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电梯

摘要

电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具，是人类物质文明发展的宏观表现。

除了高层建筑需要智能电梯外，服务性和生产性的部门同样需要服务电梯和载货电梯。

所以本课题的选取是依据人们对电梯发展的需要。

本论文在综述了电梯系统的组成和工作原理的基础上,对电梯控制系统进行了总体方案论证与设计。

在论文中我介绍了一种VVVF的电梯控制系统，对于电梯的调速系统我采用了闭环调速，并对硬件电路的主要部分分别进行了详细设计,包括PLC控制部分,变频器,主电路和门电路等。

同时对系统软件进行了总体规划,并逐一进行了编程。

从而设计了电梯的软件系统和硬件系统，在理论上实现了电梯的智能控制。

关键词：

可编程控制器（PLC）；电梯控制；变频器

Abstract

Theelevatorisdevelopedwiththeconstructionofhigharchitectureofverticaltransportationtools.Italsoisthehumanitymaterialcivilizationdevelopmentmacroscopicperformance.Itneedstheintelligentelevatorbesidesthehigh-riseconstruction,ministrantandtheproductiondepartmentneedstoservesimilarlytheelevatorandtheshipmentelevator.Thereforethistopicselectionisrestsonthepeopletotheelevatorneedtodevelop.

Thepapersummarizedtheelevatorsystemcompositionandintheprincipleofworkfoundation,Ithascarriedontheoverallconceptproofandthedesigntotheelevatorcontrolsystem.IintroducedinthepaperonekindofVVVFelevatorcontrolsystem,Ihasusedtheclosedloopvelocitymodulationregardingtheelevatorvelocitymodulationsystem,andhascarriedonthedetaileddesignseparatelytothehardwareelectriccircuitmainpart,includingPLCcontrolsection,frequencychanger,maincircuitandgateandsoon.Meanwhile,Ithascarriedontheoverallplantothesystemsoftware,andhascarriedontheprogrammingonebyone.Thushasdesignedtheelevatorsoftwaresystemandthehardwaresystem,theoreticallyhasrealizedtheelevatorintelligentcontrol.

Keywords:

