山西職業(yè)技術學院畢業(yè)論文畢 業(yè) 設 計（論文）題目：用PLC和變頻器設計電梯轎廂開關門的控制系統(tǒng) 系部： 電氣工程與自動化系專業(yè)： 機電一體化 班級： 機電A1003 姓名： 指導教師： 山西職業(yè)技術學院山西職業(yè)技術學院電氣工程與自動化系畢業(yè)設計（論文）任務書 題目名稱：用PLC和變頻器設計電梯轎廂開關門的控制系統(tǒng) 學生學號： 1012100316 指導教師： 學生姓名： 學生專業(yè)： 機電一體化 山西職業(yè)技術學院電氣工程與自動化系2012年11月30日畢 業(yè) 設 計 任 務 書開始日期：2012 年 11 月 5 日完成日期：2012 年 11 月 29 日 答辯日期：2012 年 11 月 30 日 1、設計目的考核學生對本專業(yè)知識的掌握和應用。2、設計題目用PLC和變頻器設計電梯轎廂開關門的控制系統(tǒng)3、設計內容和要求內容:1、按開門按鈕SB1，電梯轎廂門即啟動（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即減速（10HZ），10秒后停止。2、 按關門按鈕SB2，電梯轎廂門即啟動（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即減速（10HZ），10秒后停止。要求: 1、 設計思路2、 變頻器設置3、 PLC的I/O分配4、 程序設計5、 系統(tǒng)接線圖4、設計報告要求1.詳細闡述系統(tǒng)功能及控制過程；2.詳細闡述設計過程，包括根據(jù)功能要求確定方案、器件選型、設計電路圖，軟件編程思路等；3.采用AUTOCAD繪制電路圖(包括主回路圖，控制電路圖， PLC I/O 口分配等；4.程序流程圖、梯形圖；5.寫出設計體會與建議。5、進度要求第一階段： 了解工藝，查閱資料 ( 1 周) 第二階段： 元器件選型，繪制電路圖 ( 1 周) 第三階段： 設計編程思路，編制程序 ( 1 周 ) 第四階段： 總結設計中的問題，得出結論 ( 3 天) 第五階段： 撰寫論文及準備答辯 ( 3 天) 考勤要求： 每周兩次討論 共 4 周 6、任務分配用一周時間的時間了解室內溫度控制的工藝流程，并查閱相關資料。第二周時間設計幾個可行的方案，選擇最合適的方案及所需要的單片機類型和溫度傳感器類型。最后兩周時間，設計硬件電路和軟件程序及排版論文。指導教師簽名：2012 年 月 日畢 業(yè) 設 計 （論 文）進 度 計 劃 表日期工作內容執(zhí)行情況指導教師簽字11月510日了解電梯的結構及發(fā)展前景、意義，并查閱相關資料。11月1013日了解PLC的組成、分類、應用及選型規(guī)則。11月1418日熟悉變頻器的功能及其應用。11月1922日繪制相關的電路圖，以及表格11月2325日設計編程思路，列出編程。11月2627日總結設計中的缺點及可能的解決方法11月2829日總結在設計過程中的心得體會教師對進度計劃實施情況總 評簽名 年 月 日 目錄摘要31.緒論32論文方案選擇及器件簡介32.1本次論文方案選擇32.2器件簡介32.2.1 PLC簡介32.2.2變頻器簡介33.電梯門控制系統(tǒng)硬件設計33.1變頻器的選擇33.2.PLC的選擇條件及定型：33.3伺服電機的選定：33.4變頻器“程序步”轉速設計33.4.1輸入控制端的“程序步”功能33.4.2 程序步的控制特點33. 5 PLC控制系統(tǒng)硬件及接口電路設計33.5.1 PLC的I/O端口分配表33.5.2 PLC硬件電路設計33.5.3變頻器硬件電路設計34、電梯轎廂門機控制系統(tǒng)軟件設計34.1開門關門環(huán)節(jié)34.1.1開門環(huán)節(jié)電梯主要情況34.1.2關門環(huán)節(jié)34.2程序步開關門運行過程35、總結3參考文獻3附錄A電梯轎廂門控制系統(tǒng)梯形圖3附錄B電梯轎廂門控制程序指令表3摘要在現(xiàn)代社會和經濟活動中，計算機技術、自動控制技術和電力電子技術得到了迅速的發(fā)展，電梯已經成為城市物質文明的一種標志。特別是在高層建筑中，電梯是不可缺少的垂直運輸設備。隨著高層建筑飛速發(fā)展的今天，電梯行業(yè)也隨之進入了新的發(fā)展時期,電梯控制技術已經發(fā)展到了調頻調壓調速，其邏輯控制也由PLC代替原來的繼電器控制，其許多功能是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。