基于PLC的电梯控制系统研究与研究设计.docx
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基于PLC的电梯控制系统研究与研究设计
毕业设计(论文)说明书
论文题目:
基于PLC的电梯控制系统研究与设计_
学院:
电气与自动化工程学院___________
专业:
电气自动化技术_____________
年级:
2010级_________________
姓名:
李洋__________________
指导教师:
高宇__________________
完成时间:
2013年6月10日____________
毕业设计(论文)任务书
题目:
基于PLC的电梯控制系统研究与设计
学生姓名李洋_______
学院名称电气与自动化工程学院
专业电气自动化技术____
学号4010203014________
指导教师高宇_________
一、原始依据
本次设计采用PLC的编程语言——梯形语言,梯形语言是在可编程控制器中的应用最广的语言,因为它在继电器的基础上加进了许多功能、使用灵活的指令,使逻辑关系清晰直观,编程容易,可读性强,所实现的功能也大大超过传统的继电器控制电路。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,它是专为在恶劣工作环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制,定时、计数和算术等操作的指令,并采用数字式、模拟式的输入和输出,控制各种的机械或生产过程。
二、参考文献
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机械工业出版社.1999
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电子工业出版社,2003
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冶金工业出版社,2001
3、研究内容和要求
本文首先是要介绍电梯的发展历史,工作原理,分类等问题。
让我们对电梯有一个宏观的认识。
其次是对可编程控制器相关知识了解。
比如可编程控制器的定义,基本结构以及特点都作出详细的叙述。
再次就是涉及到了电梯的具体内容。
首先是对硬件设备中主要原件进行学习。
其中包括拽引电机,变频器,传感器和PLC的选择等问题。
还有就是由于条件限制我们不能用真实的电梯对设计作出演示,而只能借助于实验室的一些模拟设备来说明我们是设计思想。
因此我们还要对相关的变化作出详细的说明。
然后是介绍自己软件设计思想并加以说明。
最后是要对电梯的发展做出自己的展望。
指导教师(签字)
年月日
审题小组组长(签字)
年月日
摘要
当今时代随着高层建筑的日益增多和建筑设计的档次的提高,使得人们对电梯的要求也越来越高。
目前已不仅限于要求电梯搭乘快速、舒适,制造坚固,装潢考究,人们对电梯的安全可靠性及多功能性正提出越来越高的要求,为此电梯正朝着控制智能化的方向发展。
而电梯的核心是电梯控制器,电梯控制器的实现也有多中方式,诸如PLC,单片机,等等.在以前的电梯控制器设计中,大部分都是采用PLC来实现,但是PLC是基于外围的硬件实现电梯的控制,这样的设计很难实现电梯的智能化,要实现电梯的智能化,就得选用其他的设计方法完成对电梯控制器的设计,而采用硬件描述语言来完成电梯控制器的设计,就能很容易的实现电梯的智能。
关键字:
电梯控制变频调速PLC设计
Abstract
Inthemodernmoreandmorehigh-risebuildingsandimprovethegradeofarchitecturaldesign,maketheelevatordemandsmoreandmoreisalsohigh.Notonlylimitedtorequestanelevatorfast,comfortable,makestrong,exquisitepackaging,safetyreliabilityandversatilityoftheelevatorishigherandhigherdemandsareproposed,sotheelevatorismovinginthedirectionofintelligentcontrol.
Andelevatoristhecoreofelevatorcontroller,elevatorcontrollerimplementationalsohasmanyways,suchasPLC,SCM,etc.Inpreviouselevatorcontrollerdesign,mostofthemareadoptingPLCtoachieve,butthePLCisbasedontheperipheryofthehardwarerealizationofelevatorcontrol,thisdesignisdifficulttoimplementtheintelligentoftheelevator,torealizetheintelligentoftheelevator,andwillhavetochooseotherdesignmethodtocompletetheelevatorcontrollerdesign,andUSESthehardwaredescriptionlanguagetocompletetheelevatorcontrollerdesign,caneasilyrealizetheintelligenceofthelift.
