电子电路]基于西门子plc电梯群控系统设计

电子电路]基于西门子plc电梯群控系统设计内容摘要：

常数宜大些； ⑵ 提高了运行效率，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； ⑶ 零速一般设计为 0Hz，速抱闸功能将影响舒适感；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。 为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而 616G5 就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是：将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。 显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。 变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。 设电梯曳引机电机功率为 P1，电梯运行速度为 V，电梯自重为 W1 电梯载重为 W2，配重为 W3，重力加速度为 g，变频器功率为 P。 在最大载重下，电梯上升所需曳引功率 P2 由式 (31)计算： 2 1 2 3 1P = [ ( W + W + W ) g + F ] * V （ 31） 式中， 123F 1=( W +W +W )g+ 为摩擦力； 电机功率 1P ，变频器功率 P 应接近电机功率 1P ，相对于 2P 留有安全裕量，可取 P= 2P （ 32） 其中， k=， 1W =2020Kg， 2W =1000Kg， 3W =2400Kg， g=， V=式（ 31）得 P2=（ 600 ＋ 108 ） ≈ ；又有式（ 32）得 P= =。 由于采用变频调速，效率高。 依照计算结果选 倍裕量，取变频器容量为 15kW。 由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。 带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成 9 本太高，采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上 ，成本较低而且具有良好的使用效果，能耗制动电阻 2R 的大小应使制动电流 Iz的值不超过变频器额定电流的一半，即： z o z nI =U /R =I /2 （ 33） z d n R=2U/I =2 513/≈ (Ω ) （ 34） 其中 oU 为额定情况下变频器的直流母 线电压，取 z R ≥ 30Ω。 由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。 即： z 2 * /P = d d zU U R = 5132/30≈ （ 35） 最后，选用的制动电阻为 R=30Ω，功率为 P= 的电阻。 变频调速系统控制 本课题采用的变频调速系统框图如图 23 所示。 P L C 门 电 机曳 引 机变 频 器 电 源传 感 器呼 叫 信号位 置 信号楼 层 显示呼 叫 显示 图 23 本课 题变频调速系统框图 本章小结 本章主要介绍了变频调速技术的相关知识，以及文中所需变频器的选择，还包括变频调速控制系统的总体结构，为下一步的设计打下了坚实的理论基础。 10 第三章 系统控制方案的设计及概述 (下位机部分 ) PLC 原理及其应用 PLC 简介和基本工作原理 可编程控制器（ PLC）是一种数字操作的电子系统，以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术，专为在工业环境下应用而设计的工业自动控制装置。 PLC 采用一类可编程的存储器 ，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，面向控制过程和用户，并通过数字式或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程，实时性好，信号处理时间短，速度快，可靠性高，编程方便，系统配置简单灵活，控制系统采用模块化结构，安装简单，维修方便，性价比高。 可编程控制器主要由中央处理器 (CPU)、存储器、输入/输出 (I/O)接口、通信接口以及电源等部分组成，可编程控制器的基本组成如图 31 所示。 图 31 PLC 的基本组成 (1) 中央处理器： PLC 的核心部分，包括微处理器和控制接口电路。 微处理器是 PLC 的运算和控制中心，实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分工作。 控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配以及中断管理等功能。 (2) 存储器用来 存储系统程序和用户程序，包括系统程序存储器和用户程序存储器。 (3) 输入 /输出单元是可编程控制器的 CPU 和现场输入、输出装置或其他外部设备 11 之间的连接接口部件。 PLC 通过 I/O 模块与工业现场相联系，通过 I/O 接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数。 I/O 单元主要类型有：数字量输入、数字量输出、模拟量输入以及模拟量输出等。 (4) 通信接口用于 PLC 之间、 PLC 与远程 I/O 之间、 PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将 PLC 接入以太网或用于点对点通信等。 (5) 电源单元为 PLC 提供电源，一般采用开关电源，输入电压范围宽，体积小，抗干扰性能好。 PLC 以循环扫描方式工作，按顺序对内部的各种任务进行查询、判断和执行，工作过程如图 3 2 所示。 图 32 PLC 工作过程 PLC 的特点及主要功能 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC 发展到今天，可以用于各种规模的工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制， CNC 等各种工业控制中。 加上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。 而且 PLC 采用了许多 12 硬件和软件抗干扰措施。 硬件方面： (1)隔离，在微处理与 I／ 0 电路之 间采用光电隔离减少外部干扰源对 PLC 的影响。 (2)滤波，对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，减少高频干扰。 且有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等。 软件方面： (1)设置故障检测与诊断程序。 (2)当软故障条件出现时，立即把状态重要信息存入指定存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防止存储器信息被冲掉。 这样，一旦外界调节正常后，便可以恢复故障发生前的状态，恢复原来的工作。 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造周期大为缩短，同时维护变得容易起来。 更重要的是可以使同一设备经过改变程序改变生产过程。 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。 为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（ A）和数字量（ D）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。 PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。 作为工业控制计算机， PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。 大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。 过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 13 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出单元（即 I/O 扩展单元）来增加输入输出点数，也可以通过附加各种功能单元及特殊功能单元来提高 PLC 的控制能力。 远程 I/O 功能 远程 I/O 功能是指通过远程 I/O 单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与 PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信 号。 通信联网功能 通信联网功能是指通过 PLC 之间的联网、 PLC 与 PLC 之间连接、 PLC 与上位计算机的连接等，实现 I/O 控制或数据交换，以完成较大规模的系统控制。 监控功能 监控功能是指 PLC 能监视系统各部分的运行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设置值或强制 I/O 状态。 PLC 编程语言 编程语言是 PLC 的重要组成部分， PLC 为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。 PLC 提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、语句表和功能块图等。 梯形图 (LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是 PLC 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受。 语句表 (STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序， 属于面向机器硬件的语言。 功能块图 (FBD)是使用像电子电路的各种门电路，加上输入、输出，通过一定的逻辑连接方式来完成控制逻辑，它也可以把函数和功能块连接到电路中，完成各种复杂的功能和计算。 所以，通过比较，本课题采用梯形图对系统进行设计更为合理。 14 PLC 的编程软件介绍 本课题采用西门子公司提供的 STEP7_MICRO/WIN 编程软件．它是用于 S7 系列 PLC 进行编程、调试的全新软件，它是在国际标准 IEC1131 3 的基础上建立的，可以用 LAD、 STL 和 FBD 来编程。 通过 STEP 7 编程软 件，不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接下载入 PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，给调试工作也带来极大的方便。 STEP7 软件的一个特点是调试功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程序非常有效。 STEP7 软件还附带一些控制程序模块，如 PID 调节模块，这些模块可以从主控制程序中直接调用，实现不同的功能。 硬件设计 PLC 的选择 根据系统的控制要求及复杂程度 ，对所需要的 I/O 口要进行初步的估算。 PLC 的输入输出点数是有限的，在设计一个 PLC 控制系统时可能遇到其 I/O 口的点数问题，可以选择 I/O 点数较多的 PLC 或增加扩展单元。 根据控制系统的功能要求，从经济性、可靠性等方面考虑，选择两台西门子 S7200系列 PLC 作为此电梯群控系统的控制主机。 此电梯群控系统主电梯总共有 21 个数字输入， 19 个数字量输出， 1 个模拟量输入，根据 I/O 点数和程序容量和控制的要求，又因为需要接的是交流负载，所以选用继电器输出型的 PLC，再根据学校的实际情况，选择两台 CPU 224XP 继电 器输出型的 PLC 作为该控制系统的主机，在这个控制系统中，从PLC 主控制单元总共有 22 个数字输入， 17 个数字量输出， 1 个模拟量输入，从控制单元总共有 16 个数字输入， 11 个数字量输出， 1 个模拟量输入。 根据 I/O 点数和数字输入 /输出扩展模块选用两个 EM223(16 点输入 16 点输出分别接在主从 PLC 后面。 系统硬件的介绍及使用 系统硬件主要有： 1 ）两台 PLC 控制器 224XP 以及两台扩展模块 EM223； 3）两根 15 根通信电缆 2） 装有组态王 的电脑； 3 ）西门子变频器 MM440 2 台； 4） 两个个 红外对射传感器、两个个压力传感器、八个限位传感器、两个防冲顶传感器、两个下限位传感器； 5 ）两台 YJ250A 曳引机；下面简要介绍一下系统中的主要硬件： 数字量输入输出模块 EM223 EM223 扩展模块具有以下特性。 （ 1） 具有漏极 /源型 16 点 I/O 输入，固态 16 点 I/O 输出 （ 2）输入电压范围，最大连续电压 30V DC，额定电压 24V DC（ 4mA），逻辑 1 信号最小是 15V DC（ ），逻辑 0 最大是 5V DC（ 1mA）。 （ 3）输入 8 点 500V AC 光隔离。 （ 4）输入最大延迟时间 ms。 （ 5）输入屏蔽电缆最大 500 米，非屏蔽电缆最大 300 米。 （ 6）输出电压允许范围 — DC，额定电压 24V DC。 （ 7）输出最大电流逻辑 1 信号 20V DC。 （ 8）输出屏蔽电缆 500m，非皮比电缆 150 米。 （ 9）输出延迟 off 到 on 最大延迟 50us， on 到 off 最大延迟 200us。 （ 10）输出采用 50。