在介紹電梯基本結構的基礎上，深入分析了電梯的工作原理，闡述了PLC的優(yōu)點及特點，重點分析了電梯的硬件設計和軟件設計，研究并提出了基于PLC電梯控制系統(tǒng)設計的實現(xiàn)方案，最后對本論文的研究內容進行了總結與展望。關鍵詞：電梯；變頻器；PLC控制；變頻調速1.緒論課題主要研究內容及意義論文研究的電梯門機控制系統(tǒng)，是一個典型的電機伺服系統(tǒng)，是電梯門開關的執(zhí)行機構。據(jù)統(tǒng)計，電梯門開關不正常是現(xiàn)代電梯運行過程中比較容易出現(xiàn)的故障。隨著國民經濟的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化大廈目益增多，電梯成為人們日常生活工作中不可或缺的工具。電梯的正常運行關系著人身安全，因此，電梯門的開關不僅要動作可靠、準確，而且還必須運行平穩(wěn)，反應迅速，動態(tài)特性好，這對電機本身及其控制系統(tǒng)均提出了較高的要求?？刂葡到y(tǒng)的主要技術要求有：適用范圍廣，適用于開門寬度在之間的電梯門；電動機起動、停止，各段速度的轉換要求加減速過程平滑，具有曲線的加減速過程：門扇運行各狀態(tài)點速度可設置。2論文方案選擇及器件簡介2.1本次論文方案選擇當前，電梯門機控制系統(tǒng)主要有由交流電機及其調速系統(tǒng)構成的，也有少數(shù)由單片機結合變頻器控制伺服交流電機及其調速系統(tǒng)構成的。后者除整套系統(tǒng)的成本較高外，雖然體積小，壽命長，但控制較復雜，對控制系統(tǒng)中的處理器性能要求較高，而且如果為同步電機，在帶載情況下還易出現(xiàn)失步現(xiàn)象。而后者盡管控制簡單，但直流電機體積大，維護困難，壽命短，電刷結構帶來電磁火花，易形成干擾。這些缺陷在電梯實際運行中就表現(xiàn)為電梯門開關不正常，維護工作量大等困擾操作人員的問題，進一步可造成嚴重經濟損失甚至人身傷害。此次，結合本人三年專業(yè)知識，將使用可編程控制器（PLC）,變頻器(VVVF)來控制交流伺服電動機來實現(xiàn)電梯箱門控制系統(tǒng)。2.2器件簡介2.2.1 PLC簡介可編程控制器（PLC）定義：PLC是一種數(shù)字運算操作的電子裝置；專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計，它采用存儲器春初程序，按程序執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，技術和算術運算等操作，并通過數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械式生產過程。可編程控制器（PLC）基本結構：PLC的型號、規(guī)格繁多。它主要由中央處理單元CPU、存儲器、輸入、輸出等部分組成（如圖2-2所示）。圖2.2 可編程控制器的結構簡化框圖PLC的特點：1.使用方便，編程簡單；2.功能強，性能價格比高；3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強；4.可靠性高，抗干擾能力強；5.系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少；6.維修工作量小，維修方便；2.2.2變頻器簡介（1）變頻器的基本結構：變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。（如圖：2.3）整流單元：將工作頻率固定的交流電轉換為直流電。高容量電容：存儲轉換后的電能。逆變器：由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波?？刂破鳎喊丛O定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅動交流電動機。圖2.3 變頻器的結構簡化框圖（2）變頻器的工作原理：主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（3）變頻器控速特點：電動機交流變頻調速技術是當今節(jié)電改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速性能和起、制動平穩(wěn)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。