全国高考宁夏区试题答案文综 34页

前言 近期我国的经济发展越来越快，人民的生活水平迅速提高，住房工作条件越来越好。电梯作为建筑内重要的垂直交通工具，与我们的生活有着越来越紧密的关系。传统的电梯采用接触器来实现电动机状态的改变，此外控制系统由继电器接触器控制逻辑组成，因此存在元件多、功能弱、故障频繁、可靠性差及工作寿命短等诸多缺点。为了提高电梯系统的性能，保证其运行的可靠安全，电梯控制系统越来越多的采用PLC控制。PLC控制较继电器控制有着许多的优点，同时，鉴于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已渐渐过渡到了交流变频调速，满足乘客的舒适感，保证平稳的精度，降低能耗，节省运行开支，节约能源。‎ 本次设计的研究题目是“基于PLC的六层电梯控制系统”，主要是利用PLC及其软件来实现电梯信号的控制，其控制系统的核心为PLC。课题开发的主要任务和内容是：（1）电梯运行指定位置后具有手动或自动开/关门的功能。（2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。（3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。（4）电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。电机正传，电梯上升；电梯反转，电梯下降。（5）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。电机正传，轿厢门打开；电机反转，轿厢门关闭。（6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按（7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。（8）行车时，厅门和轿厢都不能开门。开门之后不能行车，有门连锁保护。平层时可自动开门、手动开门，夹人时自动开门。达到的要求是：通过深入的研究和编程实践，全面认真的完成上述内容。‎ 本次课题的核心问题有两个：一是运行效率和安全性的要求；二是利用PLC实现电梯信号的控制。对于第一个的问题，我采用的是三菱公司的FX2N型可编程控制器。第二个问题，根据这次设计所需要达到的要求以及PLC顺序执行程序的特点来编写PLC程序。‎ 第一章 绪论 ‎1.1 电梯的概述 ‎1.1.1‎‎ 电梯的发展史 据有关资料表明，早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统。1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，结束了用人力运送重物的历史。1765年瓦特发明蒸汽机后，1858年美国研制出以蒸汽为动力，通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯。1878年英国的阿姆斯特朗发明了水压梯，淘汰了蒸汽梯。后又出现了液压泵和控制阀以及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯。这种液压梯至今仍为人们所采用。‎ 电梯发展兴盛的根本原因在于采用了电力作为动力来源。18世纪末发明了电机，随着电机技术的发展，19世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作动力的交流电梯，尤其是交流双速电动机的出现，改善了电梯的工作性能。在20世纪初，美国奥的斯电梯公司首先使用直流电动机作为动力，生产出以槽轮式驱动的直流电梯，从而为后来的高速度、高行程电梯的发展奠定了基础。20世纪30年代，美国奥的斯电梯公司为纽约市的102层摩天大楼制造和安装了74台速度为‎6.0m/s的电梯。从此电梯一直日新月异地发展着。随着电子工业的发展， PLC和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中，电梯产品的质量和运行效果显著提高。‎ ‎1.1.2‎‎ 电梯的运行工作情况 电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜／箱、导轨等主要部件组成。电梯在运行的过程中有起点站也有终点站。起点站设在一楼，终点站设在最高楼。各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。‎ 电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，只是电梯的自动化程度比较高，一般电梯的乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。‎ 乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。‎ 本设计主要研究单台六层电梯的PLC控制方法，分述其电气设计和软件设计过程。‎ ‎1.1.3‎‎ 电梯控制系统的组成 电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成。‎ ‎1）电力拖动部分 电梯主拖动类型有直流电动机拖动、交流电动机拖动、直流发电机－电动机组供电（G－M）拖动、晶闸管供电（SCR－M）的直流拖动和交流双速电动机拖动、交流调压调速（AVCC）拖动、交流变频调速（VVVF）等。为得到较好的舒适感，要求曳引电动机在选定的调速方式下，电动机的输出转矩总能达到负载转矩的要求。考虑到电压的波动、导轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电动机转矩还应有一定的裕度。‎ ‎2）电气控制部分 电气控制系统由控制柜、操纵箱、层楼指示、召唤箱及曳引电动机等几十个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。