基于PLC的电梯控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的电梯控制系统设计毕业设计论文
毕业论文
题目基于PLC的电梯控制系统设计
学院电气工程学院
基于PLC的电梯控制系统设计
摘要近些年来,由于世界大环境的发展,各国人们水平也不断提高。
高层建筑作为城市化的产物也得以突飞猛进的发展,高层建筑的发展直接带动了电梯的发展,电梯的变化也比较大,更新换代也是日新月异。
从目前的趋势来看,电梯不论是在高层建筑里,还是在许多多层建筑里,电梯都是非常重要的生活工具。
本文介绍的是基于PLC系统控制的电梯。
由于PLC的特点,使它在近年来应用非常广泛,就电梯控制系统来说,它成功的取代了原始的继电器控制电梯。
本次控制系统是由PLC以及相应的逻辑电路组成,具体的包括:
按钮开关、行程开关、交流异步电动机、继电器、七段显示数码管、变频器等。
并使用三菱公司出产的PLC对系统进行编程与控制。
关键词可编程逻辑控制器,电梯控制,三菱FX2N-80MR
ABSTRACT
Inrecentyears,asthedevelopmentoftheworldenvironment,therisinglevelofpeopleallovertheworld.Theproductasacityofhigh-risebuildingscanalsomakeaspurtofprogressofdevelopment,thedevelopmentofthehigh-risebuildingdirectlytothedevelopmentoftheelevator,theelevatorchangesarerelativelylarge,renewalandchangerapidly.Fromthecurrenttrend,elevatorsinhigh-risebuilding,orinmanymultistorybuilding,theelevatorisaveryimportanttoolforlife.
ThispaperintroducestheelevatorPLCcontrolsystembasedon.BecauseofthecharacteristicofPLC,soitiswidelyusedinrecentyears,ontheelevatorcontrolsystem,itsuccessfullyreplacedtheoriginalrelaycontrolelevator.ThecontrolsystemiscomposedofPLCandthecorrespondinglogiccircuit,including:
buttonswitch,travelswitch,ACasynchronousmotor,relay,sevendigitaltubedisplay,andfrequencyconverter.AndcarriesontheprogrammingandcontrolofthesystemusingtheMitsubishiCoproductionofPLC.
KeyWords:
PLCElevatorcontrolMitsubishiFX2N-80MR
1.绪论
1.1设计电梯的目的
