基于三菱PLC五層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計

實習(xí)論文題目基于三菱PLC五層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院蘇州大學(xué)文正學(xué)院專業(yè)電氣工程及自動化畢業(yè)屆別二八屆姓名吳方圓指導(dǎo)教師劉文杰基于三菱PLC五層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要電梯是標(biāo)志現(xiàn)代物質(zhì)文明的垂直運輸工具，是機電一體化的復(fù)雜運輸設(shè)備。它涉及電子技術(shù)、機械工程、電力電子技術(shù)、微機技術(shù)、電力拖動系統(tǒng)和土建工程等多個科學(xué)領(lǐng)域。目前我國國產(chǎn)電梯大部分分為繼電器及PLC（可編程控制器）控制方式兩種，繼電器控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，故障率高，大大降低了電梯的舒適性、可靠性和安全性，給乘用人員的工作和生活帶來了諸多不便，因而PLC在電梯控制中得到了廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)進入一個嶄新的時代，其應(yīng)用越來越廣，以電梯為主要標(biāo)志的現(xiàn)在高層建筑的垂直交通工具，其設(shè)計要求穩(wěn)定性高、安全性高。隨著高層建筑的飛速發(fā)展，電梯控制技術(shù)也已發(fā)展到了調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速，其邏輯控制由PLC代替繼電器控制。本文在針對我國電梯現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，將PLC、變頻器實現(xiàn)五層電梯常規(guī)控制，通過合理的選擇和設(shè)計，大大提高電梯的控制水平，改善電梯運行的舒適感，使電梯達到較為理想的運行效果，并實現(xiàn)電梯的精確位移控制。在介紹電梯基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入分析電梯的工作原理，闡述PLC的特點和優(yōu)點，重點分析電梯的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，研究分析并提出基于PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)方案，最后對本論文進行總結(jié)。緒論一、課題名稱基于三菱PLC五層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計二、設(shè)計目的及意義進入二十一世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對電梯的安全性、可靠性要求越來越高，繼電器控制的弱點就越來越明顯。PLC（可編程控制器）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。鑒于其多種優(yōu)點，目前，電梯的繼電器控制方式已逐漸被PLC控制取代。同時，由于電機交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，電梯的拖動方式也已由原來的直流調(diào)速逐漸過渡到了交流變頻調(diào)速。因此，PLC控制技術(shù)加變頻調(diào)速已稱為現(xiàn)代電梯行業(yè)的一個熱點。而PLC是一種適用于自動化控制的專用計算機，實質(zhì)上屬于計算機控制方式，與普通計算機一樣，以通用或?qū)Ｓ肅PU作為字處理器，實現(xiàn)字運算和數(shù)據(jù)存儲，另外還有位處理器，進行點（位）運算與控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作維修、編程簡單、靈活性強等特點。電梯采用PLC控制，用軟件實現(xiàn)對電梯運行的自動控制，可靠性大大提高；去掉了選層器及大部分繼電器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化；PLC可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能；PLC可進行故障自動檢測報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修；用于群控調(diào)配和管理，并提高電梯運行效率；更改控制方案時不需改動硬件接線。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。