基于PLC的电梯控制系统设计.doc

0 基于 PLC 的电梯控制系统设计 专业：自动化 姓名：赵明 指导教师：杨伟新 摘 要 近些年来，由于世界大环境的发展，各国人们水平也不 断提高。高层建筑作为城市化的产物也得以突飞猛进的发展，高层 建筑的发展直接带动了电梯的发展，电梯的变化也比较大，更新换 代也是日新月异。从目前的趋势来看，电梯不论是在高层建筑里， 还是在许多多层建筑里，电梯都是非常重要的生活工具。 本文介绍的是基于 PLC 系统控制的电梯。由于 PLC 的特点，使 它在近年来应用非常广泛，就电梯控制系统来说，它成功的取代了 原始的继电器控制电梯。本次控制系统是由 PLC 以及相应的逻辑电 路组成，具体的包括：按钮开关、行程开关、交流异步电动机、继 电器、七段显示数码管、变频器等。并使用三菱公司出产的 PLC 对 系统进行编程与控制。 关键词 可编程逻辑控制器,电梯控制,三菱 FX2N-80MR ABSTRACT In recent years, as the development of the world environment, the rising level of people all over the world. The product as a city of high-rise buildings can also make a spurt of progress of development, the development of the high-rise building directly to the development of the elevator, the elevator changes are relatively large, renewal and change 1 rapidly. From the current trend, elevators in high-rise building, or in many multistory building, the elevator is a very important tool for life. This paper introduces the elevator PLC control system based on. Because of the characteristic of PLC, so it is widely used in recent years, on the elevator control system, it successfully replaced the original relay control elevator. The control system is composed of PLC and the corresponding logic circuit, including: button switch, travel switch, AC asynchronous motor, relay, seven digital tube display, and frequency converter. And carries on the programming and control of the system using the Mitsubishi Co production of PLC. Key Words: PLC Elevator control Mitsubishi FX2N-80MR 2 目录 1.1. 绪论绪论.4 1.1 用 PLC 设计电梯的目的.4 1.2 PLC 设计电梯的意义5 1.3 PLC 控制电梯的国内外发展现状5 2.2. 电梯的总体方案设计电梯的总体方案设计.6 2.1 电梯控制系统的组成.6 2.2 电梯的分类与选择.8 2.2.1 按用途分类.8 2.2.2 按拖动系统分类.8 2.3 电梯的工作方案设计.9 2.3.1 电梯内、外部部件功能设计.9 2.3.2 电梯的工作状态.9 2.3.3 电梯上/下行分析.10 2.3.4 电梯的控制要求.10 2.3.5 电梯的安全系统.11 3.3. 电梯控制系统的硬件设计电梯控制系统的硬件设计.12 3.1 PLC 的设计12 3.1.1 PLC 组成及特点12 3.1.2 PLC 的接口设计13 3.1.3 PLC 的选择15 3.2 变频器的设计.16 3.2.1 变频调速在电梯中的应用.16 3.2.2 变频器对电梯的控制.17 3.3 电梯控制系统电路图设计.18 3.3.1 系统的主电路设计18 3.3.3 系统的保护电路设计.21 3.4 显示部分的设计.22 3.5 井道信号系统设计.24 3.5.1 井道系统的设计.24 3.5.2 干簧管感应器的设计.25 4.4. 