命短等缺点。

目前，已经广泛采用可编程序控制器（PLC）来控制电梯PLC作为新一代工业控制器，以其接线简单，高可靠性和技术先进性，在货梯控制得到广泛应用，从而使货梯由传统的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和技3术改造的热点之一。

本设计的目的就在于用PLC代替传统的继电器接触控制逻辑电路，充分利用PLC的优点和交流变频变压调速系统，通过串行通讯和远程监控使货梯的实际运行更加的安全、高效。

设计内容包括电梯的拖动和控制技术，货梯控制系统的软硬件设计（梯形图程序设计），系统通讯，货梯的监控等组成部分。

2.电梯的拖动与控制技术

2.1电梯的定义与种类

2.1.1电梯的定义

国家标准（《GB7024.1-86电梯名词术语》规定，电梯的定义:

用电力拖动，具有乘客或载货轿厢，其运行于垂直的或与垂直方向倾斜不大于15度角的两侧刚性导轨之间，运送乘客和（或）货物的固定设备。

另外，国家标准GB7588-87《电梯制造与安装规范》，对电梯的技术含义作了如下叙述:

乘客方便的进出，轿厢至少部分的在两根垂直的或与垂直方向成倾斜角小于15度的刚性导轨之间运行。

从以上的两个条文可以理解电梯的含义:

（1）电梯是由电力来驱（拖）动的。

沿着垂直方向运行的一种提升设备，可以是乘客的，也可以是载货的。

（3）轿厢要方便于乘坐乘客或承载货物。

2.1.2电梯的种类

按运行速度分类

低速电梯（lm/s及以下的电梯。

如0.25，0.5，0.75，1m/s；通常用在10层以下的建筑或客货两用电梯或货梯）。

快速电梯（>lm/s而<-2m/s的电梯。

如1.5m/s，1.75m/s；通常用在10层以上的建筑物内）。

高速电梯（2-3m/s的电梯。

如2m/s，2.5m/s，3m/s等;通常用在16层以上的建筑物内）。

超高速电梯（3m/s-10m/s或更高的电梯，通常用于超高层建筑物内）。

按用途分类

乘客电梯

载货电梯

客货（两用）电梯

④病床电梯

⑤住宅电梯

杂物电梯

⑦船用电梯

⑧观光电梯

⑨车辆电梯代号

按有无司机分类

①有司机电梯

②无司机电梯

③有/无司机电梯

按控制方式分类

手柄控制电梯

按钮控制电梯

信号控制电梯

④集选控制电梯

⑤下（或）上集选控制电梯

⑥并联控制电梯

⑦梯群程序控制电梯

⑧梯群智能控制电梯

⑨微机控制电梯

按拖动方式分类

直流电梯

②交流电梯

③液压电梯

④齿轮齿条电梯

⑤螺杆式电梯

⑥直线电机驱动电梯

2.2货梯的主要组成

2.2.1电梯在空间上的组成

机房部分

包括电源开关、曳引机、控制柜（屏）、选层器、导向轮、减速器、极限开关、制动抱闸装置、机座等。

井道部分

包括导轨、导轨支架、对重装置、缓冲器、限速紧张装置、补偿链、随行电缆、底坑及井道照明等。

层站部分

包括层门（厅门）、呼梯装置（召唤盒）、门锁装置、层站开门装置、层楼显示装置等。

轿厢部分

包括轿厢、轿厢门、安全钳装置、平层装置,开门机、轿内操纵箱、指层灯、通信机报警装置。

2.2.2电梯功能的组成

曳引系统

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钢丝绳,导向轮,反绳轮组成。

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。

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。

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。

重量平衡系统

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。

电力拖动系统

电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

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。

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。

安全保护系统

保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置组成。

2.3电梯的主要拖动技术

2.3.1单双速交流电动机拖动技术

大家都知道交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。

单双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制。

线路简单，价格较低，因此目前仍在电梯上广泛应用。

但它的缺点是舒适感较差，所以一般被用于载货电梯上。

这种系统控制的电梯速度在1米/秒以下。

2.3.2交流电动机定子调压调速拖动技术

交流电动机定子调压调速拖动系统国外已大量应用于电梯。

这种系统采用可控硅闭环调速，加上能耗或涡流等制动方式,使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量取代直流快速和交流双速电梯。