随着科学技术在近几年的快速发展,我国的电梯生产技术同样也是得到了突飞猛进的发展,现在国内各大驰名电梯公司也在不断地进行改进生产技术,逐步淘汰落后的技术,利用新技术生产更新型的电梯,电梯由两大重要部分组成,即机械系统与控制系统,微电子技术与自动控制理论的发展,促成了电梯的控制方式与手段均发生了很大的变化,但当前电梯拖动仍以交流调速为主要发展方向,普通电梯控制系统主要有以下三种,如继电路控制、PLC(可编程逻辑控制器)控制、微机控制,继电器控制系统存在故障率高、可靠性差、控制方法不灵活,以及功耗大等一些缺点,这些缺点,注定着它被淘汰,计算机控制系统,虽然有一个强大的智能控制功能,但其抗干扰性非常差,系统设计也非常复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术,目前大家公认PLC比较好,因为控制系统的可靠性、维修方便、抗干扰能力强、设计和调试周期短等,这些倍受人们的关注,该控制方法是最常用的控制方法,也普遍用于传统继电器控制系统的技术改造[1]。
PLC控制系统有以下几大优点,如
(1)可靠性高;
(2)操作简单(3)设计方便灵活,PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件,系统的维修简单,维修时间短,具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低,PLC有多种程序设计语言可供使用,容易掌握和理解,操作十分灵活方便,监视和控制变量十分容易,PLC的操作包括程序输入和程序更改,程序的输入直接可接显示,更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找,然后进行更改,所以,PLC控制器在电梯业运用非常广泛[2]。
1.2设计电梯的意义
现今国家实力不断发展,各国人们的生活水平显著提高,城市化程度越来越高,随之而来,建筑业也得到迅猛发展,电梯被称为室内的交通工具,是随着高层建筑的发展而发展的垂直运输工具。
电梯的应用很广泛,在住宅、仓库、工厂、商场、宾馆以及矿井等地,都是不可或缺的。
对于电梯技术的成熟与发展,电梯安全已经被人们越来越重视起来,若何设计出安全、高效、环保的电梯控制系统,不知是人们安全的保证,也是电梯业的发展方向。
所以,电梯的发展足以表现一个国家的发展状况[3]。
1.3电梯的国内外发展现状
自从1852年来,美国纽约杨克斯的机械工程师奥的斯先生发明了世界第1台安全升降机;之后该公司又由玻璃等外观材料制作成升降机形式的电梯;后来又生产出了蒸汽式与水压式的电梯;到十七世纪九十年代,又安装了直接的连接式的电梯;后来,电梯就发展成为了电力驱动的了,直到现在,这就是电梯的模型。
电梯再从设计出以后,在国外的发展速度非常快,电梯的更新换代也是非常迅速的,这一点从电梯的发展史就能看出来,各项技术的发展直接带动了电梯的发展,由此可知,电梯是与人们的日常生活与工作息息相关的。
后来电梯在中国也得广泛的应用,特别是改革开放以后,我国经济迅速发展,电梯被带到了广大人们群众的身边。
近年来,PLC技术得到了快速的发展,这无疑给电梯产业带来了又一次革命。
PLC技术以其安全可靠、操作简单等优点,使其在电梯行业中得到了广泛的应用,更是由于PLC有其他继电器形式的系统无法相比的优势,使其已经几乎取代了原始的控制方式。
2.电梯的总体方案设计
2.1电梯控制系统的组成
图2-1电梯控制系统的原理图
如图2-1所示,为电梯控制系统的原理图,其具体的组成如以下几点:
(1)曳引系统
主要的电梯动力系统,由钢丝绳,滑轮等组成,通过钢丝绳来进行对电梯的拖拽,是电梯垂直上下的运行。
(2)导向系统
导向系统为轿厢的运行提供了轨道,对轿厢和对重的自由度进行了限制,使轿厢只能沿着导轨做垂直上下的运行。
(3)轿厢
轿厢为电梯主要部分之一,轿厢的上下运动可以运送乘客和物品。
(4)门系统
电梯的门系统由内门和外门组成。
内门为轿厢的入口部分,外门为楼层的入口部分,开门机和门锁控制门系统的打开与关闭。
内门只有一个,外门每一层都有一个。
(5)重量平衡系统
平衡系统主要部分是对重,它与电梯的轿厢通过钢丝绳连接,对重的重量可以用来平衡轿厢的重量,使电梯运行正常。
