电梯控制系统功能及速度曲线毕业论文.docx
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电梯控制系统功能及速度曲线毕业论文
电梯控制系统功能及速度曲线毕业论文
第1章绪论
自1889年美国奥梯斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来,电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程,逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。
如今电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的代步工具;而且作为载人工具,人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。
由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接收完成不易更改等缺点,所以需要开发一种安全、高效的控制方式。
可编程控制器(PLC)既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。
因此,PLC在电梯控制领域得到了广泛而深入的应用。
可编程序控制器(PLC)最早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一种数字运算操作的电子系统。
PLC作为新一代工业控制器,以其高可靠性和技术先进性,在电梯控制中得到广泛应用,从而使电梯控制由传统的继电器控制方式发展成为计算机控制的一个重要方向,成为当今电梯控制和技术改造的热点之一。
通过PLC控制电梯,大大提高了电梯控制的自动化程度,给人们的生活带来便利。
鉴于其种种优点,目前电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制所代替。
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。
因此,PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。
本设计就是选用PLC控制技术加变频调速技术实现电梯的全集选控制的。
第2章
方案论证
基本方案概述
电气控制系统决定着电梯的性能,自动化程度和运行可靠性。
随着科学技术的发展和技术引进工作的进一步开展,电气控制系统发展换代迅速。
在国产电梯中,在拖动方面,除速度V≤0.63m/s的低速电梯仍有部分产品采用交流双速电动机变极调速外,对于速度V≥1.0m/s的各类电梯,均已采用交流调压调速和交流变频调速拖动系统。
在中间逻辑控制方面,已淘汰继电器控制,采用PLC和微机控制。
新电气控制系统和拖动系统的出现,不但改善了电梯的性能,而且提高了电梯的运行可靠性,使我国电梯工业提高到一个新的水平,基本实现乘用安全、可靠、舒适的愿望。
目前电梯的控制普遍采用两种方式:
一是采用微机作为信号控制单元,完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定,实现电梯的自动调度和集选运行功能,拖动控制则由变频器来完成;第二种控制方式用可编程序控制器(PLC)取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说,这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式,其原因在于生产规模较小,自己设计和制造微机控制装置成本较高。
虽然在智能控制方面微机控制系统有较强大的功能,但其存在抗干扰性差,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,已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
本设计便是选用第二种方式实现电梯控制的。
最终完成了电梯控制系统中变频器和可编程序控制器的选择。
电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分两部分组成。
电力拖动部分(即主电路)由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。
通过合理设计完成电梯的拖动任务。
电气控制部分又称为控制电路,它是电梯控制系统的核心。
本设计中由PLC作控制器,完成电梯的逻辑控制。
用PLC控制变频器调速,PLC根据输入的轿内指令、响应信号、现行位置及其他相关信号,经运算后向变频器送去上行、下行、换速、平层等控制信号。
最终实现电梯的信号全集选控制。
2.1.1.电梯变频调速控制的特点
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的高速发展,交流变频调速技术也有了十分迅速的发展。