电气控制系统通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。‎ 电梯一般是由电动机来拖动的，其运行过程大多包括启动、正（反）转、停止等，这整个过程是由电气控制系统来完成。电梯电气控制系统与电力拖动系统比较，变化范围比较大。‎ 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。PLC以其体积小、功能强、故障率低、寿命长、噪声低、维护保养简便、修改逻辑灵活、程序容易编制，易联成控制网络等诸多优点得到了广泛的应用。‎ ‎1.2 电梯继电器控制的特点及存在的问题 ‎1.2.1‎‎ 电梯继电器控制的特点 ‎（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合一般技术人员和技术工人。‎ ‎（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。‎ ‎（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。‎ ‎（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，熟悉掌握的人员较多。‎ ‎1.2.2‎‎ 电梯继电器控制存在的问题 ‎（1）系统触点多，接线复杂，且触点易烧坏磨损，造成接触不良，故障率较高。‎ ‎（2）普通控制电器及硬件接线方法难以满足较复杂的控制功能 ‎（3）电磁机构及触点动作缓慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。‎ ‎（4）系统结构庞大，能耗高，机械动作噪音大。‎ ‎（5）线路复杂，易出现故障，保养维修工作量大，费用高；且检查故障困难，费时费工。电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故 。‎ ‎1.3 PLC及其电梯PLC控制的特点 ‎1.3.1‎‎ PLC的特点 PLC实质上属于计算机控制方式，与普通微机一样。以通用或专用 CPU 作为字处理器，实现字运算和数据存储，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。‎ ‎（1）PLC无需大量的活动元件和接线电子元件 ‎（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计 ‎（3）PLC有较高的易操作性，编程简单，操作方便，维修容易 ‎（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件，采用精简化的编程语言 ‎（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。‎ ‎（6）在PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。‎ ‎2、易操作性:PLC 的易操作性表现在下列几个方面：‎ ‎（1）操作方便 ‎（2）编程方便 ‎（3）维修方便 ‎3、灵活性:PLC的灵活性表现在以下几个方面：‎ ‎（1）编程的灵活性。‎ ‎（2）扩展的灵活性。‎ ‎（3）操作的灵活性。‎ ‎1.3.2‎‎ PLC在电梯控制中的特点 ‎（1）采用PLC控制电梯，用软件实现对电梯运行的自动控制，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可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。‎ ‎（5）用于群控调配和管理，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。‎ 此外，PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。‎ ‎1.4 课题的提出 以前的电梯控制都采用的是继电器控制，线路复杂，故障率高，系统庞大，能耗较高，噪声大，严重影响电梯运行的质量。而且对于电梯的更新需要大量的资金，对于单一的单位来说还是比较困难的。所以只能对电梯的控制方式加以改进。近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。利用 PLC 和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。‎ ‎1.5 课题的主要讨论内容 这次课题所讨论的内容主要是利用PLC编程来控制电梯的运行。由于老式的电梯大部分控制可靠性欠佳，用户希望对电梯进行改进以节约资金。因此找出一种合适的改进方法，提高电梯运行的可靠性和安全性，具有十分重要的意义。‎ 针对老式电梯采用继电器控制时所出现的功能弱、故障多、可靠性差及使用寿命短等缺点，采用具有功能强、故障少、可靠性高及使用寿命长等优点的PLC进行控制。‎ 论文的主要内容如下：‎ 首先对电梯做一个大体的介绍，了解电梯的发展历史、工作情况及控制系统组成；‎ 接着阐述PLC的特点，并将其与继电器进行比较；然后全面介绍可编程控制器FX2N；在了解了这些之后选择交流双速电机进行调速，画出主电路图；利用PLC编程实现电梯信号控制；对于硬件的开发，对PLC进行选型，完成I/O接口的分配和连接，画出软件流程图和梯形图；最后进行调试以达到预期的效果。‎ ‎1.6 电梯的功能要求 ‎1）电梯运行指定位置后具有手动或自动开/关门的功能。‎ ‎2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯的到达信号。‎ ‎3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。‎ ‎4）电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。电机正传，电梯上升；电梯反转，电梯下降。