電動機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)其優(yōu)異的調(diào)速性能和起制動性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻調(diào)速電梯使用的是異步電動機，比同容量的直流電動機具有體積小、占空間小、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、可靠性高、價格低等優(yōu)點；變頻調(diào)速電梯使用先進的SPWM和SVPWM技術(shù)，明顯改善了電動機供電電源的質(zhì)量，減少諧波，提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)能明顯。變頻器以其優(yōu)越的性能，在電梯行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)七八十年代安裝完成的電梯絕大部分是以繼電器控制，線路復(fù)雜，節(jié)點接線多，故障率高，調(diào)速方式一般采用變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、直流調(diào)速，維修困難，屬于能耗型調(diào)速，效率低，發(fā)熱量大，調(diào)速性能指標(biāo)較差，嚴(yán)重地影響電梯運行質(zhì)量。近年來，采用功能強、故障率低、可靠性高的PLC（可編程控制器）來控制電梯，為改善電梯繼電器控制的不足取得了良好的市場效果。利用PLC和變頻器對舊電梯進行改造，不但可以增加電梯的舒適感、安全性、可靠性，還可以降低能耗，節(jié)約能源，減少運行費用。課題所研究的內(nèi)容主要針對老式電梯采用的繼電器邏輯控制方式存在的功能弱、故障多、可靠性差和工作壽命短等缺陷，提出采用功能強、故障率低、可靠性高的可編程控制器（PLC）來控制電梯。調(diào)速系統(tǒng)采用交流變頻調(diào)速，在各種負載下都有良好的調(diào)速性能和準(zhǔn)確的停車性能，滿足乘客的舒適感和保證平層精度（即準(zhǔn)確停車）并能節(jié)約大量電能。三、設(shè)計基本原理及各結(jié)構(gòu)圖轎廂操作盤廳外呼叫廳安全裝置井道裝置指揮層調(diào)整器拖動控制門機控制輸入接口PLC主機CPU存儲器輸出接口圖1電梯控制PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖拽引機門機顯示現(xiàn)場信號變頻器PLC電源PG圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第一章電梯設(shè)備與電梯的控制11電梯設(shè)備111電梯的分類（1）按用途分類乘客電梯；載貨電梯；客貨電梯；病床電梯；雜物電梯；住宅電梯；特種電梯等。（2）按速度分類低速電梯，1M/S以下；高速電梯，12M/S；超高速電梯，4M/S以上。（3）按驅(qū)動電源分類交流電梯，速度一般小于2M/S；直流電梯，速度一般大于2M/S。（4）按控制方式分類層間控制；簡易集選控制；集選控制；有無司機控制；群控等。112電梯的主要組成部分（1）曳引部分通常有曳引機和曳引鋼絲繩組成。電動機帶動曳引機旋轉(zhuǎn)使轎廂上下運動。（2）轎廂和廳門轎廂由轎架、轎底、轎壁和轎門組成；廳門一般有封閉式、中分式、雙折中分式和直分式等。（3）電氣設(shè)備及控制裝置由曳引機、選層器傳動及控制柜、轎廂操縱盤、呼梯按鈕和廳外指示器組成。（4）其他裝置對重裝置、補償裝置等。113電梯轎箱的控制要求A選向根據(jù)電梯各層內(nèi)選外呼信號的先后和停止時轎箱所在的樓曾位置決定電梯的運行方向。B選層換速指電梯能夠根據(jù)轎內(nèi)所選層而決定運行方向，而且遵守或一直向上，或一直向下的原則。并且在每次平層的時候都能夠換速。C樓層位置的指示選用了數(shù)碼管顯示的方法。由于FX2N系列已有內(nèi)部計數(shù)譯碼驅(qū)動模塊，所以只要外部加上LED七段顯示管和電源就可以顯示樓層了。114電梯門的控制要求要求當(dāng)電梯平層的時候，電梯門自動打開，經(jīng)過05秒鐘后電梯門自動關(guān)上。如果遇到有人在門中間的情況，電梯會因為光電開關(guān)的作用而自動開門。12PLC電梯控制系統(tǒng)的優(yōu)點（1）在電梯控制中采用PLC，用軟件實現(xiàn)對電梯運行的自動控制，可靠性大大提高。（2）去掉了選層器及大部分繼電器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化。（3）PLC可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便增加或改變控制功能。（4）PLC可進行故障自動檢測報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。