安工大东教学楼电梯机电系统设计含4张CAD图
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安工大东教学楼电梯机电系统设计摘 要本次设计为安工大东教楼电梯的机电系统设计。采用 PLC 来控制电梯轿厢提升电机的正转、反转、起和停。在本文中主要对电梯曳引系统做了详细设计和计算，以及校核，包括曳引机、减速器、轴、联轴器、轴承等，并对相关图形进行了绘制。对于 PLC 控制系统的设计，主要包括 PLC 控制的基本程序流程图和程序编程。其中电梯曳引机的设计重点是减速器的设计与校核，减速器采用蜗轮蜗杆减速器，轴承采用角接触轴承，联轴器采用弹性柱销联轴器。另外 PLC 控制的设计主要考虑的是电梯上下行的控制，电梯楼层的显示。传统的电梯多采用继电器群的控制方法，其所用的继电器较多，控制系统成本高且安全性能不好，本次设计的电梯是基于西门子 S7-200PLC 的控制系统，将传统的继电器控制逻辑变为计算机控制逻辑，其具有安全性能高，成本有所降低， 维修方便，可靠性高，运行效率高等优点。关键词：电梯；曳引机；减速器；PLCIVABSTRACTThis design is an engineering design of electromechanical system of teaching Dadong building elevator. Using PLC to control the elevator hoist motor forward and reverse, and stop. In this paper is mainly on the elevator traction system was calculated, and the detailed design and verification, including traction machine, speed reducer, shaft, bearings, couplings, and related graphics rendering. For the design of PLC control system, including the basic PLC control program flow diagram and programming.Focusing on the design of the elevator traction machine is the gear design and checking device, reducer a worm reducer, bearings with angular contact bearings, coupling with elastic pin coupling. The design of PLC control is the main consideration the elevator down control, elevator floor display.The traditional elevator control method using multi relay group, more the use of the relay control system, high cost and safety performance is not good, the design of the elevator control system based on S7-200PLC Siemens, traditional relay control logic for computer control logic, which has high safety performance, lower cost, repair convenient, high reliability, high efficiency advantages.Key words: The elevator traction ;machine; reducer; PLC目 录摘 要IABSTRACTII第 1 章 绪论11.1 电梯的出现及发展11.2 电梯概述31.2.1 电梯的分类31.2.2 电梯的主要组成部分41.2.3 电梯的技术发展概述41.2.4 电梯的发展趋势5第 2 章 电梯升降牵引系统72.1 电梯升降系统简介72.2 曳引机械系统设计任务72.3 曳引机的选择8第 3 章 减速器的设计93.1 动力学参数计算93.2 传动零件的设计计算93.2.1 蜗杆传动类型103.2.2 选择蜗轮蜗杆材料103.2.3 按齿面接触疲劳强度设计蜗轮蜗杆103.2.4 蜗杆和蜗轮主要参数与尺寸103.2.5 蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核113.2.6 轴的设计计算113.3 轴承的选择及校核计算173.3.1 校核输入轴轴承173.3.2 校核输出轴轴承183.4 键连接的选择及校核193.4.1 联轴器与输出轴连接采用平键连接193.4.2 联轴器与输入轴连接采用平键连接193.5 联轴器的选择及校核计算193.5.1 输入端联轴器193.5.2 输出端联轴器203.6 箱体及附件的结构设计203.6.1 减速器结构203.6.2 铸铁箱体主要结构尺寸和关系20第 4 章 PLC 在电梯控制中的应用224.1 PLC 的特点224.1.1 PLC 的可靠性224.1.2 易操作性224.1.3 灵活性234.2 PLC 控制电梯的优点23第 5 章 PLC 的选择及其硬件开发245.1 可编程序控制器（PLC）的选择245.1.1 轿厢位置检测245.1.2 PLC（可编程控制器）的选型245.2 PLC（可编程控制器）控制系统硬件开发255.3 设计思想255.3.1 信号控制系统255.3.2 电梯控制系统实现的功能255.3.3 电梯操作方式265.4 I/O 点数的分配及机型的选择275.5 电梯 PLC 输入输出接线图27第 6 章 系统软件开发296.1 电梯内部部件功能简介296.2 电梯的外部部件功能简介296.3 电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析296.4 软件流程图306.5 电梯的控制要求30第 7 章 结论31参考文献33致谢34 第 1 章 绪论1.1 电梯的出现及发展电梯的起源，要从公元前 2600 年前埃及人在修建金字塔的时使用的一种最为原始的系统说起，他是用来提升重物，这种系统的原动力是人力。到了 1203 年，法国的二修道院里安装了一台机器，也是用来提升重物，但是跟以往不同的是，该机器用驴作为原动力，需要提起的物体由系在绳子上，绕在一个大圆滚筒上，用此方式起吊。此种方式一直延续使用到了近代，到了瓦特发明了蒸汽机， 蒸汽机广泛使用，约在 1800 年，煤矿的主人们利用起重机把矿井深处的煤运到地面上来。数百年来人类制造过各种类型的升降机，它们普遍具有一个共同的缺陷：只要起吊绳突然断开，升降机便迅速地坠落到最底层。1854 年奥地斯设计了一种制动器：在升降梯的顶部安装一个货车用弹簧和一个制动杆与升降梯井道两侧的导轨相连接，起吊绳与货车弹簧连接，这样仅是起重平台的重量就足以拉开弹簧， 避免与制动杆接触。如果绳子断裂，货车弹簧会将拉力减弱，两端立该与制动杆咬合，即可将平台牢固地原地固定免继续下坠。“安全的升降梯”发明成功了！ 一时间，奥的斯成了众人注目的中心。第一台升降机并非奥的斯所发明，但他却是第一台“安全”升降梯的发明者。“安全”这一概念不仅开创了升降梯工业， 而且也为那些想建造更高层建筑物以增加更多可利用空间的设计们打开了通途。随着现代化城市高速发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也迅速发展起来，电梯不仅是生产运输的主要设备，更是人们生活和工作中必备的交通工具。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，一般称为电梯。通常电梯可以分为四大空间（机房部分、井道及底坑部分、轿厢部分、层站部分），八大牵引系统，分别为牵引系统、导向系统、门系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保障系统。其中曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。由曳引机、导向轮、曳引钢丝绳、曳引绳头等部件组成。导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。由导轨架、导轨、导靴等部件组成。机械35安全保护系统主要保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生，由缓冲器、限速器、安全钳、制动器、门锁等部件组成。门、轿门及开关门系统由轿门、厅门、开关门机构、门锁等部件组成。具体组成部分由图 1.1 所示。电梯发展的今天，在使用需求和新技术应用方面都进入到全面发展时期，随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，要求电梯不只是完成垂直运输的基本功能， 还应以人为本提高舒适度，特别从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短”问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式。