3.電梯門控制系統(tǒng)硬件設計3.1變頻器的選擇變頻器的選擇條件：變頻器是變頻調速系統(tǒng)的核心設備，它的質量品質對于系統(tǒng)的可靠性影響很大。其選型主要滿足以下條件： （1）為降低電梯成本，首選通用變頻器。（2）電梯門機的啟動和停車都要平穩(wěn)。（3）變頻器帶有防止失速功能。（4）變頻器具有優(yōu)良的轉矩特性。變頻器型號的確定：電梯的調度要求除了一般工業(yè)控制的靜態(tài)、動態(tài)性能外，他的舒適度指標往往是選擇中的一項重要內容。本設計中拖動調速系統(tǒng)的關鍵在于保證電梯按理想的給定速度曲線運行，以改善電梯運行的舒適感；另外，由于電梯在建筑物內的耗電量占建筑物總用電量的相當比例，因此，電梯節(jié)約用電日益受到重視?？紤]以上各種因素，本設計選用本學期所學的富士FRN30G11S-4變頻器。3.2.PLC的選擇條件及定型：在工程應用中可選用的PLC機型很多，比如三菱公司的FX系列、OMRON公司的C系列、西門子等，它們功能都差不多，在工程應用中各有千秋，至于要選擇哪種機型，就要根據(jù)自己的設計需要及應用水平。因為根據(jù)轎廂樓層位置檢測方法，要求可編程控制器必須具有高數(shù)計數(shù)器。又因為電梯是雙向運行的，所以PLC還需具有可逆計數(shù)器。就本次四層電梯的設計而言，上述三種機型都行，但根據(jù)課本學習和熟悉程度，本次設計采用三菱公司生產的FX系列PLC FX1S-30MR。3.3伺服電機的選定：異步電動機交流調速原理 交流異步電動機是應用最廣泛的一種動力機械。異步電動機所以能得到這樣廣泛的應用，是由于它結構簡單、制造容易、運行可靠、維護方便，而且效率高、重量輕、價格低。但異步電動機存在的缺點之一是調速性能差。此次設計所用的電梯門電動機只是用來拖動門扇，其功率不是太大，并且門機頻繁的起制動，這就要求電動機快速停止，準確定位，往復運轉，頻繁起動，防止滑行，且還要有斷電抱閘的功能。因此本次設計選用了具有電磁制動功能的HYD22-180L-0.75.3.4變頻器“程序步”轉速設計設計所選用的富士FRN30G11S-4變頻器。3.4.1輸入控制端的“程序步”功能（1） 功能含義介紹變頻器可以設定若干步工作頻率，其頻率的切換是由外接的開關器件改變輸入端子的狀態(tài)和組合來實現(xiàn)的。例如，當端子X1、X2、X3被預置為多程序步轉速的信號輸入端時。通過開關KA1、KA2、KA3的不同組合，可輸入7個程序步轉速的信號，如圖3-3所示。轉速檔次與各輸入端子狀態(tài)之間的關系如表3-1所示。表3-4“程序步”輸入端子與各步的關系輸入端子狀態(tài)程序步X3（SS4）X2（SS2）X1（SS1）OFFOFFON1OFFONOFF2OFFONON3ONOFFOFF4ONOFFON5ONONOFF6ONONON7(2) 變頻器的功能預置以富士FRN30G11S-4 變頻器為例，如表3-5所示。表3-5變頻器功能預置預置目的功能碼功能含義數(shù)據(jù)碼數(shù)據(jù)含義 選擇 功能 端子F01頻率設定0鍵盤面板F02運行操作1由外部端子輸入運行F03最高頻率50Hz輸出最高頻率為50HzE01選擇X1端子SS1接點輸入型號組合E02選擇X2端子SS2E03選擇X3端子SS4選擇各程序步轉速的工作頻率C05第1步運行頻率在上限頻率和下限頻率之間預置C06第2步運行頻率C07第3步運行頻率C08第4步運行頻率C09第5步運行頻率C10第6步運行頻率由表3-5可知, 功能預置分三個步驟:第一步：在基本功能端子中設定操作方式和最高輸出頻率.第二步:在輸入控制端子中選擇若干個端子(此次設計3個即可滿足)作為多檔轉速輸入控制端;第三步:預置各檔轉速的運行頻率。變頻器中所預置的頻率以十進制數(shù)存儲在功能存儲器中，以便在運行時能迅速對應相應頻率。變頻器各程序步運行頻率設置，如表3-6所示：表3-6開關門頻率預置功能碼運行檔頻率預置C05第1步運行20HzC06第2步運行40HzC07第3步運行10HzC08第4步運行20HzC09第5步運行40HzC10第6步運行10Hz3.4.2 程序步的控制特點程序步轉速控制電路如圖3-4所示，說明如下:圖3-4多檔速的PLC控制電路示意圖通過PLC的三個輸出端子Y1Y3的編碼（與表 3-1類似），完成六檔的輸入。