基于PLC的交流货梯控制毕业论文.docx
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基于PLC的交流货梯控制毕业论文
毕业论文(设计)
基于PLC的交流货梯控制
摘要
本设计采用PLC可编程控制器作为货梯的核心控制器,代替传统的继电器接触控制逻辑电路,充分利用PLC在控制方面的卓越性能和变频器原理,用交流变频变压拖动技术,从而使电梯运行平稳舒适,利用变频器作为电机的驱动机构,使得系统的启动电流大大减小,避免了对居民用电和电网的冲击。
本设计首先从电梯的起源与发展说起,然后简单介绍了货梯的特点与技术现状,重点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),等组成部分。
关键词:
PLC;货梯控制;梯形图;变频器
ABSTRACT
ThisdesignusesPLCprogrammablecontrollerasthecoreofthefreightelevateorcontroller,relaycontactsinsteadofthetraditionalcontrollogiccircuit,andmakefulluseofPLCincontrolandtheexcellentperformanceinverterprinciple,variablefrequencyACdrivetechnology,therebyElevatortothesmoothoperationofcomfort,astheuseofinvertermotordrivemechanism,makingthestart-upcurrentsystemgreatlyreduced,theresidentsavoidtheimpactofelectricityandpowernetworks.Thisdesignfirstmentionsfromelevator'soriginandthedevelopment,thenintroducedthefreightelevatorcharacteristicandthetechnicalaspectsimply,keycontentincludingelevator'sdraggingandcontroltechnology,freightelevatorcontrolsystem'ssoftwareandhardwaredesign(trapezoidalchartprogramming),andsoonconstituents.
Keywords:
PLC;FreightElevatorControlling;ProgramofLadderDiagram;FrequencyTransformer
目录
1绪论1
1.1电梯的起源与发展1
1.2载货电梯的特点与技术现状1
2电梯的拖动与控制技术2
2.1电梯的主要组成2
2.2电梯的主要拖动技术2
2.3电梯的主要控制技术2
2.3.1PLC控制技术2
2.3.2交流变频变压控制技术3
3货梯控制系统的硬件设计4
3.1货梯控制系统的设计思想4
3.2工作原理6
3.3控制对象6
3.4货梯的控制系统硬件结构设计7
3.4.1PLC的选择7
3.4.2变频器的选择8
3.4.3控制系统硬件结构设计9
4货梯控制系统的程序设计10
4.1货梯运行时控制的主要指标10
4.2PLC输入输出信号及地址编号10
4.3货梯轿厢内、外控制按钮的动作要求12
4.4梯形图程序设计12
结论18
参考文献19
谢辞20
1绪论
1.1电梯的起源与发展
随着社会的发展,建筑物规模越来越大,楼层越来越多。
所以,对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。
尽管交流电动机结构简单,造价便宜,但在调速性能方面却难以满足更高的要求。
而对直流电动机来讲,由于后来采用了发电机——电动机组调速系统,能较好地满足电梯调速的更高要求。
因此,在20世纪前半叶,电梯的电力拖动,尤其是高层建筑物中的电梯速度的调节,几乎都是采用直流调速系统来实现的。
从1900年美国奥梯斯电梯公司制造出世界上第一台自动扶梯开始,电梯的控制技术有了突飞猛进的发展。
直到1967年,固体晶闸管第一次用于电梯拖动系统。
而到了1977年,日本三菱电机株式会社已经开发出了10m/s的超高速电梯。
进入80年代,由于固体功率器件的不断发展和完善以及微机技术的应用,出现了交流变频调速系统。
1993年日本生产的12.5m/s世界上最高速的交流变频调速电梯已投入运行。
当前,在电梯电力拖动方面,除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外,用交流变频调速方式取代直流调速方式,已成为高速电梯的主流[1]。
1.2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。
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。