合理的配置与使用远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。曳引机曳引轮底座绳轮限速器曳引钢丝绳限位开关撞弓轿箱导靴限位开关轿箱架轿箱门导靴对重补偿链补偿链导轮限速器涨紧装置图 1.1 电梯的结构组成1.2 电梯概述1.2.1 电梯的分类电梯按照不同的方式有不同的分类（1） 按速度分类：低速电梯，1m/s 以下；高速电梯，2-3m/s；超高速电梯， 3-10m/s 等；（2） 按用途分类：乘客用电梯；住宅用电梯；观光用电梯；载货用电梯；客货两用电梯；车辆用电梯；其他电梯等（3） 按拖动方式分类：交流电梯；液压电梯；螺杆式电梯；直流电梯；齿轮齿条电梯等；（4） 按有无司机分类：有司机电梯；无司机电梯；有/无司机电梯；（5） 按控制形式分类：手柄操纵控制电梯；集选控制；信号控制电梯；按钮控制电梯等；（6） 按曳引机结构分类：有齿曳引机电梯；无齿曳引机电梯。1.2.2 电梯的主要组成部分（1） 曳引系统电梯的曳引系统是由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。（2） 导向系统电梯的导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。他们的作用是用来限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和导轨只能沿着指定的轨道作上升和下降运动。（3） 门系统电梯的门系统主要由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。（4） 轿厢电梯的轿厢由轿厢架和轿厢体组成。用来运送乘客或者货物。（5） 重量平衡系统电梯的重量平衡系统主要由对重和重量补偿装置组成。（6） 电力拖动系统电梯的电力拖动系统主要由曳引电机、电力系统、速度反馈装置、调速装置等组成。对电梯的运行实行调速控制。（7） 电气控制系统电梯的电气控制系统主要由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成，对电梯的运行实行操纵和控制。（8） 安全保护系统电梯的安全保护系统包括电控和机械的各种保护装置，都是用来保证电梯运行的安全。1.2.3 电梯的技术发展概述（1） 现代电梯的发展趋势是速度越来越快，高速和超高速电梯的数量越来越多。（2） 在原动力上，电梯的拖动系统也发展较为迅速，原来的电梯是直流电梯，但是直由于其存在能耗大、维修不方便等较多的缺点，现在的电梯已经不再采用直流驱动方式，以交流电梯为主，现代发展的的还有液压电梯，由于其运行较前两类电梯平稳，机房位置也比较灵活等特点，液压电梯在低楼层场合得到越来越广泛的应用。另外得到了飞速发展的是交流拖动电梯，这类电梯已经从原来的变极调速（AC-VP）发展成现在的调压提速（AC-VV）和调频调压调速（AC-VVVF），现代人们更注重于电梯乘坐的舒适性，而这类电梯的速度和加速度控制更符合人们的需求，舒适感也在不断的提高。（3） 电梯的逻辑控制也从原来的继电器控制发展成可编程控制器（PLC）和微机控制，控制方式也从原来的手柄控制、信号控制变成现在的集选控制、并联控制、群控等，电梯运行的可靠性、安全性得到了较为明显的提高。（4） 电梯的管理功能也在不断的加强改进，现在的电梯广泛采用微机控制技术，不断地满足不同用户的使用要求，如紧急停车操作、消防员专用系统等。（5） 智能群控技术在电梯上得到了广泛的应用。（6） 在机械构造及传动方面也有了不断的提高，斜齿轮传动和行星轮传动在电梯上得到了广泛的使用，现在电梯传动形式趋于多样化。1.2.4 电梯的发展趋势（1） 电梯在结构上不断地紧凑，在体积不断地朝着轻型化、小巧化发展。锁着现代工艺的发展，新技术、新材料也不断的出现，电梯的机械系统结构会趋向简单化，体积趋向小型化，材料趋于轻型化，工艺趋于先进化。与此同时，无机房电梯将会在未来有交大速度的发展。（2） 在未来电梯的技术含量会更高，性能也会更好。VVVF 电梯是近几年推出的新产品，其具有先进性能和高舒适性，发展迅速，现如今已经成为电梯行业中的标准配置。问世不久的永磁同步无齿轮曳引机，其具有更低能耗、更清洁、安全性能更高、低噪音、成本低等一系列的特点，将来很肯能取代 VVVF 电梯成为电梯行业的标准配置。（3） 将来电梯的安装会变得更加方便和快捷。无脚手架安装具有安全、高效、可重复使用等优点，或许在将来会是高层电梯安装的主要方式。随着科技的发展，技术的不断进步，使得电梯的安装系统得到优化，其安装更快、效率更高。（4） 电梯发展的趋势是理念上的改变。