‎ ‎5）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。电机正传，轿厢门打开；电机反转，轿厢门关闭。‎ ‎6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按 ‎7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。‎ ‎8）行车时，厅门和轿厢都不能开门。开门之后不能行车，有门连锁保护。‎ 平层时可自动开门、手动开门，夹人时自动开门。‎ 第二章 三菱FX2N可编程控制器介绍 ‎2.1 可编程控制器的基础认识 ‎1. 三菱FX2N的PLC主要特点：‎ ‎1)集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体。 ‎ ‎2)高速运算 ‎ 基本指令：0.08μs／指令 ‎ ‎　 应用指令：1.52～几百μs／指令 ‎ ‎3)安全、宽裕的存储器规格 ‎ ‎　 内置8000步RAM存贮器 ‎ ‎　 安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。 ‎ ‎4)丰富的软元件范围 ‎ ‎　 辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数：235点 ‎ ‎　 数据寄存器；8000点 ‎ ‎5)除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。 ‎ ‎6)面向海外的产品适合各种安全规格 ‎2. PLC的性能指标和分类 ‎1) PLC的主要性能指标 l (1)输入／输出点数（I／O点数）‎ I／O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负载。‎ l (2)存储容量 存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量，一般以步为单位，二进制16位即一个字为一步。‎ l (3)扫描速度 一般以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为ms/k步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用µs/步。‎ l (4)功能扩展能力 可编程序控制器除了主模块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如A／D模块、D／A模块、位置控制模块等。‎ l (5)指令系统 指令系统是指一台可编程序控制器指令的总和，它是衡量可编程序控制器功能强弱的主要指标。‎ ‎2) PLC的分类 PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。按结构形式不同, 可以分为整体式和模块式两类。按控制规模大小，则可分为小型、中型和大型PLC三种类型。‎ ‎3. PLC系统的组成 PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似。PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。‎ ‎1) PLC的硬件结构 一套PLC系统在硬件上由基本单元（包含中央处理单元、存储器、输入／输出接口、内部电源）、I／O扩展单元及外部设备组成。‎ ‎2)PLC的软件 PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合，它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。系统程序：包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序。‎ ‎2.2 可编程控制器的工作方式 ‎1、PLC的扫描工作方式：‎ 可编程序控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重要进行。可编程序控制器工作时的扫描过程如图2-1所示，包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。‎ Y N 开始 内部处理 通信处理 输入扫描 程序执行 输出处理 RUN方式？‎ 图2-1 PLC的扫描过程 ‎2. PLC的程序执行过程 PLC的程序的执行过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段，如图2-2所示。‎ 输入端子 输入映象寄存器 输出映像寄存器 输出锁存器 输出端子 输入 ‎ ‎……….‎ 输出 程序执行阶段 输入采样阶段 输出刷新阶段 X001‎ Y001‎ Y001‎ M1‎ 读 读 ‎①‎ ‎②‎ ‎③‎ ‎④‎ ‎⑤‎ ‎ ‎ 图2-2 PLC的程序执行过程 ‎3. PLC的扫描周期 在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。‎ ‎4. PLC的I／O响应时间 PLC采用集中I／O刷新方式，在程序执行阶段和输出刷新阶段，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器区的内容也不会改变，还会影响本次循环的扫描结果。输出信号的变化滞后于输入信号的变化，这产生了PLC的输入输出响应滞后现象，最大滞后时间为2-3个扫描周期。‎ ‎2.3 可编程控制器的编程语言 PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用得较多，顺序功能图语言也在许多场合被采用。本课题所采用的编程语言为梯形图语言。