2电梯的拖动与控制技术
2.1电梯的主要组成
电梯是机电一体的大型复杂产品,为了研究的方便,必须首先对电梯的总体结构有概括认识。
电梯在空间上的组成:
一部电梯总体的组成有
(1)机房;
(2)井道;(3)轿厢;(4)层站四个部分,也可看成一部电梯占有了四大空间。
电梯在功能上的组成:
(1)导向系统;
(2)曳引系统;(3)轿厢;(4)门系统;(5)重力平衡系统;(6)电器控制系统。
2.2电梯的主要拖动技术
电梯的拖动控制系统经历了从简单到复杂的过程,到目前为止应用于电梯的拖动技术主要有以下几个方面。
(1)单、双速交流电动机拖动技术;
(2)交流电动机定子调压调速拖动技术;
(3)直流发电机——电动机可控硅励磁拖动技术;
(4)可控硅直接供电拖动技术;
(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]。
2.3电梯的主要控制技术
2.3.1PLC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[3]。
同时PLC控制货梯具有很多的优点:
(1)在电梯控制中采用了PLC,用软件实现对电梯运行的自动控制可靠性大大提高。
(2)去掉了选层器及大部分继电器,控制系统结构简单,外部线路简化。
(3)PLC可实现各种复杂的控制系统,方便地增加或改变控制功能。
(4)PLC进行故障自动检测与报警等显示,提高运行安全性,并便于检修。
(5)用于群呼调配和管理并提高电梯运行效率。
(6)更改控制方案时不需改动硬件接线[4]。
2.3.2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。
(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[5]。
3货梯控制系统的硬件设计
3.1货梯控制系统的设计思想
货梯控制系统可分为调速部分和逻辑控制部分。
(1)调速部分
货梯在起动过程中,为了限制起动电流,减少电网电及起动的加速度,防止对机件的冲击,一般在定子电路中串入电抗、电阻或电阻与电抗的组合体,进行降压起动。
随着速度的提高,逐级将电阻或电抗器短接切除,使电梯逐步加速,最后进入稳速运行。
(2)电气控制系统
电梯的控制线路主要由以下几个部分组成:
轿内指令线路,厅门招呼线路,定向选层线路,起动运行线路,平层线路,指层线路,开关门控制线路,安全保护电路。
这些线路的关系如下图所示[6]。
图1电梯电气控制系统框图
(3)I/O点数
较典型的I/O点数有:
轿内指令按钮:
位于轿内的操纵箱上,每层各有一个。
门厅呼唤按钮:
位于电梯的厅门口,除顶层只有下呼和底层只有上呼外,其余每层均有上、下呼按钮。
楼层感应器:
位于井道每一层的相应位置上,当轿厢到达每一层的相应位置时,楼层感应器干簧管触点因隔磁板插入而断开,该触点信号用于选向、选层,轿内指令、门厅召唤的消号和指层电路。
平层感应器:
位于轿厢的顶部,用于准确平层,由上平层感应器、门区感应器和下平层感应器组成。
开、关门:
有厅门、轿门电器触点开关(用于保证货梯厅、轿门都关好,开关接通时电梯才能运行)、开、关门极限开关、手动开关门按钮。
其它还有超载、上下极限等开关或触点。
(4)货梯各主要部分的运行机理
1)楼层感应
楼层感应器通过感应器的干簧管触点的接通和断开来感应出楼层信号。
工作原理为:
当货梯在一层时,一层的楼层感应继电器使一层的指层继电器接通并保持,货梯到达二层时,二层的楼层感应继电器使二层的指层继电器接通并保持,同时切断一层的指层继电器。
同理,当货梯向下时,相应的楼层感应继电器也接通指层继电器。
2)轿内指令及厅召唤
在集选控制电梯中,货梯的执行方式是先响应向上的信号,然后再响应向下的信号,如此反复。
上行时应保留下行的信号,下行时应保留上行的信号。
3)货梯的选向
改变货梯的运行方向,实际上就是改变电动机的旋转方向。
通过接通上、下行接触器来改变电梯的运行方向。
当上、下方向均有指令时,如果货梯已处于上行状态,则执行完向上指令后再执行向下指令。
4)货梯的换速、平层电路
货梯通常以快速起动,而在减速时断开快速绕组,接入慢速绕组。
当货梯将要到达该停的楼层时,应发出换速信号,断开快速继电器、接通慢速继电器,然后制动。
货梯进入换速状态后,便可在最近楼层平层停止。
5)货梯的平层
货梯具有上平层感应输出继电器、门区感应输入继电器和下平层感应输入继电器来进行电梯的平层。
如果货梯因特殊原因,上行超越平层位置,货梯将反向平层。
6)货梯停电的处理
在实际货梯的运行过程中,为了防止因停电发生事故,在停电时,会马上投入救援装置,该救援装置的作用是提供紧急电源,供轿厢移动至平层,等待来电之后再回到正常状态[7]。
(5)逻辑部分
逻辑部分主要由PLC来进行控制。
货梯是根据外部呼叫信号,行程信号以及自身控制规律运行的。
由于呼叫是随机的,货梯实际上是一个人机交互式的控制系统,单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的,因此货梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
