基于PLC的雙速電機電梯控制系統(tǒng)設計

基于PLC的雙速電機電梯控制系統(tǒng)設計電梯系統(tǒng)的總體控制方案電梯是現(xiàn)代高層建筑中必不可少的起重運輸設備，本設計是采用PLC控制實現(xiàn)電梯運行中的各項控制要求。壓縮模型是一個五層的客貨兩用電梯，采用交流伺服電動機作為拖動動力源，通過交流伺服電動機的正反轉實現(xiàn)轎廂的上下運行。每一樓層均設有平層開關、上下行喚起信號按鈕并設置有轎廂沖頂、沖底保護行程開關。運行中，轎廂開門，關門狀態(tài)有不同的LED顯示并采用七段LED數(shù)碼管實現(xiàn)樓層顯示。電梯模型與主控制器之間采用接插件連接。電梯運行狀態(tài)由三檔位鑰匙開關實現(xiàn)，有司機，無司機或檢修選擇并能按下消防按鈕使電梯進入消防狀態(tài)。整個電梯運行程序可分為以下幾個階段：確定運行狀態(tài)確定運行方向自動關門起動運行停站自動開門本設計的電梯控制系統(tǒng)的要求如下：有司機，無司機或檢修工作狀態(tài)的要求以上三種狀態(tài)可以通過三位鑰匙開關選擇以實現(xiàn)各自的控制要求。其主要區(qū)別是在有司機工作狀態(tài)下通過上、下行啟動按鈕來控制電梯。而在無司機狀態(tài)下電梯開門后約4—6s自動開門，無需按鈕動作。在檢修狀態(tài)可以通過按鈕實現(xiàn)電動開、關門。按下帶鎖消防按鈕，電梯進入消防工作狀態(tài)。按下超載保護按鈕或緊停按鈕電梯便進入超載保護狀態(tài)或啟用急停保護功能。自動定向要求在有、無司機狀態(tài)利用第一登記指令或召喚信號所指層樓數(shù)N〔指〕或N〔召〕與轎廂所處的層數(shù)N，〔轎〕進展比擬，以此確定電梯當前的運行方向。假設N〉N，則電梯上行，反之則下行。在有司機狀態(tài)下，指令信號有優(yōu)先權，即當電梯停站時，從電梯自動開門開場到自動關門完畢前，指令信號優(yōu)先于召喚信號，在這段時間內，召喚信號不參與定向控制。轎廂開門、關門要求電梯平層以后按下開門或關門按鈕電梯自動開關門，如果無人按鈕在延時一段時間后電梯自動開關門。層樓控制要求通過層樓行程開關能反映并控制轎廂所處的層樓位，可采用七段數(shù)碼管來顯示。啟動運行控制要求〔1〕有司機工作狀態(tài)：在電梯確定運行方向后，按下運行方向按鈕電梯便按程序自動關門啟動運行，同時顯示其運行狀態(tài)?！?〕無司機工作狀態(tài)：在確定運行方向后，只要門已關閉電梯便自動運行并顯示，無需按方向按鈕?！?〕檢修工作狀態(tài)：轎廂上下行只能通過上下行按鈕點動完成，同時轎廂可以在任何位置停留。停站控制要求〔1〕指令信號停站：電梯運行中，當?shù)竭_已登記層樓時，該層樓行程開關動作并起作用，電梯就立即停站。〔2〕召喚信號停站：電梯上行時，順向召喚信號從低到高逐一停站，而與運行相反的向下召喚信號登記并保存，在完成上行最后一個指令或召喚信號后，電梯下行并按已登記的下行信號從高到低逐一停站。反向召喚信號停站的處理原則是：只出現(xiàn)一個反向召喚信號，如電梯停在基站，三樓有召喚下行則電梯能在三樓停站。如果有多個反向召喚信號則最遠反向召喚信號可以停站，其他信號被登記保存，在電梯反向運行中逐一執(zhí)行⑷。指令信號的登記與消除要求指令信號的登記：當按下除停站外的*層樓按鈕時，此指令信號被登記。