毕业设计（论文）-基于PLC的四层电梯控制系统设计 (2).doc

湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目基于plc的电梯控制系统设计作者学院信息与电气工程学院专业电气工程及其自动化学号指导教师xxx二一一 年 月 日-iii-摘 要当今世界，电梯的生产情况和使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。随着城市人口的不断提高，人们物质文化生活水平的提高，建筑业不断的发展，已是高楼林立，电梯在人们的生产、生活、工作中日益重要。因此电梯的研究也越来越重要。电梯在高层建筑中被广泛运用作垂直运输工具。人们对电梯安全性、高效性、舒适度的不断追求推动了电梯技术的进步。电梯质量的好坏在很大程度上取决于它的控制系统。目前，电梯控制系统已基本上淘汰了传统继电器控制方式。取而代之的是以plc积分控制器为核心的数字控制系统。其中，plc由于编程简单、使用维护方便、设计和调试周期短、抗干扰能力强、可靠性高等优点，倍受人们重视，被广泛应用在电梯控制系统中。本文主要分析了电梯的主要结构以及控制要求，对电梯控制的硬件进行相应的选择，又对电梯的plc软件进行设计，以此完成基于plc的电梯控制设计。关键词：电梯控制；plc；三相异步交流电机abstracttoday, the number of elevator production and use has become the measure of the degree of modernization of a country one of the symbols. with the continuous improvement of the urban population, peoples material and cultural living standards, the construction industry continues to develop, has the tall buildings, elevators in peoples production and living and working in the increasingly important. therefore, the elevator research is increasingly important. elevator is widely applied as vertical survey application in the high-rise building. people on the elevator safety, efficiency, comfort the constant pursuit of technological progress to promote the elevator. lift the quality of good or bad depends largely on its control system. at present, the elevator control system has largely eliminated the traditional relay control mode. integral controller based on plc is the core digital control system. plc, which has advantage of simple and easy to use and easy maintenance, design and debug cycle is short, anti-interference ability, high reliability, is widely used in elevator control system. this paper analyzes the main structure of the elevator and the control requirements of the elevator and makes the appropriate choice of elevator control hardware, but also on the elevator plc software design, thereby completing the elevator plc-based control design.keywords：elevator control; plc; three-phase asynchronous electric motors目 录第一章 绪论11.1 论文的研究背景及意义11.2 电梯继电器控制系统的特点及存在问题21.2.1电梯继电器控制系统的优点21.2.2电梯继电器控制的缺点21.3 plc及在电梯控制中的应用特点31.3.1 plc简介、特点及其应用领域31.3.2 plc控制电梯的优点51.4 电梯变频调速控制的特点51.5 论文的主要内容6第二章 电梯的概述72.1 分析控制对象和确定控制范围72.1.1 电梯的基本结构72.1.2 电梯的控制功能82.1.3 电梯的控制要求82.2 电梯的工作原理92.3 电梯的组成102.4电梯硬件分析122.4.1 电梯曳引机部分122.4.2 限位器和传感器部分122.4.3 轿厢和开关们电动机部分122.4.4 变频器部分132.5 电梯的硬件工作原理14第三章plc控制系统硬件设计153.1 四层电梯主电路153.1.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图153.1.2 plc外部接线图153.2 i/o点数的分配及机型的选择153.2.1 i/o点数的估算153.2.2 输入/输出的分配173.2.3 机型的选择173.2.4 step 7概述19第四章 系统软件设计204.1 四层电梯梯形图204.1.1 plc的编程语言204.1.2 程序设计常用方法204.1.3 电梯各程序的说明21第五章 结束语31参考文献32致 谢33附录a34湖南科技大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论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。追溯电梯这种升降设备的历史,据说它起源于公元前236年的古希腊。1858年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现,继而又在英国出现水压梯。1889年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力,这才出现名副其实的电梯,并使电梯趋于实用化。1900年还出现了第一台自动扶梯。1949年出现了群控电梯,首批46台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。1955年出现了小型计算机(真空管)控制电梯。1962年美国出现了速度达8米/秒的超高速电梯。1963年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。1971年集成电路被应用于电梯。第二年又出现了数控电梯。1976年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期 1 。电梯控制系统应采用随机逻辑控制方式控制。目前电梯的控制普遍采用两种控制方式：一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯的信号采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（plc）取代微机实现信号集选控制。