图2电梯PLC信号系统框图
3.2工作原理
电机启动、换速、电机转向是由PLC根据货梯呼梯、减速等信号做出决策发出信号给变频器。
当货梯电源空气开关合上,货梯进入运行操作状态,给PLC的输入一个开关信号,PLC扫描到该信号后就可以启动电梯。
同时另一个触点闭合,使变频器的主接触器通电,其常开主触头闭合,接通变频器电源。
这时,在底端厅外按下上行召唤按钮,货梯门打开,工作人员进入轿厢,手动关门。
进入轿厢后,按下要到达的目的楼层按钮,即选层按钮,PLC按收到选层信号后进行记录。
例如:
若选层在二楼,则2层内指令按钮被按下,PLC记录好后使选层指示灯亮,货梯门关闭后,PLC根据轿厢与召唤信号的相对位置进行逻辑判断,决定上行或下行。
于是PLC指令继电器(Y4、Y5、Y6)发出信号给变频变压调速装置(VVVF变频器),电梯就按变频器内部设定的加速度曲线进行起动、加速,直至达到稳速运行阶段。
在到达目的层的减速点时,PLC控制器发出切断高速度信号,变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度。
电梯进入短暂的爬行期时,直到平层开关起作用,PLC收到该信号,就使输出继电器(Y4、Y5)都断开,送到VVVF变频器中,VVVF变频就进入制动状态,直至货梯减速到零,进行抱闸制动,则货梯平稳准确地停靠在所对应的层站上。
在货梯的平层过程中,变频器通过调整平层速度来调整平层精度,在货梯到距平层位置一定时,有平层开关自动断开低速信号,从而达到平层的准确可靠。
平层后,货梯进行开,关门动作[8]。
3.3控制对象
每层搂上都有指令按扭、层指示灯、召唤按扭等。
(1)按扭
开门按钮SB1
关门按钮SB2
层内指令按钮SB3—SB5
层召唤按钮SB6—SB9
(2)开关
开、关门行程开关SQ1、SQ2
向上、下运行转换开关SQ3、SQ4
层接近开关SQ5—SQ7
层接近开关SQ8—SQ11
(3)继电器
上、下行继电器KM3、KM4
快、加、慢速继电器KM5—KM7
(4)指示灯
上、下行方向灯E1、E2
层指示灯E3—E5
层内指令指示灯E6—E8
层召唤灯E9—E12
报警信号灯E13
(5)门锁输入信号K
3.4货梯的硬件结构设计
货梯的硬件主要包括PLC和变频器两部分。
3.4.1PLC的选择
本设计选择了日本松下公司生产的FP1系列的AFP12513B型PLC。
因为该型机具有以下几方面的优点:
FP1系列的AFP12513B的PLC体积小,安装起来节省空间,功能强。
它不仅具有逻辑控制功能,而且还增加了数据运算、传送与处理功能,成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置。
性价比高,其价格便宜,可靠性高,易于扩展。
三层货梯有23个输入信号,20个输出信号,选择AFP12513B(32点输入,24点输出)的PLC满足此设计要求[9]。
3.4.2变频器的选择
通用变频器的基本构成主要由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。
图3变频器的使用
交流变频调速技术的优点
(1)电梯变频调速使用的是异步电动机,比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。
(2)变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术,明显改善了电梯运行质量和性能:
调速范围宽、控制精度高,动态性能好,舒适、安静、快捷,已逐渐取代直流电机调速。
(3)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[10]。
本设计没有采用专用变频器,而是选用了安川电机公司生产的VS-616G5型变频器通用变频器,200V时容量范围在1.2—110KVA,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。
3.4.3控制系统硬件结构设计
(1)货梯控制系统实现的功能
1)自动响应层站召唤和轿厢内指令。
2)货梯起动后,轿厢在一楼,若一楼有呼梯信号,则开门。
3)当货梯“悬停”时,若有呼梯信号且信号对应的楼层高于当前楼层时,则电梯处于上升状态,反之则下降。
4)货梯运行时只响应顺向呼梯信号,对反向呼梯信号只作记忆。
5)货梯在运行过程中应具有自动换速、指层显示、极限位置保护等功能。
(2)货梯操作方式
1)单轿厢下集选控制登记所有轿厢和厅门下行召唤:
轿厢上行是答应轿厢召唤,直至最高层;自动改变运行方向为下行,应答厅门下行召唤。
2)单轿厢全集选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行召唤和轿厢召唤。
本设计采用全集选操作方式。
(3)轿厢运行速度曲线