指令信號的消除：電梯運行并到達*層樓，該層指令信號消除。召喚信號的登記與消除要求召喚信號的登記：當按下除停站外*層樓召喚按鈕時，此信號應被登記。召喚信號的消除：當電梯到達*層樓時，該層與電梯運行方向一致的登記信號即被消除。指令專用功能在有司機工作狀態(tài)下，按下指令專用按鈕，電梯不應答召喚信號，電梯只能根據(jù)指令信號停站，但召喚信號被登記。消防工作狀態(tài)功能當按下消防工作狀態(tài)按鈕，電梯立即去除所有指令和召喚信號，立即關門返回基站，到達基站后恢復指令功能。超載保護功能按下此按鈕，表示電梯超載，轎廂制止關門并不能運行，同時超載指示燈亮，直至超載消除方能正常運行。緊停功能當電梯出現(xiàn)意外故障時，如轎廂沖頂或沖底，該停站未停站時，管理人員應立即按此按鈕使電梯停頓運行。交流雙速電機交流電動機具有構造緊湊、維護簡單的特點。雙速交流電動機拖動系統(tǒng)采用開環(huán)方式控制，線路簡單，價格較低，因此目前仍在電梯上經常使用。交流電動機的調速方法主要是通過改變極對數(shù)的不同而得到不同的速度。由電機學原理可知，對于交流感應電動機的轉速公式如下:n6°孔1s)〔3.1〕p式中：n交流感應電動機的同步轉速〔r/mi〕；f交流感應電動機定子供電頻率〔1/s〕；1p交流感應電動機的磁極對數(shù)；s——轉差率。從上式可見，改變磁極數(shù)就可以改變電動機的轉速。電梯用的交流電動機有單速、雙速及三速；雙速的磁極對數(shù)一般為：4級和16極，6極和24極，少數(shù)也有4極和24極或6極和36極血圖3.1為4/2極的雙速異步電動機定子繞組接線示意圖。圖〔a〕將電動機定子繞組的U1、V1、W1三個接線端接三相交流電源，而將定子繞組的U2、V2、W2三個接線端懸空，三相定子繞組接成三角形。此時每相繞組中的①、②線圈串聯(lián)，電流方向如圖〔a〕中箭頭所示，電動機以四極運行為低速。假設將電動機定子繞組的三個接線端子U1、V1、W1連在一起，而將U2、V2、W2接三相交流電流，則原來三相定子繞組的三角形線即變?yōu)殡p星形接線，此時每相繞組的①、②r?<—U1線圈相互并聯(lián)，電流方向如圖〔b〕中箭頭所示，于是電動機便以兩r?<—U1(b)雙星形接線圖3.14/極雙速電動機三相定子繞組接線示意圖圖3.2所示是交流雙速電梯的一種拖動線路，該電路采用一級串聯(lián)電抗啟動，二級電阻電抗減速。圖3.2交流雙速電梯電機的主電路圖中交流雙速電機電梯主電路的工作原理如下：啟動時，串入電抗*Q，進展降壓啟動；經一段時間后，1C接觸器接通，電動機轉入固有特性運轉。減速時，KC斷開，MC接通，慢速繞組串入阻抗*J和電阻R運行，延時一定時間后，2C接通，短接R，電動機串入電抗*J運行；再延時一段時間后，3C接通，電動機慢速運行，直到$?；?斷開，電動機停頓運轉。電梯系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)的電氣控制線路電梯的控制線路主要有：轎內指令線路、門廳召喚線路、定向選層線路、啟動運行線路、平層線路、指層線路、開關門線路、平安保護線路。這些線路之間的關系如圖5.1所示。圖5.1交流雙速電梯電氣控制線路的組成框圖用這些控制線路可以構成各種運行方式：有司機/無司機控制、集選運行、下行集選運行、消防運行、并聯(lián)運行、檢修運行等。