凯发下载基于PLC的五层电梯控制系统设计

原创 2020-05-12 16:05  阅读

  基于PLC的五层电梯控制系统设计_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。1 课题介绍 电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具、是机—电一体化的复杂运输设 备。它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电力拖动系统和土 建工程等多个科学领域。目前电梯的生产情况和使用数

  1 课题介绍 电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具、是机—电一体化的复杂运输设 备。它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电力拖动系统和土 建工程等多个科学领域。目前电梯的生产情况和使用数量已成为一个国家现代化 程度的标志之一。随着现代化城市的高速发展,每天都有大量人流及物流需要输 送。为节约用地和适应经贸事业的发展,一幢幢高楼拔地而起,这些高层建筑的 垂直运输是一个突出问题,与人们的工作和生活紧密相关。 1.1 课题来源 电梯在生活中的使用日益广泛,种类也多种多样,按拖动系统来分有交流单 速/双速拖动电梯、交流调压调速电梯、直流发电机-电动机可控硅励磁拖动电梯、 VVVF 变频调压调速电梯。按控制方式来分有信号控制电梯、集选控制电梯等。相 比之下,传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制,具有触点多, 故障率高、可靠性差、维修工作量大等缺点,所以采用 PLC 控制电梯系统。因此 我也加入了电梯维护保养这个光荣而艰巨的服务行业来。目前,可编程控制器 (PLC)成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置之一,具有可靠性 高,抗干扰能力强、功能完善,适应性强、调试维修方便等特点,经过 30 多年 的发展,PLC 已广泛应用于石油、化工、建材、电力等各行各业,其主要控制功 能包括开关量控制、模拟量控制、运动控制、数据处理和通信联网。本文就是运 用了三菱 FX2N 系列的 PLC,本文在我公司调试员的协助下设计了五层电梯的控制 系统,在这里选择的型号为 FX2N-80MR。 1.2 课题的意义 可编程控制器是一种在传统的继电器控制系统的基础上,与 3C 技术 (Computer, Control, Communication)相结合而不断发展完善起来的新型自动 控制装置。目前,无论是老设备的技术改造还是新系统的开发,设计人员都倾向 于采用它来进行控制系统设计,例如三菱 FX2N 系列 PLC,具有功能完善的编程软 件、种类齐全的功能模块和良好的人机界面,广泛用于机床、机械、电力设施、 民用设施、环境保护设备等自动化控制领域。此外,PLC 不仅平均无故障时间通 常在 30 万小时,而且带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报 1 / 31 信息。在应用软件中,用户可以编入外部器件的故障自诊断程序,使系统中除 PLC 以外的电路及设备也得到故障自诊断保护。由此,可使整个系统具有极高的可靠 性,这是电气控制设备的重要性能。由于体积小很容易装入机械或系统内部,是 实现机电一体化控制设备的理想条件。 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。 2 / 31 2 电梯概述 2.1 电梯的定义与分类 2.1.1 电梯的定义 DB11-48《电梯日承诺维护保养规则》中规定:电梯是动力驱动,利用沿 刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级(踏步),进行升降或者平行送 人、货物的机电设备,包括载人(货)电梯、自动扶梯、自动人行道等。 2.1.2 电梯的分类 1. 按用途分类 1.1 乘客电梯:为运送乘客设计的电梯,要求有完善的安全设施以及一定的 轿内装饰。 1.2 载货电梯:主要为运送货物而设计,通常有人伴随的电梯。 1.3 医用电梯:为运送病床、担架、医用车而设计的电梯,轿厢具有长而窄 的特点。 1.4 杂物电梯:供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电 梯。 1.5 观光电梯:轿厢壁透明,供乘客观光用的电梯。 1.6 车辆电梯:用作装运车辆的电梯。 1.7 船舶电梯:船舶上使用的电梯。 1.8 建筑施工电梯:建筑施工与维修用的电梯。 1.9 其它类型的电梯:除上述常用电梯外,还有些特殊用途的电梯,如冷库 电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。 2. 按驱动方式分类 2.1 交流电梯:用交流感应电动机作为驱动力的电梯。根据拖动方式又可分 为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。 2.2 直流电梯:用直流电动机作为驱动力的电梯。这类电梯的额定速度一般 在 2.00m/s 以上。 2.3 液压电梯:一般利用电动泵驱动液体流动,由柱塞使轿厢升降的电梯。 