PLC;elevatorcontrol;transducer

目录

1绪论1

1.1电梯发展1

1.2电梯的分类3

1.2.1按用途分类3

1.2.2按速度分类3

1.2.3按曳引机的供电电源分类3

1.2.4按驱动方式分类4

1.2.5按控制方式分类4

1.3本章小结4

2电梯系统综述5

2.1电梯的基本结构5

2.1.1曳引系统5

2.1.2轿厢和门系统6

2.1.3重量平衡系统7

2.1.4导向系统7

2.1.5安全保护系统7

2.2电梯的控制方式9

2.2.1继电器控制方式9

2.2.2可编程控制器式电梯控制系统10

2.2.3微机控制式电梯控制系统10

2.2.4比较总结11

2.3本电梯控制系统实现的主要功能11

2.3.1电梯的基本功能11

2.3.2电梯内部功能简介11

2.3.3电梯外部功能简介11

2.3.4电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析12

2.3.5实际运行中的情况12

2.4速度给定曲线13

2.5本章小结14

3系统总体设计15

3.1系统的总体要求15

3.2系统总体方案的确定15

3.2.1调速方案的选择15

3.2.2闭环及方案的选择16

3.3系统基本原理16

3.4本章小结17

4主要硬件的使用说明18

4.1可编程控制器（PLC）18

4.1.1PLC的特点18

4.1.2PLC主要功能19

4.2可编程控制器的基本原理20

4.2.1主要逻辑部件20

4.2.2PLC内部硬件组成21

4.2.3PLC工作过程的特点22

4.2.4PLC对输出的处理原则23

4.3变频器23

4.3.1异步电动机的变频调速原理23

4.3.2变频器的工作原理25

4.4本章小结26

5系统硬件设计27

5.1电梯的原始参数27

5.2电梯拖动部分设计27

5.2.1组成28

5.2.2速度闭环的实现28

5.2.3调速系统电路原理29

5.3门电路设计29

5.3.1电梯的开关门过程29

5.3.2门电路设计30

5.4辅助电源的设计31

5.5照明电路的设计32

5.5.1普通照明电源回路设计33

5.5.2应急照明电源设计34

5.6本章小结34

6系统软件设计35

6.1PLC机型选择35

6.1.1系统的输入输出分析35

6.1.2PLC机型选择35

6.2I/O地址分配36

6.3门控程序设计39

6.4厅、轿内外上下呼唤及楼层显示程序设计40

6.4.1轿、厅内外上、下呼唤显示40

6.4.2楼层显示程序设计41

6.5电梯定向及选择控制程序设计42

6.6曵引机控制程序设计43

6.7消防、报警程序设计45

6.8本章小结45

7结论46

参考文献47

致谢48

1绪论

1.1电梯发展

电梯是一种垂直运输设备，现已广泛应用于建筑设备和工矿企业，是城市物质文明的标志之一。

电梯拖动技术从直流电动机驱动，到交流单速、交流双速电动机驱动，再到交流调压调速（ACVV）控制、交流调压调频调速（VVVF）控制，使得控制技术不断成熟，加之电子技术、计算机技术、自动控制技术在电梯中的广泛应用，使电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、减小噪声等方面都有了极大的改善。

随着科学技术的不断进步，电梯工业生产水平得到了不断的提高，产品结构也有很大的改进。

一些传感元件（如速度测定、平层精度测定及各种保护装置）的使用都进一步完善和提高了电梯的基本功能。

1970年以后，大规模集成电路在电梯控制系统中投入使用以后，除了使电梯控制系统的可靠性、运行稳定性改善外，还是设备体积（尤其是控制柜体积）大大缩小，功能不断完善，性能不断提高，维护更加方便。

如纽约前世界贸易中心110层双塔内安装的运行速度为8m/s的电梯，使用了200多种6000多块大规模集成电路。

1971年，固态电机驱动系统第一次取代了电梯传动使用的直流发电机组。

20世纪70年代是微型计算机普及应用并蓬勃发展的年代，随着晶闸管和半导体电子技术在电梯上的广泛应用，特别是1973年以来对交流反馈控制技术的开发，电梯控制柜的控制电路逐渐从模拟电路向数字电路发展，显著提高了电梯的可靠性和运行精度。

20世纪80年代，大功率晶体管模块的问世以及微机和数字调节器技术的不断成熟，人们通过调节脉冲宽度来调节电子逆变器，实现对电梯中交流电动机的调压调频（VVVF），达到现行调速的目的。

自80年代初期，VVVF控制的电梯先后有美国奥蒂斯、日本三菱、东芝、日立等电梯公司县级开发并推向市场。

VVVF拖动系统的许多技术、经济指标，明显优于其他电梯控制系统。

自电梯控制方面，特别是电梯群控技术，近年来已采用人工智能技术来提高对电梯的控制水平，缩短乘客等候时间，合理分配电梯布局，使多台电梯分别执行任务。

人们需要提高电梯运行效率，改善电梯的舒适感，节能降耗等，高性能16位、32位的微处理器使这些愿望都能够轻而易举的得到实现。

随着现代建筑物楼层不断提高，电梯的运行速度、载重量也在提高。

世界上最高电梯速度已达到16m/s。

单从人体对加速度的适应能力和实际使用电梯停层的高度考虑，最好将电梯最高运行速度限制在10m/s以下。

目前为适应无机房建筑物的需要，无机房电梯已经问世，它无需建造普通意义上的机房，对井道顶层楼板及井道并电梯相仿。

这样既节约了机房的建造费用，又提高了井道上方的利用率。

从这种意义上讲，使井道的可利用空间得以延伸。

曳引机将电动机、曳引机、制动器融为一体，安装在电梯井道的上方导轨上。

我国电梯事业起步较晚，但发展较快。

1952-1954年先后在上海、天津、沈阳建立了三家电梯制造厂，并先后成立有关科研单位，独立自主制造各类电梯产品如交流货梯、客梯等。

用国产的电梯产品装备了人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。

20世纪60年代开始批量生产自动扶梯和自动人行道，并装备了首都（自动人行道）、北京地铁车站（自动扶梯）等标志性建筑。

随着我国改革开放的深入，电梯行业吸引和引进了国外先进的电梯技术、先进的电梯制造工艺与设备、先进的科学管理,使我国电梯工业取得了巨大发展。

产品连续多年成倍增长，产品质量和整机性能明显提高。

为了进一步推动和发展电梯工业，上海、北京、天津、广州等地先后建立里中外合资的电梯制造公司，使电梯的控制和驱动技术达到了国际先进水平，向市场推出了一批耗能小、效率高、速度快、平层和舒适感好的交流调速电梯、直流高速电梯（包括机群控制电梯）。