(6)电力拖动系统
电力拖动系统主要由曳引电机构成,电梯的运动拖动电梯的上下运行。
(7)电气控制系统
电气控制系统对电梯的正常运行进行控制,由各种电气部件构成。
(8)安全保护系统
该部分主要保护电梯安全运行,以及确保人身安全。
(9)平层装置
平层装置的作用是检测电梯的位置,由两个平层的感应器和隔磁板组成,电梯运动过程中两个隔磁板先后被隔磁板插入,分别起到减速和停车的作用。
(10)停层装置
电梯在井道中运行时,传感器会根据平层感应器所处的位置来判断电梯的位置,从而来检测并产生平层信。
2.2电梯的分类与选择
2.2.1按用途分类
(1)乘客电梯:
主要的功能是为了运送乘客,此类电梯基本安装在人们活动比较多的地方。
电梯的运行迅速,自动化程度高。
(2)住宅电梯:
主要用于生活区域,此类功能强,不仅能乘人,还能乘轻巧的物品。
(3)载货电梯:
主要为了货物的运输而设计,用于仓库和商场的场所,常有专业人员操作,此类电梯装修简单,速度比较慢。
(4)医用电梯:
主要为医院运输病床所设计,根据病床的需要而设计的比较狭长,通常有前后贯通的门,一般有专业人员操作。
(5)杂物电梯:
此类电梯可以运送很多种物品,例如:
饭店运输食物;办公室运输文件;图书馆运输图书等,一般不允许乘坐人员。
(6)车用电梯:
主要用于垂直运输车辆,现在多用于立体车库等地,此类电梯设计要求结实耐用,轿箱无顶且大,载重量大。
(7)观光电梯:
此类电梯的轿厢是是透明的,乘坐电梯的乘客可以观光风景。
通常安装于建筑物的外侧。
(8)船载电梯:
通常按装在大型船舶,电梯的载重量比较小。
(9)建筑电梯:
安装于建筑工地,用于运输建筑用品以及人员。
(10)其他类型电梯:
电梯的种类多种多样,用途不已,差别也很大,例如:
消防电梯、矿井电梯、电厂电梯等等。
2.2.2按拖动系统分类
(1)交流双速的电梯
(2)交流变频调速的电梯
(3)交流调压调速的电梯
根具以上两种分类,本次设计的电梯为垂直型的客用电梯,用交流变频调速的方法控制电梯。
2.3电梯的工作方案设计
2.3.1电梯内、外部部件功能设计
在电梯内部由按钮和显示器组成,其中按钮包括选层和开关门按钮;显示器包括层数显示和运行方向显示器。
乘客乘坐电梯时,按下相应的选层按钮来选择所去的目的地。
电梯有自动开门关门按钮,也可以通过开门和关门按钮来控制门的状态。
内部层数显示器可以显示电梯此时所在的位置。
上升和下降显示器能清楚的显示电梯目前的运行方向。
电梯的外部的5个楼层设计有所不同,显示部分都相同,有楼层显示和方向显示。
2、3、4层都有上选和下选按钮,1层和五层分别只有上选按钮和下选按钮。
2.3.2电梯的工作状态
(1)初始状态下(电梯在1楼)
呼叫指示灯都处于灭的状态;
所有显示器都置为1;
各电梯们均处于关闭状态;
(2)运行状态下
外部进行呼叫,此层记忆灯记忆,控制系统响应此呼叫;
接到命令后,电梯运行到该层;
电梯响应期间,各个显示器的显示随之改变;
④电梯运行期间,电梯门保持关闭;
电梯运行时,其它按钮均可操作;
(3)结束状态后下
电梯到达目标层后,自动开门,经过延迟后关门,在此期间,手动开、关门功能同样支持;
②各显示器均显示此层的楼层号,各指示灯均熄灭;
2.3.3电梯上/下行分析
假设电梯处于上/下行时,当其他楼层有呼叫的时候,分析如下:
(1)当呼叫层在电梯目前层之上/下目的层之下/上时,此操作有效,系统记忆并执行,运行至呼叫层之后,再依次完成相应呼叫。
(2)当呼叫层在电梯目前层之下/上时,则电梯不响应此呼叫,知道电梯响应完之前命令后,才响应当前呼叫。
2.3.4电梯的控制要求
(1)所有的按钮的命令均有效,系统将记忆并执行。
(2)电梯在停泊期间,此时与之相同层有外呼命令时,电梯执行开门操作。