其已成为当今节电,改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速凭借着优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果、广泛的适用范围及其它许多优势,而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。
近年来,电梯调速系统很多采用变频调速控制。
主要原因在于变频器不但可以提供良好的调速性能,并能节约大量电能。
电梯属位能负载,并且要求频繁起停。
随着载客量多少的变化、上下行的变换,要求电动机在四象限内运行。
更重要的是要满足乘客的舒适感和保证平层精度(即准确停车)。
这些要求是变频器在电梯中应用的特殊之处。
变频调速电梯的特点如下:
(1)变频调速电梯使用的是交流电动机,与同容量的直流电动机相比具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
(2)变频调速电源采用先进的SPWM技术和SVPWM技术,使电梯运行质量和性能有了明显的改善;由于变频调速为无极调速,调速范围宽,因此电梯乘坐的舒适感也有了大大提高。
(3)变频调速电梯控制精度高,且具有良好的动态响应、动态品质和抗负荷干扰能力,已逐渐取代直流电机调速。
(4)变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术,明显改善了电动机供电电源的质量,减少了谐波,提高了效率和功率因数,节能明显。
2.1.2.PLC控制电梯的特点
PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境而设计。
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作为微处理器,实现通道的运算和数据存储,另外还有位处理器(布尔处理器),进行点(位)运算与控制。
它采用了可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种机械的生产过程。
PLC具有抗干扰能力强,可靠性高;控制系统结构简单,通用性强;编程方便易于使用;功能完善;设计、施工、调试周期短;体积小,维护操作方便等特点。
其在电梯控制中更具有如下特点:
(1)采用PLC控制电梯,用软件实现对电梯运行的自动控制,使系统的可靠性大大提高。
(2)去掉了选层器及大部分继电器,使得控制系统结构简单,外部线路简化。
(3)采用PLC控制电梯具有极强的灵活性,系统可方便地增加或改变控制功能,实现各种复杂的控制要求。
(4)PLC可进行故障自动检测与报警显示,使运行安全性得以提高,并易于检修。
(5)可用于群控调配和管理,提高了电梯的运行效率。
(6)更改控制方案时系统硬件接线可不改动。
变频器的选择
随着变频器性能价格比的提高,交流变频调速已应用到许多领域,由于变频调速的诸多优点,使得交流变频调速在电梯行业也得到了广泛应用。
1987年,上海三菱电梯有限公司首先从日本三菱引进技术,在国内电梯行业率先推出了全计算机控制交流变频变压(VVVF)调速电梯(专用变频器控制),在电梯行业引起轰动。
十几年来,VVVF控制技术的电梯已成为电梯行业的追求,并得到了普遍运用。
目前国内VVVF电梯拖动系统主要有两种类型:
专用变频器控制和通用变频器+PLC(可编程序控制器)控制。
专用变频器控制电梯,其功能较强,使用灵活,但其价格相对较贵。
因此,本设计没有采用专用变频器,而是选用安川VS-616G5型全数字通用变频器,通过合理的配置、设计和编程,同样可以达到专用变频器的控制效果。
这是本设计的特点之一。
本设计选用的安川VS-616G5型全数字通用变频器,具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能,可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率,同时降低电机运行损耗,特别适合电梯类负载频繁变化的场合。
另外,VS-616G5型变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点,配以高精度的旋转编码器,控制精度可达0.01%—0.02%,使得电梯运行舒适感更好,零速抱闸、平层精度更高。
无须配专用电机,可自学习所配电机的各个参数,精确控制任何品牌的电机。
采用高性能IGBT,载波频率20KHz,从而使变频器输出一个不失真的正弦波波形,使电机始终运行于静噪音状态。
安川VS-616G5型变频器特点
VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。
是一种“多控制方式”的通用变频器。
具有:
无PG(速度传感器)U/f控制;有PGU/f控制;无PG矢量控制;有PG矢量控制等四种控制方式。
这种变频器不仅考虑了U/f控制,而且还实现了矢量控制,通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制,很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。