为了获得良好的舒适感,将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线(S曲线)及一段直线构成,而这一曲线形状的构成及改变,则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的[11]。
见图4。
图4速度运行曲线
(4)根据以上功能要求,货梯变频调速的控制系统结构见图5
图5货梯变频调速的控制系统硬件结构设计图
4货梯控制系统的程序设计
4.1货梯运行时控制的主要指标
(1)货梯运行到位后具有手动开门关门功能。
(2)利用指示灯显示厢外召唤信号,厢内指令信号和货梯到达信号。
(3)能自动辩别货梯运行方向,并发出响应的指示信号。
4.2PLC输入输出信号及地址编号
输入输出信号及地址编号见表1、表2[12]:
表1输入信号及地址编号
表2输出信号及地址编号
4.3货梯轿厢内、外控制按钮的动作要求
本系统采用轿厢外召唤,轿厢内按钮控制方式的自动控制形式。
货梯由安装在轿厢内的指令按钮进行操作,其操纵内容为响应,轿厢内指令依层次指令运行启动货梯,使货梯到达目标层。
轿厢外指令即作呼叫作用。
货梯上行和下行由变频电动机驱动。
下图为控制程序流程图[13]
图6控制程序流程图
4.4梯形图程序设计
(1)开门、关门梯形图
图7开、关门梯形图
X0是手动开门按钮。
当货梯运行到位后,X0闭和,开门继电器Y0有效,货梯门被打开。
开门到位,开门行程开关X2动作,X2常闭触点断开,开门过程才结束。
R1货梯启动运行继电器,关门继电器Y1,上行继电器Y2都是常闭触点,无效截止。
关门过程也为手动,当按下关门按钮X1时,关门继电器Y1有效并自锁,驱动关门继电器Y1,关门行程开关X3动作,X3常开触点闭和,关闭货梯门。
此时开门继电器Y0是无效截止[14]。
(2)货梯到层指示梯形图
图8货梯到层指示控制图
X11,X12,X13是一,二,三层的接近开关。
货梯到达某层,对应的层指示灯亮。
R2和R3对应于单数层和双数层继电器。
以二层到层指示为例,见上图。
二层接近开关X12动作,常开触点闭合,单层继电器R2截止,双层继电器R3导通。
同时,一、三层指示灯开关截止,二层指示灯亮。
(3)层呼叫指示梯形图
当有工作人员在轿厢外某层按下呼叫按钮(X17,X20,X21,X22)中的任何一个,相应的指示灯亮说明有人呼叫。
呼叫信号一直保持到货梯到达该层,相应的接近开关动作时才被撤消。
下图是一层向上呼叫图。
手按一层上呼按钮X17,此时开门按钮X0、一层接近开关X11截止,一层指示灯开关截止,一层上召唤灯亮。
图9层呼叫指示梯形图
(4)启动和运行梯形图
图10货梯启动梯形图
1)启动按下一层指令按钮X14,上行方向灯开关导通,输入门锁输入信号X10,关门继电器Y1动作。
同时电动机反向继电器R5截止。
货梯开始启动运行。
图11货梯上行梯形图
2)上行按下一层向上招唤按钮X17,下行继电器Y3、二、三层指示灯Y23、Y24开关截止,向上运行开关X4动作,电动机正转继电器R4导通,上行继电器Y2导通。
下行方向灯Y21、二、三层指示灯Y23、Y24截止,下行继电器Y3截止,上行方向灯Y20亮,货梯上行。
货梯运行方向是由输出继电器Y20和Y21指示的,当电梯运行方向确定后,在关门信号和门锁信号符合要求的情况下,货梯开始启动运行。
货梯启动后快速运行,2s后加速,在接近目标楼层时,相应的接近开关动作,货梯开始转为慢速运行,直到货梯到达目标楼层时停止[15]。
(5)货梯整体运行程序图
鉴于一、二、三层到层指示梯形图相似,各层内指令梯形图相似,各层呼叫指示梯形图相似,货梯上行和下行图相似,因此,货梯整体运行程序图很容易便可画出来,见下图12。
图12货梯整体运行程序图
结论
随着微电子技术、计算机技术的发展,可编程控制器的功能已经远远超过替代继电器控制系统的初衷而广泛应用于开关量控制、模拟量控制等各种工业控制场合。
货梯控制系统使用可编程控制器可使其硬件结构简捷,变成简单方便,可靠性进一步提高。
毕业设计不但是对学生专业综合能力的考核,而且是一次对各学科知识融会贯通能力的考察,从多方面、多角度考察学生的知识掌握程度,从总体方案的策划来检验学生具体布局的思维能力。
通过此次设计,我成功完成三层货梯的PLC控制和变频启动设计。
对我而言,这次毕业设计不仅仅是一次学习、锻炼的机会,更是一个提高自身素质能力的质的飞跃。
随着计算机技术的发展,人们逐渐通过计算机软件来模拟实际的物理模型,开发出虚拟模型系统。
虚拟电梯系统就是指将计算机和PLC控制虚拟成一台实际运行的电梯。
计算机通过动画显示电梯的轿厢和井道并模拟电梯的运行,同时将信号传送到PLC控制器。
PLC控制器运行电梯控制程序,通过通讯程序将控制结果传回计算机,计算机上的虚拟电梯根据控制信号来进行电梯的运行和信号的指示,从而模拟电梯的运行过程,并能模拟实际电梯的各种运行状态和故障状态。
该虚拟电梯系统作为PLC开放式实验室的一个虚拟对象。
在PLC单电梯和多电梯控制中得到了很好的应用,也为开发电梯控制系统以及电梯操作人员的培训提供了良好的应用前景,这为本次设
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