若非是相同层的外呼命令,则电梯会议最优的运行原则执行命令。
(3)电梯运行时遵守不换项原则例如电梯目前处在3楼和4楼中间,如果出现如下3个呼叫:
3楼上呼叫,4楼下呼叫,4楼上呼叫,则电梯一次响应4楼上呼叫,4楼下呼叫,3楼上呼叫。
(4)每一楼层都会有上或下的平层感应,一层和五层分别只有下平层、上平层感应,来感应电梯是否到达该层。
(5)每个呼叫按钮都会有相应的指示灯,指示灯记录按钮操作并保持,系统执行完该命令后熄灭。
(6)电梯在运行状态下禁止开门,电梯停泊状态下,支持手动开关门。
(7)楼层显示器显示电梯当前所在层,电梯运行期间,其结果会不断变化。
2.3.5电梯的安全系统
安全窗、安全钳、限速器、限位开关、强迫停止开关以及极限开关是保护电梯正常运行的重要组成部分。
安全窗开在电梯轿厢的顶部,目的是有紧急情况时供乘客逃生所用,安全窗打开后,电梯被禁止运行。
安全钳是一种机械装置,当电梯超速运行和曳引钢绳断裂是起到保护作用,出现以上状况时,就爱那个电梯夹在轨道上,避免电梯坠落。
限速器也是一种机械装置,目的是检测电梯的运动速度,当检测到带电梯超速时,会动作,同时带动安全钳动作,使电梯停止运行。
上、下限位开关和上、下强迫停止开关以及极限开关共同保护着电梯的安全,并且依次带动触发。
如果电梯到达停车位置后仍然不停止运动时,就会触动上、下限位开关,发出信号,是电梯停止运行;若电梯仍然不停止运动,将会触动上、下强迫停止开关,会强制使电梯停止运行;若电梯仍然不停止运行,极限开关将会被触发,此开关控制着主电路的电源,主电路会停止工作,达到停车的目的。
3.电梯控制系统的硬件设计
3.1电梯PLC的选型
3.1.1PLC组成及特点
如图3-1所示,PLC的主要组成包括:
中央处理器CPU、存储器、输入单元、输出单元、外设I/O接口、I/O扩展接口。
其中中央处理器CPU又包括运算器和控制器;存储器又包括RAM和EPROM。
图3-1可编程控制器内部结构
基于现代工业生产的多种多样,所以对控制的需求的差别很大。
由于可编程控制器的特点,从而非常受工程技术人员及工人的欢迎。
(1)安全可靠,很好的抗干扰的能力
(2)可以用于多种场合,应用灵活方便
(3)程序编译容易,应用效果好
(4)设计简单、安装方便、调试容易
(5)结构简单,易于修理
(6)功能完善
3.1.2PLC的接口设计
经过分析,以及PLC系统的各个变量的设置以及对电梯整体模型的设计可以列出电梯系统的的元件表,如表3-1所示。
表3-1电梯系统的元件表
元件符号
名称及作用
元件符号
名称及作用
KM1
开门接触器
SQ19
上行强迫停止开关
KM2
关门接触器
SQ20
下行强迫停止开关
SB1
开门按钮
3KR
3楼感应器
SB2
关门按钮
4KR
4楼感应器
SB3
上行启动按钮
5KR
5楼感应器
SB4
下行启动按钮
6KR
上部平层感应
SB5-SB9
1-5楼轿厢内选按钮
7KR
下部平层感应
1SB1-4SB1
1-4楼上行外呼按钮
SA
基站开关
2SB2-5SB2
2-5楼下行外呼按钮
1HL-5HL
1-5层层楼指示灯
SQ0
极限开关
6HL、7HL
上行、下行的指示灯
SQ
电源开关
HL6、HL7
上下行指示记忆灯
SQ1
安全窗开关
HL8
1楼上呼记忆灯
SQ2
安全钳开关
HL9
2楼上呼记忆灯
SQ3
限速器开关
HL10
2楼下呼记忆灯
SQ4
轿内急停开关
HL11
3楼上呼记忆灯
SQ5
基站开关
HL12
3楼下呼记忆灯
SQ6
开门到位开关
HL13
4楼上呼记忆灯
SQ7
关门到位开关
HL14
4楼下呼记忆灯
SQ11-SQ15
1-5楼厅门锁开关
HL15
5楼下呼记忆灯
SQ16
轿门关闭到位开关
HL16
正常运行指示灯
SQ17