VS-616G5型变频器的特点如下:
(1)包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。
(2)有丰富的内存与选择功能。
(3)由于采用了最新式的硬件,因此功能全、体积小。
(4)保护功能完善、维修性能好。
(5)通过LCD操作装置,可提高操作性能。
安川VS-616G5型变频器配置
VS-616G5型变频器用在电梯调速系统中,必须配PG卡及旋转编码器,以供电动机测速及反馈。
VS-616G5用在电梯调速系统中,还必须配置制动电阻。
当电梯减速运行时,电动机处于再生发电状态,向变频器回馈电能。
这时,同步转速下降,交-直-交变额器的直流部分电压升高,制动电阻的作用就是消耗回馈电能,抑制直流电压升高。
其基本配置如下:
(1)616G5变频器。
(2)PG卡。
(3)旋转编码器。
(4)制动电阻。
(5)电梯运行曲线输入板(可选配)。
可编程控制器(PLC)选择
本设计轿厢位置检测利用旋转编码器实现。
目前,PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元,计数准确,使用方便,因此在电梯PLC控制系统中,可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置,编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连,电源也可利用PLC内置24V直流电源,硬件连接简单方便。
用旋转编码器检测轿厢位置,要求可编程序控制器必须具有高数计数器。
又因为电梯是双向运行的,所以PLC还需具有可逆计数功能。
综合考虑后,本设计选择了德国西门子(SIEMENS)公司S7系列SIMATICS7-200第二代产品CPU22*系列。
S7-200系列SIMATIC简介
德国西门子(SIEMENS)公司是欧洲最大的电气、电子制造商,一直以品质精良的电气、电子产品闻名于世,也是国际上较早研制和生产PLC产品的主要厂家之一。
西门子最早的PLC产品为S3系列,1975年投放市场。
1979年西门子推出SIMATICS5系列取代了S3,以后一直主推S5系列并获得巨大成功。
20世纪90年代初,西门子公司开始组织力量研制出了新一代PLC产品S7系列SIMATIC,它比S5系列PLC在功能上有了许多发展和改进。
西门子公司的自动化产品在各个领域都得到广泛应用是因为它的PLC产品系列能够满足自动化方面的需求。
它具有的各种功能,各种尺寸,各种结构适用于许多应用场合。
有适用于起重机械或各种气候条件的坚固型;有适用于狭小空间具有高速处理性能的密集型;有运行速度极快且具有优异的扩展能力的机型,可配置种类繁多的输入/输出模块、智能模块、编程软件、过程通信和显示部件等,所以在逻辑控制、运动控制﹑过程控制以及工厂全自动化系统中均得到广泛的应用。
微型S7-200系列可编程序控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程序控制器。
SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能、价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
S7-200系列出色表现在以下几个方面:
(1)极高的可靠性。
(2)极丰富的指令集。
(3)易于掌握。
(4)便捷的操作。
(5)丰富的内置集成功能。
(6)实时特性。
(7)强劲的通讯能力。
(8)丰富的扩展模块。
第3章
系统硬件设计
概述
电梯PLC控制系统基本结构
电梯PLC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3.1为电梯PLC控制系统基本结构框图。
主要硬件包括PLC主机及扩展单元、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。
图3.1电梯PLC控制系统基本结构框图
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,存储在存储器,向召唤指示灯等发出显示信号,向拖动和门机控制系统等发出控制信号。
电梯信号控制系统组成
电梯PLC信号控制系统框图如图3.2所示。
输入到PLC的控制信号有:
运行方式选择(如自动、有司机、检修等)、运行控制、安全保护信号、轿内指令、厅外召唤、旋转编码器光电脉冲信号、开关门及限位信号、门区或平层信号等。
图3.2电梯PLC信号控制系统
电梯控制系统原理框图
电梯控制系统原理框图如图3.3所示,主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、起动运行线路、开关门控制线路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。
图3.3电梯控制系统原理框图