电梯控制系统的软件设计电梯控制系统的软件设计.26 4.1 绘制流程图.26 4.2 设计梯形图.28 3 4.2.1 电梯的开门环节.28 4.2.2 电梯的关门环节.30 4.2.3 开关门保护及其对应的故障显示电路.31 4.2.4 楼层信号产生与清楚环节.33 4.2.5 内选信号环节.35 4.2.6 外呼信号环节.37 4.2.7 停层信号的产生与消除环节.38 4.2.8 定向环节.40 4.2.9 停车环节.41 4.2.10 自动运行环节.41 5 5总结总结.43 参考文献参考文献.44 附附 录录.45 答答 谢谢.55 4 1. 绪论 1.1 用 PLC 设计电梯的目的 随着科学技术在近几年的快速发展，我国的电梯生产技术同样 也是得到了突飞猛进的发展，现在国内各大驰名电梯公司也在不断 地进行改进生产技术，逐步淘汰落后的技术，利用新技术生产更新 型的电梯，电梯由两大重要部分组成，即机械系统与控制系统，微 电子技术与自动控制理论的发展，促成了电梯的控制方式与手段均 发生了很大的变化，但当前电梯拖动仍以交流调速为主要发展方向， 普通电梯控制系统主要有以下三种，如继电路控制、PLC（可编程逻 辑控制器）控制、微机控制，继电器控制系统存在故障率高、可靠 性差、控制方法不灵活，以及功耗大等一些缺点，这些缺点，注定 着它被淘汰，计算机控制系统，虽然有一个强大的智能控制功能， 但其抗干扰性非常差，系统设计也非常复杂，一般维修人员难以掌 握其维修技术，目前大家公认 PLC 比较好，因为控制系统的可靠性、 维修方便、抗干扰能力强、设计和调试周期短等，这些倍受人们的 关注，该控制方法是最常用的控制方法，也普遍用于传统继电器控 制系统的技术改造1。 PLC 控制系统有以下几大优点,如（1）可靠性高；（2）操作简 单（3）设计方便灵活，PLC 不需要大量的活动元件和连线电子元件， 5 系统的维修简单，维修时间短，具有的自诊断功能对维修人员维修 技能的要求降低，PLC 有多种程序设计语言可供使用，容易掌握和 理解，操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易，PLC 的操作 包括程序输入和程序更改，程序的输入直接可接显示，更改程序的 操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻 找，然后进行更改，所以，PLC 控制器在电梯业运用非常广泛2。 1.2 PLC 设计电梯的意义 现今国家实力不断发展，各国人们的生活水平显著提高，城市 化程度越来越高，随之而来，建筑业也得到迅猛发展，电梯被称为 室内的交通工具，是随着高层建筑的发展而发展的垂直运输工具。 电梯的应用很广泛，在住宅、仓库、工厂、商场、宾馆以及矿井等 地，都是不可或缺的。对于电梯技术的成熟与发展，电梯安全已经 被人们越来越重视起来，若何设计出安全、高效、环保的电梯控制 系统，不知是人们安全的保证，也是电梯业的发展方向。所以，电 梯的发展足以表现一个国家的发展状况3。 1.3 PLC 控制电梯的国内外发展现状 自从 1852 年来，美国纽约杨克斯的机械工程师奥的斯先生发明 了世界第 1 台 安全升降机；之后该公司又由玻璃等外观材料制作 成升降机形式的电梯；后来又生产出了蒸汽式与水压式的电梯；到 十七世纪九十年代，又安装了直接的连接式的电梯；后来，电梯就 发展成为了电力驱动的了，直到现在，这就是电梯的模型。电梯再 从设计出以后，在国外的发展速度非常快，电梯的更新换代也是非 6 常迅速的，这一点从电梯的发展史就能看出来，各项技术的发展直 接带动了电梯的发展，由此可知，电梯是与人们的日常生活与工作 息息相关的。后来电梯在中国也得广泛的应用，特别是改革开放以 后，我国经济迅速发展，电梯被带到了广大人们群众的身边。 近年来，PLC 技术得到了快速的发展，这无疑给电梯产业带来 了又一次革命。PLC 技术以其安全可靠、操作简单等优点，使其在 电梯行业中得到了广泛的应用，更是由于 PLC 有其他继电器形式的 系统无法相比的优势，使其已经几乎取代了原始的控制方式。 2. 电梯的总体方案设计 2.1 电梯控制系统的组成 整整流流 滤滤波波 电电路路 楼楼层层选选择择 按按钮钮 楼楼层层指指示示及及 运运行行方方向向 开开关关门门 检检修修 井井道道信信号号 输输入入 门门锁锁及及安安全全 回回路路 开开关关门门按按 钮钮 P PL LC C 变变 频频 器器 M 上上行行 外外部部 按按钮钮 对对 重重 内内部部 面面板板 称称重重 设设施施 轿轿 厢厢 轿轿内内信信号号 载载荷荷数数字字信信号号 厅厅外外呼呼叫叫 慢慢速速 快快速速 下下行行 抱抱闸闸控控制制 曳曳引引机机 制制 动动 器器 R S TW V U 三 相 电 源 图 2-1 电梯控制系统的原理图 如图 2-1 所示，为电梯控制系统的原理图，其具体的组成如以 7 下几点： （1）曳引系统 主要的电梯动力系统，由钢丝绳，滑轮等组成，通过钢丝绳来 进行对电梯的拖拽，是电梯垂直上下的运行。 （2）导向系统 导向系统为轿厢的运行提供了轨道，对轿厢和对重的自由度进 行了限制，使轿厢只能沿着导轨做垂直上下的运行。 （3）轿厢 轿厢为电梯主要部分之一，轿厢的上下运动可以运送乘客和物 品。 （4）门系统 电梯的门系统由内门和外门组成。内门为轿厢的入口部分，外 门为楼层的入口部分，开门机和门锁控制门系统的打开与关闭。内 门只有一个,外门每一层都有一个。 （5）重量平衡系统 平衡系统主要部分是对重，它与电梯的轿厢通过钢丝绳连接， 对重的重量可以用来平衡轿厢的重量，使电梯运行正常。 （6）电力拖动系统 电力拖动系统主要由曳引电机构成，电梯的运动拖动电梯的上 下运行。 （7）电气控制系统 电气控制系统对电梯的正常运行进行控制，由各种电气部件构 8 成。 （8）安全保护系统 该部分主要保护电梯安全运行，以及确保人身安全。 （9）平层装置 平层装置的作用是检测电梯的位置，由两个平层的感应器和隔 磁板组成，电梯运动过程中两个隔磁板先后被隔磁板插入，分别起 到减速和停车的作用。 （10）停层装置 电梯在井道中运行时，传感器会根据平层感应器所处的位置来 判断电梯的位置，从而来检测并产生平层信。 2.2 电梯的分类与选择 2.2.1 按用途分类 （1）乘客电梯：主要的功能是为了运送乘客，此类电梯基本安 装在人们活动比较多的地方。电梯的运行迅速，自动化程度高。 （2）住宅电梯：主要用于生活区域，此类功能强，不仅能乘人， 还能乘轻巧的物品。 （3）载货电梯：主要为了货物的运输而设计，用于仓库和商场 的场所，常有专业人员操作，此类电梯装修简单，速度比较慢。 （4）医用电梯：主要为医院运输病床所设计，根据病床的需要 而设计的比较狭长，通常有前后贯通的门，一般有专业人员操作。 （5）杂物电梯：此类电梯可以运送很多种物品，例如：饭店运 输食物；办公室运输文件；图书馆运输图书等，一般不允许乘坐人 9 员。 （6）车用电梯：主要用于垂直运输车辆，现在多用于立体车库 等地，此类电梯设计要求结实耐用，轿箱无顶且大，载重量大。 （7）观光电梯：此类电梯的轿厢是是透明的，乘坐电梯的乘客 可以观光风景。通常安装于建筑物的外侧。 （8）船载电梯：通常按装在大型船舶，电梯的载重量比较小。 （9）建筑电梯：安装于建筑工地，用于运输建筑用品以及人员。 （10）其他类型电梯：电梯的种类多种多样，用途不已，差别 也很大，例如：消防电梯、矿井电梯、电厂电梯等等。 2.2.2 按拖动系统分类 （1）交流双速的电梯 （2）交流变频调速的电梯 （3）交流调压调速的电梯 根具以上两种分类，本次设计的电梯为垂直型的客用电梯，用 交流变频调速的方法控制电梯。 2.3 电梯的工作方案设计 2.3.1 电梯内、外部部件功能设计 在电梯内部由按钮和显示器组成，其中按钮包括选层和开关门 按钮；显示器包括层数显示和运行方向显示器。乘客乘坐电梯时， 按下相应的选层按钮来选择所去的目的地。电梯有自动开门关门按 钮，也可以通过开门和关门按钮来控制门的状态。内部层数显示器 10 可以显示电梯此时所在的位置。上升和下降显示器能清楚的显示电 梯目前的运行方向。 电梯的外部的 5 个楼层设计有所不同，显示部分都相同，有楼 层显示和方向显示。2、3、4 层都有有上选和下选按钮，1 层和五层 分别只有上选按钮和下选按钮。 2.3.2 电梯的工作状态 （1）初始状态下（电梯在 1 楼） 呼叫指示灯都处于灭的状态。 所有显示器都置为 1。 各电梯们均处于关闭状态。 （2）运行状态下 外部进行呼叫， ，此层记忆灯记忆，控制系统响应此呼叫。 接到命令后，电梯运行到该层。 电梯响应期间，各个显示器的显示随之改变。 电梯运行期间，电梯门保持关闭。 电梯运行时，其它按钮均可操作。 。 （3）结束状态后下 电梯到达目标层后，自动开门，经过延迟后关门，在此期 间，手动开、关门功能同样支持。 各显示器均显示此层的楼层号，各指示灯均熄灭。 2.3.3 电梯上/下行分析 假设电梯处于上/下行时，当其他楼层有呼叫的时候，分析如下： 11 （1）当呼叫层在电梯目前层之上/下目的层之下/上时，此操作 有效，系统记忆并执行，运行至呼叫层之后，再依次完成相应呼叫 呼叫。 （2）当呼叫层在电梯目前层之下/上时，则电梯不响应此呼叫， 知道电梯响应完之前命令后，才响应当前呼叫。 2.3.4 电梯的控制要求 （1）所有的按钮的命令均有效，系统将记忆并执行。 （2）电梯在停泊期间，此时与之相同层有外呼命令时，电梯执 行开门操作。若非是相同层的外呼命令，则电梯会议最优的运行原 则执行命令。 （3）电梯运行时遵守不换项原则例如电梯目前处在 3 楼和 4 楼 中间，如果出现如下 3 个呼叫：3 楼上呼叫，4 楼下呼叫，4 楼上呼 叫，则电梯一次响应 4 楼上呼叫，4 楼下呼叫，3 楼上呼叫。 （4）每一楼层都会有或上或下的平层感应，一层和五层分别只 有下平层、上平层感应，来感应电梯是否到达该层。 （5）每个呼叫按钮都会有相应的指示灯，指示灯记录按钮操作 并保持，系统执行完该命令后熄灭。 （6）电梯在运行状态下禁止开门，电梯停泊状态下，支持手动 开关门。 （7）楼层显示器显示电梯当前所在层，电梯运行期间，其结果 会不断变化。 12 2.3.5 电梯的安全系统 安全窗、安全钳、限速器、限位开关、强迫停止开关以及极限 开关是保护电梯正常运行的重要组成部分。 安全窗开在电梯轿厢的顶部，目的是有紧急情况时供乘客逃生 所用，安全窗打开后，电梯被禁止运行。安全钳是一种机械装置， 当电梯超速运行和曳引钢绳断裂是起到保护作用，出现以上状况时， 就爱那个电梯夹在轨道上，避免电梯坠落。