产品的设计理念在不断的更新改进，更符合人机友好，环境友好，电梯会朝着能耗更低、噪声更小、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍的趋势发展。第 2 章 电梯升降牵引系统2.1 电梯升降系统简介电梯牵引系统是安装在电梯提升间中的一种装置，由两个部分组成，一部分分是用于钢丝绳牵引电梯的电梯驱动器（包括：传动装置、直立位置的电动机、制动器），另一部分是用于为电梯机箱提供垂直运动的悬挂元件。牵引系统中的电动机和传动装置与垂直平面有一定角度的倾斜，在传动装置的水平边界上，电动机中没有零件伸出。因此，电梯驱动器可以占据很小的面积， 使电梯提升间有限的空间得到最大化的利用。除此之外，制动器也是是传动装置的一部分，并且是不可拆卸的固定在上面，所以使得电动机装拆到传动装置上变得轻而易举。电梯曳引机，是电梯的主拖动机械，按驱动电动机的类型可分为直流电动机拖动和交流电动机拖动两类；按有、无减速器来分类，可分为有齿轮和无齿轮两类。以前，有齿轮曳引机一般用于低速、快速交流电梯，无齿轮曳引机一般用于高速直流电梯。现代拖动技术中广泛地采用了 VVVF（变压变频）技术，无齿轮交流同步曳引机在低速、快速电梯中也得了大量应用。国产电梯大量使用的是蜗轮蜗杆减速器有齿轮曳引机，这种电梯主要由电动机、减速器、制动器、联轴器、轴承、曳引轮、底座等组成。2.2 曳引机械系统设计任务设计原始数据：五层乘客电梯，额定载重量 1000kg，额定速度 1m/s，乘客人数 13 人，设计寿命 Lh=10000h。曳引示意图如 2.1 所示。2.3 曳引机的选择图 2.1 曳引示意图根据我国现状，此次设计的电梯采用蜗轮蜗杆减速器有齿轮曳引机。查电梯结构原理及安装维修中表 2-1，电梯曳引机系列表，表 2.1 电梯曳引机系列表载重量/kg速度/(m/s)曳引比中心距/mm模数节模比速度比曳引轮直径/mm钢丝绳直径/mm静阻距/N m原动机功率/kW平均转速/(r/min)电动机型号10000.50.51.01.51.751:12:11:11:11:125025025025025077777999991/612/612/613/613/616206206206207005*135*135*135*135*132039.81019.92039.82039.823347.57.5111522940940960960960JTD JTD JTD ZTDZTD按照设计要求，选择 JTD 型电动机。曳引轮直径参数与电梯运行速度的关系， 满足设计需求。第 3 章 减速器的设计3.1 动力学参数计算选择一级圆柱蜗杆减速器，传动比 61：2，查机械设计基础表 12-2，选择蜗杆头数=2，蜗轮齿数 =61。（1） 计算各轴转速=960r/min=960r/min=31.48r/min（2） 计算各轴功率（3） 计算各轴扭矩表 3.1 运动和动力参数的计算结果轴名/参数电动机轴蜗杆轴蜗轮轴转速 n/(r/min)96096031.48输入功率P/KW1110.898.62输入转矩T/(Nm)109.43108.332615.03传动比 i130.5效率0.990.7923.2 传动零件的设计计算3.2.1 蜗杆传动类型选择 GB/T10085-1988 阿基米德蜗杆（ZA）。3.2.2 选择蜗轮蜗杆材料（1） 蜗杆采用 45 钢，表面淬火，硬度为 45-55HRC；（2） 蜗轮采用铸锡青铜 ZCuSn10P1，砂模铸造，查机械设计基础，表 12-4，许用接触应力=200MPa， 表 12-6，许用弯曲应力，=50MPa。3.2.3 按齿面接触疲劳强度设计蜗轮蜗杆（1） 确定使用系数 ，（钢配锡青铜），（2） 确定接触系数，假定，查机械设计基础图 12-11，得（3） 计算传动中心距，带入，得 a=233.22mm， 蜗杆分度圆直径，查机械设计基础表 12-1，取 m=7mm，q=9，=63mm，中心距 , 不需要重新计算，（4） 蜗轮分度圆直径，此时，查机械设计基础图 12-11，得接触系数为 27， ，所以以上计算结果可用。（5） 导程角。3.2.4 蜗杆和蜗轮主要参数与尺寸（1）蜗杆，蜗杆头数，轴向齿距，直径系数，齿顶高齿根高齿顶圆直径齿根圆直径，蜗杆轴向齿厚。（2）蜗轮，取 130mm蜗轮齿数 分度圆直径蜗轮喉圆直径，齿根圆直径，3.2.5 蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度按照公式进行校核，当量齿数，查机械设计基础图 11-8，得，查表 12-6，得，得，所以齿根弯曲疲劳强度符合。3.2.6 轴的设计计算输出轴的设计计算蜗轮轴（1） 轴的材料选择，确定弯曲许用应力选 45 号钢，正火处理，。