‎ ‎2.4 可编程控制器与继电器在电梯控制中的应用比较 在电梯的电气系统中，逻辑判断起着主要的作用，其控制系统必须起动各种控制信号和执行元件（如接触器、继电器、发光指示器、电动机以及电子元件、电力电子器件等），要达到这些控制目的，其方法有：‎ ‎1. 继电器—接触器控制系统 这种控制系统是早期电梯多采用的一种控制系统。优点：与其它控制系统比较，其简单、易于理解和掌握、价格便宜。缺点：动合触点易磨损，且电接触不良；体积大；控制系统耗能大、动作噪声大；维修保养工作量大、费用高。因此这种控制系统仅用于速度不高、性能要求也不高的电梯中。‎ ‎2. PLC控制系统 PLC充分利用了微型计算机的原理和技术，保留计算机控制的优点，而克服了它的缺点。它具有强大的生命力，各工业部分纷纷用它来改造旧有的电梯控制电路，取得了明显的效果。‎ 总之，PLC是采用微机技术制造的通用自动控制设备，它能控制开关量、模拟量、具有可靠性高、抗干扰能力强、并具有完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术、运算等功能，可以取代继电器为主的各种控制设备。‎ 第三章 PLC控制系统与变频器 ‎3.1 PLC控制系统设计 图3-1是PLC控制系统设计步骤的流程图。详细步骤如下：‎ ‎（1）了解和分析被控对象的控制要求，确定输入、输出设备的类型和数量。‎ ‎（2）根据输入、输出设备的类型和数量，确定 PLC的I/O点数，并选择相应点数的PLC机型。‎ ‎（3）合理分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。‎ ‎（4）根据控制要求绘制工作循环图或状态流程图。‎ ‎（5）根据工作循环图或状态流程图编写梯形图、指令语句、汇编语言或计算机高级语言等形式的用户程序。‎ ‎（6）用编程器将用户程序输入到PLC内部存储器中，进行程序调试。‎ ‎（7）程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。‎ ‎（8）调试过程结束，整理技术资料，投入使用。‎ 分控对象、明确控制要求 选择PLC机型 硬件设计 软件设计 模拟调试 修改 修改 符合设计要求？‎ 现场联机调试 符合设计要求？‎ 投入运行 否 否 否 否 是 图3-1 PLC控制系统设计步骤流程 ‎3.2 变频器的分类 变频器的种类有很多，根据不同的分类方法将变频器分为：‎ 按交换环节方法分：交-直-交变频器；交-交变频器。‎ 按主电路工作方式分：电压型变频器；电流型变频器。‎ 按电压的调制方式分：PAM变频器；PWM变频器。‎ 按工作原理分：V/f控制变频器；转差频率控制变频器；矢量控制变频器；直接转矩控制变频器。‎ 按用途分：通用变频器；高性能变频器；具有电源再生功能的变频器；风机、水泵用变频器；其他专业变频器。‎ ‎3.3 变频器的选择 ‎3.3.1‎‎ 选择变频器的规格及满足条件 按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。根据具体的工程情况，可以有以下的几种选择方式：‎ ‎（1）按照标称功率选择：一般做为初步投资估算依据。‎ ‎（2）按照电动机额定电流选择：多用于恒转矩负载的新设计项目。‎ ‎（3）按照电动机实际运行电流选择：多用于改造工程。‎ ‎（4）照转矩过载能力选择。‎ 且选择的变频器应满足以下条件：‎ ‎（1）根据被控设备的负载特性选用通用变频器的类型。‎ ‎（2）所选用通用变频器的类型与被控异步电动机的参数匹配。‎ ‎（3）为降低电梯成本，选用通用变频器。‎ ‎（4）电梯的启动和停车都要平稳。‎ ‎（5）变频器带有防止失速功能。‎ ‎（6）变频器具有优良的转矩特性。‎ ‎3.3.2‎‎ VS-616G5变频器 VS‎-616G5变频器属于电压型变频器，包括4种控制方式：V/F控制、带PG反馈的V/F控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量控制。VS‎-616G5只需简单的参数设置就可以用于广泛的应用领域。其主要参数设置如表3-1所示。‎ 表3-1 VS‎-616G5变频器主要参数设置 表3-2示出了控制电路端子的功能说明。‎ 变频器的输入信号包括对运行/停止、正转/反转、点动等运行状态进行操作的数字操作信号。变频器通常利用继电器触点或晶体管集电极开路形式得到这些运行信号PLC的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接，从而实现PLC对变频器的控制。‎ 变频器的监测输出信号分为开关量检测信号和模拟量检测信号两种，用来和其他设备配合以组成控制系统。模拟量检测输出信号既可根据需要送给电流表或频率表，也可以送给PLC的模拟量输入模块。对于开关量检测信号，由于是通过继电器触点或晶体管集电极开路的形式输出，额定值均在24V/50mA之上，符合FX系列PLC对输入信号的要求，所以将变频器的开关量检测信号FX系列PLC的输入端直接相连接，从而实现信号的反馈控制。‎ 表3-2 控制电路端子的功能说明 种类 端子符号 端子名称 功能说明 数字 输入 信号 ‎1‎ 正转停止 闭，正转；开，停止 多功 能输 入端 ‎2‎ 反转停止 闭，反转；开，停止 ‎3‎ 外部故障 闭，故障；开，正常 ‎4‎ 故障复位 闭时复位 ‎5‎ 主速/辅助切换 闭辅助频率指令 ‎6‎ 调速指令2‎ 闭多段速设定2有效 ‎7‎ 点动指令 闭时点动运行 ‎8‎ 外部封锁指令 闭时变频器停止输出 ‎11‎ 顺序公共端子 数字 输出 信号 ‎9‎ 运行信号 运行时闭 多功 能输 出端 ‎10‎ ‎25‎ 零速信号 零速值(b2-01)以下时闭 ‎26‎ 速度一致信号 在设定频率±2Hz以内闭 ‎27‎ 多功能输出公共端 ‎18‎ 故障输出 故障时18-20之间闭合 故障时19-20之间断开 ‎19‎ ‎20‎ 模拟 ‎21‎ 频率表输出 ‎0～10V/100﹪频率 输出 信号 ‎22‎ 公共端 ‎23‎ 电流监视 ‎5V/变频器额定电流 ‎3.3.3‎‎ VS-616G5变频器多级调速的PLC控制 利用PLC的开关量输入输出模块对变频器的多功能输入端进行控制,实现三相异步电动机的正反转、多速控制。