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李莹正文终稿

第1章电梯概述

1.1电梯的发展史

世界上第一台电梯诞生于1852年，由美国人伊莱沙•格雷夫斯制造。

它以蒸汽机为动力，在1857年被安装在纽约市豪华商厦里。

之后，1889年，电力拖动电梯问世；1903年直流电动机带动的拽引式电梯问世；1971年电梯控制电路中，引入了集成电路；1972年数控电梯问世。

随着微型计算机技术的发展，微处理机系统于1976年用于电梯控制系统。

它不仅降低了电梯的能耗和维修费用，提高了控制系统的可靠性，更便于电梯的适用于管理。

1984年日本推出了用交流电动机变压变频调速拖动系统电梯（VVVF系统），通过电压电流和速度的信号反馈，由计算机对交流电动机进行调节，从而改善电梯的运行效率。

凭借其优越的性能，它终将取代直流调速电梯和交流调速电梯，俨然已成为我国电梯制造的发展方向。

1.2电梯的构造

从总体来讲，电梯由机械系统和控制系统组成。

其机械部分由曳引系统、轿箱和门系统、平衡系统、导向系统以及机械安全保护装置等部分组成；而电气控制部分由电力控制系统、运行逻辑功能控制系统组成。

一、曳引系统：

输出动力和传递动力，是电梯的动力源。

主要由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、电磁制动器等组成。

二、电磁制动器：

是曳引机的制动用抱闸，电机通电时松开，电动机断电时将闸抱紧，使曳引机停止。

三、轿厢：

是电梯的工作部件，用以运送乘客或货物的电梯组件，由轿厢架和轿厢体组成。

四、门系统：

由轿厢门、层门、门锁装置、自动门施动装置等组成。

多数电梯采用封闭式轿门。

门锁装置作用是门关闭后，将门锁紧，同时接通门电连锁电路，使电梯启动机电连锁安全装置。

五、开关门机：

使轿门、层门开启或者关闭的装置。

开关门电动机多采用直流电动机作原动力，并利用改变电枢回路电阻的方法，来调节开关过程中电梯的速度。

为防止电梯在关门过程中将人夹住，常设有关门安全装置，在关门过程中只要受到人或物的阻挡，便会自动退回，常用安全触板达到此目的。

六、安全保护系统：

主要包括限速装置和缓冲器等。

当轿厢超过设计的额定速度，运行于危险状态时，能使轿厢停止运行，同时切断电气控制回路，达到及时停车，保证乘客安全的目的。

1.3电梯的工作原理

曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。

固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。

常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。

轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。

补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。

电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。

指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。

安全装置保证电梯运行安全。

1.4电梯发展趋势

主要表现在两方面：

环保和蓝牙技术。

绿色理念是电梯发展必然趋势。

主要引导方向有：

不断改进产品的设计，生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的电梯。

而控制屏与召唤系统通过蓝牙技术连接起来实现无线召唤将会是电梯控制的另一场革命。

主要由于它会为我们带来巨大的好处。

首先，它将极大地缩短电梯安装耗时，降低安装成本。

其次，在电梯上使用蓝牙技术将会进一步提高电梯整机可靠性，使其在控制精度、运行准确度方面表现更加优越。

最后，此项技术的应用也能够很好地解决电梯控制与外围设备的兼容性，利于实现智能楼宇管理。

第2章PLC简介

2.1PLC的定义

可编程控制器（ProgramLogicControl）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它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、顺序控制、定时、计数与算术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。

总之，PLC是一种自动化控制的专用计算机。

其特点为：

1）PLC在设计和制造上采取了抗干扰措施，输入输出均有光电隔离，可靠性高，适合于安全性要求较高的电梯控制。

2）PLC将处理器、存储器、输入/输出接口等做成一体，使用方便，扩展容易。

3）PLC使用梯形图和专用指令编程，并沿用发展了电气控制的概念和设计思想，对于熟悉电气控制的普通工程技术人员易于学习和掌握。

2.2PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

其工作方式简单概括即：

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

2.3PLC的发展趋势

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其主要表现在：

向高速度、大容量、超大型、超小型等方向发展，此外，智能模块的发展也终将加强PLC联网通信、故障检测与处理能力。

第3章电梯PLC控制系统设计

3.1电梯的基本功能分析

（1）内部部件功能分析

在电梯内部，应该有轿内呼叫按钮、开门、关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。

电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后，又可自动关闭。

而电梯内部控制电梯开、关门的按钮，可以满足乘客在电梯停下时随时控制电梯的开门与关门的需要。

电梯内部的显示灯，主要用来显示电梯当下所处的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯处在楼层的第几层等。