为了进一步提高和控制产品质量，近年来颁布了一批具有国际水平的电梯制造等标准，使各制造厂家用新标准去更新、设计电梯产品，加强管理，促进电梯工业的发展。

在控制技术方面，从手柄开关发展到按钮信号控制、集选控制及多台电梯机群管理控制；从继电器—接触器的信号或集选控制导计算机（电脑）控制；从调压导调频调速控制系统等。

微处理器在电梯控制系统中得到了广泛应用，代替了传统的数量众多的继电器、接触器控制系统。

微电脑电梯的特点是运行可靠、故障率低、耗能少；控制屏体积小，从而使机房的面积可相应减小；设备投资费减少；维修方便。

调频调压的交流调速高速电梯也有了发展。

为了提高电梯运行的性能，在碱和驱动系统的前提下，推出了交流感应电动机和低转速直流电动机，以便适应电梯的四象限运行工作状态的需要，由此提高了电梯运行的平稳性，使乘坐电梯的舒适感更好。

1.2电梯的分类

1.2.1按用途分类

1.乘客电梯：

为运送乘客而设计的电梯，主要用语宾馆、饭店、办公楼、大型商店等客流量较大的场合，这类电梯为了提高运送效率，其运行速度较快，自动化程度较高，轿箱的尺寸和结构形式多为宽度大于深度。

而且安全设施齐全。

2.载货电梯：

为运送货物而设计，运行速度较低，主要用于两层楼上的车间和各类仓库等场合。

3.病床电梯：

为运送病人而设计的电梯。

4.杂物电梯：

供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等，并不允许人员进入，这种电梯安全设施不齐全。

5.住宅电梯：

供住宅楼使用的电梯。

6.客货电梯：

主要用作运送乘客，但也可运送货物的电梯，它与乘客电梯的区别在于轿厢内部的装饰结构不同。

7.特种电梯：

如船舶电梯，观光电梯。

1.2.2按速度分类

1.低速梯：

速度V≤1.0m/s的电梯

2.快速梯：

速度1.0m/s＜V＜2.0m/s的电梯

3.高速梯：

速度V≥2.0m/s的电梯

1.2.3按曳引机的供电电源分类

1.交流电源供电的电梯

⑴交流异步电机拖动，具有较大的调速范围的电梯，称为交流调速电梯。

⑵用交流异步双速电机拖动的电梯，简称为交流双速电梯。

2.直流电源供电的电梯：

一般用在2.0m/s以上的高速电梯。

1.2.4按驱动方式分类

1.钢丝绳式：

曳引电机通过涡杆，涡轮，曳引轮，驱动曳引钢丝两端的轿厢和对重装置作上、下运行的电梯。

2.液压式：

曳引机通过压系统驱动轿厢上下运行的电梯。

1.2.5按控制方式分类

1.轿内手柄开关控制的电梯

2.轿内按钮开关控制的电梯

3.轿内外按钮开关控制的电梯

4.轿外按钮开关控制的电梯

5.信号控制电梯

6.集选控制的电梯

7.2台或3台并联控制的电梯

8.梯群控制的电梯

1.3本章小结

本章概述了电梯的地位和作用，电梯的发展和分类。

阐述了本次设计的主体。

2电梯系统综述

2.1电梯的基本结构

从总体来讲，电梯系统是由机械系统和电气控制系统两部分组成，其机械部分由曵引系统、轿厢和门系统。

平衡系统，导向系统以及机械保护装置等部分组成，而电气控制系统是由电力拖动，进行逻辑功能的控制系统和电气安全保护系统组成，基本结构如图2.1。

在该基本结构图中，

1-控制柜

2-曳引机

3-曳引钢丝绳

4-限速器

5-限速器钢绳

6-限速器张紧装置

7-轿厢

8-安全钳

9-轿厢门安全触板

10-导轨

11-对重

12-厅门

13-缓冲器

2.1.1曳引系统

1.曳引电动机

曳引电动机是将电能换成机械能的电气设备，它是驱动电梯上下运行动力源，电梯用曳引电动机分为直流和交流两种。

2.曳引轮

曳引机通过曳引轮与嵌挂在其上的钢丝绳之间的曳引力将能量传给轿厢，实现轿厢与对重的上、下运行。

为了获得较大的曳引力，即钢丝绳与曳引轮之间的摩擦力，钢丝绳与曳引轮之间不能涂抹黄油润滑

3.制动器

制动器是电梯整个安全保护措施中重要的一环，对电梯制动器的基本要求是：

在电梯断电或制动时能按要求产生足够大的制动力矩，使电动机轴或减速箱轴立即制停，并且不论此时制动轮的转向如何，应有相同的制动效果

4.减速箱

低速电梯曳引轮轴与曳引电机间要安装减速箱，将曳引电机的转速降至曳引轮所需要的转速。

曳引系统结构如图2.2

1-电动机

2-制动器

3-曳引论

4-减速箱

5-钢丝绳

6-导向轮

7-绳头组合

8-轿厢

图图2.2曳引系统结构

2.1.2轿厢和门系统

1.轿厢

主要由轿厢体和轿厢架组成，其中，轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶构成，在门处轿底前沿设有轿门低坎，为了出入安全，在轿门地坎下面设有安全防护板