（2） 按扭转强度初步估算轴的最小直径轴伸部位安装联轴器，考虑补偿轴的可能位移，选用非金属弹性元件挠性联轴器，由转速和扭矩得查机械设计手册表 GB/T5014-2003 弹性柱销联轴器，选择 HL7，标准孔径 d=75mm，即轴伸直径为 75mm。（3） 轴承和键的选择采用角接触轴承，并采用凸缘式轴盖，实现轴承系两端单向固定，轴伸处用C 型普通平键连接，实现周向固定。（4） 轴的结构设计径向尺寸的确定图 3.1 蜗轮轴简图 ， 起固定作用， 定位轴肩高度可在（ 0.07-0.1 ） d 范围内， ,取，与轴承的内经配合，为了便于轴承的安装，取 ，查机械设计手册GB/T292-2007 角接触轴承，确定型号为 7018C， ，与蜗轮孔径相配合，取，起蜗轮轴向固定作用，由， ，与轴承配合，取，轴向尺寸的确定，取 h=7mm，与联轴器配合的轴段长度，对蜗轮 b=130mm，取轴段长度,，为定位轴肩，7018C 型轴承宽度 B=24mm，取整为 10mm，其他轴段的尺寸长度与箱体等设计有关，蜗轮端面与箱体的距离取 10-15mm， 轴承端面与箱体内壁距离取 5mm，分箱面取 55-65mm，轴承盖螺钉至联轴器距离10-15 mm，初步估计，轴承环宽度为 8mm，两轴承的中心跨度为 172mm，轴总长 423mm。轴的强度校核绘制轴的计算简图（a）；绘制轴的水平面弯矩图（b）：转矩，蜗轮的圆周力，蜗轮的径向力，蜗轮的轴向力，轴承支承反力，截面 C 处弯矩绘制垂直面弯矩图（c）：轴承支承反力，截面 C 左右侧弯矩绘制合成弯矩图（d）：，=490.08Nm，绘制转矩图（e）：，绘制当量弯矩图：转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取 0.6，截面 C 处的当量弯矩为， 校核危险界面 C 的强度；， ，安全。图 3.2 蜗轮轴的受力分析输入轴的设计计算蜗杆轴（1） 轴的材料选择，确定弯曲许用应力 选用 45 号钢，调制处理，硬度为 HBS=230，（2） 按扭转强度初步估算轴的最小直径，轴伸部位安装联轴器，考虑补偿轴的可能位移，选用非金属弹性元件挠性联轴器，由转速和扭矩：查机械设计手册表 GB/T5014-2003 弹性柱销联轴器，选择 HL3，准孔径d=30mm，即轴伸直径为 30mm，轴孔长度 L=82mm。（3） 轴承和键的选择采用角接触轴承，并采用凸缘式轴盖，实现轴承系两端单向固定，轴伸处用C 型普通平键连接，实现周向固定。（4） 轴的结构设计图 3.3 蜗杆简图径向尺寸的确定， ， 起固定作用， 定位轴肩高度可在（ 0.07-0.1 ） d 范围内，取，与轴承的内经配合，为了便于轴承的安装，取 ，查机械设计手册GB/T292-2007 角接触轴承，确定型号为 7008C，为轴承肩，起轴向固定作用，符合拆卸尺寸，查表， ，取蜗杆齿顶圆直径，。轴向尺寸的确定 ，与联轴器配合的轴段长度，对蜗杆 b=120mm，轴段长度，7008C 型轴承宽度 B=15mm，挡油环厚度为 1mm，其他轴段的尺寸长度与箱体等设计有关，蜗轮端面与箱体的距离取 10-15mm， 轴承端面与箱体内壁距离取 5mm，分箱面取 55-65mm，轴承盖螺钉至联轴器距离10-15mm，初步估计，两轴承的中心跨度为 437mm，轴总长 589mm。蜗杆的刚度校核蜗杆齿顶圆直径，转矩，蜗杆的圆周力，蜗杆的轴向力，蜗杆的径向力，圆周力产生的挠度为，径向力产生的挠度为， ，,，安全。3.3 轴承的选择及校核计算3.3.1 校核输入轴轴承（1） 已知 ,两轴承的径向反力 ，轴向力，初选两轴承为角接触轴承 7008C，使用寿命 h=10000h，查机械设计基础表 16-12，得轴承的内部轴向力， ， ， ，（2） 计算当量载荷、：，查机械设计基础表 16-11，得 , ， ，故，（3） 计算所需的基本额定动载荷 ：受中等冲击，查机械设计基础表16-9，得 ，工作温度正常，查机械设计基础表 16-9，得，合适。3.3.2 校核输出轴轴承（1） 已知 ,两轴承的径向反力 ，轴向力，初选两轴承为角接触轴承 7018C，使用寿命 h=10000h，查机械设计基础表 16-12，得轴承的内部轴向力， ， ，（2） 计算当量载荷、：，查机械设计基础表 16-11，得， ，故，（3） 计算所需的基本额定动载荷 ：受中等冲击，查机械设计基础表16-9，得 ，工作温度正常，查机械设计基础表 16-9，得，合适。3.4 键连接的选择及校核3.4.1 联轴器与输出轴连接采用平键连接轴颈 d=75mm，L=172mm查机械设计基础课程设计指导书附表 5.14，选用普通 C 型平键，得b=20mm，h=12mm，L=120mm，即键 C20120GB/T1096-2003，安全。