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基于PLC的电梯控制系统设计
基于PLC的电梯控制系统设计
摘要
目前电梯控制系统主要有三种控制方式：
继电器控制系统、PLC控制系统、微机控制系统。
PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
本文在阐述电梯的结构和可编程控制器的结构和工作原理的基础上，针对4层电梯，使用西门子S7-200可编程控制器，设计了电梯的控制系统，包括轿内指令和厅外召唤信号的登记与消除、电梯的选层和定向、电梯的开关门运行、电梯上下行控制、电梯的指层控制等部分，实现了轿内与各层呼梯指令的记录、电梯运行方向和选层的控制，电梯上下行和自动开关门、电梯的指层控制等功能。
同时也使用了组态王6.53完成上位机对PLC控制电梯的仿真。
关键词：
四层电梯控制系统可编程控制器组态王
PLC-basedelevatorcontrolsystemdesign
Abstract
Atpresenttheelevatorcontrolsystemmainlyhasthreecontrolmodes:
Followingelectriccircuitcontrolsystem,PLC（ProgrammableLogicController）controlsystem,microcomputercontrolsystem.PLCcontrolsystem,becausemovesthereliabilitytobehigh,theuseserviceisconvenient,anti-jamming,thedesignandthedebuggingcycleisshortandsoonmerits,timeistakenseriouslythepeopleandsoonmerits,havebecomepresentusemostcontrolmodesintheelevatorcontrolsystem.
Thisarticleelaboratedtheelevatorstructure，thestructureandtheworkingprincipleoftheprogrammablelogiccontroller．Aimattheelevatoroffourfloors，thewriterdesignthiselevatorcontrolsystembytheuseofSiemensS7-200programmablelogiccontroller．Thewriterdesigntheelevatorcontrolparts,suchas,thepartofregisterandcanceltheinstructionsfromthecabin,thepartofregisterandcanceltheinstructionsfromthestationhall,thepartofchoosestationanddirection,thepartofdoormovement，thepartofelevatoroperation，thepartofshownlayer，andsoon．Thesepartsachievethefunctions：
registeringtheinstructionsfromthecabinandthestationhall,choosingthedirectionandthestationofelevator，elevatorgoupordownanddoorautomatically，fingeringoutthelocationofthecabin,andotherfunctions.Alsousekingview6.53completepctoplccontrolelevatorsimulation.
KeyWords：
Four-storyElevator;ControlSystem;ProgrammableLogicController;kingview
第一章绪论
1.1电梯的国内外发展状况
在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。
作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。
在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。
这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。
上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。
总趋势是上升的，目自口进入了“第三次浪潮”，2004年总产量超过了8万台，而且目前还没有减速的迹象。
从1949年建国以来全国共生产安装了6l万多台电梯。
尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。
全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。
到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。
到2005年，中国电梯的年产量达到13．5万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长17．8％。
2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台。
如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!
我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。
兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74％”。
先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。
苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。
目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。
国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。
自1985年我国参加了国际标准化组织ISO/TCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。
标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。
许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。
中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的1/50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。
当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。
在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍[1]。
1.2课题的研究背景及意义
电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。
而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。
事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。
在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。
然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。
在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。
因此，可以说乘坐电梯更安全。
美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：