2.4 齿轮齿条电梯:将导轨加工成齿条,轿厢装上与齿条啮合的齿轮,电动 3 / 31 机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。 2.5 螺杆式电梯:将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹,再将带有推力轴承 的大螺母安装于油缸顶,然后通过电机经减速机(或皮带)带动螺母旋转,从而 使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。 2.6 直线电机驱动的电梯:其动力源是直线m/s 速度的电梯。 3.2 中速梯:常指速度在 1.00~2.00m/s 的电梯。 3.3 高速梯:常指速度大于 2.00m/s 的电梯。 3.4 超高速:速度超过 5.00m/s 的电梯。 4. 按电梯有无司机分类 4.1 有司机电梯:电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。 4.2 无司机电梯:乘客进入电梯轿厢,按下操纵盘上所需要去的层楼按钮, 电梯自动运行到达目的层楼,这类电梯一般具有集选功能。 4.3 有/无司机电梯:这类电梯可变换控制电路,平时由乘客操纵,如遇客 流量大或必要时改由司机操纵。 5. 按操纵控制方式分类 5.1 手柄开关操纵:电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关,实现电梯的起 动、上升、下降、平层、停止的运行状态。 5.2 按钮控制电梯:是一种简单的自动控制电梯,具有自动平层功能,常见 有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。 5.3 信号控制电梯:这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。除具有自动 平层,自动开门功能外,尚具有轿厢命令登记,层站召唤登记,自动停层,顺向 截停和自动换向等功能。 5.4 集选控制电梯:是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电 梯,与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。 5.5 并联控制电梯:2~3 台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制,共用 层站外召唤按钮,电梯本身都具有集选功能。 5.6 群控电梯:是用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。群控有梯 4 / 31 群的程序控制、梯群智能控制等形式。 本文则主要介绍了我所在公司的无司机的中速乘客电梯如图 2-1 所示。 图 2-1 无司机中速乘客电梯的内部图 2.2 电梯的结构 2.2.1 电梯机房 我们要想了解电梯的组成部分就必须要了解电梯的整体结构以及大致框架如 图 2-2 所示。 1.曳引机 曳引机是电梯的驱动装置。曳引机包括: 1)驱动电动机 交流梯为专用的双速电动机或三速电动机。直流梯为专用 的直流电机。 2)制动器 在电梯上通常采用双瓦块常闭式电磁制动器。电梯停止或电源 断电情况下制动抱闸,以保证电梯不致移动。 3)减速箱 大多数电梯厂选用蜗轮蜗杆减速箱,也有行星齿轮、斜齿轮减速 箱。无齿轮电梯不需减速箱。 4)曳引轮 曳引机上的绳轮称为曳引轮。两端借助曳引钢丝绳分别悬挂轿 厢和对重,并依靠曳引钢丝绳与曳引轮绳槽间的静摩擦力来实现电梯轿厢的升 降。 5 / 31 图 2-2 电梯整体结构图 5)导向轮或复绕轮 导向轮又称抗绳轮。电梯轿厢尺寸一般都比较大,轿 厢悬挂中心间的距离往往大于设计上所允许的曳引轮直径。因此对一般电梯而 言,通常要设置导向轮,以保证两股向下的曳引钢丝绳之间的距离等于或接近轿 厢悬挂中心和对重悬挂中心间的距离。对复绕的无齿轮电梯而言,改变复绕轮的 位置同样可以达到上述目的。 2.限速器 当轿厢运行速度达到限定值时,能发出电信号并产生机械动作的 安全装置。 3.控制柜 各种电子元器件和电器元件安装在一个防护用的柜形结构内,按 预定程序控制轿厢运行的电控设备。 4.电源开关、照明开关 5.选层器、极限开关、机械楼层指示器、发电机组等部件 要根据电梯规格 种类、需要而设置。 2.2.2 电梯轿厢部分 1.操作箱 装在轿厢内靠近轿厢门附近。用指令开关、按钮或手柄等,操作 6 / 31 轿厢运行的电器装置。 2.轿内指层灯 设置于轿厢内,客梯一般装在轿门上方,货梯一般装在轿厢 侧壁,用以显示电梯运行位置和运行方向的装置。 3.自动门机 装于轿厢顶的前部,以小型的交流、直流、变频电动机为动力 的自动开关轿门和厅门的装置。 4.安全触板(光电装置) 设置在层门轿门之间,在层门、轿门关闭过程中, 当有乘客或障碍物触及时,门立刻停止并返回开启的安全装置。载货电梯一般不 设此装置。 5.轿门 设置在轿厢入口的门。 6.称重装置 能检测轿厢内负载变化状态,并发出信号的装置,适用于乘客 或货物电梯等。 7.安全钳 由于限速器作用而引起动作,迫使轿厢或对重装置掣停在导轨 上,同时切断控制回路的安全装置。 8.导靴 设置在轿厢架和对重装置上,使轿厢和对重装置沿着导轨运行的装 置。 9.其它部件 轿顶安全窗、光电保护、超载装置、邻梯指示等部件,要视电 梯规格、型号、种类及客户要求而设置。 2.2.3 电梯层站部分 电梯的层站部分主要提供给乘客用来召梯以及保护乘客的部分,它主要包 括电梯的层门、层门门锁、楼层指示灯、呼梯盒等。 