本設計共計六個檔，分別為開門三個檔與關門三個檔，開門與關門過程中各改變頻率三次。 3. 5 PLC控制系統(tǒng)硬件及接口電路設計3.5.1 PLC的I/O端口分配表本文電梯門機控制器要實現(xiàn)電梯門的開關控制，同時要求能夠通過PLC的輸出端口進行編碼輸出，作為變頻器的多檔調速輸入端。具體的I/O端口分配如下:表3-7I/O端口分布I/O端口分布表輸入端口輸出端口X001開門按鈕輸入Y001多檔調速輸出X002關門按鈕輸入Y002多檔調速輸出Y003多檔調速輸出Y004正轉開門輸出Y005反轉關門輸出3.5.2 PLC硬件電路設計 1PLC的輸入電路 如圖3-4所示開關X1X2分別用于控制電梯門的開關。2PLC的輸出電路如圖3-4所示, 輸出端Y001、Y002、Y003分別接至變頻器的輸入控制端的X1、X2、X3, 用于控制X1、X2和X3的狀態(tài),從而決定變頻器的輸入狀態(tài)控制程序步調速；Y004Y005分別接至變頻器正轉輸入端(FWD)與反轉輸入端(REV)，控制電機的正反轉，即控制開關門。3.5.3變頻器硬件電路設計圖3-6變頻器硬件電路圖（1）通過PLC的輸出端子Y001Y003接至變頻器的輸入端X1X3來控制變頻器的多檔調速。（2）FWD和REV分別為變頻器的正轉與反轉輸入端，分別接至PLC的輸出端Y005與Y006，用來控制電機的正反轉，即控制門機的開關門。（3）PLC端子為PLC信號電源輸入端,連接PLC輸出信號電源。4、電梯轎廂門機控制系統(tǒng)軟件設計4.1開門關門環(huán)節(jié)4.1.1開門環(huán)節(jié)電梯主要情況：按開門按鈕X1，電梯轎廂門即啟動（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即減速（10HZ），10秒后停止。開門梯形圖如下：4.1.2關門環(huán)節(jié)電梯的關門程序如圖4-3所示，按關門按鈕X2，電梯轎廂門即啟動（20HZ），2秒后即加速（40HZ），6秒后即減速（10HZ），10秒后停止。4.2程序步開關門運行過程在3.4中我們已經知道，開門與關門過程各有三次變頻變速，故電梯轎廂的程序步調速可分為以下兩種情況：1 開門過程調速第一步：按下X1，接到電機正轉指令Y4閉合電機轉動,M1(YOO1)閉合信號接通Y003Y001輸出編碼為001(其中0表示不帶電，1表示帶電，以下同此)，CO5程序步啟動2S后定時器T1時間到常閉T1斷開M1(YOO1)失電復位第一檔結束。第二檔：常開T1閉合M2(Y002)閉合Y003Y001輸出編碼為0106S后定時器T2時間到第二檔結束。第三檔：常開T2閉合M1（YOO1）閉合Y003Y001輸出編碼為01110S后定時器T3時間到常閉T3斷開Y4等全部失電復位第三檔結束。2 關門過程調速第一檔：按下X2,接到電機反轉指令Y5閉合電機轉動,YOO3閉合信號接通Y003Y001輸出編碼為100 2S后定時器T4時間到第一檔結束。第二檔：常開T4閉合M11（Y001）閉合Y003Y001輸出編碼為1016S后定時器T5時間到常閉T5斷開M11（Y001）失電復位第二檔結束。第三檔：常開T5閉合M22(Y002)閉合Y003Y001輸出編碼為11010S后定時器T6時間到常閉T6斷開Y5等全部失電復位第三檔結束。多檔的實現(xiàn)：對于只有三個輸出端子，要借用內部輔助繼電器來實現(xiàn)控制。開關門共計六個檔，將各檔的編碼排列如下：表4-1開關門檔位編碼檔位第一檔第二檔第三檔開門檔001010011關門檔100101110M1、M11中只要有一個接通，則Y001“動作”變頻器的X1端接通;M2、M22中只要有一個接通，則Y002“動作”變頻器的X2端接通;5、總結本論文是針對電梯的門機控制系統(tǒng)進行的研究。詳細地分析了門機運行的過程，指出了系統(tǒng)運行時存在的一些問題，并給出了解決這些問題的具體方法，通過這些方法的實現(xiàn)，較好地完成了對門機的控制，達到了平穩(wěn)、安全、可靠的控制目的。完成了控制電路主要器件及驅動電機的選擇?？刂破骷x用的是當前在電梯控制系統(tǒng)中常用的PLC, PLC控制系統(tǒng)具有運行可靠、使用維修方便、抗干擾性強等優(yōu)點；變頻器選用的是日本富士司生產的通用變頻器FVR-E11S。