3.4.2 联轴器与输入轴连接采用平键连接轴颈 d=30mm，L=82mm查机械设计基础课程设计指导书附表 5.14，选用普通 C 型平键，得b=8mm，h=7mm，L=60mm，即键 C860GB/T1096-2003，安全。3.5 联轴器的选择及校核计算3.5.1 输入端联轴器为了隔离振动与冲击，选用非金属弹性元件挠性联轴器，查机械设计基础表 17-1，得 ，依据蜗杆轴的设计计算中，选择 GB/T5014-2003 弹性柱销联轴器 HL3，其工程转矩为 630Nm，安全。3.5.2 输出端联轴器为了隔离振动与冲击，选用非金属弹性元件挠性联轴器，查机械设计基础表 17-1，得，依据蜗杆轴的设计计算中，选择 GB/T5014-2003 弹性柱销联轴器 HL7，其工程转矩为 6300Nm，,安全。3.6 箱体及附件的结构设计3.6.1 减速器结构（1） 采用下置剖分式蜗杆减速器。（2） 铸造箱体，材料 HT150。3.6.2 铸铁箱体主要结构尺寸和关系箱座壁厚箱盖壁厚箱座凸缘厚度 箱盖凸缘厚度 箱座底凸缘厚度地脚螺栓直径地脚螺栓数目 n=6 轴承旁连接螺栓直径盖与座连接螺栓直径连接螺栓的间距 l=150mm 轴承端盖螺钉直径检查孔盖螺钉直径定位销直径至外箱壁距离至凸缘边缘距离轴承旁凸台半径凸台高度 根据轴承座外径和扳手空间的要求由结构确定蜗轮外缘与内箱壁距离蜗轮轮毂端面与内箱壁距离箱盖、箱底肋厚第 4 章 PLC 在电梯控制中的应用4.1 PLC 的特点PLC 即可编程控制器，他实际上是一种计算机控制元件，是一种用于工业自动化控制的专用计算机。PLC 的控制具有可靠性、操作简单、编程简单、高灵活性、易于维护等一系列特点，他和普遍使用的微型计算机一样，用专用或者通用的中央处理器（CPU）来进行数据的运算和存储。4.1.1 PLC 的可靠性PLC 的可靠性包括有效性和可维修性。（1） PLC 中没有过多的活动元件，另外其接线元件也较少，在安装过程中其接线可大大减少，所以系统维修简单，维修时间也相应的缩短。（2） PLC 采用自己独特的设计来确保其可靠性，例如断电保护、故障诊断、信息保护及恢复等，使其可靠性大大提高。（3） PLC 的操作简单，具体表现在他的编程简单、操作方便、维修容易， 一般人员经过一段时间的学习就可以掌握，而且在一般的情况下不会发生错误的操作。（4） PLC 的编程语言比普通计算机啊更加简便，和硬件更加可靠，因为其是专门为工业生产的过程控制而设计的控制装置，这使得使用 PLC 进行过程控制时大大降低了错误率。（5） PLC 在硬件方面采用了一系列有效措施来提高其可靠性。例如采用特殊的元件、先进的制造工艺，此外 PLC 还具有对电源的断电保护等。（6） PLC 在软件方面同样采用了一系列有效措施来提高其可靠性。例如采用软件滤波、软件自诊断，在编程语言上也进行了一定的简化处理等。4.1.2 易操作性PLC 在的操作指的是程序的输入和更改。（1） 操作简便PLC 对数据的输入和更改是通过编程器来实现的。几乎所有的编程器都可以提供信息的显示，因此，操作人员在进行编程时可以直接看见输入的程序。若要更改程序，可以通过地址或许和接点号进行搜索，然后更改。（2） 编程方便PLC 可以提供多种程序设计语言用来使用。（3） 维修方便PLC 具有自我诊断功能，因此对维修人员维修技能的要求大大降低。若系统发生故障，通过硬件和软件的自我诊断，维修人员可以很快找到故障的部位，迅速恢复。4.1.3 灵活性（1） 编程的灵活性PLC 的编程语言有梯形图、功能表图、功能模块和语句描述编程语言等。多样性的编程方法使编程方便、应用面拓展。（2） 扩展的灵活性扩展灵活性是 PLC 的一个重要特点。根据应用规模的不同，就可以进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展等。（3） 操作的灵活性PLC 的操作十分灵活，监视和控制也十分容易。4.2 PLC 控制电梯的优点（1） 用软件对电梯的运行进行自动控制，使电梯的可靠性有了明显的提高。（2） 控制系统的结构简单，使外部线路得到简化。（3） PLC 可实现各种复杂的控制系统，程序的增加和修改也可以方便的实现。（4） PLC 可以实现自我检测及报警，可以使电梯的运行更加安全可靠。（5） 采用 PLC 控制电梯可以提高电梯的运行效率。（6） 若要实现不同的控制功能，只需要更改控制程序即可，不需要改变硬件的接线。第 5 章 PLC 的选择及其硬件开发5.1 可编程序控制器（PLC）的选择使用 PLC 对电梯进行控制，已经不是原来的继电器控制系统中模拟轿厢位置的机械式选层其。那么，在电梯运行时，轿厢的位置如何检测，PLC 如何根据给定的信号确定轿厢的楼层，是首先需要解决的问题。5.1.1 轿厢位置检测轿厢位置检测装置即选层器，他是一种用来检测电梯轿厢运行状态及位置的一种装置，并及时向控制系统发出信号进行控制。