1.层门 设置在层站入口的封闭门。 2.层门门锁 设置在层门内侧,门关闭后,将门锁紧,同时接通控制回路, 轿厢可运行的机电联锁安全装置。 3.楼层指示灯 设置在层站层门上方或一侧,用以显示轿厢运行层站位置和 方向的装置。 4.层门方向指示灯(限于某些电梯需要) 设置在层站层门上方或一侧,用 以显示轿厢欲运行方向并装有到站音响机构的装置。 5.呼梯盒 设置在层站门侧,当乘客按下需要的召唤按钮时,在轿厢内即可 显示或登记,令电梯运行停靠在召唤层站的装置。 7 / 31 2.2.4 曳引式客梯的工作原理 曳引驱动是采用曳引轮作为驱动部件。曳引轮一端连接轿厢,另一端连接对 重。轿厢和对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮绳槽内产生摩擦力。当外 招呼板上有信号登记时,电梯轿厢上面的门机变频器收到信号并反馈到机房的主 板内,主板进而把信号反馈给变频器使其做出判断电梯的上下,此时曳引轮驱动 钢丝绳,使轿厢和对重作相对运动,即轿厢上升,对重下降;轿厢下降对重上升。 于是,轿厢就在井道中沿导轨上下往复运行。我公司 GF-168 曳引式客梯工作原 理图如图 2-3 所示。 图 2-3 曳引式客梯工作原理图 8 / 31 3 电梯硬件电路的选择 3.1 PLC 选择 1.PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求,以提高生产效率和产 品质量。因此,凯发下载在设计 PLC 控制系统时,应遵循以下基本原则: 1)最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 PLC 的功能,最大限度地满足被控对象的控制要求,是设计 PLC 控制系统的首要前提,这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设 计前就要深入现场进行调查研究,收集控制现场的资料,收集相关先进的国内、 国外资料。 2)保证 PLC 控制系统安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行,是设计控制系统的重要 原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑,以确 保控制系统安全可靠。例如:应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行,而且在 非正常情况下(如突然掉电再上电、按钮按错等),也能正常工作。 3)力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量,带来巨大的经济效益和社 会效益,但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。 因此,在满足控制要求的前提下,一方面要注意不断地扩大工程的效益,另一方 面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、 经济,而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低,不宜盲目追求自动化和高 指标。 4)适应发展的需要 由于技术的不断发展,控制系统的要求也将会不断地提高,设计时要适当考 虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择 PLC、输入/输出模块、 I/O 点数和内存容量时,要适当留有裕量,以满足今后生产的发展和工艺的改进。 2.可编程控制器选择原则 为了完成设定的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用 9 / 31 内存的多少来确定 PLC 的机型。本系统为五层楼的电梯,采用集选控制方式。所 需输入/输出点数与内存容量估算如下: 1)输入/输出点的估算。 输入点有:门厅按钮 10 个,轿厢内按钮 9 个,楼层感应传感器 5 个,轿厢门限 位开关 2 个,检修开关及检修上下行 3 个,平层传感器 2 个,减速传感器 2 个,门 锁和安全回路 2 个,PG 卡反馈输入 2 个,共 37 个。 输出点有:门厅召唤按钮指示共 8 个,楼层显示用七段码显示器引脚 7 个, 开关门电动机驱动线 个,变频器控制引脚 8,控制回路继电器及接触器 4 个, 电梯上下行指示灯 2,警报及蜂铃 2 个,总共 33 个。 2)内存容量的估算 用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编 写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统 的复杂程度进行估算。本系统有开关量 I/O 总点数有 70 个,模拟量 I/O 数为 0 个。利用估算 PLC 内存总容量的计算公式: 所需总内存字数=开关量 I/O 总点数×(10~15)+模拟量 I/O 总点数×(150~ 250)再按 30%左右预留余量。估算本系统需要约 3K 字节的内存容量。 3)输入/输出模块的选择 根据系统控制的要求,本系统的输入选用直流 24V 的输入模块。输出模块选 用开关量输出单元的作用是把 PLC 的内部信号转换成现场执行机构的各种开关 信号。