国内厂家大多采用答二种方式，其原因在于用plc控制有许多优点：可靠性高，由于采取了一系类的plc高可靠性的措施，plc的平均无故障时间（mtbf）一般可达35万小时。而且plc的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠地工作；编程简单，plc最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当工作流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；体积小、结构紧凑、安装、维修方便。plc的体积小，重量轻，便于安装。一般plc都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能 2 。1.1 论文的研究背景及意义在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，不断满足社会经济快速发展和人民生活水平不断提高的需要，电梯作为一种重要的交通运输工具，已经成为城市物质文明的一种标志。电梯在公办大楼、公司、高层住宅、宾馆等场所得到了广泛应用。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期，载人电梯控制技术已经发展到了调频调压调速控制阶段，具有乘坐安全、运行可靠、舒适度较高等特点，其主流控制技术采用plc控制，具有许多智能化控制功能。生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭 3 。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音、复合钢带环保耐用，款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。现在，电梯已完全融入我们的生产、生活之中，满足人们的生活、学习及工作的需要。据统计，我国在用电梯已达100多万台，每年还以约5万至6万台的速度增长。电梯的作用越来越大，需求也越来越多。而我国的现阶段的使用的先进电梯系统基本上是国外设计制造的，其核心技术并不分开。国内具有自主知识产权的控制方法和技术在实际的应用较少，与国外先进技术相比还有较大的差距。因此，尽快研究和掌握先进的控制技术，对国内电梯工业的发展会有很大的促进作用。本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(plc)应用于4层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在使用中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。1.2 电梯继电器控制系统的特点及存在问题1.2.1电梯继电器控制系统的优点:(1) 所有控制功能及信号处理均有硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。 (2) 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。 (3) 大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。 (4) 多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已经形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。 1.2.2电梯继电器控制的缺点:(1) 系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。 (2) 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。 (3)电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。 (4) 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。 (5) 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大。费用高；而且检查故障困难，费时费工。 总之，电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘客带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。所以目前电梯的继电器控制已经很少使用了4。 1.3 plc及在电梯控制中的应用特点1.3.1 plc简介、特点及其应用领域plc即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（international electrical committee）颁布的plc标准草案中对plc做了如下定义：plc英文全称programmable logic controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，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.plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。其特点如下：（1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性5。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。plc发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型plc为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类6：（1）开关量的逻辑控制。这是plc最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的a/d和d/a转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制。plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量i/o模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块，目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理。现代plc具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统； （6）通信及联网。plc通信含plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各plc厂商都十分重视plc的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的plc都具有通信接口，通信非常方便。1.3.2 plc控制电梯的优点随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。plc在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。