硬件選擇PLC的選型PLC的種類非常繁多，不同種類之間的功能設置差異很大，這既給PLC機型的挑選提供了十分廣闊的空間，同時也帶來了一定的難度。機型選擇的根本原則應是在功能滿足要求的前提下，力爭最好的性價比，并有一定的升級空間?？紤]到本次設計的電梯系統(tǒng)只有4層，且開關量居多，模擬量較少；對于開關量控制為主的系統(tǒng)而言，一般PLC的響應速度足以滿足控制的要求，在小型PLC中整體式比模塊式的價格廉價，體積也小，但是在設計活動中，經常碰到一些估計的指標，在設計活動中需要進展局部調整，另外模塊式PLC排除故障所需時間短；我們估算輸入輸出接比擬多；由于考慮到本次設計的電梯系統(tǒng)只有4層，考慮到工廠造價，我們采用離線編程的方式，以減小軟硬件的開銷。根據(jù)PLCI/（節(jié)點使用原則，即留出20%---30%的【/。點以做擴展時使用，4層電梯有32個輸入信號，27個輸出信號，為節(jié)省費用，到達預期的效果，本系統(tǒng)選用PLC型號為三菱F*2——128MR，這種機型的I/O點數(shù)分別為64,其編輯指令超過10條，有20步的程序內存，并配有相應的編程軟件MEDOC，不但可通過手持編輯器對其編輯，而且還可以通過計算機對其進展編輯。F*2系列是三菱公司1991年推出的一種整體式和模塊式相結合的疊裝式小型PC，它的執(zhí)行速度為0.48us步，其編程指令超過1條，有2K步RAM的程序容量。編程設備有手執(zhí)式簡易編程〔F*-20P-E〕，圖形編程器〔GP-80E*-E〕。此外，還有利用編程軟件MELSEC-MEDOC，F(xiàn)*MING在個人計算機上進展編程。電機選型大量應用于電梯的是雙速電動機，分為雙速雙繞組鼠籠式或線繞式感應電動機兩種。鼠籠式電機目前較多地使用于額定速度不大于1m/s的國產雙速電梯上。這種電動機在定子每一槽內放兩個獨立繞組極數(shù)為4/16或6/24,速比為4:1,適用于0.5~1m/s的電梯。雙速雙繞組繞線式感應電動機，除了定子繞組外，轉子中也嵌入高速繞組和低速繞組，通過整流子與外部電阻相連。這種構造的電機在降低發(fā)熱和提高效率方面均優(yōu)于鼠籠式電機，但相對的本錢也高。曳引電機的型號，根據(jù)電梯設計目標來選擇，轎廂載重量為10—15kg,運行速度在1m/s以下?？紤]到本錢的問題，本設計采用YTD—225S型鼠籠式電機，額定功率為15/3.5kW,轉速為15/375,由接于輸出端Y、Y01的開關門接觸器線圈KM1、KM2得失電對電機MD進展控制，實現(xiàn)電梯的開關門過程。內存容量估計用戶的程序和數(shù)據(jù)都保存在內存之中，對所需的內存容量要有一個估算，估計的太小則會造成編程和使用的困難，估計得太大又會浪費資源。我們一般會從下面幾個因數(shù)來估計內存大小：內存利用率：所謂內存利用率，就是一個程序段中的節(jié)點數(shù)與存放該程序段所代表的機器碼所需內存字數(shù)的比值。對于同一個程序而言，高利用率可以降低內存的使用量，還可以縮短掃描時間，提高系統(tǒng)的響應速度。