乘电梯比走楼梯安全5倍。
掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。
目前，由可编程序控制器（PLC）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。
可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机[2]。
自1969年针对工业自动控制的特点和需要而丌发的第一台PLC问世以来，迄今己30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。
而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。
这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。
可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用。
PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。
总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。
PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起[3]。
因此，它已经成为电梯运行中的关键技术。
图1-1通力专利摘要附图
1.3PLC在电梯控制中的应用以及发展前景
目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。
而PlC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作；又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高[4]。
PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。
随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。
然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。
绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。
电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强调电梯与环境的协调与和谐。
目前意义上的“绿色”，一般是强调“天然”的一面，强调与环境的协调与和谐。
电梯属于纯粹的工业产品，其天然性应表现为对环境影响的尽可能小，与环境的协调与平衡，以及电梯本身的人性化。
这也应是绿色电梯的发展方向。
（1）智能化。
我们这罩所说的智能化电梯是传统的人工智能是无法胜任的。
传统的智能控制是一种技术的事先安排，说到底是一种程序控制，是一种周期性的系统自动控制，实际上还算不上智能。
而真正的智能电梯应更具人性化特点，不仅具有传统的人工智能的所有优点，而且还有传统的人工智能无法比拟的东西，具有动念和随机处理各种问题的能力，诸如能根据轿厢内的情况和各层的候梯信息，自动地制定每次最优的运动速度和停车政策；自动选择运动方面；双向语音交流；到达目的层的语音提示等，让乘客有更多的主动性，使大楼交通运输实现真正的人机对话。
智能化要求电梯有自动安全检测功能，让电梯自己能够检测到电梯的故障所在，并及时报警予以排除[5]。
图1-2电梯门的智能控制
（2）安全。
运行安全是电梯的根本和关键。
可以说，电梯的全部其他工作都是以此为中心展开的，使电梯安全运行更有保障。
运行安全不仅要消除电梯启动时较强的电磁辐射，使用安全材料和运行稳定，而且要有一种良好的视觉效果，让每一位乘客在宽敞、明亮轿厢内有安全、舒适的好心情。
（3）与环境的协调和平衡，包括以下几个方面：
①视觉协调。
有人曾经做过环境色彩是否对人有影响的研究。
该研究发展：
视觉不协调的环境色彩对人的情绪、精神影响非常大。
色彩宜人，格调高雅，制作精良的电梯，乘客自然会有一种安全的感觉，有一种视觉上的舒适。
②消除电磁辐射。
如前所述，由于电梯是大楼里频繁起制动的大容量电器是电磁干扰的元凶，所以绿色电梯必须是一个达到自身对大楼电磁干扰最小，而又不被其他电磁干扰影响的建筑机电设备。
这样不仅可以保证乘客的身心健康，而且也可以保证大楼、大厦中的大楼的办公自动化（0A）、楼宇自动化（BA）、通讯自动化（CA）的正常运转。
③舒适感。
通过采用高载频波矢量静音变频器，可降低噪声变换频率及电压。
以CPU控制电压及频率的连续变换方式，按人体生理适应要求，利用计算机优化设计而成的理想运行曲线，实现更稳定、更舒适的运行[6]。
图1-3电梯运行速度曲线
随着时代的发展，对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内，心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。
因此，提倡对电梯进行豪华性装修。
1.4课题研究的内容
课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）改造在用电梯自动控制系统。
由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。
因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。
针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。
论文的主要内容如下：
首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）及变频器作了比较全面的总结和介绍。
接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。
确定了系统的总体结构，由PLC来实现电梯信号控制，有双速电机实现调速，完成了电机和可编程控制器（PLC）的选择。
然后是系统硬件开发，完成了PLC的选型、I/O点数分配与PLC的连接。
在接下来的章节中，采用国内使用非常普遍的工业控制组态软件组态王6.53，开发出了本电梯的上位机对电梯系统的仿真模拟，使本设计具有了一定的可视化效果。
第二章电梯的综述
2.1电梯的结构及组成部件
电梯是机电一体化产品。
各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。
尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成[7]。
电梯的基本结构如图2-1所示。
1—控制柜（屏）
2一拽引机
3—拽引钢丝绳
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
图2-1电梯的基本结构
2.2电梯的种类
2003年2月19日国务院颁布了《特种设备安全监察条例》，明确规定电梯是特种设备，并对电梯的含义做了叙述：
“电梯是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级（踏板）进行升降或者平行运送人、货物的机电设备”。
这种对电梯的论述，被称作广义电梯概念，既包括上下运送人、货物的升降式电梯，也包括用于水平或倾斜输送乘客的自动人行道（英语PassengerConveyor）和自动扶梯（英语Escalator）。
现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置（如限速器、安全钳和缓冲器等）、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。
这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。
通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。
电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。
电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等[8]。