这种控制方式满足其工艺要求，且接线简单，抗干扰能力强，使用方便，成本低，并且不存在由于噪声和漂移带来的各种问题。‎ 表2-3中多功能输入端子和多功能输出端子的功能为出场时所设定，用户也可以根据需要利用变频器的数字操作器对这些端口重新进行功能设定。用数字操作器对参数H1-01～H1-06进行设定，最多可达9段速运行，设定情况如表3-3所示。‎ 表3-3 多段速参数的设定 端子 对应参数 设定值 内容 ‎5‎ H1-03‎ ‎3‎ 多段速指令1‎ ‎6‎ H1-04‎ ‎4‎ 多段速指令2‎ ‎7‎ H1-05‎ ‎5‎ 多段速指令3‎ ‎8‎ H1-06‎ ‎6‎ 点动频率选择 然后通过端子5、6、7、8和公共端子11之间的接通/断开的组合，可得9段速频率的选择。端子接通/断开的组合与被选择频率的对应关系如表2-4所示。表中1表示接通，0表示断开。其中，点动运转是一种与所设置的加减速时间无关的、单步的、以点动频率运转的驱动功能。变频器的5、6、7端子经过功能设定后再通过通断组合，可控制8档频率，连同端子8对应的点东频率，共可实现9段速的控制。每档相应额频率可以通过数字操作器对参数D1-01～D1-09的设置而定（范围0～400Hz）。如表3-4所示。‎ 表3-4 多段频率的选择 ‎5-11（段速1）‎ ‎6-11（段速2）‎ ‎7-11（段速3）‎ ‎8-11（点动频）‎ 被选择的频率 ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ 频率指令1D1-01主速频率数 ‎1‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎0‎ 频率指令2D1-02辅助频率数 ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎0‎ 频率指令3D1-03‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎0‎ 频率指令4D1-04‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ 频率指令5D1-05‎ ‎1‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎0‎ 频率指令6D1-06‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ 频率指令7D1-07‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎1‎ ‎0‎ 频率指令8D1-08‎ ‎1‎ 点动频率D1-09‎ ‎3.4 变频调速方案 一、控制要点 控制模式。为了保证在低速时能有足够大的转矩，最好采用带转速反馈的矢量控制方式。‎ 起动方式。为满足吊钩从“床面”上升时，需要消除传动间隙，将钢丝绳拉紧的要求，应采用S型起动方式。‎ 制动方式。采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。‎ 点动制动。点动制动是用来调整被吊物体空间位置的，应能单独控制。点动频率不宜过高。‎ 二、调速方案 变频器的选型。考虑到起升机构对运行的可靠性要求较高，应选用具有带速度反馈矢量控制功能的变频器。‎ 调速机构。虽然变频器调速是无级的，可以用外接电位器来进行调速，希望调速时的基本操作方法能够和原拖动系统的操作方法相同。因此，采用左、右各若干挡转速的控制方式。‎ ‎3.5 变频器容量及制动电阻参数的计算 变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1，运行速度为V，自重为M1，载重为M2，配重为M3，重力加速度为G，变频器功率为P，在最大载重下，电梯上升的最大曳引功率为P2，则： P2=[(M1+M2+M3)G+F]×V （公式‎3-5-1‎）‎ 其中F=(M1+M2+M3)G+µ为摩擦力，µ可忽略不计。变频器的允许过载倍数为1.3～1.5。变频器功率P应接近电机功率P1，相对于P2留有安全浴量，可取P=1.5P2。‎ 由于电梯为位能负载，在运行过程中会产生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。根据成本和使用效果方面考虑采用能耗制动方式，但制动电阻R值的大小应使通过制动电阻I1的值不超过变频器额定电流I的一半，‎ 即： I1=U/R≤I （公式‎3-5-2‎）‎ 第四章 硬件设计 电梯的硬件系统由操纵盘、门厅信号、PLC、变频器、调速系统构成，系统结构图如图4-1所示。‎ 图4-1 控制系统结构 图中变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分由PLC完成。PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将自身的工作状态发PLC形成双向联络关系。系统还配置了与电动机同轴连接旋转译码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。此系统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，抑制直流电压升高。‎ ‎4.1 变频电梯电力传动系统 如图4-2所示为电梯驱动机构原理图，动力来自电动机，一般选11KW或15KW的异步电动机。曳引机的作用有三个：一是调速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重的大小而变化。计算公式如下：‎ 配重的重量=（载重量/2+轿箱自重）×45% （公式‎4-1-1‎）‎ 式中的45%是平衡系数，一般要求平衡系数在45%～50%之间 ‎4-2 电梯驱动机构原理图 这种驱动机构可使电梯的载重能力大为提高，在电梯空载上行或空载下行时，电动机额负载最大，处在驱动状态，这就要求电动机在四象限内运行。