限速器也是一种机械装 置，目的是检测电梯的运动速度，当检测到带电梯超速时，会动作， 同时带动安全钳动作，使电梯停止运行。上、下限位开关和上、下 强迫停止开关以及极限开关共同保护着电梯的安全，并且依次带动 触发。如果电梯到达停车位置后仍然不停止运动时，就会触动上、 下限位开关，发出信号，是电梯停止运行；若电梯仍然不停止运动， 将会触动上、下强迫停止开关，会强制使电梯停止运行；若电梯仍 然不停止运行，极限开关将会被触发，此开关控制着主电路的电源， 主电路会停止工作，达到停车的目的。 3. 电梯控制系统的硬件设计 3.1 PLC 的设计 3.1.1 PLC 组成及特点 如图 3-1 所示，PLC 的主要组成包括：中央处理器 CPU、存储器、 输入单元、输出单元、外设 I/O 接口、I/O 扩展接口。其中中央处 理器 CPU 又包括运算器和控制器；存储器又包括 RAM 和 EPROM。 13 控制器 运算器 EPROM (系统程序） RAM （用 户程序） 电源 输 入 单 元 输 出 单 元 外 设 I/O 接 口 I/O 扩 展 接 口 中央处理器CPU 存储器 图 3-1 可编程控制器内部结构 基于现代工业生产的多种多样，所以对控制的需求的差别很大。 由于可编程控制器的特点，从而非常受工程技术人员及工人的欢迎。 （1）安全可靠，很好的抗干扰的能力 （2）可以用于多种场合，应用灵活方便 （3）程序编译容易，应用效果好 （4）设计简单、安装方便、调试容易 （5）结构简单，易于修理 （6）功能完善 3.1.2 PLC 的接口设计 经过分析，以及 PLC 系统的各个变量的设置以及对电梯整体模 型的设计可以列出电梯系统的的元件表，如表 3-1 所示。 14 表 3-1 电梯系统的元件表 元件符号名称及作用元件符号名称及作用 KM1 开门接触器 SQ19 上行强迫停止开关 KM2 关门接触器 SQ20 下行强迫停止开关 SB1 开门按钮 3KR 3 楼感应器 SB2 关门按钮 4KR 4 楼感应器 SB3 上行启动按钮 5KR 5 楼感应器 SB4 下行启动按钮 6KR 上部平层感应 SB5-SB9 1-5 楼轿厢内选按 钮 7KR 下部平层感应 1SB1-4SB1 1-4 楼上行外呼按 钮 SA 基站开关 2SB2-5SB2 2-5 楼下行外呼按 钮 1HL-5HL 1-5 层层楼指示灯 SQ0 极限开关6HL、7HL上行、下行的指示 灯 SQ 电源开关HL6、HL7上下行指示记忆灯 SQ1 安全窗开关 HL8 1 楼上呼记忆灯 SQ2 安全钳开关 HL9 2 楼上呼记忆灯 SQ3 限速器开关 HL10 2 楼下呼记忆灯 SQ4 轿内急停开关 HL11 3 楼上呼记忆灯 SQ5 基站开关 HL12 3 楼下呼记忆灯 SQ6 开门到位开关 HL13 4 楼上呼记忆灯 SQ7 关门到位开关 HL14 4 楼下呼记忆灯 SQ11-SQ15 1-5 楼厅门锁开关 HL15 5 楼下呼记忆灯 SQ16 轿门关闭到位开关 HL16 正常运行指示灯 SQ17 上限位开关 HL17 门锁指示灯 SQ18 下限位开关 HL18 报警灯 JL 报警铃 如图 3-2 所示，为 PLC 的输入/输出电路，由开关元件、指示灯 组成，开关进行对 PLC 输入控制，构成输入电路；指示灯受 PLC 输 出控制，组成输出电路。 15 安安全全运运行行K KA A2 2 门门锁锁K KA A1 1 自自动动 检检修修 开开门门 关关门门 上上行行启启动动 下下行行启启动动 1 1层层内内选选指指示示 下下行行指指示示 上上行行指指示示 下下强强迫迫开开关关 上上强强迫迫开开关关 防防夹夹 超超载载 下下减减速速/ /上上平平层层 上上减减速速/ /下下平平层层 5 5楼楼下下行行 4 4楼楼下下行行 4 4楼楼上上行行 3 3楼楼下下行行 3 3楼楼上上行行 2 2楼楼下下行行 2 2楼楼上上行行 5 5楼楼内内选选 4 4楼楼内内选选 3 3楼楼内内选选 1 1楼楼上上行行 2 2楼楼内内选选 1 1楼楼内内选选 下下行行限限位位 上上行行限限位位 关关门门到到位位 开开门门到到位位 基基站站 低低速速 高高速速 下下行行 上上行行 开开门门 关关门门 1 1楼楼上上呼呼记记忆忆 5 5层层内内选选指指示示 4 4层层内内选选指指示示 3 3层层内内选选指指示示 2 2层层内内选选指指示示 2 2楼楼上上呼呼记记忆忆 5 5楼楼下下呼呼记记忆忆 4 4楼楼下下呼呼记记忆忆 4 4楼楼上上呼呼记记忆忆 3 3楼楼下下呼呼记记忆忆 3 3楼楼上上呼呼记记忆忆 2 2楼楼下下呼呼记记忆忆 F FU U2 2 K KM M4 4 K KM M3 3 1 1 S SQ Q 2 22 20 0V V F FU U3 31 12 2V V X X0 0 Y Y0 0 C CO OM M X X4 41 1 X X4 40 0 X X3 37 7 X X3 36 6 X X3 33 3 X X3 32 2 X X3 31 1 X X3 30 0 X X2 27 7 X X2 26 6 X X2 25 5 X X2 24 4 X X2 23 3 X X2 22 2 X X2 21 1 X