按照现场执行机构使用的电源的不同,可分为直流输出单元(晶体管输出 方式或者继电器触点输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或者继电器触 点输出方式)。在继电器输出方式中,继电器作为开关元件,同时又是隔离器件。 发光二极管(LED)构成输出状态显示器,当 PLC 输出一个接通信号时候,内部 电路使继电器线圈 K 通电。继电器触点闭合使得负载回路的的负载 L 接通得电, VD 作为续流二极管以消除线圈的反电动势,同时状态指示发光二极管(LED)导 通点亮。根据负载的需要,负载回路的电源既可以选用交流电源,也可以选用直 继电器输出形式。特别也指出的是,继电器模式具有断点确切,可以实际切断所 控制的回路电器连接的作用,同时这种模式既适合于直流又适合于交流的情况, 因此这种模式在开关频率不是太高的情况下是首先选择的输出控制方案。这种输 10 / 31 出方案的原理如图 3-1 图所示。 图 3-1 电器模式输出单元 4)PLC 机型的选择 FX0S、FX0N、FX2N 是三菱公司近年来推出的微型可编程控制器。它们都体积都 比较小,但功能强大,内置高速记数器,外观,高度,深度都差不多但性能价格 有很大的差别。但我们如表 3.1 对比一下就可以发现: 表 3.1 FXOS,FXON.FX2N 性能比较 型号 I/O 数 用户程序步数 功能指令 通信功能 基本指令执行 时间 模拟量模 块 FX0S 10-30 800 步 EEPROM 50 无 1.6~3.6ms 无 FX0N 24-128 2K 步 EEPROM 55 较强 1.6~3.6ms 有 FX2N 16-256 8K 步 RAM 298 强 0.08ms 有 FX0S 的功能简单,价格便宜,可以用与小型开关量的控制系统,FX0N 可用于 控制要求较高的中小型控制系统,FX2N 的功能最强,可用与控制要求很高的控制 系统。根据输入/输出点数与内存容量的要求,再留出一定的 I/O 节点与内存空 间以供扩展时使用,以及指令的执行速度,因此选用三菱公司的 FX2N 系列的 FX2N-80MR。它的输入继电器 X000-X047 共 40 个,输出继电器 Y000-Y047 共 40 个,程序容量为 8K 字节,完全满足要求,也给以后功能扩展留了足够的空间。综 上所述,本次设计控制系统选用三菱公司 FX2N-80MR。 11 / 31 3.2 变频器的选择 1.变频器的选择原则 1)根据负载特性选择变频器。如负载为恒转矩负载可选择安川公司 VS-616G5 系列变频器,ABB 公司 ACS400 系列变频器等;如负载为风机、泵类负 载可选择西门子 ECO 、MM430 变频器,ABB 公司 ACS800 系列变频器等。 2) 选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据,电机的额定 功率只能作为参考。另外,应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波,会使 电动机的功率因数和效率变坏。因此,用变频器给电动机供电与用工频电网供电 相比较,电动机的电流会增加 10%而温升会增加 20%左右。所以在选择电动机 和变频器时,应考虑到这种情况,适当留有余量,以防止温升过高,影响电动机 的使用寿命。 3) 变频器若要长电缆运行时,此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容 的影响,避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输 出端安装输出电抗器。 4) 当变频器用于控制并联的几台电机时,一定要考虑变频器到电动机的电 缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值,要放大一档或两档来选 择变频器。另外在此种情况下,变频器的控制方式只能为 V/f 控制方式,并且变 频器无法实现电动机的过流、过载保护,此时需在每台电动机侧加熔断器来实现 保护。 5) 对于一些特殊的应用场合,如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等, 此时会引起变频器的降容,变频器需放大一档选择。 6) 使用变频器控制高速电机时,由于高速电动机的电抗小,会产生较多的 高次谐波。而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。因此,选择用于高速 电动机的变频器时,应比普通电动机的变频器稍大一些。 7) 变频器用于变极电动机时,应充分注意选择变频器的容量,使其最大额 定电流在变频器的额定输出电流以下。另外,在运行中进行极数转换时,应先停 止电动机工作,否则会造成电动机空转,恶劣时会造成变频器损坏。 8) 变频器驱动绕线转子异步电动机时,由于绕线电动机与普通的鼠笼电动 12 / 31 机相比,绕线电动机绕组的阻抗小,因此,容易发生由于纹波电流而引起的过电 流跳闸现象,所以应选择比通常容量稍大的变频器。 9) 变频器驱动同步电动机时,与工频电源相比,会降低输出容量 10%~ 20%,变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺 值的乘积。 10) 对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况 下,如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话,有可能发生因峰值电 流使过电流保护动作现象。