2.电梯门

分为厢门和厅门。

轿厢门用来封住轿厢出入口，厅门用来封住进道出入口，客梯常采用中分式全封闭门，由装在轿顶部的自动开门和关门。

这种门称为自动门，自动开门机构以调速直流电动机为动力，通过曲柄连杆和摇杆滑块机构，将直流电动机的旋转动转换为开关门的直线运动，轿门也可以在轿内和轿外手门。

厅只能由轿门通过闭合装置带动开关门，它是被动门。

2.1.3重量平衡系统

重量平衡系统是由对重和补偿装置组成。

对重是平衡轿厢的平衡重和轿厢，分别悬挂在曵引钢丝绳两端。

对重由以槽钢为主体所构成的对重架和对重块组成。

轿厢侧的重量为轿厢自重和负载之和，而负载的大小却在空载与额定负载之间随机变化。

因此，只有当轿厢自重与负载这和与对重相等时，电梯处于完全平衡状态。

此时的电梯载重称为电梯的平衡点。

而电梯处于变化范围内的相对平衡状态时，应使曵引绳两端强力的差值小于曵引绳与曵引轮之间的摩擦力所限定的最大值，以保证电梯曵引系统的正常工作。

2.1.4导向系统

导向系统是由导轨、导鞭和导轨架组成，它们相互配合以确定轿厢和对重的相对位置，并对它们运动起导向作用。

2.1.5安全保护系统

对于现代电梯的运必须保证安全，为此，设置了电气安全保护装置和机械安全保护装置组成的电梯安全保护系统。

1.电.气安全保护装置

为了保证电梯安全运行，在井道中设有终端超越保护装置。

实际上，这是一组防止发端站（即大楼中电梯的最低停靠层站）或上端站（即大楼的最高停靠站）的行程开关。

能在轿厢或对重在撞底、冲顶之前，通过轿厢的打板触碰，这些开关来切断电路或总电源，在电磁制动器的制动保闸作用下，迫使电梯停止运行。

终端超越保护装置，包括上、下端站强迫换速开关，上下限位开关，和上、下极限开关，它们在井道中的位置如图所示。

其中上下端站强迫换速开关较先，上下限位开关和上下极限开关。

稍后动作。

上下端站强迫换速开关设置在井道底部或顶部对应位置。

当电梯由于失控而冲向井道的底部或顶部时，首先经过并使其动作的是上下端站开关，强迫电梯换速、减速、并最后停止。

如果上下端站强迫换速开关不起作用，电梯继续越出底层或顶层位置，则上下限位开关动作，迫使停止运行。

如果上下限位开关失效，则电梯撞上上下极限开关，上下极限开关动作，切断系统安全回路，强迫电梯停止运行。

图2.3终端超越保护装置图

1-导轨2-钢丝绳3-极限开关上碰轮4-上限位开关

5-上强迫减速开关6-上开关打板7-下开关打板

8-下强迫减速开关9-下限位开关10-极限开关下碰轮

11-终端极限开关12-张紧配重13-导轨14-矫箱

2.机械安全保护装置

为了防止由于电梯的电气控制系统出现故障而使电梯超速运行，出现重大事故，采用了机械安全保护装置。

具体地来说，就是限速器和安全钳，这两者总是相互配合使用。

限速器

限速器是检测轿厢超速的装置，安装于机房。

当轿厢上下运行时，使带动限速器绳同步移动，从而带动限速器轮转动。

这样，就可以通过限速器轮的旋转运动所产生的离心力来检测轿厢速度。

张紧装置位于井道底坑，用压倒板固定在导轨上，在电梯正常运行时限速器不起作用

安全钳

安全钳和限速器相配套使用起到了对轿厢超速保护的作用。

当轿厢或对重运行速度超和滑速时，安全钳应能接受限速器的操纵，通过钢丝绳及安全钳传动机构，是位于安全嘴内的斜面楔块楔紧在安全嘴、盖板及导轨之间，从而将轿厢制停在导轨上，对电梯提供最后的保护。

安全钳根据动作方式可分为顺时动作安全钳和滑移动作安全钳

3.缓冲器

缓冲器安装在井道地坑的地面上，是电梯极限位置上的最后一道安全装置。

当由于某种原因使轿厢或对重装置超越极限位置发生墩底时，有缓冲器来吸收轿厢或对重装置的动能，从而实现缓冲吸震，减少对电梯及乘客和物品的损害，另外通过对对重的缓冲还可防止轿厢冲顶事故的发生。