由于plc具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与plc很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。本文主要讨论研究利用西门子公司可编程控制器对四层电梯的控制，形成电梯控制系统7。 电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。目前电梯设计使用可编程控制器(plc)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。1.4 电梯变频调速控制的特点随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式8。变频调速电梯的优点:(1)变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。(2)变频调速电源使用了先进的spwm技术svpwm技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速9。(3)变频调速电梯使用先进的spwm和svpwm技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。1.5 论文的主要内容本论文主要任务是在电梯机械模型和plc控制装置基础上，完成4层电梯控制器的电路设计、元器件选型、plc外部接口电路设计、控制器装配图与接线图设计、列出元器件清单、完成plc程序设计等内容。电梯控制系统可分为电力拖动电路和电气控制电路两个主要部分。电力拖动电路主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿箱开关电路。二者均采用易于控制的三相交流异步电动机作为拖动动力源。电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯和控制部分的核心器件（plc）等组成。plc集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。电梯控制系统的硬件组成控制电路主要包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。系统控制软件设计由初始化、指令接收处理、电梯位置检测与处理、同行截车和反向不截车处理、开关门控制处理、电梯升降控制等模块组成，利用西门子（semens）公司生产的s7-200型plc及其扩展模块，使用丰富和功能强大的指令设计梯形图，调试并最终完成电梯控制。第二章 电梯的概述2.1 分析控制对象和确定控制范围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。 2.1.1本电梯控制系统实现的主要功能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10。2.电梯内部功能简介在电梯内部，应该有四个楼层（14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。当进入电梯后，电梯里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，电梯是上升还是下降等。3.电梯外部功能简介电梯的外部共分四层，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，直到电梯响应为止。另外上升指示灯、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。四层楼电梯中，一层只有上呼叫按钮，四层只有下呼叫按钮，其余两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。4.电梯的初始状态、运行中状态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，电梯处于以下状态：（1）各层呼叫灯均不亮；（2）电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”；（3）电梯内部及外部各层电梯门均关。电梯在运行过程中，按下某层呼叫按钮（14层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫：（1）电梯上升或下降至该层；（2）各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变；（3）运行中电梯门始终关闭，到达指定门时，门才打开；（4）在电梯运行过程中，支持其它呼叫；电梯在运行后状态： （1）电梯在到达指定楼层后,电梯会自动打开,经过一段延时自动关闭,在此过程中,支持手动开门或关门；（2）各楼层显示值为该层所在位置,且上升与下降指示灯均灭；（3）到达指定楼层后,电梯会继续待命（2分钟后返回1层）,直至新命令产生。2.1.2 电梯的控制功能电梯可实现的功能如下所示，这些功能是根据生产厂家或用户的要求制定的安全和功能的事项而制定的。这里只根据本电梯主要的操作进行说明，其他例如故障检测、自救功能、火灾提示、语音提示、满载控制等具体功能在此不作陈述，主要功能如下11。(1)集选控制：集选控制是将轿内指令与厅外召唤指令等各种信号集中进行综合分析处理的高度自动化的控制功能。它能对轿厢指令、厅外召唤登记，停靠站延时自动关门启动运行，同向逐一应答，自动平层自动开门，顺向截梯，自动换向反向应答，能自动应招服务。集选控制包括上行集选和下行集选。(2)停梯操作：在夜间、周末或假日，通过停梯开关使电梯停靠在指定楼层。停梯时，轿门关闭，照明、风扇断电，以利节电、安全。(3)开门按键：用于延长开门时间，使乘客顺利进出轿厢。(4)关门按键：用于立刻关门操作，使乘客顺利登上电梯。(5)厢内操作箱：在轿厢内左边设置操作箱，上面设置有各楼层轿内指令按键，便于乘客按下想要到达的各楼层。(6)厢外操作按键：在各楼层的乘客只要按下想要上行或下行的按键即可得到电梯的响应。(7)灯光响应：在乘客按下相应按键或到达相应楼层时会得到电梯的灯光状态相应，以便提醒乘客相应的提示作用。2.1.3 电梯的控制要求四层电梯控制系统的控制要求如下：(1)由于电梯对控制系统的可靠性和安全性要求极高，主要以逻辑控制为主，通常采用plc作为控制系统的核心，所以，应用plc来设计一个4层电梯控制器具有一定的现实意义。(2)上行与下行选择由上电梯的人选择信号决定。顺向优先执行，顺向执行完之后再反向执行。(3)行车途中如遇呼梯信号时，顺向截车，反向不截车。(4)内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除。(5)内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层均有指示灯。(6)停层时延时2秒后自动开门或手动开门。(7)有内选信号时，延时2秒自动关门或手动直接关门。(8)无内选信号时可以手动关门，但不会自动关门。(9)行车时不能手动开门，开门时不能行车。2.2 电梯的工作原理一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。 服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间，轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物12。习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。近几年来，随着国际社会对环保认识的关注，各大电梯公司现在在其电梯表面基本都采用了粉末涂料喷涂，这是一种新型环保无溶剂的涂料，并且各种性能皆优于油漆。 