为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。为满足这些要求采用变频器控制电动机是最合适的。变频器不但可以提供良好的调速性能，并能节约大量电能，这是目前电梯大量采用变频器控制的主要原因。下面以目前正弦输入和正弦输出电压源变频驱动系统为例并结合图4-3说明VVVF变频电梯电力传动系统的工作原理。‎ 图4-3 变频电梯电力传动系统 该系统的特点有：（1）使用交流感应电动机结构简单，制造容易，维护方便，适于高速运行。（2）电力传动效率高，节约电能。电梯属于一种位能负载，在运行时具有动能，因此在制动时，将其回馈电网具有很大意义。（3）结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积大为减少。‎ ‎4.2 电梯的主电路 图4-4是电梯的主电路图。图中M1为YTD系列电梯专用双速笼型异步电动机；KM1、KM2为电动机正反转接触器，用以实现电梯上下行控制；KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速与低速运行；KM5为启动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动接触器，用以调整电梯制动时的加速度；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路的电抗与电阻，与KM5~KM8‎ 配合实现电动机的加减速控制。当KM1或KM2与KM3通电吸合时，电梯将上行或下行启动，延时后KM5通电吸合，切除R1、L1，电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯解说到停层指令后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电动机转为低速接法，串入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM5~KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感；至平层位置时，接触器全部断电释放，电梯抱闸抱死，电梯停止运行。在检修状态时，电梯只能在低速接法下点动运行。‎ 图4-4 电梯主电路图 ‎4.3 机型选择及I/O分配 ‎4.3.1‎‎ 输入模块 PLC输入模块的功能主要是检测来自现场设备的输入信号，并将其转换成PLC内部可处理的电平信号。输入信号及地址分配如表4-1所示。‎ ‎ 1、输入信号的类型选择 常用的开关量输入模块按信号类型分为三种：直流输入、交流输入和交流/直流输入。选择时一般根据现场输入信号及周围环境来考虑。‎ 交流输入模块触点接触可靠，适合于有油污、粉尘的恶劣环境下使用；直流输入模块的延迟时间较短，可以直接接近开关、光电开关等电子设备连接。‎ ‎2、输入信号电压等级选择 直流中有分为5V、12V、24V、60V、和68V，交流又分为115V和220V两种。‎ 对于传输距离比较近的，可以选用低电平，如5V、12V和24V。‎ 一般24V以下属于低电平，用于传输距离较近的场合。如5V最远不超过10m。‎ ‎3、输入接线方式的选择。‎ PLC的I/O模块外部接线方式分为隔离式、分组式和汇点式。‎ 汇点式模块的所用点共用一个公共端（COM）；分组式模块是将I/O点分成若干组，每一组共用一个公共端，各组之间是隔离的；分隔式的每一点一个公共端，各点之间相互隔离，每一个点可使用不同的电源。隔离式每点平均价格较高，如果信号之间不需要隔离，应选用前两种。‎ 表4-1 输入信号及地址分配 名称 符号 输入点 开门按钮 SB1‎ X003‎ 关门按钮 SB2‎ X004‎ 门锁开关 KA1‎ X000‎ 自动开关 SA1-1‎ X001‎ 检修开关 SA1-2‎ X002‎ 基站开关 SQ5‎ X007‎ 一楼感应器 ‎1KR X021‎ 二楼感应器 ‎2KR X022‎ 三楼感应器 ‎3KR X023‎ 四楼感应器 ‎4KR X024‎ 五楼感应器 ‎5KR X025‎ 六楼感应器 ‎6KR X026‎ 安全运行开关 KA2‎ RUN(X020)‎ 开门到位开关 SQ6‎ X010‎ 关门到位开关 SQ7‎ X011‎ 上行限位开关 SQ17‎ X012‎ 下行限位开关 SQ18‎ X013‎ 上平层感应器 ‎7KR X008‎ 下平层感应器 ‎8KR X009‎ 上行起动按钮 SB3‎ X005‎ 下行起动按钮 SB4‎ X006‎ 一楼轿内选层钮 SB5‎ X014‎ 二楼轿内选层钮 SB6‎ X015‎ 三楼轿内选层钮 SB7‎ X016‎ 四楼轿内选层钮 SB8‎ X017‎ 五楼轿内选层钮 SB9‎ X018‎ 六楼轿内选层钮 SB10‎ X019‎ 一楼上行外呼钮 ‎1SB1‎ X027‎ 二楼上行外呼钮 ‎2SB1‎ X028‎ 二楼下行外呼钮 ‎2SB2‎ X029‎ 三楼上行外呼钮 ‎3SB1‎ X030‎ 三楼下行外呼钮 ‎3SB2‎ X031‎ 四楼上行外呼钮 ‎4SB1‎ X032‎ 四楼下行外呼钮 ‎4SB2‎ X033‎ 五楼上行外呼钮 ‎5SB1‎ X034‎ 五楼下行外呼钮 ‎5SB2‎ X035‎ 六楼下行外呼钮 ‎6SB2‎ X036‎ ‎4.3.2‎‎ 输出模块 PLC输出模块的功能主要是将内部的输出电平，在输出前转换可匹配外部负载设备的控制信号。输出信号及地址分配如表4-2所示。‎ ‎1、输出方式选择 输出模块有三种输出方式：继电器输出型、晶闸管输出型和晶体管输出型。‎ 晶闸管输出模块比较适合于开关频率高、电感性和低功率因数的负载设备，其缺点是价格高，过载能力较差。‎ 晶体管输出型只能用于直流负载，它和晶闸管属于无触点元件，可靠性高、响应速度快、寿命长，适用于通断频繁的负载，但过载能力稍差。