其主要功能是：一、根据内选和外呼信号和轿厢的位置关系，确定电梯此时的升或降；二、当电梯即将到达选定的楼层时，发出信号控制曳引机减速；三、当电梯平层停车后，发出信号消去已经实现的选层与呼梯信号，并显示轿厢当前停靠位置。选层器有以下三类：机械选层器、继电器选层器和微机选层器。机械选层器和继电器选层器会随着电梯的发展而淘汰。电梯位置检测方法主要有如下几种：（1） 利用簧管磁感应器或其它位置开关。这种方式的有点是直观、简单， 但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用 PLC 太多的输入点。（2） 利用稳态磁保开关。这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，使用时比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。由于这次的设计是五层教学楼用电梯的控制，故采用感应器检测。5.1.2 PLC（可编程控制器）的选型本次设计的是五层电梯的控制系统，要求开关量居多，模拟量较少。对于以开关量控制为主的系统而言，一般 PLC 的响应速度足以满足控制的要求，故选择了德国西门子公司生产的 S7-200 系统 PLC。S7-200 系统 PLC 具有以下几方面的优点：（1） S7-200 配置方面灵活，除了主机单元外，还可扩展 I/O 模块，A/D 模块，D/A 模块和其它特殊功能模块。（2） S7-200 指令功能丰富，有各种指令，且指令执行速度快。（3） S7-200 可用内部辅助继电器 M，状态继电器 S，定时器 T，寄存器 D， 计数器 C，其功能和数量满足了系统控制要求的需要。（4） S7-200 的编程可用编程器实现，也可以在电脑上使用西门子公司的专用编程软件 STEP7-Micro/WIN 来进行。编程语言可用梯形图或指令表。特别是可以用电脑对系统进行实时监控，为调试和维护提供了极大的方便。5.2 PLC（可编程控制器）控制系统硬件开发电梯 PLC 的控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统组成。图 5.1 为电梯控制系统的基本结构，其中主要硬件有 PLC 主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。系统控制核心为 PLC 主机、轿厢操纵盘、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、召唤指示灯等发出显示信号，然后向拖动系统和门机控制系统发出控制信号。安全装置输入接口PLC 主机输出接口CPU 储存器指层器拖动装置井道装置图 5.1 电梯控制系统的基本结构5.3 设计思想5.3.1 信号控制系统电梯信号控制基本由 PLC 软件实现。电梯信号控制系统如图 7 所示，输入到PLC 的控制信号有：运行方式选择（如自动、有/无司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、开关门及限位信号、门区和平层信号等。5.3.2 电梯控制系统实现的功能（1） 接受每个呼叫按钮（包括内部和外部的呼叫）的呼叫命令，并作出相应的响应。（2） 当电梯停在某一层是，按下该层的呼叫指令，无论是上呼还是下呼， 都相当于开门指令，进行开门动作；若电梯不在该层，则按照不换向原则等到关门后控制电梯上升或者下降。（3） 电梯运行的不换向原则是指电梯优先响应不改变现在电梯运行方向的呼叫指令，直到这些命令全部响应完毕后才响应使电梯反方向运行的呼叫指令。（4） 在每一层都设有一个行程开关，当电梯碰到某层的行程开关时，表示电梯已经到达该层。（5） 当按下某个呼叫按钮后，相应的呼叫指示灯亮并保持至直电梯响应该呼叫指令为止。（6） 当电梯停在某层时，按动电梯内的开门按钮，电梯门打开，按动电梯内部的关门按钮，电梯门关闭。但是在电梯行进期间电梯门是不能被打开的。（7） 当电梯运行到某层后，相应的楼层指示灯亮，直到电梯运行到前方一层时楼层指示灯改变。输入接口PLC输出接口5.3.3 电梯操作方式图 5.2 电梯 PLC 控制系统框图单台电梯的操作方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。在乘客电梯中几乎都采用集选控制方式，集选控制方式有分为以下两种：（1） 单轿厢下集选控制：登记所有轿厢和厅门下行召唤；轿厢上行时，只答应轿厢召唤，直至最高层；自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。