电梯的工作图如图2.1所示。电梯上升时，电梯顺时针转动，通过曳引轮和曳引绳带动轿厢上升；下降时电机逆时针旋转，通过曳引轮和曳引绳带动轿厢下降。电梯运行时有启动、加速、满速运行、减速和电梯停层等过程，因此电梯控制的核心是控制工作电机。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，以便人员和货物出入。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。电梯以曳引电机为核心，通过电机的正反转控制电梯的上下运行，在此基础上增加了电梯门的开关，也同样用电机的正反转来控制电梯门的开关；具体到电梯的上下运行和停留时，会用到很多的传感器和接触器等附加的器件，这样才能保证电梯在楼层之间正确平稳的运行，更多的也会考虑到乘客的安全、舒适等各种问题，这些问题和解决方案将会在电梯硬件和软件的选择、安装和控制中详细说明。22645131.电机和曳引轮 2.曳引绳3.导向轮 4.对重装置5.补偿装置 6.轿厢图2.1电梯工作原理图2.3 电梯的组成电梯是机电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电气部分相当于人的神经。机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综合产品。对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点。电梯的结构包括：四大空间，八大系统。四大空间即机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分。八大系统即曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统13。下面简单介绍电梯机械部分的结构。(1)曳引系统曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮和反向轮组成。曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源。钢丝绳的两端分别连接厢箱和对重上，依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型时还可增加曳引能力。(2)导向系统导向系统由导轨、导靴和导轨架组成，它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重智能沿着导轨作升降运动。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁连接。导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。(3)门系统门系统是由轿厢门、层门、开门机、连动机构、门锁等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴。门锁装置以及应急开锁装置组成。开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。(4)轿厢轿厢是运送乘客或货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内按键组成。轿厢的大小由额定载重量或额定载客人数决定。(5)重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分房的额定的载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。(6)电力拖动装置电力拖动装置由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，它的作用是对电梯实行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电动机或直流电机。供电装置是为电机提供电源的装置。速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置用于对曳引电机实行调速控制。(7)电气控制系统电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层装置等组成，它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶盒及房中的检修或应急操纵箱。(8)安全保护系统安全保系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯的安全使用。机械方面：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断电源的极限保护装置。而电气的保护在电梯的各个环节都有。2.4电梯硬件分析电梯系统由电梯机械部分和控制部分组成。为了能够简洁明了的介绍电梯的各个功能实现，需要对各硬件部分进行分析。电梯的基本框架是每一层门厅都要有门厅按钮，除了底楼和顶楼只需要一个门厅按钮外，其余各层要安装两个门厅按钮。还需要安装控制电梯平层和减速的传感器感应片，除了底楼和顶楼只各安装一片减速感应片和平层感应片外，其余各层都要安装两片减速感应片和平层感应片，而与这些感应片相对应的4个传感器安装在轿厢的顶端。在底楼和顶楼需要安装机械式的限位器，保证电梯在失控的时候不会超过顶楼和底楼。曳引机载整个电梯的顶楼，按照一般的设置，整个机房在楼层顶部。控制设备由plc、变频器、电脑主机、等组成，其主要作用是通过plc接受从电梯传来的信号设置变频器控制电梯的上下运作，设定电梯的运行模式14。2.4.1 电梯曳引机部分电梯的曳引机通常是由曳引电动机、制动器、减速箱及座底组成。电梯曳引电动机并不是通常的工业用交流感应电动机，电梯是典型的位能负载，根据电梯的工作性质，电梯曳引电动机应具有如下特点。(1)能频繁的启动和制动；(2)启动电流小；(3)电动机运行噪声；(4)对电动机的散热要做周密考虑；(5)电梯曳引电动机为双绕组双速电动机。除了上述特点外，电梯交流调速用曳引电动机往往备有两个轴伸端：其中一段为传动端，与减速耦合；另一段为非传动端，通常装有飞轮，用以增加运动系统的转动惯量，改善乘客的舒适感。2.4.2 限位器和传感器部分在整个装置中使用了四个限位器和四个传感器。四个限位器是机械的，上行减速限位器和上行平层限位器，下行于上行类似。限位器和铜片相对应，传感器与铜片配合使用，只有当传感器与相应的铜片对齐时，传感器上的红灯才会亮，因此铜片的位置十分关键，它的位置调整也十分麻烦。2.4.3 轿厢和开关门电动机部分轿厢上除了上一节介绍的四个传感器以外还有开关门电动机也是十分重要的，其开关门装置由电动机控制，在其齿轮带上有两个绑定的机械限位器，用以确定轿门的状态是开还是关。当开关门电动机转动时，就会带动两根金属丝，改变限位器的状态，并以开关量的形式传送给plc。2.4.4 变频器部分变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现代使用的变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源提供给电动机，变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为igbt三相桥式逆变器，且输出为pwm波形。中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器是利用输出功率可改变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电。