缓冲器按工作原理不同，可分为弹簧式缓冲器和油压式缓冲器。

2.2电梯的控制方式

2.2.1继电器控制方式

继电器电梯控制系统是较早期的产品，这类系统主要由接触器，继电器和开关组成。

由于继电器使用较早，人们积累了大量的电器控制系统的知识和设计经验，比如，有成形的且被多年运用证明可靠的控制线路，设计较简单，特别在交流调速系统被应用到电梯拖动以来，用继电器控制系统控制电梯运行，也被实践证明比较可靠。

虽然化的调速性能并没有直流电机调速系统好，但也能为大家所接受。

由于该系统中大量使用接触器，继电器，各种开关，组成逻辑控制和一些保护线路，线路复杂维护困难，并且由于受继电器触点数量的限制，很难设计出高性能控制系统。

此外，继电器控制系统另一个致命弱点是为了满足不同的要求而改变线路困难，即系统的灵活性，可移植性差。

2.2.2可编程控制器式电梯控制系统

PLC控制系统是一种电梯控制系统。

它是利用可编程控制器为核心元件，通过化实现绝大部分逻辑控制功能，再附加一些接触器，开关元件，保护电路而构成的控制系统。

它将逻辑控制功能设计，从系统整体设计中划分开来，即软件，硬件分开进行设计是PLC电梯控制系统的一大特点。

系统控制过程为从PLC的输入模块将必要的信号输入，通过PLC程序的执行，再通过输出模块，从而达到控制系统的目的。

由于PLC实现了绝大部分逻辑控制功能，控制线路简单，发生故障的可能性大为降低，这对系统而言，大有好处。

PLC本身是工业用品，搞干扰能力强具有较高的可靠性，另外，可编程控制系统的控制功能通过软件来实现，并且在设计过程中不需要考察触点数目以及触点容量。

而且编程语言（即梯形图）和继电器方法类似，因而具有较高的灵活性，但是，PLC电梯控制对电梯实现群控系统较困难。

从总体来看，PLC电梯控制是比较理想的电梯控制系统，现在这种控制方式大为采用。

2.2.3微机控制式电梯控制系统

微机式电梯控制系统是另一种电梯控制系统方式。

这种方式类似于PLC控制方式，但两者又不完全相同。

这种控制系统控制功能更为强大，尤其是在电梯群控系统的应用上。

在这种系统中，它将多台电梯集中排列，共用厅外召唤信号，由计算机根据客流情况和各梯所在楼层的位置，自动调度。

微机控制系统理论上是全数字控制系统。

但是由于微机控制系统的数据通讯是全数字，因此需要在微机的I/O接口之前，加上数据采样，电平转换。

数模转换装置，此外，微机系统抗干扰能力较弱，对环境要求较高。

从发展方向来看，它是电梯控制系统的发展方向。

2.2.4比较总结

从以上分析，我们可以看出，继电器控制系统是质量较差的控制系统，属于需改造系列；可编程控制系统优势比较明显，能满足大多数控制的需要，是目前比较实用的控制系统，微机控制系统是性能更高，但成本也较高的控制系统，是电梯控制系统的发展方向。

本次毕业设计的控制系统，是以系统实用为大前提，因此选用PLC电梯控制系统，这是本文对上述三种方案进行比较的原因。

2.3本电梯控制系统实现的主要功能

2.3.1电梯的基本功能

首要工作是确定电梯本身所具有的功能和电梯在乘客进行某种操作后应具有的状态

2.3.2电梯内部功能简介

在电梯内部，应该有七个楼层（1～7层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。

当初可进入电梯后，电梯你应该有能让乘客按下的代表其要去目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。

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，经过一定的延时后有可自动关闭。

而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的按钮，是乘客可以在电梯停下时随时的控制电梯的开门与关门。

电梯内部还应配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯所处在楼层的第几层，这样可以使电梯里的乘客清楚的知道自己所处的位置，离自己要到的楼层还有多远，电体是上升还是下降等。

2.3.3电梯外部功能简介

电梯的外部共分七层，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，它和上升指示灯、下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。

七层楼电梯中，一层只有上呼叫按钮，七层只有下呼叫按钮，其余五层都同时具有上呼叫和下呼叫按钮。

而上升、下降指示灯以及楼层显示器应相同。

2.3.4电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析

1.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，电梯处于以下状态：

⑴各层呼叫灯均不亮

⑵电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“