開關量輸入和輸出的點數(shù)：一般系統(tǒng)中，開關量輸入與輸出的比為6：4,根據(jù)經歷公式，可以算出所需內存的字數(shù)：所需內存字數(shù)=開關量〔輸入+輸出〕總點數(shù)*10=590模擬量輸入和輸出的點數(shù)：對于模擬量的處理需要用到數(shù)字傳送和運算的功能，這局部指令的內存利用率比擬低，因此需要更多的內存容量。下面是一般情況下的經歷計算公式：只有模擬量輸入時：內存字數(shù)=模擬量點數(shù)*1=4模擬量輸入/輸出共存時：內存字數(shù)=模擬量點數(shù)*2=8所占內存約為40KB，但是考慮到實際情況，在本系統(tǒng)控制過程中不存在此種情況。程序編程質量：由于本人是初學者，缺乏實踐經歷，以及對機器和編程語言掌握不深，寫出來的程序比擬冗長，因此在選內存容量時，我多留了些容量。由此，估算為10余條程序，而F*2---128MR編輯指令超過10條，有20步的程序內存，根本上滿足了要求，PLC選型正確。輸入輸出模塊和電源的選：PLC輸入模塊的功能主要是檢測來自現(xiàn)場設備的輸入信號，并將其轉換成PLC內部可處理的電平信號。輸入模塊的類型選用交流形式的，由于信號的傳送距離比擬近，信號選用低電壓形式，低壓又分為5v,12v,24v,6（和68v,從可靠性角度考慮，我選用24v作為電平信號電壓。PLC輸出模塊的功能主要是將內部輸出電平，在輸出前轉換為可匹配外部負載設備的控制信號。晶閘管輸出模塊比擬適合于開關頻率高，電感性和低功率因數(shù)的負載設備，其缺點是價格高，過載能力差。而繼電器輸出模塊的優(yōu)點是使用電壓*圍寬，導通壓降損失小，并且價格較低，但是它的壽命不長，而且響應速度慢，達不到我們設計的控制系統(tǒng)反響速度的要求，因此我們選用晶閘管輸出模塊。電梯系統(tǒng)的曳引電機的工作電壓選用交流220v,轎箱門開關控制電機的工作電壓我們選用交流220v，指示燈工作電壓都選用24v。電梯系統(tǒng)的軟件設計電梯控制系統(tǒng)的要求本設計中電梯控制系統(tǒng)的要求如下：電梯運行到位后具有自動和手動開、關門的功能。利用指示燈顯示廳外呼叫信號、廳內指令信號和電梯到達樓層信號。能自動判別電梯運行方向，并發(fā)出響應呼叫的指示信號。電梯能在一定條件下進展起動、加速和換速。具有故障和斷電時自動抱閘保護、門鎖防夾保護、手動自動報警功能。地址分配表5.1確定I/O接點數(shù)及地址分配表輸入編號輸入名稱輸出編號輸知名稱*0手動開門按鈕Y0開門輸出*1手動關門按鈕Y1關門輸出*2開門行程開關Y2上行接觸器*3關門行程開關Y3下行接觸器*4有/無司機操作方式轉換開關Y4快速接觸器*5上平層感應器觸點Y5慢速接觸器*6門區(qū)感應器觸點Y6上行方向指示燈*7下平層感應器觸點Y7下行方向指示燈*010轎內五層指令按鈕Y010轎內五層指示燈*011轎內四層指令按鈕內四層指示燈Y011轎*012轎內三層指令按鈕內三層指示燈Y012轎*013轎內二層指令按鈕內二層指示燈Y013轎*014轎內一層指令按鈕內一層指示燈Y014轎*015門廳四層上召喚按鈕廳四層上召喚指示燈Y015門表5.1確定I/O接點數(shù)及地址分配表〔續(xù)表〕輸入編號輸入名稱輸知名稱輸出編號*016門廳三層上召喚按鈕三層上召喚指示燈Y016門廳*017門廳二層上召喚按鈕二層上召喚指示燈Y017門廳*020門廳一層上召喚按鈕一層上召喚指示燈Y020門廳