上限位开关
HL17
门锁指示灯
SQ18
下限位开关
HL18
报警灯
JL
报警铃
如图3-2所示,为PLC的输入/输出电路,由开关元件、指示灯组成,开关进行对PLC输入控制,构成输入电路;指示灯受PLC输出控制,组成输出电路。
图3-2PLC的输入/输出电路
本次设计为基于五层五站式电梯的设计,由于在电梯的变量中,开关量的原件比较多,而模拟量的相对来说较少,电梯控制系统对系统的要求来说也很一般,所以,市场上一般的PLC都可以满足这个要求,基于三菱公司的PLC操作简单、接个便宜、体积较小等原因,我对本次设计的PLC选择三菱旗下的FX2N系列PLC。
3.1.3PLC的选择
三菱FN系列的PLC与其他品牌的PLC相比有很多优点。
三菱系列的PLC相对来说属于小型PLC,价格便宜,但是功能很强大。
在编程方面,虽然没有西门子扩展性强,可是编程简单也成为他的优点。
在当今社会的发展情况来看,三菱FN系列PLC已经能满足很多方面的使用。
三菱PLC采用了一类的可编程的存储器,可以将程序储存到内部,来执行顺序控制、逻辑运算、计数、定时、和算术操作等指令,这些指令时面向用户的,能通过模拟和数字输入/输出来控制各类的机械设施和生产过程。
三菱FN系列的PLC,内部存在编程软元件,它乐意支持机型编程语言,即使这样,它与真实的元件也有很大差别。
FN系列的模块中,FX2N系列PLC是最好的,它的速度快、功能强、控制全面。
基于三菱PLC的众多优点,所以选择三菱FX2N系列PLC。
FN系列的PLC在梯形图中的编程元件的名字组成为字母加数字,表示的意思为元件的类型及元件号,例如:
X1、M100。
输入与输出的数字部分为八进制编排,如表3-2所示,为FX2N系列接口点数。
表3-2为FX2N系列接口点数
型号
FX2N-16M
FX2N-32M
FX2N-48M
FX2N-64M
FX2N-80M
FX2N-128M
输入
X0-X7
8点
X0-X17
16点
X0-X27
24点
X0-X37
32点
X0-X47
40点
X0-X77
64点
输出
Y0-Y7
8点
Y0-Y17
16点
Y0-Y27
24点
Y0-Y37
32点
Y0-Y47
40点
Y0-Y77
64点
根据本次设计的输入/输出电路可知输入/输出接口分别为34个和29个,所以可以选择FX2N-80MR的PLC对系统进行控制。
PLC的参数如表3-3所示。
表3-3PLC的参数表
模型
I/O总数
输入
输出
数目
类型
数目
类型
FX2N-80MR
80
40
漏型
40
继电器
3.2电梯变频器的选型
3.2.1变频调速在电梯中的应用
利用电动机交流变频是技术来控制电梯的优点突出,它的节能省电功能响应者国家的可持续发展战略和节能减排战略,使电梯逐步走向绿色化。
交流变频技术也可以充分的提高产品的质量,充分的改善周围的环境。
另外,由于变频调速这项技术本身的发展,也充分的带动了与之相关的其他行业的发展,比如其在电梯技术中的发展。
以前的电梯进行调速使非常麻烦的,会在电梯的主电路中串联电阻和电感,当需要调速时,会利用接触器来改变串联电阻的阻值,通过改变电路中的阻值来控制电动机的转速。
这种改变阻值的方法可靠性低,原件容易出现故障,降低电梯的安全性。
变频调速在电梯中应用有很多特点,简单介绍以下几点:
(1)电梯的升降主要靠电动机来实现,电动机的正、反转可以实现对电梯运行方向的改变,在使用变频调速的电梯中,控制的是异步电动机,异步电动机相比于直流电动机的优点也比较显著。
例如,异步电动机的体积小、所占的地方小、简单易操作、比较可靠、间隔便宜等。
(2)电梯的变频调速的技术非常先进,其中包含了SPWM技术,对电梯的改善效果有很大的提高,电梯的安全性得到保障的前提下,是乘坐电梯的乘客感觉更加舒适、更加自然,仅仅基于这个效果就能使交流调速技术在电梯中广泛应用。