因此,应了解工频运行情况,选择比其最大电流更大 的额定输出电流的变频器。 11) 选择变频器时,一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否 则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。 12) 单相电动机不适用变频器驱动。 根据以上原则并结合本次电梯设计的控制,选择安川公司的 VS-616G5 系列 变频器,完全可以满足本次控制要求。 2.VS-616G5 型变频器的特点 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。 这种变频器不仅考虑了 V/f 控制,而且还实现了矢量控制,通过其本身的自动调 节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。其控制回路的接线 变频器控制回路接线 变频器的功能特点如下: 1)自学习功能 在矢量控制方式时有效。像电机的使用受到限制、电机参数的设定非常困难 那样的问题用独特的自学习功能已经解决。变频器能自动设定电机铭牌值范围的 电机参数。由此从变频器专用电机到通用电机都可以进行矢量控制运行,电机可 最大限度地发挥作用。 2)力矩控制 力矩控制在矢量控制(带 PG)时有效。多功能模拟量输入信号作为力矩指令 对力矩进行控制。力矩控制精度为±5%。可以切换力矩控制和速度控制运行。 14 / 31 3)V/f 曲线设定 V/F 曲线设定只有在 V/f 控制时有效。可以选择适合用途的预先已设定的 15 种 V/f 曲线。也可设定任意的 V/f 曲线)频率指令的种类 频率指令有如下 5 种方法。 a.用数字式操作器数值指令; b.用 0~10V 的电压值指令; c.(负电压时,反方向运转)用 0~±10V 的电压值指令; d.用 4~20mA 的电流值指令; e.用选择卡指令。 用 5 种中的哪一种,可用参数来设定。在变频器内部,最多可设定 9 个频率 指令。从外部输入多段速指令时,最多可 9 段速运行。 5)PID 控制 使用 PID 控制功能可实现简单的追踪控制。所谓追踪控制,是用检测器将检 出值反馈,使变频器的输出频率(电机的转速)与指令目标一致的控制方式。 6)零伺服控制 零伺服控制只有在矢量控制(带 PG)时有效,既使电机速度为零状态也能 发生 150%以上力矩。 7)用反馈进行速度控制 本功能在带 PG 时有效,使用外接 PG 速度控制卡,可实现速度反馈控制,速 度控制精度会有提高。 3.3 主电路的设计 本次设计的主电路如图 3-3 所示。拖动电机采用康沃 CVF-160L-4 电梯专用 变频电动机,其功率 15KW,额定电压 380V,转速为 1450r/min。 与变频电机可以匹配的变频器选用安川公司 VS-616G5A4015。变频器的额定 容量 26KVA,额定电压 380V,三相交流供电,额定输出电流 34A,适配电动机 15KW。 15 / 31 图 3-3 电梯主电路 3.4 控制电路的设计 3.4.1 门锁安全回路的设计 安全回路,顾名思义就是要确保在用电梯的使用安全,它既考虑了乘客的人 身安全又要考虑到电梯设备的本身安全。所以在电梯的电路中是相当重要的电 路。该电路是将轿门锁、厅门锁回路串联作为一个检测信号,送到控制回路,作 为运行的必要条件之一。也只有在安全继电器 JY 和门锁继电器 JMS 都得电时电 梯才可以运行。其具体的设计如图 3-4 所示。 图 3-4 安全门锁电路 16 / 31 3.4.2 电磁抱闸电路的设计 制动器是电梯最重要的安全保护装置之一,电梯每一次的正常运行起停都需 要制动器的参与,并且几乎电梯上所有的电器保护(如门锁、极限、限位、超速 等)都最终要通过切断抱闸线圈的电源来将电梯制停并使其保持静止状态。本次 电磁抱闸电路设计如图 3-5 所示。 图 3-5 电磁抱闸电路 如图 DZZ 是抱闸线圈,在其断电时制动器失电抱闸制动。一般情况下,在抱 闸接触器 CB1、厅门锁继电器、主接触器、运行接触器常开触点都闭合的时候制 动器松闸。当该回路的任意一个触动断开时,DZZ 失电抱闸。 3.4.3 开关门控制电路设计 1) 直流电动机的调速原理 负载不变的情况下,通过人工的方法改变电动机的转速,称为速度调节(简 称调速)。直流电动机与交流电动机的比较,最大的优点就是具有良好的调速性 能,它可以在宽范围内实现平滑而经济的调速。 由(3-1)电动机的转速公式: n ? U ? I a Ra K e? (3-1) 可知,直流电动机调速方法有三种:第一,改变电枢回路电阻 Ra 调速;第二, 改变励磁磁通? 调速;第三,改变电源端电压 U 调速。其中改变电动机电源端电 压调速的特点如下: a.为了使电机绝缘不受影响,通常只能降低电源端电压,故转速只能在低 于额定转速的范围内调节(这正是我们所需要的控制); 17 / 31 b.机械特性硬度不变,调速范围宽,调速稳定性好; c.若能均匀调节电压,则实现无级调速。 根据以上特点,并结合本次设计选用的开门电机是它励电动机,所以选用改 变电动机电源电压调速。 2) 开关门电路设计 本次设计选用的开关门电动机是一部容量为 120~170W,额定工作电压为直 流 110V,转速为 1000r/min 的直流电动机。由式(3-1)知,直流电机的转速和 电枢端电压成正比,运转方向随电枢端电压的极性改变而改变。