X2 20 0 X X1 17 7 X X1 16 6 X X1 15 5 X X1 14 4 X X1 13 3 X X1 12 2 X X1 11 1 X X1 10 0 X X7 7 X X6 6 X X5 5 X X4 4 X X3 3 X X2 2 X X1 1 C CO OM M Y Y3 34 4 Y Y3 33 3 Y Y3 32 2 Y Y3 31 1 C CO OM M Y Y3 30 0 Y Y2 27 7 Y Y2 26 6 Y Y2 25 5 Y Y2 24 4 Y Y2 23 3 Y Y2 22 2 Y Y2 21 1 Y Y2 20 0 Y Y1 17 7 Y Y1 16 6 Y Y1 15 5 Y Y1 14 4 Y Y1 13 3 Y Y1 12 2 C CO OM M Y Y1 11 1 Y Y1 10 0 Y Y7 7 Y Y6 6 Y Y5 5 Y Y4 4 Y Y3 3 Y Y1 1 Y Y2 2 K KM M3 3 K KM M4 4 门门锁锁灯灯 正正常常运运行行指指示示 报报警警灯灯 报报警警铃铃 S S5 5 S S4 4 S S3 3 S S2 2 l l1 1 l l3 3 l l2 2 T T S S R R F FR R M M1 1 3 3 曳曳引引 电电机机 W W V V U U 变 频 器 S SQ Q0 0 S S C C B B A A Y Y6 6 Y Y0 0 7 7 4 4 H H C C 1 1 3 3 8 8 FX2N-80MR N NL L N N L L A AC C 2 22 20 0V V S SA A A AC C S SC C M MA A 零零速速输输出出 （抱抱闸闸） 16 图 3-2 PLC 的输入/输出电路 本次设计为基于五层五站式电梯的设计，由于在电梯的变量中， 开关量的原件比较多，而模拟量的相对来说较少，电梯控制系统对 系统的要求来说也很一般，所以，市场上一般的 PLC 都可以满足这 个要求，基于三菱公司的 PLC 操作简单、接个便宜、体积较小等原 因，我对本次设计的 PLC 选择三菱旗下的 FX2N系列 PLC。 3.1.3 PLC 的选择 三菱 FN 系列的 PLC 与其他品牌的 PLC 相比有很多优点。三菱 系列的 PLC 相对来说属于小型 PLC,价格便宜，但是功能很强大。在 编程方面，虽然没有西门子扩展性强，可是编程简单也成为他的优 点。在当今社会的发展情况来看，三菱 FN 系列 PLC 已经能满足很多 方面的使用。 三菱 PLC 采用了一类的可编程的存储器，可以将程序储存到内 部，来执行顺序控制、逻辑运算、计数、定时、和算术操作等指令， 这些指令时面向用户的，能通过模拟和数字输入/输出来控制各类的 机械设施和生产过程。 三菱 FN 系列的 PLC，内部存在编程软元件，它乐意支持机型编 程语言，即使这样，它与真实的元件也有很大差别。FN 系列的模块 中，FX2N系列 PLC 是最好的，它的速度快、功能强、控制全面。基 于三菱 PLC 的众多优点，所以选择三菱 FX2N系列 PLC。 FN 系列的 PLC 在梯形图中的编程元件的名字组成为字母加数字， 表示的意思为元件的类型及元件号，例如：X1、M100。输入与输出 17 的数字部分为八进制编排，如表 3-2 所示，为 FX2N 系列接口点数。 表 3-2 为 FX2N 系列接口点数 型 号 FX2N- 16M FX2N- 32M FX2N- 48M FX2N- 64M FX2N- 80M FX2N- 128M 输 入 X0X7 8 点 X0X17 16 点 X0X27 24 点 X0X37 32 点 X0X47 40 点 X0X77 64 点 输 出 Y0Y7 8 点 Y0Y17 16 点 Y0Y27 24 点 Y0Y37 32 点 Y0Y47 40 点 Y0Y77 64 点 根据本次设计的输入/输出电路可知输入/输出接口分别为 34 个 和 29 个，所以可以选择 FX2N-80MR 的 PLC 对系统进行控制。PLC 的 参数如表 3-3 所示。 表 3-3 PLC 的参数表 输入输出模型I/O 总数 数目类型数目类型 FX2N-80MR8040 漏型 40 继电器 3.2 变频器的设计 3.2.1 变频调速在电梯中的应用 利用电动机交流变频是技术来控制电梯的优点突出，它的节能 18 省电功能响应者国家的可持续发展战略和节能减排战略，使电梯逐 步走向绿色化。交流变频技术也可以充分的提高产品的质量，充分 的改善周围的环境。另外，由于变频调速这项技术本身的发展，也 充分的带动了与之相关的其他行业的发展,比如其在电梯技术中的发 展。以前的电梯进行调速使非常麻烦的，会在电梯的主电路中串联 电阻和电感，当需要调速时，会利用接触器来改变串联电阻的阻值， 通过改变电路中的阻值来控制电动机的转速。这种改变阻值的方法 可靠性低，原件容易出现故障，降低电梯的安全性。 变频调速在电梯中应用有很多特点，简单介绍以下几点： （1）电梯的升降主要靠电动机来实现，电动机的正、反转可以 实现对电梯运行方向的改变，在使用变频调速的电梯中，控制的是 异步电动机，异步电动机相比于直流电动机的优点也比较显著。