(3)这种技术出了自身性能外,节能减排效果也非常明显。
电梯和空调作为两个最好能的设施,对资源的占有率比较大,如果能让这个最大耗能的设施节约能源,减小开支,那么这个作用就太大了。
3.2.2变频器对电梯的控制
在电梯控制系统中,曳引电动机控制着电梯的上升与下降,在上升与下降的过程中不时恒定速度不变的,乘坐电梯时都希望电梯会比较舒适自然,所以就要对电梯的启动、运行、停止进行调速控制,使电梯起步时有一个加速状态;停止时有一个减速状态,这样会使乘客乘坐电梯时不会有晕电梯的按觉。
最重要的是其可靠性差,设备容易损坏,不易维修,乘客的安全受到很大威胁。
电梯的上行、下行、调速都受到变频器的控制。
乘坐电梯是,我们都希望电梯会比较舒适自然,所以就要对电梯的启动、运行、停止进行调速控制,使电梯起步时有一个加速状态;停止时有一个减速状态,这样会使乘客乘坐电梯时不会有晕电梯的按觉。
为了使乘坐电梯的乘客有舒适感,所以电梯的速度就采用了“S”型的运行状态,将速度转换为频率曲线,如图3-3所示。
图3-3电梯运行频率变化曲线
当控制系统发出信号上升或下降后,系统会发出高速运行的信号,此时变频器收到信号,由0Hz至50Hz启动开始,设置启动时间为1S,运行过程中会以恒定的50Hz的频率运行;当收到减速信号后,控制系统会发出低速运行信号,变频器接收到低速信号后,变为低速频率运行,设置低速频率为6Hz,由50Hz装换到6Hz的时间设置为1S,;当有平层信号发出时,变频器的频率会由6HZ变到0,电梯停车。
为了达到平稳运行的目的,曳引电动机用变频器控制,控制变量上,控制难度小,变频器应选择操作简单,可靠性好,价格便宜。
所以选择欧姆龙系列变频器,型号为3G3JV,其主要参数如表3-4所示。
表3-43G3JV变频器参数
品牌
型号
供电电压
额定电压(V)
额定功率(KW)
欧姆龙
3G3JV
低压
AC380
0.75
图3-4变频器接线图
3.3电梯控制系统电路图设计
3.3.1系统的主电路设计
如图3-5所示,曳引电动机为双速笼型异步电动机,。
KM1和KM2是两个接触器控制电动机开门和低速关门运行的,两个电动机同是接在三相电源上,对KM1与KM2会控制电梯门的打开与关闭。
控制主电路的三相电分别为U、V、W,U、V、W是通过变频器转换的电源,电源之后先后接有电源开关SQ和极限开关SQ0,SQ的作用是切断电源的打开与关闭。
极限开关SQ0的作用是极限控制,当电梯到达一楼平层与五楼平层时还不停止运行,就会触发SQ0,强制电梯停止运行。
图3-5电梯控制的主电路图
3.3.2曳引电动机和门电机的选择
曳引电动机是控制电梯上下运行的设施,根据电梯实际应用时工作状态的考虑可知,电动机工作状态是短时的,启动和停止的频率较高,对于如此频繁的启动于制动,对电机本身的硬件考研非常大。
为了满足以上等要求,选择交流双速异步电动机。
此种电动机和鼠笼型电动机相似,双速电机比鼠笼型电动机多了一套绕组而由双套绕组,分别为高、低速绕组。
(4-1)
(4-2)
4-1、4-2分别为计算转速的的表达式,由公式可知,异步电动机的同步转速n可由磁极对数p控制,n随着p的增大而减小。
设计电梯的基本参数如表3-5所示
表3-5设计电梯的参数
额定载重(kg)
额定速度(m/s)
平衡系数(Kp)
总传动效率
1000
1
0.45
0.8
(4-3)
式中:
P—电机功率(kw);Q—电梯的额定载重(kg);V—电梯的额定运行速度(m/s);Kp—电梯的平衡系数;
—曳引机的传动总效率。
根据参数表中的数据以及公式4-3所计算出的
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