电梯控制系统功能及速度曲线
电梯控制系统功能
电梯控制系统功能较多,根据实际要求的不同控制系统需实现的功能略有差异。
本设计中电梯为7层变频调速全集选客梯设计,其可实现电梯控制系统的基本要求,具体实现的功能如下:
(1)两台电机:
一台作为拖动电机控制电梯上升和下降。
另一台作为门机实现开关门控制。
(2)电梯操作方式采用全集选,即登记所有厅门和轿厢召唤;上行时顺应答轿厢和厅门上召唤,直至最高层自动反向应答下召唤和轿厢召唤。
(3)电梯具有自动运行、有司机运行、检修运行三种运行方式。
(4)电梯到位后具有手动和自动开关门功能。
(5)电梯对轿内指令信号、厅外呼梯信号具有记忆功能。
并能及时对轿内和厅外召唤信号作出响应。
(6)电梯内、外设有运行方向指示灯及楼层信号指示灯,以显示电梯运行位置。
(7)电梯具有自动定向、自动换向等功能。
(8)电梯具有满载直驶;超载停驶;端站强迫换速及其它安全保护等功能。
电梯速度给定曲线
电梯的工作特点是频繁起制动,为了提高工作效率、改善舒适感,要求电梯能平滑减速至速度为零时,准确平层,即“无速停车抱闸”,不要出现爬行现象或低速抱闸,即直接停止。
要做到这一点关键是准确发出减速信号,在接近层楼面时按距离精确的自动矫正速度给定曲线。
本设计采用旋转编码器检测轿厢位置,只要电梯运行,计数器就可以精确地确定走过的距离,达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。
旋转编码器的转轴直接与拽引电动机转轴相连接。
当电动机转动时,旋转编码器输出与转角对应的脉冲数。
利用变频器PG卡输出端,将脉冲信号引入PLC的高速计数器输入端,构成位置反馈。
通过累计脉冲数可直接算出轿厢相应位置行程,进而算出电梯运行过程中轿厢所处层楼位置、确定换速点、提前开门区、平层停车点等。
为了满足舒适感提高运输效率及正确平层要求,电梯的速度给定曲线是一个关键环节。
人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率,舒适感就意味着要平滑的加速和减速。
根据大量的研究和试验表明,人可接受的最大加速度amax≤1.5m/s2,加速度变化率ρm≤3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正弦波形,由于正弦波形加速度曲线实现较为困难,而三角形曲线的最大加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线,即+ρm跳变到-ρm或由-ρm跳变到+ρm的变化率,故很少采用。
因梯形曲线容易实现并且具有良好加速度变化率频繁指标,故被广泛采用。
本设计便是采用此种梯形加速度曲线。
采用梯形加速度曲线的电梯理想运行速度给定曲线如图3.4所示(图中a为加速度,v为速度)。
a.v
图3.4电梯理想运行速度给定曲线
PLC输入输出信号及系统选型
PLC输入输出信号
由于采用PLC作为逻辑控制部件,故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。
为了完成PLC选型,首先确定PLC的输入/输出点数。
PLC需要的I/O点数随电梯层数的不同而不同。
本设计中电梯为7层,按电梯各个功能部分分类统计,PLC的输入信号有:
●变频器与PLC通讯:
变频器“运转”与“故障”信号共占2个输入点。
●旋转编码器与PLC:
旋转编码器向PLC送入A、B两相高速脉冲信号,A、B两相脉冲输入各占1个输入点。
●运行方式选择开关:
有/无司机操作方式转换开关;检修开关;急停按钮各占一个输入点。
其中检修运行又有检修向上运行与检修向下运行按钮。
●轿内指令按钮:
位于轿内的操纵箱上,每层各一个,7层共占7个输入点。
●门厅召唤按钮:
位于电梯的厅门口,除顶层7层只有下召,底层1层只有上召外,其余每层均有上、下呼梯两个按钮,这样门厅召唤共占12个输入点。
●开关门:
有厅门、轿门电气触点开关(用于保证电梯厅、轿门都关好,开关接通时才能运行)、开门限位开关、关门限位开关、手动开关门按钮,共占12个输入点。
●其他:
有超载、上/下极限开关、上/下强迫换速开关、警铃按钮、底层钥匙开关、红外线传感开关、直驶开关共占9个输入点。
PLC的输出信号有:
●指示灯:
1-6层的上召指示灯;2-7层的下召指示灯;轿内内选指示灯;轿内上/下运行指示灯共占21个输出点。
●电梯运行位置指示:
电梯运行位置指示采用七段码显示,由PLC软件实现译码。
占7个输出点。
●其他:
上/下行接触器;开/关门继电器;检修继电器;换速信号继电器;平层停车继电器;蜂鸣器共占8个输入点。
综上可知,系统所有输入/输出均为开关量。
共有开关量输入点48个,开关量输出点36个。
输入/输出信号及对应的电气符号如表3.1所示。
表3.1输入/输出信号及对应的电气符号表
输入部分
信号名称
电气符号
信号名称
电气符号
A相高速脉冲输入信号
—
底层钥匙开关
DYK
B相高速脉冲输入信号
—
红外线传感开关
HWK
变频器“运转”信号
—
上极限开关
SXK
变频器“故障”信号
—
下极限开关