（2） 单轿厢全集选：登记所有厅门和轿厢召唤；上行时顺应答轿厢和厅门上召唤，直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。本次系统采用单轿厢全集选操作方式。5.4 I/O 点数的分配及机型的选择五层电梯，根据需要控制的开关，设备大约有 24 个输入点，24 个输出点， 需进行控制，故选择 S7-200 系统 CPU224 的 PLC，继电器方式输出，扩展模块 EM223,即输入输出各为 16 位，I/O 分配表如表 5.1 所示。表 5.1 PLC 输入、输出点的分配表说明对应PLC 地址说明对应PLC 地址外部一层上呼叫按钮I0.0外部一层上呼叫灯Q0.0外部二层上呼叫按钮I0.1外部二层上呼叫灯Q0.1外部二层下呼叫按钮I0.2外部二层下呼叫灯Q0.2外部三层上呼叫按钮I0.3外部三层上呼叫灯Q0.3外部三层下呼叫按钮I0.4外部三层下呼叫灯Q0.4外部四层上呼叫按钮I0.5外部四层上呼叫灯Q0.5外部四层下呼叫按钮I0.6外部四层下呼叫灯Q0.6外部五层下呼叫按钮I0.7外部五层下呼叫灯Q0.7一层行程开关I1.0一层位灯Q2.0二层行程开关I1.1二层位灯Q2.1三层行程开关I1.2三层位灯Q2.2四层行程开关I1.3四层位灯Q2.3五层行程开关I1.4五层位灯Q2.4内部一层呼叫按钮I1.5内部一层呼叫灯Q2.5内部二层呼叫按钮I2.0内部二层呼叫灯Q2.6内部三层呼叫按钮I2.1内部三层呼叫灯Q2.7内部四层呼叫按钮I2.2内部四层呼叫灯Q3.0内部五层呼叫按钮I2.3内部五层呼叫灯Q3.1开门呼叫按钮I2.4电梯上升Q3.2关门呼叫按钮I2.5电梯下升Q3.3开门行程开关I2.6上升指示灯Q3.4关门行程开关I2.7下升指示灯Q3.5电梯上行极限位I3.0电梯开门Q3.6电梯上行极限位I3.1电梯关门Q3.75.5 电梯 PLC 输入输出接线图按照表5.1 将电梯运行过程中的各种主令信号送入PLC 的输入口构成其输入电路图。完成电梯运行的各种执行元件及指示电梯运行状态的各种指示灯，均要受到 PLC 输出口的控制，构成其输出电路。其输入、输出电路如图 5.3 所示图 5.3 电梯 PLC 输入/输出连接图第 6 章 系统软件开发6.1 电梯内部部件功能简介（1） 电梯内部，有 5 个楼层(15 层)按钮、开关门按钮以及楼层显示器、上升和下降显示器。（2） 电梯内部应有内呼按钮，即当乘客进入电梯后，乘客可以按下其要去楼层的按钮。（3） 电梯停下时，应具有开关门功能，即电梯门可以自动打开，经过一定延时后，又自动关闭，并且在电梯内部也应有控制电梯开关门的按钮，使乘客可以在电梯停下按照自己意愿控制电梯门的开关。（4） 电梯内部应配有指示灯，显示电梯现在的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯处在哪个楼层，这样可以使乘客清楚地知道自己所处的位置，电梯是朝哪个方向运行等。6.2 电梯的外部部件功能简介电梯的外部共分 5 层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯及楼层显示器。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。不同的是，5 层楼中，1 层只有上呼叫按钮，5 层只有下呼叫按钮，其余 3 层都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，5 层电梯均应该相同。6.3 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：a. 各层呼叫灯均不亮；b. 电梯内部及外部各楼层显示器显示均为“1”； c.电梯内部及外部各层电梯门均关。（2） 电梯在运行过程中：a.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； b.电梯上行或下行直至该层；c. 各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变；d. 运行中电梯门始终关闭，到达指定层时，门才打开； e.在电梯运行过程中，支持其它呼叫。（3） 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。a. 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；b. 各楼层显示值为该层所在位置，且上行与下行指示灯均灭。6.4 软件流程图系统的软件主程序流程图如图 6.1 所示。6.5 电梯的控制要求（1） 接受每个按钮（包括
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