目前，电梯行业及社会上对电梯的分类大致有以下几种：
（1）按用途分：
乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、其他专用电梯。
（2）按额定速度分：
低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯；中速梯，常指速度1.00～2.00m/s的电梯。
高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。
超高速梯，速度超过5.00m/s的电梯。
（3）按拖动方式分：
交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条式电梯、螺旋式电梯。
（4）按控制方式分：
手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、向下集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、智能控制电梯。
其他分类方式还有：
按电梯有无司机分类等[9]。
2.3电梯的主要参数及性能指标
1.性能指标：
（1）安全性
电梯时运送乘客的，即使载货电梯通常也有人相伴随，因此对电梯的第一要求就是安全。
电梯的安全与设计、制造、安装调试及检修各环节都有密切联系，任何一个环节出了问题，都可能造成不安全的隐患，以致造成事故。
（2）可靠性
电梯的可靠性很重要，如果一部电梯工作起来经常出故障，就会影响人们正常的生产与生活，给人们造成很大的不便，不可靠也是事故的隐患，常常是不安全的起因。
要想提高可靠性，首先应提高构成电梯的各个零部件的可靠性，只有每个零部件都是可靠的，整个电梯才能使可靠的。
（3）停站的准确性
停站准确性又称平层准确度，平层精度。
GB/T10058-1997《电梯技术条件》对轿厢的平层准确度规定如下：
电梯类型
额定速度（m/s）
平层准确度（mm）
交流双速电梯
0.25或0.5
≤±15
0.75或1.0
≤±30
交直流快速电梯
1.5—2.0
≤±15
交直流高速电梯
≥2.0
≤±5
电梯轿厢的平层准确度与电梯的额定速度，电梯的负载情况有密切关系。
负载重，则惯性大，提速高惯性也大。
因此检查平层准确度时，分别以空载，满载，上下运行，到达同一层站停测量平衡误差，取其最大值做平层站的平层准确度。
（4）振动、噪声及电磁干扰
现代电梯是为乘客创造舒适的生活和工作环境。
因侧要求电梯运行平稳，安静，无电磁干扰。
（5）舒适感和快速感
电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的，快速可以节省时间，这对于快节奏的现代生活中的乘客是很重要的。
但是加速度和减速度的过分增大的不合理变化又会造成乘客的不适感。
因此在电梯设计时就要兼顾快速性和舒适感这两个互相矛盾的因素。
（6）节能
现代电梯应该合理的选择拖动方式，以达到节能的目的
2.主要参数：
1）额定载重量（kg）：
制造和设计规定的电梯载重量。
2）轿厢尺寸（mm）：
宽×深×高。
3）轿厢形式：
有单或双面开门及其它特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电风扇、电话的要求等。
4）轿门形式：
有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等。
5）开门宽度（mm）：
轿厢门和厅门完全开启的净宽度。
6）开门方向：
人在厅外面对厅门，门向左方向的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称为中分门。
7）曳引方式：
常用的有半绕1：
1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。
半绕2：
1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半。
全绕1：
1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。
8）额定速度（m/s）：
制造和设计所规定的电梯运行速度。
9）电气控制系统：
包括控制方式、拖动系统的形式等。
如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。
10）停层站数（站）：
凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站。
11）提升高度（mm）：
由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离。
12）顶层高度（mm）:
由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的垂直距离。
电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。
13）底坑深度（mm）：
由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离。
电梯的运行速度越快，底坑一般越深。
14）井道深度（mm）：
由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间的垂直距离。
15）井道尺寸（mm）：
宽×深[10]。
第三章运行方案设计
3.1总体方案的确定
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
图3-1电梯系统结构框图，主要硬件由轿厢、开门机构、曳引机构、控制系统等组成。
图3-1电梯系统结构框图
3.2PLC控制系统方案设计
1.信号控制系统
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
图4-1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等[11]。
系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号[12]。
图3-2电梯PLC控制系统的基本结构图
2.电梯控制系统实现的功能
电梯的控制系统实现如下功能：
1）行车方向由内选信号决定,顺向优先执行;
2）行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车;
3）内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除。
4）内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示
5）停层时可延时自动开门、手动开门、（关门过程中）本层顺向呼梯开门;
6）延时自动关门,关门后延时等待内选，自动行车;
7）行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。
3.3电梯曳引方案
曳引电梯是当今世界应用最为广泛的梯型，具有安全可靠、提升高度大、结构紧凑等优点【】。
曳引电梯最常用的曳引比有1：
1和2；1两种，其工作原理如图3-3所示。
本设计出于降低对电机的要求的考虑，采用了2：
1的曳引方案[13]。
图3-3电梯曳引系统工作原理示意图
第四章硬件选型、设计及计算
4.1四层电梯曳引电机及门电机电路图
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图5-1所示。
图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。
FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。
FU1为熔断器，起过电流保护作用。
图4-1电气控制系统主回路原理图
4.2可编程控制器（PLC）的选择
4.2.1可编程控制器（PLC）的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选外，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到（3～5）×104h以上。
（2）编程直观、简单
考虑到大多数电
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