（5）用于群控調(diào)配和管理，并提高電梯運行效率。第二章電梯的硬件系統(tǒng)一、電梯控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能電梯的控制系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能（1）一臺電機控制上升和下降，各層設(shè)上/下呼叫開關(guān)（最頂層與起始層只設(shè)一只）。（2）電梯到位后，具有手動或自動開關(guān)門功能。（3）電梯內(nèi)設(shè)有方向指示燈及電梯當(dāng)前層號指示燈及層樓指令鍵，警鈴風(fēng)扇及照明按鍵。（4）待客自動開門，當(dāng)電梯在某曾停梯待客時，按下層外召喚按鈕，應(yīng)能自動開門迎客，自動關(guān)門待客。當(dāng)完成全部轎廂內(nèi)指令，又無層外呼梯信號時，電梯應(yīng)自動關(guān)門在，在調(diào)定時間內(nèi)自動關(guān)閉轎廂照明。（5）自動關(guān)門與提早關(guān)門，在一般情況下，電梯停站4至6秒應(yīng)能自動關(guān)門；在延時時間內(nèi)，若按下關(guān)門按鈕，門將不經(jīng)延時提前實現(xiàn)關(guān)門動作。（6）按鈕開門，在開關(guān)過程中或門關(guān)閉后，電梯啟動前，按下操縱盤上開關(guān)按鈕，門將打開。（7）內(nèi)指令記憶，當(dāng)轎廂內(nèi)操縱盤上有多個選層指令時，電梯應(yīng)能按順序?？寇囬T，并能至調(diào)定時間，自動確定運行方向。（8）自動定向，當(dāng)轎廂內(nèi)操縱盤選層指令相對于電梯位置具有不同方向時，電梯應(yīng)能按先入為主的原則，自動確定運行方向。自動換向，當(dāng)電梯完成全部順向指令后，應(yīng)能自動換向，應(yīng)答相反方向的信號。（9）呼梯記憶與順向截停，電梯在運行中應(yīng)能記憶層外的呼梯信號，對符合運行方向的召喚，應(yīng)能自動逐一停靠應(yīng)答。（10）自動返回基站，當(dāng)電梯設(shè)有基站時，電梯在完成全部指令后，自動駛回基站，停機待客。二、速度給定曲線為了滿足乘客舒適感，提高運輸效率及正確平層要求，電梯的速度給定曲線是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。人們對于速度變化的敏感度主要是加速度的變化率，舒適感就意味著要平滑的加速和減速。為了獲得良好的舒適感，將電梯的起動制動速度曲線設(shè)計成由兩段拋物線（S曲線）及一段直線構(gòu)成，而這一曲線形狀的構(gòu)成及改變，則是由加速度斜率及S曲線變化率決定的。加速斜率是以速度給定從0加速到1000轉(zhuǎn)/分所需要的時間來定義。其意義為加速度由0加速到1000轉(zhuǎn)/分2所需要的時間。因此通過改變起動加速時間可獲得不同的起動曲線斜率。增大加速時間值起動曲線變緩，反之，起動曲線變急。而S曲線變化率的變化，也可通過改變S曲線起始、終了加速時間來實現(xiàn)，系統(tǒng)采用的VS616G5變頻器就具有S曲線加速時間設(shè)定功能，故將加速時間和S曲線加速時間配合調(diào)整，即可獲得理想的起動曲線。同理，制動曲線也可按此方法調(diào)整。理想的電梯速度給定曲線如圖34所示，圖中A為加速度，V為速度。圖34速度運行曲線在0T3時間內(nèi)加速起動階段，其中0T1和T2T3時間內(nèi)位拋物線速度曲線，在T1T2時間內(nèi)為直線速度曲線；T3T4時間內(nèi)為穩(wěn)速運行階段；T4T時間內(nèi)為減速制動階段。減速制動階段速度曲線與加速起動啟動階段想對稱。三、減速及平層控制電梯的工作特點是頻繁起動制動，為了提高工作效率、改善舒適感，要求電梯能平滑減速至速度為零時，準(zhǔn)確平層，即“無速停車抱閘”，不要出現(xiàn)爬行現(xiàn)象或低速抱閘，即直接停止，要做到這一點關(guān)鍵是準(zhǔn)確發(fā)出減速信號，在接近層樓面時按距離精確地自動矯正速度給定曲線。系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測轎廂位置，只要電梯一運行，計算機就可以精確地確定走過的距離，到達與減速點相應(yīng)的預(yù)置數(shù)時即可發(fā)出減速命令。不論哪種方式產(chǎn)生的減速命令，由于負載的變化、電網(wǎng)波動、鋼絲繩打滑等，都會使減速過程不符合平層技術(shù)要求，為此一般在離層樓100200MM處需設(shè)置一個平層矯正器，以確保平層的長期準(zhǔn)確性。