基于plc和变频器的电梯控制系统的设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于plc和变频器的电梯控制系统的设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

紧密相连，至今已有三十多年的发展历史，经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展历程，大致可以分化为三个阶段。 第一个阶段是七十年代，其主要标志是交流双速电梯，它采用改变牵引电机极对数来实现调速。 电机通常采用两种或两种以上不同极对数的绕组制成，其中极对数少的绕组成为高速绕组，用于电梯的启动及稳速运行，极对数多的绕组成为低速绕组，用于电梯的制动及维修。 这种电梯结构简单，价格低廉，使用和维护都很方便，但调速不够平滑，舒适感较差。 第二个阶段是八十年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。 调压调速的方法是通过改变三相异步电机定子端的供电电压实现电机的调速，其制动多采用能耗制动。 第三个阶段是九十年代至今，变压变频调速电梯开始占据了世界电梯的市场。 VVVF 电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值 和频率来实现转速的调节。 电梯传动系统技中，由于大量采用微机控制技术和脉宽调制技术（ PWM），其运行效率得到了大幅度的提高，电梯的体积大为缩小。 现代交流调速技术向电梯控制领域的渗透，使得交流调速电梯的调速性能几乎完全可以和直流电梯相媲美。 VVVF 电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层准确、低噪音、安全等目标。 由于其优越的调速性能，显著的节能效果，在很多应用场合已取代交流调压调速电梯，而成为现代电梯市场的主流。 目前，生产 VVVF 电梯的公司已经遍布世界各国，如日本的三菱公司、东芝公司、日立公 司，美国的奥的斯公司等大的电梯制造厂家，他们在 VVVF 电梯的研制和进一步开发等方面，都取得了骄人的成就。 在我国，电梯工业起步较晚，改革开放以来，也取得了很大的进步，如上海三菱、天津奥的斯、中国迅达、苏州迅达、广州电梯工业公司等电梯生产厂家，其产品都有一定的市场份额和技术含量。 但遗憾的是，这些公司多为合资企业，电梯控制的关键部分的变频器、控制器等重要组成部分，很大程度依赖进口，其核心技术牢牢控制在国外大公司手中。 电梯发展展望 （ 1）不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。 10 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、更洁净、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，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。 变频器的特点和其在电梯中应用 变频器是利用电力半导体器间的通断作用，将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电动机的启动、变频调速，提高运转精度，改变功率因数，过流 /过压 /过载保护等功 能。 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分。 变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变化为直流功率的“整流器”，吸收变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 变频器的工作原理 电压反馈信号 Uf 与交流电源同步，信号 US送入 PWM1 回路产生出符合电动机的信号，作为电动运行状态的 PWM1 信号，控制正弦与再生部分 中开关器件，使之作为二极管整流桥工作。 当电动机减速或制动时产生再生作用，功率器件在 PWM1 信号作用下进入再生状态，电能回馈交流电网。 交流电抗器主要是限制回馈到电网的再生电 11 流，减少对电网的干扰，起到保护功率开关元件的作用。 逆变器将直流电转换成幅值与频率可调的交流电，输入交流电动机驱动电梯运行。 实行电流环与速度环的 PWM2信号，输入正弦电流。 变频器系统构成 （ 1）再生部分。 这部分有两个功能，一是将电网三相正弦交流电压整流成直流，向逆变部分提供直流电源；二是在减速制动时，有效控制传动系统能量回馈给电网。 主电路器 件是 IGBT 模块。 根究系统的运行状态，既可作整流器使用，也可作有源逆变器使用。 （ 2）逆变器部分。 逆变器部分同样是有 IGBT 模块组成，作为无源逆变器，向交流电动机供电。 （ 3）平波部分。 在该电源系统中，由电解电容器构成平波器。 如果是电流源，将由电感器组成。 （ 4）检测部分。 PG 作为交流电机速度与位置传感器，电流互感器作为主回路交流电流检测器，智能防护技术作为与三相交流电网同步信号的检测，电压互感器为直流母线电压检测器。 （ 5）控制回路。 控制回路一般有微机、 DSP、 PLC 等构成，可选 16 或 32 位微机。 控制回路 主要完成电力传动系统的指令形成，电流、速度和位置控制，产生 PWM1 控制信号，故障诊断、检测、显示，电梯的控制逻辑管理、通讯和群控等任务。 变频器的分类、规格以及满足条件 1) 变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类： （ 1）按变换频率的方法分：交 — 直 — 交变频器和交 — 交变频器； （ 2）按主电路工作方式分：电压型变频器和电流型变频器； （ 3）按变频器调压方法的不同分： PAM 变频器和 PWM 变频器； （ 4）按工作原理分： U/F 控制变频器、 VC 控制变频器和 SF 控制变频器； （ 5）按照用途分：通用变频 器、高性能专用变频器和高频变频器。 2) 变频器产品说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。 因此，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： 12 （ 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）按照转矩过载能力选择。 （ 5）根据被控设备的负载特性选用通用变频器的类型； 3) 选择的变 1）所选用通用变频器的类型与被控异步电动机的参数匹配； （ 2）电梯的启动和停车都要平稳； （ 3）变频器带有防止失速功能； （ 4）变频器具有优良的转矩特性。 