它的舒适感好，平层准确度高，而造价却比直流电梯低，结构简单，易于维护，多用于2米/秒以下的电梯。

2.3.3直流发电机—电动机可控硅励磁拖动技术

直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点。

因此很早就应用于电梯，采用发电机-电动机组形式驱动。

它控制的电梯速度达4m/s。

但是，机组结构体积大。

耗电大，维护工作量较大，造价高。

因此常用于对对速度、舒适感要求较高的建筑物中。

2.3.4可控硅直流供电拖动技术

可控硅直接供电拖动系统在工业上早有应用。

但用于电梯上却要解决舒适感问题（尤其是低速段）。

应此应用较晚，它几乎与微机同时应用，比起电动机-发电机组形式的直流电梯，它有很多优点如:

机房占地节省35%，重量减轻40%，节能25%到35%。

世界上最高速度的10m/s电梯就是采用这种系统，其调速比达1:

1200。

2.3.5交流调速拖动技术

80年代初，VVVF变频变压系统控制的电梯问世。

当电动机具有调压（variablevoltage缩写为VV）调速装置时称为交流调速电梯，它采用交流电动机驱动，却可以达到直流电动机的水平，其速度一般不高于1.75m/s。

当电动机具有调压调频（variablevoltagevariablefrequency，缩写为VVVF）调速装置时称为交流调频调压电梯，简称VVVF控制电梯，目前控制速度已达6m/s。

它的体积小，重量轻，效率高，节省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。

是目前最新的电梯拖动系统。

本设计应用的就是这种拖动技术。

2.4电梯的主要控制技术

2.4.1继电器控制技术

对使用者来说，在编制程序时，可以不考虑微处理器及存储器内部的复杂结构，也不必用各种计算机使用的语言，而是把PLC看成内部由许多“软继电器”组成的控制器，以便于提供使用者按设计继电器控制线路的形式进行编程。

这样，从功能上来讲，可以把PLC的控制部分看作是由许多“软继电器”组成的等效电路。

必须注意的是电路中的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器中的一位的触发器。

触发器为“1”态，相当于继电器接通;为“0”态，相当于继电器断开。

PLC为用户提供的继电器一般是:

输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、计时器、计数器等。

这些继电器统称为PLC的元素。

其中，输入、输出继电器与外部用户输入，输出设备连接，而其他继电器与外部用户设备没有联系，因此统称为内部继电器。

继电器由两个主要的部件构成，一是（电磁）线圈，二是（常开、常闭）接点.一旦继电器线圈经接点A接通电源，电流就流过线圈（称为得电），使电磁铁吸动衔铁。

衔铁通过机械作用使原来呈闭合状态的常闭接点断开（成为吸断），紧接着使原来呈断开状态的常开接点闭合（称为吸合）。

反之，继电器线圈断电，电源不再给线圈供电（称为失电），那么衔铁释放返回原位（简称复位），常开接点也随之断开复位（称为释断），紧接着常闭接点也复位闭合（称为释合）。

2.4.2交流变频变压控制技术

PWM控制技术是通用型变频器中应用十分广泛的一种电压和频率控制方法，它可以极为有效地抑制输出电压的谐波，而且动态响应较好。

在频率控制、效率等诸方面都有着十分显著的优点。

（1）PWM控制的原理

PWM是PulseWidthModulation的缩写，即脉宽调制。

PWM控制是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到改变电压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。

在变频调速应用中，则主要是后者即变压变频。

形成PWM波形的方法有很多种，其中最基本的方法是利用三角形调制波和控制波的比较。

控制系统通过比较电路将调制三角波与各相的控制波进行比较，变换为逻辑电平，并通过驱动电路使功率器件交替导通和关断，则变频器输出各相电压波形。

为使逆变器输出电压波形趋于正弦波，常采用SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）控制方式。

（2）SPWM控制

逆变器开关模式信号通常情况下利用三相对称的正弦波参考信号（控制波）与一个共用的三角波载频信号（调制波）互相比较来生成。

控制上常有单极性和双极性两种情况所谓单极性控制，是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅一个反复通断而另一个始终截止。

所谓双极性控制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂互补交替通断，具体工作情况与单极性控制类似。