（2）电梯外部部件功能分析

电梯的外部共分五层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯，以及楼层显示器。

呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持为亮。

五层楼电梯中，一层只有上呼叫按钮，五层只有下呼叫按钮，其余三层则同时具有上呼叫和下呼叫按钮。

而各层的上升、下降指示灯以及楼层显示器均相同。

（3）电梯的初始状态、运行中和运行后状态分析

电梯的初始状态：

设电梯位于一层待命，各层显示器都被初始化，电梯状态：

各层呼叫灯均不亮，电梯内部及外部各层电梯门均关闭，各楼层显示器显示均为“1”。

电梯在运行过程中状态：

按下某层呼叫按钮（1-5层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫，开始运行，运行中电梯门始终关闭，各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变，直至电梯上行或下行至该层，响应完成时，门才打开。

在电梯运行过程中，支持其它呼叫。

电梯运行后状态：

在到达指定楼层后，电梯会继续待命，直至新命令产生。

电梯在到达指定楼层后，电梯门会自动打开，经一段延时自动关闭，在此过程中，支持手动开门或关门。

停层时，各楼层显示值为该层所在位置，且上行与下行指示灯均灭。

3.2电梯的主拖动系统分析

采用交流双速异步电动机作为电动机的双速电梯的双速电梯，由于其拖动系统和电气控制系统的结构简单，成本低廉，维修方便。

因此，在1.0m/s以下的低速梯中，仍被广泛使用着。

图4.1电梯主拖动电路

图中L1、L2、L3为三相电源，三相电动机M为控制电梯轿厢上、下行的电动机，由KMu和KMd分别控制电动机正反转从而控制轿厢的上行和下行；Q1为总开关（刀开关），起隔离电源作用；FU为熔断器，起短路和严重过载保护；KAp为热继电器，起过载和断相保护作用。

接触器KMf和KMs分别控制电动机的快速和慢速接法。

快速接法的启动电阻由快速运行接触器KMfr控制切除。

慢速接法的启制动电阻由接触器KMb1和KMb2分两次切除，均按时间原则控制。

3.3PLC控制电梯系统设计分析

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以达到提高生产效率和产品质量之目的。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

1.最大限度地满足被控对象的控制要求。

2.保证PLC控制系统安全可靠（包括正常和不正常情况）。

3.力求简单、经济、使用及维修方便。

3.3.1系统硬件配置

本电梯为交流双速电梯，需要实现如下功能：

轿内指令的登记与清除；厅外召唤指令的登记与清除；自动开关门；楼层指示；自动选向；自动运行；自动换速以及自动平层；应具有各种相应的安全保护以及报警；照明等功能；从安全角度和负载电流大小考虑，PLC控制系统需一定数量的接触器和继电器。

有运行继电器、超载继电器、电压继电器、开门继电器、关门继电器、制动继电器等。

3.3.2计算PLC的I/O点数

输入信号：

（1）内选、外召唤输入请求信号：

内部选层信号5个；功能选择信号检修1个，急停1个，开、关门按钮2个，共4个；外召唤信号除一层只有上召唤、五层只有下召唤外，二至四层均有两个，即1+1+2*4=10，故内选外呼信号总数为：

5+4+10=19。

（2）运行输入控制信号：

上行限位开关1个、下行限位开关1个、光电开关1个、平层信号1个、门联锁信号1个、超载信号1个、手柄开关1个，开门、关门、直驶、紧急制动请求信号及满载、轿内照明开关、报警输入信号等。

输入点数总共约42点。

输出信号：

（1）内选、外召唤指示信号：

全集选方式内选外呼信号数量为五层，层楼厅外召唤显示、轿内选层显示、运行状态指示（此时是检修状态、急停、还是正常运行的上运行、下运行或平层开关门的状态）共19。

（2）楼层指示数码管楼层显示需1个，目的楼层显示需1个。

（3）输出控制信号：

运行继电器、风扇输出、超载继电器、电压继电器、开门继电器、关门继电器、制动继电器、蜂鸣器输出等。

输出信号总共约36点。

即，PLC输入输出总点数约为78。

3.3.3PLC选型

PLC选型是涉及控制系统的首要任务，它决定了控制线路设计、I/O地址分配以及梯形图设计。

在此，处于价钱考虑，采用箱式结构PLC。

存储器采用EPROM，内容可随时修改，而且可长久保存。

鉴于I/O口数约为78，根据经验公式估算得指令步数约为6*78*1.2*1=576，综合考虑，选取三菱公司FX系统产品FX2N-64MR，扩展单元选用FX-32ER。