电梯变频调速控制的特点 （ 1）变频调速电梯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 技术和 SVPWM 技术，明显改善了电梯运行质量和性能，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。 （ 3）变频调速电 梯调速范围宽，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。 可编程控制器的特点及其在电梯控制中的应用 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器， 它是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。 它采用可编程的控制器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与运算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出，控制各种类型的机械或生产过程。 开关逻辑和顺序控制，这是 PLC 应用最广泛、最基本的场合。 它的主要功 能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。 PLC 在实现各种数量的 I/O 控制的同时，还具备输出模拟电压和数字脉冲的能力，使得它可以控制各种能接收这些信号的伺服电机，步进电机，变频电机等。 13 PLC 的系统构成 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，所以其硬件结构基本上与微型计算机相同。 PLC 由中央处理单元、存储器、输入单元、输出单元、电源五部分组成。 其结构框图如图 12。 图 12 PLC 硬件结构 （ 1） 中央处理单元（简称 CPU） 中央处理单元是 PLC 的控制中枢和核心部件，其性能决定了 PLC 的性能。 其由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线、数据总线、控制总线，与存储器的输入和输出接口电路相连。 其作用是处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调工作。 CPU 接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入映象区或数据寄存器。 同时，诊断电源、 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。 PLC 进入运行状态后， CPU 从存储器中逐条读取用户程序，经指令解 释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。 最后，根据运算结果，更换有关映象区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。 （ 2） 存储器 编 程 器编 程 器中 央 处 理 器C P U中 央 处 理 器C P U输入单元输入单元输出单元输出单元系 统程 序存 储 器系 统程 序存 储 器用 户程 序存 储 器用 户程 序存 储 器电 源电 源 14 存储器是具有记忆功能的半导体电路。 其作用是存放系统程序、用户程序。 逻辑变量和其它一些信息。 系统程序是控制 PLC 完成各种功能的程序，由 PLC 生产厂家编写，并固化到只读式存储器 ROM 中，用户不能访问。 用户程序是用户根据工 程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。 通过编程器输入到 PLC 的随机存储器 RAM 中，允许修改，由用户启动运行。 ROM 是存放 PLC 制造厂家写入的系统程序，并永远驻留在 ROM 中， PLC 去电后再上电， ROM 内容不变。 RAM 是读出时其内容不被破坏，写入时，新写入的内容覆盖原有的内容。 为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。 除此而外， PLC 还有 EPROM、 EEPROM 存储器。 PLC 产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。 存储器容量是 PLC 的一个重要性能指标。 （ 3） 输入单元 输入单元是 PLC 与工业生产现场 被控设备相连的输入接口，是现场信号进入 PLC的桥梁。 其作用是接收主令元件，检测元件传来的信号。 输入类型有直流输入、交流输入、交直流输入。 输入接口采用光电耦合电路，目的是把 PLC 与现场电路隔离，提高 PLC 的抗干扰能力。 接口电路内部有滤波，电平转移，信号锁存电路。 各 PLC 生产厂家都提供了多种形式的 I/O 部件或模块供用户选用。 （ 4） 输出单元 输出单元也是 PLC 与现场设备之间的连接部件，把输出信号送给控制对象的输出接口。 其作用是将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执行元件。 输出类型有继电器 输出、晶体管输出、晶闸管输出。 输出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个内部电路，由指示电路、隔离电路、继电器组成。 输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排。 输出部件或模块也有多种类型供选用。 （ 5） 电源 电源的作用是将交流电转换成 PLC 内部所需的直流电源。 同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。 电源输入类型有：交流电源（ 220V 或 110V），直流电源（常用的为直流 24V）。 PLC 大部分采用开关式稳压电源供电。 PLC 的工作原理 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输 入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间， PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 15 （ 1） 输入处理阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （ 2） 程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该。