*021門廳五層下召喚按鈕Y021門廳五層下召喚指示燈-*022門廳四層下召喚按鈕Y022門廳四層下召喚指示燈*023門廳三層下召喚按鈕Y023門廳三層下召喚指示燈*024門廳二層下召喚按鈕Y024門廳二層下召喚指示燈*025五樓上行樓層感應觸點Y025門廳五層指示燈*026四樓上行樓層感應觸點Y026門廳四層指示燈*027三樓上行樓層感應觸點Y027門廳三層指示燈*030二樓上行樓層感應觸點Y030門廳二層指示燈*031一樓上行樓層感應觸點Y031門廳一層指示燈*032五樓下行樓層感應觸點Y034超載報警*033四樓下行樓層感應觸點*034三樓下行樓層感應觸點*035二樓下行樓層感應觸點*036一樓下行樓層感應觸點*037超載信號輸入*040上強迫換速開關*041下強迫換速開關*042司機上行選擇按鈕*043司機下行選擇按鈕所用輔助繼電器和時間繼電器編號分配如下表:表5.2輔助繼電器和時間繼電器編號及地址分配表編號名稱名稱編號M1—M1045—1層樓層感應中間繼電器M135門鎖中間繼電器M112—M1165—1層指層中間繼電器M140上平層感應中間繼電器M123—M1265—2層向下召喚中間繼電器M141門區(qū)感應中間繼電器M105—M1115—1轎內指令中間繼電器M142下平層感應中間繼電器M117—M1224—1層向上召喚中間繼電器M143快速運行中間繼電器M130上行中間繼電器M144換速消除中間繼電器M131下行中間繼電器T03s延時M132司機上行中間繼電器T15s延時M133司機下行中間繼電器T2快速運行斷開延時K4s延時M134換速中間繼電器電梯控制的程序設計〔一〕程序設計思路所設計的電梯模型共四層，電梯的每一層均有電梯升降指示燈，每層的摟廳均設有按鈕召喚電梯；電梯內部設有按鈕以便乘客選擇要到達的樓層，還設有開關門按鈕，方便乘客進出電梯。工作中的電梯控制系統(tǒng)的主要任務是對各種呼梯信號和當前電梯運行狀態(tài)進展綜合分析，再確定下一個工作狀態(tài)。為實現(xiàn)電梯自動控制，要求控制系統(tǒng)具有自動定向，順向截梯，反向保號，外呼指令記憶，停梯銷號，自動開關門，自動報警，手動開關門，到層指示功能等。〔二〕主要程序設計流程圖圖五：開關門程序流程圖開關門程序流程簡介：當停層信號到達時，電梯停層，門電機正轉，轎箱門翻開，系統(tǒng)等待開門到位信號到達，承受到信號后，箱門保持翻開延時狀態(tài)；開門延時完畢后電梯開場關門，首先判斷有無紅外信號，假設有，電梯延時2秒，沒有信號則繼續(xù)關門，直到關門到位，然后響應接下來的信號。主程序流程圖簡要介紹：電梯系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先判斷，電梯處于哪個樓層，假設電梯處于一樓，然后判斷電梯是否有向上召喚信號，假設有響應信號，假設沒有，則保持電梯門關閉狀態(tài)。當電梯處于二樓時，首先判斷電梯處于上升狀態(tài)還是下降狀態(tài)，假設處于上升狀態(tài)時，記憶向下呼叫信號，響應上升信號；假設電梯處于下降狀態(tài)時，它將記憶向上呼叫的信號，響應向下呼叫的信號；假設無呼叫信號存在，電梯則將保持門畢狀態(tài)。