此種變頻器體積小、功能強、干擾小且性價比較高。速運行時，為減小機械沖擊所采取的分段曲線過程進行了詳細的理論分析。完成了系統(tǒng)運行曲線的設計。針對系統(tǒng)運行的問題給出了門機運行分段的速度變化曲線等，并對門機加/減設計。設計了控制電路、電機的驅動電路、保護電路和檢修電路等。設計中實現(xiàn)了對電機的變頻調速控制，為實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運行加了保護、防夾處理，整體設計簡單，可靠性高。完成了系統(tǒng)軟件的設計，并在實驗臺上通過了實驗仿真。系統(tǒng)軟件多檔調速方式實現(xiàn)電梯門的正常開關門控制中的速度控制。通過以上所述的設計，使得系統(tǒng)在模擬運行狀態(tài)下工作穩(wěn)定可靠，較好地實現(xiàn)了電梯門機系統(tǒng)的控制，基本實現(xiàn)了設計目的。但由于時間問題及個人能力有限，此次設計并不是非常完善,并不清楚具體的負載工作情況。此外，系統(tǒng)中還有很多值得研究的方面，在本文中沒有涉及或涉及的不夠深入，比如對門機是否開關到位可以取消限位開關，采用無位置傳感器來檢測、語音提示等等，這些都是本課題今后的研究方向。參考文獻1李惠升.電梯控制技術M.北京:機械工業(yè)出版社.20032吳國政.電梯原理使用維修M.北京:電子工業(yè)出版社,19993韓安榮.通用變頻器及其應用(第二版)M.北京:機械工業(yè)出版社,20004王整風，謝云敏.可編程控制器原理與實踐教程M.上海：上海交通大學出版社，20075陳家盛.電梯結構原理及安裝維修（第三版）M北京：機械工業(yè)出版社，20066何超.交流變頻調速技術M.北京：北京航空航天大學出版社，20067劉劍,朱德文,梁質林.電梯電氣設計M北京：中國電力出版社，20068曾毅,王效良,吳皓,張朝平.調速控制系統(tǒng)的設計與維護M.濟南：山東科學技術出版社,20029張燕賓.常用變頻器功能手冊M.北京：機械工業(yè)出版社,200410張漢杰,王錫仲,朱學莉.現(xiàn)代電梯控制技術M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,200111富士電機株式會社.FVR-E11S操作說明書.INR-Si47-0535b.12國家技術監(jiān)督局.傳感器圖用圖型符號.GB/T 14479-93.13MITSUBISHI.三菱微型可編程控制器使用手冊.FX2N系列.14何小溪，仲偉峰，張杰。變頻器在電梯門控制中的應用J.電工技術雜志.2001年第六期.附錄A電梯轎廂門控制系統(tǒng)梯形圖附錄B電梯轎廂門控制程序指令表山西職業(yè)技術學院_電氣工程與自動化_系畢業(yè)設計（論文）成績考核表課題： 用PLC和變頻器設計電梯轎廂開關門的控制系統(tǒng) 學生姓名： _專業(yè)： 班級 指導老師： _ _所在單位： 職稱： 畢業(yè)論文（設計）指導教師評語：指導教師_ 年 月 日畢業(yè)論文（設計）審閱教師評語：審閱教師： _審閱時間： 年 月 日答辯組成員：學生答辯情況：答辯意見：答辯小組組長簽名： 年月日畢業(yè)設計（論文）成績1 設計說明書（論文報告） 分總分： _（等級： ）2 答 辯 分3 平 時 成 績 分：系（部）意見年月日學 校 意 見年月日1 、本表填寫一式兩份：一份留系部保存，一份交教務處審查后存入學生檔案。2 、此件需用碳素筆填寫，不能打印。山西職業(yè)技術學院_電氣工程與自動化_系畢業(yè)設計（論文）成績考核表課題： 用PLC和變頻器設計電梯轎廂開關門的控制系統(tǒng) 學生姓名： _專業(yè)： 班級 指導老師： _ _所在單位： 職稱： 畢業(yè)論文（設計）指導教師評語：指導教師_ 年 月 日畢業(yè)論文（設計）審閱教師評語：審閱教師： _審閱時間： 年 月 日答辯組成員：學生答辯情況：答辯意見：答辯小組組長簽名： 年月日畢業(yè)設計（論文）成績1 設計說明書（論文報告） 分總分： _（等級： ）2 答 辯 分3 平 時 成 績 分：系（部）意見年月日學 校 意 見年月日1 、本表填寫一式兩份：一份留系部保存，一份交教務處審查后存入學生檔案。2 、此件需用碳素筆填寫，不能打印。