根据直流电动机 的这一特点和对开关门过程的要求,控制 M 实现自动开关门的等效电路如图 3-6 所示。 图 3-6 开关门电路 在 M 控制电路的等效电路中,因为 Rac ? Rab ? Rbc ? MDR ? r ? KMR(或GMR) r ? KMR(或GMR) (3-2) 因此在调试过程中,当 MDR 增大时,U ab 增大,U bc 减小,M 转速降低,开关 门速度减慢。当 MDR 减小时,U ab 减小,U bc 增大,M 转速升高,加快了开关门速 度。因此,调节 MDR 的阻值大小,可以同时控制和调整开门及关门速度,进行总 体调节(粗调)。 18 / 31 图 3-7 开门电机控制等效图 由于 Rbc ? ?r ? KMR(或GMR)? ?r ? ? KMR(或GMR) 。因此 Rbc 随 KMR(或 GMR) 的阻值大小而变化。当 MDR 不变,而改变 KMR(或 GMR)的阻值时,同样改变了U ab 和U bc 之间的数值分配,是U bc 增大和减小,同样可以调节开关门速度。 在实际调整过程中,为了提高电梯的运行效率,不但要求开关门的速度快, 而且噪声小。为了实现这一要求,必须把开关门时的初速度调得快些,当门开关 到一定距离时再把速度降下来,以减小开关门时门同门框的撞击声。调整时,除 了调整 MDR、KMR、GMR 外,还应调整 KMX1、GMX1、GMX2 的位置,以改变其短接 KMR 或 GMR 的电阻值。 19 / 31 4 PLC 控制程序设计 4.1 I/O 分配表 以下是五层楼电梯的 I/O 分配。在编程过程中,所用到的 I/O 地址分配表如 下,编程过程可分为电梯内部和电梯外部两部分进行。其具体分配如表 4.1 所示。 表 4.1 I/O 地址分配表 输入 X0、X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X16 X17 X20 X21 X22 X23 X24 X25 X26 X27 X30 X31 X32 X33 X34 X35 X36 X37 X40 X42 作用 编码器 A 相输出端,不可直接使用的 输入端 编码器 B 相输出端,不可直接使用的 输入端 变频器运行 变频器运行出错 检修信号 检修上行 检修下行 电梯停止按钮 开门按钮 关门按钮 司机/自动开关 开门限位开关 关门限位开关 上行平层接近开关 下行平层接近开关 上行平层减速开关 下行平层减速开关 一楼上行按钮 二楼下行按钮 二楼上行按钮 三楼下行按钮 三楼上行按钮 四楼下行按钮 四楼上行按钮 五楼下行按钮 厢内一楼按钮 厢内二楼按钮 厢内三楼按钮 厢内四楼按钮 厢内五楼按钮 上行减速限位开关 输出 Y0 Y1 Y2 Y4 Y5 Y6 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 Y27 Y30 Y31 Y32 Y33 Y34 Y35 Y36 Y37 Y40 作用 关门继电器 开门继电器 照明继电器 主接触器 运行接触器 抱闸接触器 上行信号 下行信号 外部故障 故障复位 启动运行 高速运行 爬行 检修速度 电梯上行指示灯 电梯下行指示灯 一楼上行指示灯 二楼下行指示灯 二楼上行指示灯 三楼下行指示灯 三楼上行指示灯 四楼下行指示灯 四楼上行指示灯 五楼下行指示灯 厢内警报指示灯 蜂鸣 电梯楼层指示灯(管脚) 电梯楼层指示灯(管脚) 电梯楼层指示灯(管脚) 电梯楼层指示灯(管脚) 电梯楼层指示灯(管脚) 20 / 31 X43 下行减速限位开关 X44 上行平层限位开关 X45 下行平层限位开关 X46 门锁回路 X47 安全回路 4.2 变频器的参数设置 Y41 电梯楼层指示灯(管脚) Y42 电梯楼层指示灯(管脚) 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。 1) VS-616G5 变频器的参数 VS-616G5 变频器共有 8 组参数,每一组参数的设定都具有特定的含义。常 用参数如表 4.2 所示。 参数 A组 B组 C组 D组 E组 F组 H组 L组 2) 参数设置系数 表 4.2 变频器参数组 功能 环境设定方式 运行模式的选择 自学习功能 指令关系 电机参数设定 速度卡设定 外部端子功能 保护功能 参数设置的原则: a.为减小启动冲击及增加调速的舒适感,其速度环的比例系数宜小些,而 积分时间常数宜大些; b.为了提高运行效率,快车频率应选为工频,而爬行频率要尽可能低些, 以减小停车冲击; c.零速一般设置为 0Hz; d.变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入。具体参 数设定如表 4.3 所示。 参数 A1-00 A1-01 A1-02 B1-01 表 4.3 VS-616G5 主要参数的设定 功能说明 英文显示 可读取设定全部参数 有 PG 矢量控制 控制回路端子 设定值 0 4 3 1 21 / 31 C1-01 C1-02 C2-01 C2-02 C2-03 C2-04 C5-01 C5-02 D1-02 D1-03 D1-09 E1-01 E1-04 E1-05 H2-01 H3-05 L3-04 L6-01 L6-03 L6-04 L6-05 L6-06 L8-01 L8-05 L8-07 F1-01 F1-05 从最高输出频率的 100%到 0%所需的减速时间 从最高输出频率的 0%到 100%所需的加速时间 S 字特性时间的设定 速度控制回路(ASR)的比例增益设定 速度控制回路(ASR)的积分时间 