當電梯處于三樓時，首先判斷電梯處于上升狀態(tài)還是下降狀態(tài)，假設處于上升狀態(tài)時，記憶向下呼叫信號，響應上升信號；假設電梯處于下降狀態(tài)時，它將記憶向上呼叫的信號，響應向下呼叫的信號；假設無呼叫信號存在，電梯則將保持門畢狀態(tài)。當電梯處于四樓時，首先判斷有無向下呼叫信號；有向上呼叫信號，向上運行燈亮；沒有電梯將保持門畢狀態(tài)。圖六：主程序簡易圖根據(jù)電梯控制要求，將電梯控制程序分成以下八局部。電梯啟動控制電梯通常以快速啟動，而在減速時斷開快速繞組，接入慢速繞組。設置中間繼電器M143來控制快速接觸器。電梯啟動控制的梯形圖如下列圖所示，圖中M135為門鎖繼電器的常開接點，保證門關好前方能啟動。*040和*041分別為上、下強迫換速輸入繼電器，M130和M131分別為上行和下行繼電器的常開接點，Y4和Y5為快速和慢速接觸器°M134為換速繼電器，當M134接通時，中間繼電器M143斷電，輸出線圈Y4斷電，接通慢速接觸器Y5,電動機慢速運行。圖5.1電梯啟動控制梯形圖電梯開關門動控制*0代表手動開門按鈕，當電梯運行到位后，閉合*0，使輸出線圈Y0有效，從而驅動開門接觸器，電梯門被翻開，直至門開到位，開門行程開關動作，即*2常閉觸點斷開，開門過程才完畢。實現(xiàn)自動開門時，電梯減速運行到平層位置。時間繼電器T0開場計時，計時到3秒時，T0輸出線圈有效，從而翻開電梯門。當按下關門按鈕時，觸點*1閉合，輸出線圈Y1有效，從而驅動關門接觸器，關閉電梯門。自動關門則借助于時間繼電器T1，開門到位后經過5秒鐘延時,使T1的觸點閉合，實現(xiàn)自動關門。圖5.2電梯開關門控制梯形圖電梯換速控制電梯通常以快速啟動，而在減速時斷開快速繞組，接入慢速繞組。當電梯將要到達需要停頓的樓層時，應發(fā)出換速信號，斷開快速繼電器，接通慢速繼電器，然后制動。當電梯到達頂層或底層時，無論有無轎內指令都必須換速。M144為換速消除繼電器。當電梯離開任一樓層時，M144接通，斷開M134，這時電梯高速運行。M130、M131常閉接點支路為無方向換速控制，防止由于人為或其它原因使M105~M111全部斷開時，電梯進入換速狀態(tài)，以便在最近樓層平層停頓。圖5.3電梯換速控制梯形圖電梯平層控制電梯平層控制的梯形圖中*5、*6、*7分別為上平層感應輸入繼電器、門區(qū)感應輸入繼電器和下平層感應輸入繼電器。其工作原理為：如果電梯上行超越平層位置，SPG離開隔離板，使*5、M140斷開，這時Y3由Y4、M140、M143和Y2的常閉接點和M142的常開接點而接通，電梯反向平層，直至M140接通。電梯位于平層位置后，M140、M141和M142均接通，Y2和Y3均斷開，進展抱閘。T2為延時斷開時間繼電器，用于快速運行斷開時的延時，保護電機繞組。圖5.4電梯平層控制梯形圖電梯的選向控制改變電梯的運行方向，實際上就是改變電動機的旋轉方向。要改變三相感應電動機的旋轉方向，只要將其中任意二相電相序交換即可。根據(jù)這一原理，電動機的正反轉控制線路如圖6.5所示，上行接觸器SC接通時，電動機正轉；而當*C接通時，B、C兩相對換，電動機反轉。圖5.5電梯正反轉控制梯形圖無論是直流電梯還是交流電梯，都可以通過接通上、下行接觸器來改變電梯的運行方向，選向控制的梯形圖如下。輸入觸點*042、*043分別為司機控制的上行選向按鈕、下行選向按鈕，輸出線圈Y2、Y3分別控制電梯上行接觸器S