‎ 而继电器输出模块的优点是使用电压范围宽，导通压降损失少，并且价格较低，但使用寿命不长，而且响应速度较慢。‎ ‎2、输出接线方式的选择。‎ 与输入接线方式的选择相同。‎ ‎3、输出电流的选择 输出模块同时接通电数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的输出电流大小要大于负载电流的额定值。‎ 表4-2 输出信号及地址分配 名称 符号 输出点 上行接触器 KM1‎ Y000‎ 下行接触器 KM2‎ Y001‎ 高速接触器 KM3‎ Y002‎ 低速接触器 KM4‎ Y003‎ 加速接触器 KM5‎ Y004‎ 制动接触器 KM6-KM11‎ Y005-Y010‎ 开门接触器 KM12‎ Y011‎ 关门接触器 KM13‎ Y012‎ 上行指示灯 HL7‎ Y019‎ 下行指示灯 HL8‎ Y020‎ 一层指示灯 ‎1HL Y013‎ 二层指示灯 ‎2HL Y014‎ 三层指示灯 ‎3HL Y015‎ 四层指示灯 ‎4HL Y016‎ 五层指示灯 ‎5HL Y017‎ 六层指示灯 ‎6HL Y018‎ 一层内选记忆灯 HL1‎ Y021‎ 二层内选记忆灯 HL2‎ Y022‎ 三层内选记忆灯 HL3‎ Y023‎ 四层内选记忆灯 HL4‎ Y024‎ 五层内选记忆灯 HL5‎ Y025‎ 六层内选记忆灯 HL6‎ Y026‎ 一楼向上召唤灯 HL9‎ Y027‎ 二楼向上召唤灯 HL10‎ Y028‎ 二楼向下召唤灯 HL11‎ Y029‎ 三楼向上召唤灯 HL12‎ Y030‎ ‎ 三楼向下召唤灯 HL13‎ Y031‎ ‎ 四楼向上召唤灯 HL14‎ Y032‎ ‎ 四楼向下召唤灯 HL15‎ Y033‎ ‎ 五楼向上召唤灯 HL16‎ Y034‎ ‎ 五楼向下召唤灯 HL17‎ Y035‎ ‎ 六楼向下召唤灯 HL18‎ Y036‎ ‎ 由上面可知三层电梯有37个输入信号，37个输出信号，考虑到留有余量，选择FX2N—80MR—D（40点输入，40点输出）的PLC。‎ ‎4.4 电梯外部接线图 见附录 第五章 软件设计 梯控制程序的设计需按照5-1所示的程序流程图来编辑。‎ Y Y Y Y N N Y N 上电 初始化 确认本层与目标层 等待 目标层与本层是否同层 电梯启动 电梯选向 电梯运行 楼层信号 是否目标层 平层信号 电梯制动 开门 延时 是否停止运行 停止 是否厅外呼叫 是否轿厢呼叫 关门 图5-1 程序流程图 设计梯形图一般要遵循以下规则：‎ ‎（1）I/O点和内部各软继电器等的常开和常闭触点可多次重复使用。‎ ‎（2）软继电器的线圈不能直接与左母线相连，应有过渡点。‎ ‎（3）软继电器的右端不能再有接点。‎ ‎（4）在同一套梯形图中，相同代号的线圈不能重复出现（SET、RST除外）。‎ ‎（5）PLC的输入输出点可当软继电器来用。‎ ‎5.1 开门环节设计 电梯的开门存在以下几种情况：梯形图如图5-2所示。‎ ‎1、电梯投入运行前的开门。此时电梯位于基站，将开关梯钥匙插入SA2内，旋转至开梯位置，则电梯自动开门，乘客或司机进入轿厢，选层后电梯自动运行。‎ ‎2、电梯检修时的开门。在检修状态下，开关门均为手动状态，由开关门按钮SB1、SB2实施开门与关门。‎ ‎3、电梯自动运行停层时的开门。电梯停层时，到平层位置，M140接通，电梯应开始开门。‎ ‎4、电梯关门过程中的重新开门。关门过程中，若有人或物夹在两门的中间，需重新开门，本设计通过开门按钮实施重新开门。‎ ‎5、呼梯开门。电梯到达某层后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层待命，若有人在该层呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。‎ 图5-2 开门环节梯形图 ‎5.2 关门环节设计 电梯关门存在以下几种情况：梯形图如图5-3所示。‎ ‎1.电梯停用后的关门。此时电梯到达基站，司机或乘客离开轿厢，电梯自动关门，司机将开关梯钥匙插入SA2，旋转到关梯位置，电梯的安全回路被切断，PLC 停止运行，电梯被关闭。‎ ‎2.电梯自动运行时关门。停站时间继电器T50延时结束时，电梯应自动关门。‎ ‎3.电梯检修状态时的关门。‎ 图5-3 关门环节梯形图 ‎5.3 层楼信号产生与消除环节设计 当电梯位于某一层时，指层感应器1KR~6KR产生该楼层的信号，以控制指层灯的状态，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号所代替。其梯形图如图5-4所示，图中当层的层楼辅助继电器是用上层或下层的层楼信号关断的。‎ 图5-4 层楼信号产生与消除环节梯形图 ‎5.4 停层信号登记与消除环节设计 乘客或司机通过对轿厢内操纵盘上选层按钮的操作，可以选择欲去的楼层。选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯亮，当电梯到达所选的楼层后，停层信号即被消除，指示灯也应熄灭。其梯形图5-5所示，图中各内选层辅助继电器梯形图支路中串入了层楼辅助继电器的动断触点 图5-5 停层信号登记与消除环节梯形图 ‎5.5 外呼信号登记与消除环节设计 乘客或司机在厅门外呼梯是，呼梯信号应被接收和记忆。当电梯到达该楼层，且定向方向与目的方向一致时，呼梯要求已满足，呼梯信号应被消除。故其梯形图如图4-6所示。图5-6中，按下外呼按钮时，相对应的外呼辅助继电器接通，外呼按钮下的时候，表示呼梯要求已被电梯接受并记忆，而该信号的消除环节由当层层信号的动断触点与都匀行方向信号的动断并联构成的（M03为上行辅助继电器，M104为下行辅助继电器）。这样安排是前边提到过的电梯运行中只应同向呼梯的原则决定的。即电梯将停止，呼梯要求已满足呼梯信号被取消。电梯运行方向与呼梯目的地方向相反时，如电梯从一楼向上运行（上行），而呼梯要求从二楼向下，若由区三楼以上的内选层要求及外呼梯要求，电梯到达二楼时（无二楼上行要求，电梯到达二楼时）不停梯，呼梯要求没有满足，呼梯不能消除；待乘客进入轿厢，选层（去一楼），电梯定向下，则二楼下呼梯信号满足，呼梯信号被消除。