高速运行频率 爬行频率 点动频率 设定输入电压 最高输出频率 最大电压 9-10 功能脚的选择 多功能输入端子的选择 无效(按设定条件减速) 运行中过力矩检出/切断输出 过力矩检测时间 过力矩检出动作选择 2 过力矩检出级别 2 过力矩检出时间 2 有效(有过热保护) 有效(输入电源欠相检出) 有效(变频器额定电流的 5%以下时,输出欠相检出) PG 脉冲数(电机每转一周所对应的脉冲数) 电机正转时 A 相超前 4.3 控制系统软件设计流程 3s 3s 0.6s 0.7s 0.8s 0.9s 5倍 1s 50Hz 6Hz 10 380V 50Hz 380V 37 1F 0 4 10s 4 200% 2s 1 1 1 800 0/1 根据电梯的工作原理与功能要求,I/O 点的地址分配表和变频器参数设定, 来绘制电梯的程序流程图和设计电梯的程序梯形图。电梯程序流程图为图 4-1 所示。梯形图分成:初始化、选向控制、开关门控制、空闲状态的处理、电梯的 上下运行控制、故障检测及处理来编写。 22 / 31 开始 电梯暂停 是否有外 N 呼信号 Y 选择 电梯运行 是否到楼层 N Y 停止运行 开关箱门 N 是否停止 Y 结束 图 4-1 程序流程图 4.3.1 电梯参数初始化程序 初始化程序定义了电梯运行所需要的部分逻辑线圈、数据寄存器的初始值。 初始值定义如表 4.4 所示。 表 4.4 初始值定义表 元件名 D100 D101 D102 含义 电梯当前位置变量 电梯上行最近目标层 电梯下行最近目标层 初始值 1 1 1 23 / 31 M101 M102 M103 M104 M105 M106 D10 M0 电梯上行标志 电梯下行标志 电梯空闲标志 电梯开门标志 电梯关门标志 开门完毕标志 开门延时时间常数 电梯系统启动标志 这些初始化语句都以图 4-2 的语句驱动。 逻辑“0” 逻辑“0” 逻辑“1” 逻辑“0” 逻辑“0” 逻辑“0” 60 逻辑“0” 图 4-2 电梯参数初始化程序梯形图(部分) 只有在电梯上电时 M8000 可能会不起作用,所以人工设定 M80 充当常闭触点, 而 M0 是电梯启动的标志,只有它在逻辑“0”才能进入初始化程序端。 还有一系列精确位置是有一个换算方法的,实际上从编码器读出来的数字是 非常大的,并且电梯向上运作的时候,此数字减少,而电梯向下运作的时候,此 数字是增加的,为了转换成便于理解的数字,使用了图 4-3 中所示的梯形图。 图 4-3 编码器数字解读 计数器 C251 会记录曳引电动机所转的圈数,然后使用 DDIV 指令把这个数字 除以-800,在初始化结束以后,会有一条指令把 C251 置零,这样使得 C251 的数 字只可能是负数,所以要除以一个负数。D200 就是当前电梯的精确位置说保存 的数据寄存器。 4.3.2 电梯开关门子程序 电梯开门程如图 4-4 所示。 24 / 31 图 4-4 开关门子程序(上半部分) 如果 M106 不为逻辑“1”,那么就执行开门的程序,只有当 X16(开门限位开 关,门打开时为逻辑 1)接通时,设定 M106 为逻辑“1”,否则就开关门电动机正 转。 如果 M106 已经是逻辑“1”,即门打开完全,则开始用 T0 来计时,计时值为 D10,计时完毕以后接通 T0 触点,此时,接通电梯关门标志,并复位 M104 和 M106。 如图 4-5 所示。 图 4-5 开关门子程序(下半部分) 然后是关门的梯形图,结构与开门的梯形图很相似,以 M105 为驱动的条件, 然后根据 X17(关门限位开关,门关上时为逻辑 1)的逻辑值来决定执行的梯形 图,当门完全关闭以后,就复位 M106 和 M105,否则一直驱动 Y0,让开关门电动 机逆转。 4.3.3 检测故障子程序 P30 就是检测故障子程序,其内容可以分为 4 个部分: 1) 检测故障专用比较线圈的复位 检修故障需要用到比较指令 CMP,此指令需要用 3 个逻辑线圈用以保存比较 结果,在此指定 M220、M221、M222,由于比较指令 CMP 并不会在比较之前自动 25 / 31 复位这 3 个线圈,因此在执行比较之前使用 RST 指令人工复位。 2)电梯上行过程中的故障检测 由于上行减速开关、上行平层开关、下行减速开关和下行平层开关的位置各 不相同,所以上行过程中的故障检测和下行过程中的故障检测要分开编程。电梯 上行过程中的故障检测,如图 4-6 所示。 图 4-6 电梯上行过程中的故障检测梯形图 首先要保证只有在上行过程中才会执行此程序,使用 M101(电梯上行标志) 和 M102(电梯下行标志)的组合来判断。电梯停止移动的时候(电梯停靠在楼 层时,也会有上行、下行和空闲之分),是不能检测是否出现故障的(这是因为 没有信息反馈),因此检测是以电梯开始移动开始的。当 Y10(曳引电动机正转) 从逻辑“0”变为逻辑“1”时,开始检测,先记录电梯上行的目标层数,保存入 V1 和 V2 这两个变地址寄存器中备用,在电梯的运动没有减速之前,需要检测的 是上行减速传感器是否起作用,使用 CMP 语句比较 D200(电梯当前的精确位置) 和 D170V1(上行减速开关精确位置的变地址形式,如果 V1 是 2,D170V1 就是 D172) 的大小,如果 D200 小于等于 D170V1,那么就继续检测,否则就是电梯的上行减 速传感器出现故障,会使得 M220 变为逻辑“1”,从而跳入故障处理程序。一旦 电梯减速,证明上行减速传感器没有发生故障,那么就开始检测上行平层传感器, 26 / 31 同时用 INCP 指令为 V1 加上 1,保证上一句检测语句不会再起作用。