KeyWords:
ElevatorcontrolFrequencycontrolofmotorspeedDesignofPLC
第一章绪论
1.1电梯由来
1887年,美国奥梯斯公司制造出世界上第一台电梯,这是一台以直流电动机传动的电梯。
它被装设在1889年纽约德玛利斯大厦。
这座古老的电梯,每分钟只能走10米左右。
当初设计的电梯纯粹是为了省力。
1900年,以交流电动机传动的电梯开始问世。
1902年,瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯,采用全自动的控制方式,提高了电梯的输送能力和安全性。
随着超高层建筑的出现,电梯的设计、工艺不断得到提高,电梯的品种也逐渐增多。
1900年,美国奥梯斯公司制成了世界上第一台电动扶梯。
1950年又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯,使乘客能在电梯运行中清楚地眺望四周的景色。
随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用,人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高,继电器控制的弱点就越来越明显。
可编程序控制器(PLC)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数字运算操作的电子装置。
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已成为现代电梯行业的一个热点。
1.2电梯设备
1.2.1电梯的工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重,缠绕在曳引轮和导向轮上,曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动,靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力,实现轿厢和对重的升降运动,达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动,防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸,使电梯运转,在失电情况下制动,使轿厢停止升降,并在指定层站上维持其静止状态,供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件,对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化,使曳引电动机负载稳定,轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制,同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
1.2.2电梯的分类
电梯的分类有各式各样:
按用途分类有客梯、货梯、医用梯等。
按速度低速电梯1m/s以下中速电梯1-2m/s,高速电梯2m/s以上,超高速电梯4m/s以上。
按驱动电源分类交流电梯速度一般小于2m/s,直流电梯速度一般大于2m/s。
按控制方式分类有/无司机控制、群控、有层间控制、简易集选控制、集选控制等。
1.3电梯的发展动态
随着现代建筑的发展,日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要标志,作为高层建筑的垂直运载工具—电梯得到了快速发展。
电梯技术发展概况
(1)电梯的速度要求越来越快,高速、超高速电梯的数量愈来愈多。
(2)电梯的拖动技术有了较大的发展,直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。
逐步被交流电梯所替代,液压电梯由于运行平稳,机房位置灵活等特点,使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。
交流拖动电梯更是得到迅速的发展,己由以前的变级调速(AC-VP)发展成为调压调速(AC-VV)及调频调压调速(AC-VVVF),使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加符合人们的生理要求,电梯的舒适感大为改善。
(3)电梯的逻辑控制己从过去简单的继电器—接触器控制发展为可编程序控制(PLC)和微机控制,控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等,电梯可靠性得到很大提高。
(4)电梯的管理功能不断加强,电梯广泛采用微机控制技术,不断满足用户的使用功能要求。
如紧急停车操作、消防员专用、防捣乱系统等。
(5)智能群控管理得到广泛应用。
(6)机械传动方面,由于国际上机械加工水平的不断提高,使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛,已使电梯的传动形式多样化。
电梯发展展望
(1)结构不断紧凑化,体积不断轻型化、小巧化随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展,电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。
同时,无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。
(2)技术含量更高,性能更好
电梯行业技术发展非常迅速,几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯,如今已成为电梯行业的标准配置,因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁挣、更安全、更安静、更经济的特点,所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流:
由于永磁技术的先进性,将来很有可能取代VVVF技术。
另外,网络控制和智能群控系统.以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。
(3)安装更方便、更快捷高效、安全、可重复使用的无脚手架安装,将是高层电梯安装的主要方式;随着新技术的开发、应用,电梯的硬件系统给安装带来更大的方便,使电梯安装更快、效率更高。
此外,电梯的双向安全装置、无底坑、无线控制、绿色环保—安全、环保、节能、舒适,也将是未来电梯的重要发展方向。
第二章PLC的基本知识
2.1可编程控制器的定义
可编程控制器简称PLC(英文全称:
ProgrammableController)。
1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
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该按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。
2.2PLC的基本结构
PLC的基本结构如图2-1所示。
图2-1PLC的结构图
PLC的基本结构:
1、中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型:
(1)RAM(RandomAssessMemory)这是一种读/写存储器(随机存储器),其存取速度最快,由锂电池支持。
(2)EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)这是一种可擦除的只读存储器。
在断电情况下,存储器内的所有内容保持不变。
(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。
(3)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)这是一种电可擦除的只读存储器。
使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
PLC存储空间的分配:
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同,但是根据PLC的工作原理,其存储空间一般包括以下三个区域:
(1)系统程序存储区;
(2)系统RAM存储区(包括I/O映象区和系统软设备等);(3)用户程序存储区系统程序存储区:
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中,用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区:
系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备,如:
逻辑线圈;数据寄存器;计时器;计数器;变址寄存器;累加器等存储器。
(1)I/O映象区:
由于PLC投入运行后,只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据,在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