3.3.4I/O分配表

I/O分配表如下所示。

表4.1输入端口

一层内呼SB1

X01

一层开门到位SQ1

X13

一层到位SQ11

X25

二层内呼SB2

X02

二层开门到位SQ2

X14

二层到位SQ12

X26

三层内呼SB3

X03

三层开门到位SQ3

X15

三层到位SQ13

X27

四层内呼SB4

X04

四层开门到位SQ4

X16

四层到位SQ14

X30

五层内呼SB5

X05

五层开门到位SQ5

X17

五层到位SQ15

X31

一层外呼SB6

X06

一层关门到位SQ6

X20

一层防夹SQ16

X32

二层外呼SB7

X07

二层关门到位SQ7

X21

二层防夹SQ17

X33

三层外呼SB8

X10

三层关门到位SQ8

X22

三层防夹SQ18

X34

四层外呼SB9

X11

四层关门到位SQ9

X23

四层防夹SQ19

X35

五层外呼SB10

X12

五层关门到位SQ10

X24

五层防夹SQ20

X36

表4.2输出端口

运行指示灯L

Y01

五层到位显示L5

Y10

电梯下降输出KM12

Y17

上升显示L6

Y02

一层开门KM1

Y11

一层关门KM6

Y20

下降显示L7

Y03

二层开门KM2

Y12

二层关门KM7

Y21

一层到位显示L1

Y04

三层开门KM3

Y13

三层关门KM8

Y22

二层到位显示L2

Y05

四层开门KM4

Y14

四层关门KM9

Y23

三层到位显示L3

Y06

五层开门KM5

Y15

五层关门KM10

Y24

四层到位显示L4

Y07

电梯上升输出KM11

Y16

3.3.5硬件接线图

硬件接线图如图4.2所示：

图4.2硬件接线图

3.3.6PLC部分程序梯形图

（见附录）

3.4梯形图原理分析

电梯要求实现的控制较多，梯形图较长，为容易理解，方便设计，下面以电梯相应控制功能实现为划分依据，对梯形图设计原理进行分析。

一、电梯运行方向控制程序分析

图图4.3运行方向控制

如图4.3所示，使用CMPD1D2M100指令，其中D1用于存放呼叫楼层位置，D2存放当前楼层位置，比较D1、D2里面的数值，以比较结果指挥电梯动作。

D1

电梯在上，呼叫在下，电梯此时应该下降；D1>D2：

电梯在下，呼叫在上，电梯此时应该上升；D1=D2：

电梯与呼叫在同一位置。

据此，即可根据不同的楼层位置确定不同的运行状态。

二、电梯呼叫信号及位置判断程序分析

如图4.4，根据不同的按钮动作把呼叫信号转换成数值存入寄存器D1里面。

当第一层呼叫时，就把常数1放在D1里面；当第二层呼叫时，就把常数2放在D1里面，以此类推，D1中存放的值还可为3、4、5。

电梯位置信号通过传感器送到寄存器D2里面去。

如果在第一层，把常数1赋给D2；如果在第二层，把常数2赋给D2……如果在第五层，把常数5赋给D2。

图4.4呼叫信号处理

三、电梯楼层显示程序分析

如图4.5所示，利用五个层限开关进行判断：

当一层到位开关SQ11触发时，一层指示灯Y004亮；当二层到位开关SQ12触发时，二层指示灯Y005亮……当五层到位开关SQ15触发时，五层指示灯Y010亮。

图4.5楼层显示程序

四、电梯开关门程序分析

当电梯到位后，延时0.5秒，根据当前的楼层驱动相应的门进行开门动作。

开门到位后再延时1秒进行关门。

如果在关门过程中检测到有障碍，立即停止关门动作，继续重新开门。

3.5系统的调试与运行

1）按下呼叫按钮，电梯在检测到门厅或轿箱的召唤信号后，便会上升到指定楼层。

上升过程中，只执行上行信号，向下信号无效，反之亦然！

2）电梯开始起动，通过变频器驱动电机拖动轿箱运动。

轿箱运动速度由低速转变为高速，并以高速运行至恰当位置。

3）当电梯检测到目标层减速点后，电梯进入减速状态，由高速变为低速，并以低速运行至平层点停止。

4）平层后，经过一定延时开门，直至碰到开门到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到安全触板开关动作。

心得体会

通过我们的努力，我们终于利用PLC设计出了一种信号集选控制的电梯模型。

该系统控制采用随机逻辑控制，即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。

另外，轿厢的位置是由相应的行程开关和限位开关检测，综合得出，安全可靠。

同时，实现了电梯的运行方向以及电梯所在的楼层状态显示，便于使用者了解电梯运行情况。

但，由于时间仓促，加上本人能力有限，此设计存在的缺点是其为单一呼叫响应的电梯，即在一个动作没有完成前不响应其他呼叫。

然而，在现实生活中，通常可以相应多个呼叫，这将是我们今后研究的方向。

参考文献

（1）陈立定.电气控制与可编程控制器.广州：

华南理工大学出版社,200l

（2）刘载文.电梯控制技术.北京:

电子工业出版社,1996

（3）孟红军.三菱变频调速器FR-A500使用手册,2004

（4）孙景之.楼宇电气控制.北京：

中国建筑工业出版社，2004

（5）杨雨松.中文版电气制图教程.北京：

化学工业出版社，2009

附录

程序梯形图：

指令表：