检修上行平 层传感器的方法是一样的,用 CMP 指令检测 D200 和 D140V2(上行平层开关精确 位置的变地址形式)的大小,只有 D200 大于 D140V2 时,才会跳入故障处理程序; 如果 Y10 被复位,也就是说上行平层传感器没有发生故障,此时使用 INCP 指令 为 V2 增加 1,保证不会再让上行平层检测语句起作用,完成上行检测;在下次 电梯向上移动时,再次开始检测。 3) 电梯下行过程中的故障检测 如果图 4-7 所示。基本结构和上行检测梯形图相似,只是在比较语句和一些 数值的存取上有些改变。使用 M102 和 M101 的组合来判断电梯是否在下行运作中, 在电梯停靠在某楼层的时候是不会检测的,一旦 Y11(曳引电动机逆转)接通, 则保存电梯下行目标层数 D102 到 V1 和 V2。在电梯还没有减速之前,检测下行 减速传感器是否出现故障,如果 D200 大于等于 D160V1(下行减速开关精确位置 的变地址形式),那么就继续检测,否则就是设置 M50(电梯故障标志)为逻辑 “1”,进入故障处理程序段;如果电梯已经开始减速,证明下行减速传感器没有 问题,用 DECP 指令为 V1 减 1,检测下行平层传感器,比较 D200 和 D150V2(下 行平层开关精确位置的变地址形式)的大小,同样只有在 D200 小于 D150V2 时, 才进入故障处理程序段。下次电梯移动时,如果也是下行,还会执行这段梯形图 进行检测。 图 4-7 电梯下行过程中的故障检测梯形图 4) 出现故障以后的处理梯形图 如图 4-8 所示。故障处理程序只有在 M50 被接通的情况才会执行,它是电梯 27 / 31 出现故障的标准。处理方法很简单,先停止曳引电动机的任何动作,然后初始化 所有在复位程序中的临时线圈,这样就可以在下一个扫描周期中,进入复位程序。 然后复位 M0 切断主程序的主控指令,再直接用跳转指令 CJ 跳到 P100(主程序 的结尾,FEND 指令),这样就回到了电梯初始化的阶段。 图 4-8 出现故障以后的处理 这 4 个部分合起来就是检测故障的子程序,在检测完以后,如果没有出现故 障,就会跳转回到 N1 层主控程序的开头。 28 / 31 结论 通过这次比较完整的设计出电梯 PLC 控制,以及充实的公司实践,我摆脱了 单纯的理论知识学习模式,通过与实际设计相结合,锻炼了我综合运用所学的专 业知识解决实际工程问题的能力,同时也提高了我查阅资料文献以及电脑制图等 其他能力。通过本次设计,实现电梯选向、减速平层的控制,同时对电梯的运行 速度、运行状态、安全问题、故障处理等问题进行合理的设计,提高了我的意志 力和品质力,提升了自己的忍耐力,懂得了怎样缓解压力,学会了独立思考、逻 辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我们希望看到的,也正是 我们进行毕业设计的目的所在。但是,在此次设计中还存在例如程序设计等问题, 发现了自身的不足,要在以后工作实践中继续弥补。 虽然毕业设计内容繁多,过程繁琐,但我的收获却更加丰富。通过与老师的 沟通和交流,我了解到此系统的技术要求,此设备的硬件的选用原则,以及主电 路和控制电路的设计。我的能力也得到了提高,提高是有限的但提高也是全面的, 正是这一次设计让我积累了大量实践经验,使我的头脑更好的被知识武装了起 来,也提高了我的专研能力,也增强了我的沟通力和理解力,最终按质按量完成 本次设计。毕业虽然结束了,但我会继续努力学习,将本次毕业设计的精神带到 工作中去,努力为自己的将来奋斗。 29 / 31 致谢 本次设计是在我的指导老师的精心指导和关心下完成的。这几个月,无论是 在学习还是日常生活中,老师都给我很大的帮助和鼓励,特别是在毕业设计上遇 到的种种困难有退缩的想法的时候,在此,我表示由衷的感谢。指导老师渊博的 学识、严谨的治学态度和一丝不苟的工作作风,令我深感佩服,受益非浅。同时 感谢在我工作学习中给予帮助的各位领导和老师,感谢在毕业设计中给我很多帮 助的同学们。在此我另外感谢在工作中一直毫无保留的教导、传授我修电梯的技 术,对我的照顾和关怀,你们是我踏入社会的第一任老师教会我很多东西,更重 要的是教会我做人的道理。 最后,对各位专家、老师审阅我的论文深表感谢,并渴望给予批评指正。 30 / 31 参考文献 [1] FX2N系列可编程控制器使用手册.MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION,1999 [2] FX1S, FX1N, FX2N,FX2NC系列编程手册基本指令,步进梯形图指令,应用指令说 明书.MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION,1999 [3] 电梯自动控制技术 常国兰 编 机械工业出版社 [4] 特种设备安全(管理人员培训教材)第二版 工业出版社 [5] 电梯安装维修工(初级),建筑专业《职业技能鉴定教材》 中国劳动社会 保障出版社 [6] 电梯系统安全运行与设备故障诊断检修及标准规范 北京北大方正电子 出版社 [7] 交流调速电梯原理、设计及安装维修 机械工业出版社 [8] 电梯安装维修操作安全技术 二〇〇〇年十二月 [9] 电梯安装维修工(中级) 中国劳动社会保障出版社 [10] 电梯与自动扶梯技术检验 学苑出版社 31 / 31

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