因此,它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据,这些单元称作I/O映象区。
一个开关量I/O占用存储单元中的一个位(bit),一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16个bit)。
因此整个I/O映象区可看作两个部分组成:
开关量I/O映象区;模拟量I/O映象区。
(2)系统软设备存储区:
除了I/O映象区区以外,系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区。
该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域,前者在PLC断电时,由内部的锂电池供电,数据不会遗失;后者当PLC断电时,数据被清零。
1.逻辑线圈与开关输出一样,每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位,但不能直接驱动外设,只供用户在编程中使用,其作用类似于电器控制线路中的继电器。
另外,不同的PLC提供数量不等的特殊逻辑线圈,具有不同的功能。
2.数据寄存器与模拟量I/O一样,每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16bits)。
另外,PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器,具有不同的功能。
3.计时器4.计数器
用户程序存储区:
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。
不同类型的PLC,其存储容量各不相同。
电源:
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可得电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
2.3PLC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,实现通道(字)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。
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。
A.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。
B.PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计,例如,冗余设计,断电保护,故障诊断和信息保护及恢复等,提高了MTBF,降低了mlTR使可靠性提高。
C.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。
D.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控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言,编程出错率大大降低,而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
E.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。
F.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;软件自诊断;简化编程语言等。
(2)易操作性,PLC的易操作性表现在下列几个方面:
A、操作方便对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。
B、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时,十分有助于编程人员的编程。
C、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降低。
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,PLC的灵活性表现在以下几个方面:
A.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。
B.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。
C.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。
第三章电梯系统的硬件研究
3.1电梯的组成
1.曳引部分通常由曳引机和曳引钢丝绳组成。
电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。
2.轿厢和厅门轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成;厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等。
3.电器设备及控制装置有曳引机,选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅站指示器组成。
4.其它装置对重装置、补偿装置等
系统结构框图如图3-1所示。
图3-1电梯系统结构框图
6.电梯的安全保护装置
(1)电磁制动器,装于曳引机轴上,一般采用直流电磁制动器,启动时通电松闸,停层后断电制动。
(2)强迫减速开关,其分别装于井道的顶部和底部,当轿厢驶过端站换速未减速时,轿厢上的撞块就触动此开关,通过电器传动控制装置,使电动机强迫减速。
(3)限位开关,当轿厢经过端站平层位置后仍未停车,此限位开关立即动作,切断电源并制动,强迫停车。
(4)行程极限保护开关,当限位开关不起作用,轿厢经过端站时,此开关动作。
(5)急停按钮,装于轿厢司机操纵盘上,发生异常情况时,按此按钮切断电源,电磁制动器制动,电梯紧急停车。
(6)厅门开关,每个厅门都装有门锁开关。
仅当厅门关上才允许电梯启动;在运行中如出现厅门开关断开,电梯立即停车。
(7)关门安全开关,常见的是装于轿厢门边的安全触板,在关门过程中如安全触板碰到乘客时,发出信号,门电机停止关门,反向开门,延时重新开门,此外还有红外线开关等。
(8)超载开关,当超载时轿底下降开关动作,电梯不能关门和运行。
(9)其它的开关,安全窗开关,钢带轮的断带开关等。
系统结构简图如图3-2所示
图3-2电梯系统控制原理图
3.2拽引电机的选择
电梯曳引机通常由电动机,制动器,减速箱及底座等组成。
如果拖动装置的动力,不用中间的减速箱而直接传到曳引轮上的曳引机称为无齿轮曳引机。
无齿轮曳引机的电动机电枢同制动轮和曳引轮同轴直接相连。
而拖动装置的动力通过中间减速箱传到曳引轮的曳引机称为有齿轮曳引机。
1.电梯用交流电动机
电梯用电动机的特性要求。
要具有大的起动转矩;起动电流要小;电机应有平坦的转矩特性;为了保证电梯的稳定性,在额定电压下,电动机的转差率在高速时应不大于12%,在低速时应不大于20%;要求噪声低,脉动转矩小。
2.蜗轮蜗杆传动
目前速度不大于2.5米/s的有齿轮曳引机的减速箱大多采用蜗轮蜗杆,其主要优点是:
传动平稳,运行噪声低;结构紧凑,外形尺寸小;传动零件少;具有较好的抗击载荷特性。
由于蜗杆传动的摩擦损失功率较大,损失的功率大部分转化为热量,使油温升高。
过高的油温会大大降低润滑油的粘度,使齿面之间的油膜破坏,导致工作面直接接触产生齿面胶合现象。
为了避免产生润滑油过热现象,设计的蜗轮箱体应满足,从蜗轮箱散发出的热量大于或至少等于动力损耗的热量。
3.斜齿轮传动。
在设计电梯用斜齿轮时应考虑以下几方面的因素:
交应变力;冲击弯曲应力;点蚀与磨损;振动和噪音;制动器。
3.3变频器
3.3.1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广泛应用。
目前,有为电梯控制而设计的专用变频器,其功能较强,使用灵活,但其价格昂贵。
因此,本设计没有采用专用变频器,而是选用了通用变频器,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。
目前,市场流行的通用变频器的种类繁多,而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少,其控制系统的结构也不尽相同,但其总的控制思想却是大同小异。
电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外,他的舒适度指标往往是选择的一项重要内容。
本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行,以改善电梯运行的舒适感;另外,由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例,因此,电梯节约用电日益受到重视。
考虑
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