例 如，异步电动机的体积小、所占的地方小、简单易操作、比较可靠、 间隔便宜等。 （2）电梯的变频调速的技术非常先进，其中包含了 SPWM 技术， 对电梯的改善效果有很大的提高，电梯的安全性得到保障的前提下， 是乘坐电梯的乘客感觉更加舒适、更加自然，仅仅基于这个效果就 能使交流调速技术在电梯中广泛应用。 （3）这种技术出了自身性能外，节能减排效果也非常明显。电 梯和空调作为两个最好能的设施，对资源的占有率比较大，如果能 让这个最大耗能的设施节约能源，减小开支，那么这个作用就太大 了。 19 3.2.2 变频器对电梯的控制 在电梯控制系统中，曳引电动机控制着电梯的上升与下降，在 上升与下降的过程中不时恒定速度不变的，乘坐电梯是，我们都希 望电梯会比较舒适自然，所以就要对电梯的启动、运行、停止进行 调速控制，使电梯起步时有一个加速状态；停止时有一个减速状态， 这样会使乘客乘坐电梯时不会有晕电梯的按觉。最重要的是其可靠 性差，设备容易损害，不易维修，乘客的安全受到很大威胁。电梯 的上行、下行、调速都受到变频器的控制。乘坐电梯是，我们都希 望电梯会比较舒适自然，所以就要对电梯的启动、运行、停止进行 调速控制，使电梯起步时有一个加速状态；停止时有一个减速状态， 这样会使乘客乘坐电梯时不会有晕电梯的按觉。 为了使乘坐电梯的乘客有舒适感，所以电梯的速度就采用了 “S”型的运行状态，将速度转换为频率曲线，如图 3-3 所示。 图 3-3 电梯运行频率变化曲线 当控制系统发出信号上升或下降后，系统会发出高速运行的信 号，此时变频器收到信号，由 0HZ 至 50HZ 启动开始，设置启动时间 为 1S,运行过程中会以恒定的 50HZ 的频率运行；当收到减速信号后， 控制系统会发出低速运行信号，变频器接收到低速信号后，变为低 速频率运行，设置低速频率为 6HZ，由 50HZ 装换到 6HZ 的时间设置 20 为 1S， ；当有平层信号发出时，变频器的频率会由 6HZ 变到 0，电梯 停车。 本次设计的电梯控制系统中，只有曳引电动机受到变频器控制， 控制变量上，控制难度小，所以说要选择操作简单，可靠性好，价 格便宜的变频器。所以可以选择欧姆龙系列变频器，型号为 3G3JV。其主要参数如表 3-4 所示 。 表 3-4 3G3JV 变频器参数 品牌型号供电电压额定电压（V）额定功率 （KW） 欧姆龙 3G3JV 低压 AC3800.75 3.3 电梯控制系统电路图设计 3.3.1 系统的主电路设计 如图 3-4 所示，曳引电动机为双速笼型异步电动机， KM1 和 KM2 是两个接触器，用以控制曳引电动机，从而控制电梯的运动方 向。KM3 和 KM4 是两个接触器控制电动机开门和低速关门运行的， 两个电动机是守一个电源控制，同是三项电源控制，对 KM3 与 KM4 会控制电梯门的打开与关闭。控制主电路的三相电分别为 U、V、W，U、V、W 是通过变频器转换的电源，电源之后先后接有电 源开关 SQ 和极限开关 SQ0，SQ 的作用是切断电源的打开与关闭。极 限开关 SQ0 的作用是几线控制，当电梯到达一楼平层与五楼平层时 还不停止运行，就会触发 SQ0，强制电梯停止运行。平层后，所有 接触器都会断开，机械抱闸，电梯运动停止。 21 S SQ Q0 0 F FR R M M1 1 3 3 L L3 3 L L1 1 L L2 2 F FU U1 1 M M2 2 3 3 K KM MK KM M 2 2 1 1 2 21 1 F FR R 曳曳引引电电机机 门门电电机机 S SQ Q 变频器 T TS SR R W WV VU U S S2 2 S S5 5 Y Y3 3Y Y2 2Y Y1 1Y Y0 0 图 3-4 电梯控制的主电路图 3.3.2 曳引电动机和门电机的选择 曳引电动机是控制电梯上下运行的设施，根据电梯实际应用时 工作状态的考虑可知，电动机工作状态是短时的，启动和停止的频 率较高，对于如此频繁的启动于制动，对电机本身的硬件考研非常 大。为了满足以上等要求，选择交流双速异步电动机。 此种电动机和鼠笼型电动机相似，双速电机比鼠笼型电动机多 了一套绕组而由双套绕组，分别为高、低速绕组。 (4-1) p f n 60 1 (4-2) p sf n )1 (60 2 4-1、4-2 分别为计算转速的的表达式，由公式可知，异步电动 机的同步转速 n 可由磁极对数 p 控制，n 随着 p 的增大而减小。 设计电梯的基本参数如表 3-5 所示 表 3-5 设计电梯的参数 额定载重额定速度平衡系数总传动效率 22 （kg）（m/s）（Kp） 100010.450.8 （4- 102 1 p KVQ P 3） 式中：P电机功率（kw） ；Q电梯的额定载重（kg） ；V电梯 的额定运行速度（m/s） ；Kp电梯的平衡系数； 曳引机的传动总 效率。 根据参数表中的数据以及公式 4-3 所计算出的结果可以选择电 动机的型号。根据计算选择 YD160L-8/4 交流双速异步电机，参数如 表 4-8 所示， 外观如图 4-12。 