2.5本章小结

本章先对电梯的定义、种类、组成进行阐释，从而对电步了解。

本章主要介绍的是电梯的拖动和控制技术。

本文主要用的调速拖动技术。

电梯的控制技术包括继电器控制技术和交流变频变

技术。

继电器控制技术从功能上把PLC的控制部分看作是由许多电器”组成的等效电路。

交流变频变压控制技术主要介绍的是PWM制技术即脉宽调制和SPWM控制。

后者有单极性和双极性两种情况，变频调速电梯使用的是异步电动机，电源使用了先进的SPWM技术和SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能。

3.货梯控制系统的硬件设计

3．1可编程控制器（PLC）

3.1.1可编程控制器（PLC）的发展

可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。

这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了它们的发展。

1968年，通用汽车公司的液压部门为了消除既复杂又昂贵的继电器控制系统，确立了第一个可编程控制器的招标指标。

该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。

该控制系统将大大减少机器的停机时间，并为未来提供了可扩展性。

该招标由DEC公司中标，这套系统于1969年研制出来，这是第一台可编程控制器，型号为PDP-14，应用取得成功。

其后，美国的MODICON公司也推出了同名的084控制器，1971年日本推出了DSC-80控制器，1973年西欧国家的各种可编程控制器也研制成功。

这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。

从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：

初级阶段：

从第一台PLC问世到20世纪70年代中期

由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。

CPU由中小规模数字集成电路构成。

主要产品有：

MODICON公司的084，AB公司的PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。

第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。

扩展阶段：

从20世纪70年代中期到70年代末期

这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。

扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。

这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公司的SIMATICS3系列，富士电机公司的SC系列产品。

通信阶段：

20世纪70年代末期到80年代中期

　这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。

但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。

由于在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。

其次，产品功能也得到很大的发展。

同时，可靠性进一步提高。

这一阶段的产品有西门子公司的SIMATICS6系列，GOULD公司的M84，884等，富士电机的MICRO和TI公司的TI530等。

开放阶段：

从20世纪80年代中期开始

由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放功能上有较大发展。

主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。

此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。

这一阶段的产品有西门子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500，德维森的V80和PPC11，加拿大ONLINECONTROL公司与合控电气公司所开发的OPENPLC等。

3.1.2可编程控制器（PLC）的定义

由于PLC在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。

在二十世纪七十年代PLC问世后，由美国电气制造商协会（NationalElectricManufacturerAssociation-NEMA）对PLC下过如下的定义：

PLC是一种数字式的电子装置。

它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。

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、计数和控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

3.1.3可编程控制器（PLC）的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。

CPU模块

在PLC系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。

I/O模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号。

数字量（或开关量）输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器，测速发电机和各种变送提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、批示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。

模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

 CPU模块的工作电压一般是DC5V，而PLC的输入/输出信号电压一般较高，如DC5V和AC220V。

从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响PLC的正常工作。

在I/O模块中，用光电耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。

I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

编程装置

编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。

手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。

它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用来现场调试和维修。

使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同的编程语言的相互转换。

程序被编译后下载到PLC，也可以实现远程编程和传送。

可以用编程软件设置PLC内部的各种参数。

通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时PLC内部的各种参数，对于查找故障非常有用。

电源

PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。

内部的开关电源为各模块提供各种直流电源。

小型PLC一般可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

3.1.4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。

扫描丛0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，再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。

顺序扫描的工作方式简单，简化了程序设计，并为PLC的可靠运行提供了可靠的保障。

一方面，所扫描的程序被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；另一方面，还可以利用CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序进入死循环而造成故障的影响。

PLC的基本工作如下（图3-1）：

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。

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。

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。

PLC的扫描周期通常为几十毫秒。

图3-1PLC基本工作过程图

自诊断程序

每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。

此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。

诊断结束后，如无故障，PLC继续扫描，检查是否有编程器等的通信请求。

如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。

处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。

然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。

PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。

3.1.5可编程控制器（PLC）的性能指标

PLC的性能，通常是用以下多种指标综合表述，不同品种规格的PLC其性能指标是不尽相同的，要根据具体悄况来分析。

编程语言常用的有梯形图语言、助记符语言、控制系统流程图及某些高级语言等。

不同的PLC可能采用不同的编程语言。

用户程序存贮容量用户程序存贮器用以存贮通过编程输入的用户程序，其存贮容通常是以字为单位来计算。

约定16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。

中小型的PLC存贮容量一般在8K以下，大