‎ 图5-6 外呼信号登记与消除环节梯形图 ‎5.6 定向环节设计 在自动运行状态下，电梯首先应确定运行方向，也即定此阿向。电梯的定向只有两种情况，即杀过农行和下行。电梯处于待命状态，接受到内选和为呼信号时，应将电梯所处的位置与内选和外呼信号进行比较，定是上行和下行。一旦电定向后，内选和外呼对电梯进行顺向运行的要求，没有满足的情况下，定向信号不能消除。检修状态下运行方向直接由上行下行气动按钮确定，不需定向，故其梯形图如图5-7所示。途中M103及M104分别为定上行及向行辅助继电器，它们线圈的工作条件出顶块由内呼信号和电梯位置信号著称，前文中所说的“比较”是通过电梯位置信号对呼梯信号的“屏蔽”实现的，比如当电梯上行且位于2层时，M111的动断触点断开，1层的内呼外呼都不再能影响上行状态。‎ 图5-7定向环节梯形图 ‎5.7 起动加速和稳定运行环节设计 其梯形图如图5-8所示。‎ 图5-8 起动加速和稳定运行环节梯形图 ‎5.8 停层信号设计 电梯在停车制动前,应首先确定其停层信号,即确定要停靠的楼层,应根据电梯的运行方向与外呼信号的位置和轿内选层信号比较后得出。其梯形图如图5-9所示。图中，各层的停车触发信号在下行下呼，上行上呼及内选层信号存在时产生，这些都是符合前边所谈到的停车原则的。当存在触发信号电梯又运行到当层时产生停车信号。停车信号M105梯形图支路中M103、M104动断触点的作用是为了解决呼梯方向与电梯运行方向相反时的停车问题（如二楼向下的外呼信号，使电梯从一楼向上运行时，M151不会触发，至二楼位置，靠M103、M104的动断触点使M105接通）而设置的。而停车信号的消除是停车时间到，T50为停车时间定时器。‎ 图5-9停层信号梯形图 ‎5.9 制动过程环节设计 为解决电梯进入平层区间后才出现停车信号致使电梯过急停车的问题，采用微分指令将X36及X37变成短信号。其梯形图如图5-10所示。‎ ‎5-10 制动过程梯形图 第六章 总结 经过近三个月的研究工作，通过在图书馆、互联网上查阅相关资料，了解了电梯的起源和发展过程，并加深了对电梯运行过程、控制系统的认识。熟悉了可编程控制器在电梯控制系统中的运用。由于当初学习PLC课程时接触过关于电梯PLC控制方面的指示，所以这次的设计在是在原有课程的基础之上加深研究，相对来说还是比较简单的。这次的设计使我巩固了以前所学的知识，并且对PLC的编程技术有了更深的了解，使我将原来所学的知识系统化、理论化、实用化，对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。这次的设计使我认识到无论做什么都需要踏实、勤奋、严谨的态度。这点对我以后的工作有很大的影响。‎ 设计达到了预定的设计目的，利用可编程控制器（PLC）控制技术改造旧电梯，充分利用了现代电力电子技术、计算机原理和检测技术，达到了对电梯的可靠控制。通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了电梯的运行可靠性。采用PLC改造后的电梯结构紧凑、维修简单、故障率低。如果PLC与交流变频调速（VVVF）控制技术结合将提升电梯的的效率和舒适感，有利于电梯的节能。具有一定的经济效益和社会效益。‎ 致谢 电梯控制技术是一门专业技术，它涉及了我们学过的很多课程。通过这次的设计，我巩固了以前学过的很多知识，培养了分析与解决问题的能力。这次毕业设计不仅使我了解了很多新的知识，更使我检索和获取知识的能力的到了很大的提高，这跟老师们给我的指导是分不开的。本文是在导师柴济民老师的悉心指导下完成的，导师严谨求实的治学态度、正直坦荡的为人风范使我受益匪浅。谨此向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢！‎ 在课题选题和研究过程中，我还得到了其他老师和同学的帮助。在此，对其他给予帮助的老师们表示我诚挚的谢意，对给予帮助的同学们表示衷心的感激和谢意。‎ 鉴于本人所学知识有限，经验不足，在此次设计过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予批评和指正。‎ 最后，还要感谢常州工学院以及电气学院的所有老师在这大学四年中给我的培养。四年的培育，不仅使我学到了很多新知识，更使我建立起了一套完整的科学思考观，正是有了这样科学的分析和思考问题的方式，才能使我解决毕业设计中遇到的一系列问题，同时这在我以后的生活、学习和工作中也将起到举足轻重的作用。‎ 参考文献 ‎[01]高钦和编著，《PLC应用开发案例精选》.第二版. 人民邮电出版社.2008‎ ‎[02]李惠昇主编，《电梯控制技术》 机械工业出版社，2003 ‎ ‎[03]宋伯生主编，《PLC编程实用指南》 机械工业出版社， 2007‎ ‎[04]廖常初主编，《FX系列PLC编程及应用》 机械工业出版社，2006‎ ‎[05]黄敏，王成福，基于PLC的电梯控制系统.《金华职业技术学院学报》第三期.20～21 .2001. ‎ ‎[06]尹刚. 基于PLC控制交流变频调速电梯系统设计（硕士学位论文） 沈阳工业大学. 2008‎ ‎[07]李道霖，电气控制与PLC 原理及应用,电子工业出版社，2006．‎ ‎[08]杨兴瑶编著.电动机调速的原理及系统.[M] 水利电力出版社，1979.8‎ ‎[09]王子文，电梯PLC 控制策略及其程序设计起重运输机械2006.7‎ ‎[10]叶安丽.电梯技术基础(第1版)[M].北京: 中国电力出版社,2004.‎ ‎[11]陈恒亮.电梯结构与原理[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2005.‎ ‎[12]顾战松，陈铁年编著.可编程控制器原理与应用.[M] 北京：国防工业出版社，1996‎ 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