電氣原件元件符號名稱及作用元件符號名稱及作用KM1上行接觸器1SB14SB11層4層上行外呼按鈕KM2下行接觸器2SB25SB22層5層下行外呼按鈕KM3高速接觸器1HL5HL1層5層指示燈KM4低速接觸器6HL,7HL上下行指示燈KM5啟動加速接觸器HL6,HL7操縱箱上下行指示記憶燈KM6KM8制動減速接觸器HL81層外呼記憶燈KM9開門接觸器HL92層上呼記憶燈KM10關(guān)門接觸器HL102層下呼記憶燈SQ5基站開關(guān)HL113層上呼記憶燈SQ6開門到位開關(guān)HL123層下呼記憶燈SQ7關(guān)門到位開關(guān)HL134層上呼記憶燈SQ8開門調(diào)速開關(guān)HL144層下呼記憶燈SQ9,SQ10關(guān)門調(diào)速開關(guān)HL155層下呼記憶燈SQ11SQ151層5層廳門鎖開關(guān)SA1運行狀態(tài)選擇鑰匙開關(guān)SQ16轎門關(guān)閉到位開關(guān)SA2基站開關(guān)梯匙開關(guān)SQ17上限位開關(guān)SQ1安全窗開關(guān)SQ18下限位開關(guān)SQ2安全鉗開關(guān)SQ19上行強迫停止開關(guān)SQ3限速器開關(guān)SQ20下行強迫停止開關(guān)SQ4轎內(nèi)急停開關(guān)SB1開門按鈕1KR上平層感應(yīng)器SB2關(guān)門按鈕2KR下平層感應(yīng)器SB3上行啟動按鈕3KR開門感應(yīng)器SB4下行啟動按鈕SQ電源開關(guān)SB5SB91層5層內(nèi)選按鈕第三章系統(tǒng)軟件開發(fā)在電梯控制中，有大量的邏輯信號需要處理，這部分工作是由PLC來完成的，系統(tǒng)軟件根據(jù)運行要求及保護要求由PLC來實現(xiàn)邏輯控制。31電梯的三個工作狀態(tài)電梯控制系統(tǒng)由呼叫到響應(yīng)形成一次工作循環(huán)，電梯工作過程又細致分為自檢、正常工作、強制工作等三種工作狀態(tài)。電梯在三種工作狀態(tài)之間來回切換，構(gòu)成了完整的電梯工作過程。311電梯的自檢狀態(tài)PLC通電后，PLC中的程序已開始運行，但因為電梯尚未讀入任何數(shù)據(jù)，也就無法在收到請求信號后通過固化在PLC中的程序作出響應(yīng)。為滿足處于響應(yīng)呼叫就緒狀態(tài)這一條件，必須使電梯處于平層狀態(tài)已知樓層且電梯門處于關(guān)閉狀態(tài)。電梯自檢過程的目標(biāo)是先按下啟動按鈕，再按下恢復(fù)正常工作按鈕，電梯首先是電梯門處于關(guān)閉狀態(tài)，然后電梯自動向上運行，經(jīng)過兩個平層點后停止。312電梯的正常工作狀態(tài)電梯完成一個呼叫響應(yīng)的步驟如下1電梯在檢測到門廳或轎廂的呼叫信號后將此樓層信號與轎廂所在的樓層信號比較，通過選向模塊進行選向。2電梯通過拖動調(diào)速模塊驅(qū)動直流電機拖動轎廂運動。轎廂運動速度要經(jīng)過低速轉(zhuǎn)變?yōu)橹兴僭俎D(zhuǎn)變?yōu)楦咚?，并以高速運行至減速點。3當(dāng)電梯檢測到目標(biāo)層樓層監(jiān)測點產(chǎn)生的減速點信號時，電梯進入減速狀態(tài)，由中速變?yōu)榈退?，并以低速運行到平層點停止。4平層后，經(jīng)過一定延時后關(guān)門，知道碰到關(guān)門到位形成開關(guān)；再經(jīng)過一定延時后關(guān)門，直到碰到關(guān)門到位形成開關(guān)。電梯控制系統(tǒng)始終時時顯示轎廂所在樓層。313電梯強制工作狀態(tài)當(dāng)電梯的初始位置需要進行調(diào)整或電梯需要檢修時，應(yīng)設(shè)置一種狀態(tài)使電梯處于該狀態(tài)時不響應(yīng)正常的呼叫，并能移動到導(dǎo)軌上、下行極限點間的任意位置?？刂婆_上消防/檢修按鈕按下后，使電梯立刻停止原來的運行，然后按下強行上行（或下行）按鈕，電梯上行（或下行）；一旦放開該按鈕，電梯立刻停止，當(dāng)處理完畢時可用恢復(fù)正常工作按鈕來使電梯跳出強制工作狀態(tài)。32軟件設(shè)計要求（1）呼梯信號發(fā)出時，能根據(jù)呼叫層數(shù)和當(dāng)前所在層站作出上、下行判斷。（2）若有兩個呼梯信號，優(yōu)先響應(yīng)先發(fā)出的信號，到站后停留5S，再響應(yīng)后發(fā)出的呼梯信號；若有同方向的呼梯信號，則按順序執(zhí)行。（3）在電梯運行或停層時，均可操作啟動/停機控制開關(guān)使電梯暫停運行及重新啟動。（4）設(shè)有手動控制上、下行按鈕開頭。（5）電梯轎廂有行程終端限位保護開頭（即上、下行限位保護），當(dāng)越限時，電梯停止運行，并發(fā)出報警信號。（6）廳外和轎內(nèi)均有指示電梯運行方向和所在位置的指示信號。設(shè)計總結(jié)經(jīng)過近兩周的學(xué)習(xí)和研究，通過在圖書館、網(wǎng)絡(luò)中查閱有關(guān)資料，了解了電梯的起源和發(fā)展，并且加深了