表 3-6 YD160L-8/4 交流双速异步电机参数 型号类型额定功率 (KW) 额定电压 (V) 额定转速 r/min YD160L-8/4 三相异步电 动机 7/11380730-1460 本次设计的门电机也采用三相交流电源的异步电动机，电动机 工作状态是短时的，启动和停止的频率较高，对于如此频繁的启动 23 于制动，非常考验电动机绝缘材料的等级和起动的惯性及机械强度。 但是门电机不会有这么大的强度，也不需要有向曳引电动机的起动 的惯性和机械强度。但是作为门电动机，开门和关门的频率也使非 常大的，所以在电动机的选择上也同样会考虑其绝缘材料的等级等 的因素，为了经济与耐用，故也选择于曳引电动机同一系列的电动 机，型号可以比曳引电动机小。 选择同理曳引电动机。门电动机选择 YD132M-8/4 的电动机。电 动机主要参数如表 3-7 所示。 表 3-7 YD132M-8/4 交流异步电动机主要参数 型号类型额定功率 (KW) 额定电压 (V) 额定转速 r/min YD132M- 8/4 三相异步电 动机 3/4.5380720-1440 3.3.3 系统的保护电路设计 如图 3-5 所示，门锁继电器 KA1 由所有的门锁开关组成，开关 的通断控制着电梯的运行，所有开关都接通时，电梯才正常运行。 安全运行电路由所有的安全开关组成。 24 SQ11 KA1 KA2 FR2 FR1 SQ12 SQ13 SQ14 SQ15 SQ16 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ17 SQ18 SQ19 SQ20 门锁 安全运行电路 图 3-5 保护电路电路图 3.4 显示部分的设计 电梯内部显示部分如图 3-6 所示，电梯的显示部分包括内显示 部分和外显示部分。内显示部分和外显示部分略有不同。当乘客需 要乘坐电梯时，只需要在外部按下上或下按钮就可以了，不需要按 选择楼层按钮，控制系统会根据乘客所登记的记录来定向并以最优 的方式运行，所以外部显示只有上和下按钮。但是一楼和五楼是不 同的，由于一楼只能上，五楼只能下，所以一楼只设置向上按钮， 五楼只设置向下按钮。 电梯内部的显示部分也成为轿厢显示。轿厢内有一至五层的按 钮、手动开门和手动关门、楼层显示器、上下方向显示器。通过一 至五层的按钮，乘客可以按下自己想去的楼层。当电梯门关闭或是 打开过程中，乘客可以进行手动的开门与关门，来改变电梯门原有 的状态。楼层显示器与方向显示器和厅外的显示器作用是一样的， 都是状态显示。 25 1 1 5 5 4 4 3 3 2 2 图 3-6 电梯内部显示模块 a a g g f f e e d d c c b b 图 3-7 七段数码显示示意图 楼层的显示是由七段显示数码管组成，PLC 通过译码器连接七 段显示数码管，从而把数据传输给显示屏，PLC 输出的是 BCD 码， 即“8421”编码，此编码不能被数码管直接使用，所以要通过译码 器进行装换。译码器的 A、B、C、S 分别就接 Y31 至 Y34，Y0 至 Y6 分别接在七段显示数码管的 a 至 g。译码器的引脚图如图。一至五 层的转换结果如 3-8 表所示。 A A Y Y7 7 Y Y6 6 Y Y5 5 Y Y4 4 Y Y3 3 Y Y2 2 Y Y1 1 Y Y0 0 S S C C B B 74HC138 c c b b a a A A Y Y3 34 4 Y Y3 33 3 Y Y3 32 2 Y Y3 31 1 g g f f e e d d 图 3-8 译码器 26 表 3-8 数码管显示表 ABCDEFG 一楼 0110000 二楼 1101101 三楼 1111001 四楼 1110001 五楼 1011011 3.5 井道信号系统设计 3.5.1 井道系统的设计 如图 3-9 所示，为电梯井道系统的示意图，电梯在正常运行工 作中，会随时提供它目前所处的位置，来告诉乘坐电梯的乘客和正 在等电梯的乘客。我们可以通过传感器来知道电梯所在的位置和运 行方向，干簧管可以满足这样的要求。干簧管传感器相对于其他的 的传感器来说，还是比较有保证的，安全可靠。将干簧管传感器安 装在电梯的顶部，井道中每层都安装一个隔磁板，电梯运行过程中， 隔磁板就会插入干簧管感应器，来判断电梯所在的层数。 电梯抱死时，会达到平层位置，平层位置的含义是电梯停止运 行时，门厅的地面和轿厢的底在同一平面上。平层基本都有规定的 尾差范围，一般规定内外平面的差不大于 5mm，电梯平层的过程是 先减速，减速过后再停车，之后发出信号开门，这样会使乘客的舒 27 适度大大提高。 1 5 4 3 2 1 对重 2 隔磁板 3 上平层感 4 下平层感应 5 轿厢 图 3-9 井道示意图 3.5.2 干簧管感应器的设计 干簧管感应器是用来检测轿厢位置的，所有也会称之为选层器。 本次设计的楼层检测器是干簧管感应器，干簧管是利用磁场来接通 于断开开关的装置。干簧管感应器要设置在轿厢的顶部，可以检测 出电梯所在的位置和发出减速于平层信号，可以说它是井道部分最 重要的设备之一了。 1 6 5 342 1 干簧管 2 常闭触点 3 转换触点 4 常开触点 5 永久磁铁 6 隔磁 28 图 3-10 干簧管感应器 如图 3-10 所示，为干簧管感应器，感应器呈“U”型。