以此为电源再供给电机使用。电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容,为使乘客拥有良好的舒适感，电梯采用s型速度曲线，转换成频率曲线如图2.2所示，以改善电梯运行的舒适感。另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。图2.2电梯运行曲线mm440 是西门子公司生产的通用型矢量变频器，它性能稳定，质量可靠，功能齐全，在电梯行业首次使用。可编程序控制器plc和mm440 变频器之间的通讯可有两种方式，一种是串行通讯,采用串行通讯只需一根双芯屏蔽电缆西门子专用，它大大减少了布线的数量，无须重新布线即可更改控制功能，可以通过串行接口设置和修改变频器的参数，还可以连续对变频器的特性进行监视和控制另一种并行通讯。使plc通过逻辑分析后发出控制信号如正转反转高速中速点动爬行等信号给变频器，变频器接受指令并且按照预先设定好的曲线拖动轿厢正常运行。另外变频器还发出信息如零速变频器是否故障抱闸等信号给plc使其参加plc的逻辑运算以保证电梯的安全运行另外变频器上还安装了编码器模板这使得这种通用型mm440 可以接成闭环速度反馈控制方式与无传感器矢量控制slvc和变压/变频v/f 相比这种控制方式具有以下优点：（1）零速时仍然具有额定转矩的负载能力。（2）速度控制的精度。（3）速度控制和转矩控制的动态性能得到改善。 通过有关人员的系统测试这种变频器完全可以用到电梯控制系统中且运行良好，而且它还有一个其它变频器所没有的优点就是进行电机参数自学习时电机的轴不转动这样曳引机可在带负载的情况下也能进行自学习而不必像其它变频器那样必须把轿厢吊起使曳引机脱离负载后才能自学习这样给电梯的安装改造带来很大方便。2.5 电梯的硬件工作原理电梯的硬件工作是软件的基础，其工作原理如图2.3所示，以plc核心，左侧为其输入电路部分，右侧为其输出相应部分。在输入部分电梯会相应的响应用户的呼叫，电梯在运行过程中会不停得到传感器的回应以及一些其他的输入信号，在plc控制器部分会对各输入变量进行逻辑分析，将各结果输出到plc输出端，在外部有各种硬件相应输出信号，会使电梯正反转，达到上升下降的目的，开关闭电梯门以及各楼层的显示电路的提示作用都会发挥作用。plc控制器编码器按钮电路楼层传感器检测电路电梯其它输入信号发光二极管记忆灯电路pwm控制调整电路轿厢开关门电路楼层显示电路图2.3 plc硬件控制原理图第三章plc控制系统硬件设计3.1 四层电梯主电路3.1.1 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3.1图所示。图中m1，m2为曳引电机和门电机，交流接触器km1km4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3.1 电气控制系统主回路原理图3.1.2 plc外部接线图本设计的plc外部接线图如图3.2所示。cpu226cn的传感器电源24v(dc)可以输出600ma电流，通过核算在本设计中plc容量完全满足要求，cpu226cn的输出继电器触点容量为2a，电压范围为530v（dc）或5250v（ac）。3.2 i/o点数的分配及机型的选择3.2.1 i/o点数的估算采用plc构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮k1和指示灯h1，二层有上升呼叫按钮k2和指示灯h2以及下降呼叫按钮k4和指示灯h4，三层有上升呼叫按钮k3和指示灯h3以及下降呼叫按钮k5和指示灯h5，四层有下降呼叫按钮k6和指示灯h6。一至四层有到位行程开关sq1sq4。电梯内有一至四层呼叫按钮k10k7和指示灯h10h7；电梯开门和关门按钮sb5和sb6，电梯开门和关门分别通过电磁铁km3和km4控制，关门到位由行程开关st1检测，开门到位由行程开关st2检测。轿厢上行和下行由接触器km1和km2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。综上所述，输入点14个，外加6个额外触点共20个，输出点共有16个。可编程控制器s7200的cpu226输入，输出点数为2416。足以满足要求。图3.2 plc外部接线图3.2.2 输入/输出的分配该系统占用plc的36个i/o口，20个输入点，16个输出点，具体的i/o分配如表3.1所示：表3.1 i/o分配序号名 称输入点序号名 称输出点0一层平层i0.00电梯上行记忆q0.01二层平层i0.11电梯下行记忆q0.12三层平层i0.22电机正转q0.23四层平层i0.33电机反转q0.34内呼一楼i0.44内呼一楼指示q0.45内呼二楼i0.55内呼二楼指示q0.56内呼三楼i0.66内呼三楼指示q0.67内呼四楼i0.77内呼四楼指示q0.78一层外呼上行i1.08一层外呼上行指示q1.09二层外呼上行i1.19二层外呼上行指示q1.110三楼外呼上行i1.210三楼外呼上行指示q1.211二楼外呼下行i1.311二楼外呼下行指示q1.312三楼外呼下行i1.412三楼外呼下行指示q1.413四楼外呼下行i1.513四楼外呼下行指示q1.514手动开门i2.014门电机正转q1.615手动关门i2.115门电机反转q1.716开门限位i2.2 17关门限位i2.318电梯上升极限位i2.419电梯下降极限位i2.53.2.3机型的选择控制器使用了德国西门子的plc，其型号为s7-200，它的外观图如图3.3所示，其输入输出端口如图3.4所示。s7-200系列是一类可编程控制器（micro plc）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得s7-200可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的cpu类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题是具有很强的适应性15。simatic小型s7-200系列plc适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及图3.3 s7-200型plc外观图图3.4 s7-200实物图控制的自动化。s7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。s7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。s7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等16。step 7-micro/win 32是西门子公司专门为s7-200系列plc设计在个人计算机windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（lad）、语句表（stl）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的程序可以相互转换。step 7-micro/win 32提供两套指令集，即simatic指令集（s7-200方式）和国际标准指令集（iec1131-3方式）。程序编制完成之后，利用plc与计算机专用的pc/ppi电缆传送程序至plc。3.2.4 step 7概述step 7是用于simatic可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是simatic工业软件的组成部分。有下列版本的step 7标准软件包：（1）用于simatic s7-200上简单单站应用的step 7 micro/dos和step