XXK
有/无司机操作方式
SYK
开门按钮
KMA
轿门锁开关
JMS
关门按钮
GMA
开门限位开关
KMX
急停按钮
JTA
关门限位开关
GMX
上行强迫换速开关
SHK
超载触点
CZK
下行强迫换速开关
XHK
直驶开关
ZSK
1-6层上召按钮
1-6SZA
检修开关
JXK
2-7层下召按钮
2-7XZA
警铃按钮
JLA
1-7层轿内指令按钮
1-7NLA
检修向上运行按钮
MSA
1-7层厅门锁开关
1-7TMK
检修向下运行按钮
MXA
续表3.1
输出部分
信号名称
电气符号
信号名称
电气符号
1-6层上召指示灯
1-6SZD
开门继电器
KMJ
轿内上行指示灯
NSD
关门继电器
GMJ
2-7层下召指示灯
2-7XZD
上行接触器
SXC
轿内下行指示灯
NXD
下行接触器
XXC
1-7层内选指示灯
1-7NCD
换速信号继电器
HSJ
电梯运行位置指示
CZS
平层停车继电器
PCJ
蜂鸣器
FM
点动检修继电器
JXJ
PLC系统选型
S7-200系列小型可编程序控制器,发展至今经历了两代产品。
其第二代产品的CPU模块为CPU22*,是在21世纪初投放市场的。
它的运算速度很快,且具有极强的通讯能力。
其五种不同结构配置的CPU单元如下:
(1)CPU221本机集成6输入/4输出,I/O共计10点。
无I/O扩展能力。
程序和数据存储容量较少,有一定的高速计数处理能力,非常适合于少点数控制系统。
(2)CPU222本机集成8输入/6输出,I/O共计14点。
和CPU221相比,它可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展,因此是应用更为广泛的全功能控制器。
(3)CPU224本机集成14输入/10输出,I/O共计24点。
和前两者相比,存储容量扩大了一倍,它可以连接7个扩展模块,有内置时钟,它有更强的模拟量和高速计数处理能力,是使用最多的S7-200产品。
(4)CPU226本机集成24输入/16输出,I/O共计40点。
和CPU224相比,增加了通讯口的数量,通信能力大大增强。
它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。
(5)CPU226XM这是西门子公司后来推出的一种增强型主机,它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展,其他指标和CPU226相同。
由于系统所需开关量输入点51个,开关量输出点37个,系统I/O点数较多,S7-200系列PLC硬件系统的配置方式采用整体式加积木式,即主机包含一定数量的输入/输出(I/O)点,同时可以扩展I/O模块和各种功能模块。
所以选用主机为CPU226(24入/16继电器输出)一台,再加上两个扩展模块EM223(16入/16继电器输出)。
这样配置可以满足系统需求而且比较经济。
整个PLC系统配置框图如图3.5所示。
图3.5PLC系统配置框图
控制系统I/O地址分配
根据控制系统输入/输出信号进行I/O地址分配,其中A/B两相高速脉冲输出信号I/O地址分别为I0.0、I0.1。
变频器“运转”和“故障”信号I/O地址分别为I0.3、I0.4。
I/O地址分配如表3.2所示。
表3.2I/O地址分配表
输入部分
电气符号
I/O地址
电气符号
I/O地址
SYK
I0.4
HWK
I2.0
JMS
I0.5
SXK
I2.1
KMX
I0.6
XXK
I2.2
GMX
I0.7
KMA
I2.3
CZK
I1.0
GMA
I2.4
ZSK
I1.1
JTA
I2.5
JXK
I1.2
SHK
I2.6
JLA
I1.3
XHK
I2.7
MSA
I1.4
1-6SZA
I3.0-I3.5
MXA
I1.5
2-7XZA
I4.0-I4.5
DYK
I1.6
1-7NLA
I5.0-I5.6
1-7TMK
I6.0-I6.6
续表3.2
输出部分
电气符号
I/O地址
电气符号
I/O地址
1-6SZD
Q0.0-Q0.5
KMJ
Q4.0
NSD
Q0.7
GMJ
Q4.1
2-7XZD
Q1.0-Q1.5
SXC
Q4.2
NXD
Q1.7
XXC
Q4.3
1-7NCD
Q2.0-Q2.6
HSJ
Q4.4
CZS
Q3.0-Q3.6
PCJ
Q4.5
FM
Q3.7
JXJ
Q4.6
PLC及扩展模块外部接线设计
3.5.1PLC主机外部接线设计
根据I/O地址分配进行PLC及扩展模块外部接线,PLC外部接线如图3.6所示,
图3.6PLC外部接线图
3.5.2扩展模块外部接线设计
扩展模块外部接线如图3.7所示。
图3.7扩展模块外部接线图
3.6电梯PLC系统控制电气设计
电梯系统接线图如图3.8所示。
图3.8电梯系统接线图
其中:
Q1——三相电源断路器
K1——变频器电源控制接触器
K2——负载电机通断控制接触器
JKM——开门继电器
JGM——关门继电器
RZD——制动电阻
M——门机(
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