当“U” 型内没有隔磁板插入时，在永久磁铁的磁场作用下， 2 和 3 连接， 当在“U”型感应器内插入隔磁板后，永磁铁通过空气会和隔磁板形 成一个闭合的回路，在失去磁场的作用下，干簧管的簧片因为有弹 性，所以此时 2 和 3 断开， 3 和 4 回接通。本次设计是将干簧管感 应器放置在电梯轿厢的顶部，将隔磁板放在电梯的井道内，利用两 个干簧管感应器来判断电梯的位置，以及电梯减速和制动的时间。 干簧管相对于其他类机械开关来说有很多优点，如构造简洁、 反应快、占空小、工作时间长；相对于其他电子开关来说，它的抗 负载冲击能力比较强，工作可靠、性能好。 此次设计的感应器选择 YG-1 永磁感应器。简介见表 3-9 所示。 表 3-9 永磁感应器参数表 型号电流方式电压（V）机械寿命控制方式 YG-1 直流380 以下12 万磁场 4. 电梯控制系统的软件设计 4.1 绘制流程图 电梯控制系统的主流程图如图所示，由初始状态到运行结束等 三种状态，这三种状态包括：初始状态、运行状态、运行结束状态。 通过主流程图可以清晰的显示出电梯运行及控制的状态。主流程图 如图 4-1 所示。 29 初始化 等待 是否轿厢呼叫是否门厅呼叫 确认本层与目标层 目标层与本层是否同层 电梯选项 电梯运行 电梯启动 楼层检测 是否目标层 电梯制动 平层检测 电梯减速 开门 关门 延时 是否停止运行 停止 上电 Y Y N N N N N N N N Y Y Y Y Y Y Y Y (a) 楼层检测 楼层是否变化 送入七段数码管显示 信号保持 Y Y N N (b) (a) 主体部分 (b) 楼层显示部分 图 4-1 主流程图 30 4.2 设计梯形图 4.2.1 电梯的开门环节 （1）初始开门 此时，电梯没有运行，工作人员进行开启电梯，将电梯锁 SA2（X10）打开，电梯接通电源，系统开始运行程序，电梯门会自 动打开，进行正常工作。 （2）检修开门 接通 X3，电梯处于检修状态下，只能进行手动开关门，按下开 门按钮开门、按关门按钮关门。 （3）呼叫开门 如果没有新的命令时，电梯将会停在该层不动，处于待命状态； 当有人在此层进行呼叫时，电梯门会打开，随后根据命令运行。 （4）关门时重新开门 当电梯关门过程中，如果有乘客需要进/出电梯，会选择重新开 门，只需按下开门按钮 X4，即可重新打开电梯门。 （5）自动停层开门 电梯到达命令层时，接到平层指令机会停止运行，此时 M140 接 通，电梯门打开。 （6）故障开门 当电梯超载时，X36 会接通，电梯门会重新打开；当关门过程 中，如果有东西夹到电梯门时，电梯门会关不上，开关 X37 接通。 （7）禁止开门 31 电梯运行时，是禁止电梯门打开的。开门程序的梯形图如图 4- 3 所示。 停层信号 停层 开门 响应 关门 开门延时 关门到位 N Y 开门到位 图 4-2 开关门程序流程图 32 图 4-3 开关门程序 4.2.2 电梯的关门环节 （1）停用关门 需要结束电梯运行时，把电梯开到基站，乘客离开电梯后，电 梯门自动关闭，用钥匙关闭 SA2，此时电梯和 PLC 都断电而停止工 作。 33 （2）自动关门 电梯开门后，会有一段时间的延时，延时时间到到后，电梯制 动关门。 （3）检修关门 电梯检修过程中，只能手动关门。 （4）提前关门 在电梯延时关门时，如果需要提前关门，只需按下 X5 就可以实 现。 （5）禁止关门 当电梯超重时，电梯门禁止关闭。 电梯关门梯形图如 4-4 所示。 图 4-4 关门梯形图 34 4.2.3 开关门保护及其对应的故障显示电路 在电梯关门时，有很多原因会只是电梯门关不上。电梯门不能 关闭时就会重新打开，如果故障不能清除，电梯门会多次重复操作， 可能会损坏电梯。所以对电梯进行设计，重复开关门 5 次后，电梯 就会停止运动。楼层显示会出现 0 和 2 交替，知道恢复正常。 关门信号 延时 关门动作 结束 关门完毕 关门到位 停止工作 关门到位 Y N N Y 开门 开门计数 图 4-5 开关门保护流程图 梯形图如图 4-6 至 4-9 所示。 35 图 4-6 重复开关门电路梯形图 图 4-7 故障显示梯形图 当 KA2 断开时，故障显示 0 和 1 交替，如图所示 图 4-8 主控及复位梯形图 36 图 4-9 故障显示梯形图 4.2.4 楼层信号产生与清楚环节 当电梯在某一楼层时，楼层显示器会显示该层的号码。每上升 一层会加一，每下降一层会减一。用 D200 来表示电梯的楼层数， PLC 通过译码器来与显示数码管连接，从而显示出楼层数。梯形图 如图 4-10 所示。 当前楼层信号 下平层 楼层减1楼层加1 上平层 楼层辅助信号 确定楼层 图 5-10 楼层信号产生与消除流程图 37 图 4-11 楼层信号产生与消除梯形图 4.2.5 内选信号环节 轿厢的内部有 1-5 楼的选择按钮，乘客按下选选择按钮是，相 应的只是等点亮并保持，电梯响应命令。当电梯到达选择的楼层后， 之前的选择信号别清楚，指示灯也随之熄灭。程序梯形图如图 4-13 38 所示。 轿厢按钮呼叫 平层层呼叫指示灯灭接近平层反馈信号 PLC存储上行或下行