电梯硬件设计

1、梯的硬件设计2.1电梯控制系统的硬件配置本系统是主要由PLC、变频器、控制箱、显示器、拽引电动机组成的交流变频调速系统 (Variable Voltage Variable Frequency简称VVVF)。通过PLC去控制电梯的运行方式，可以 使得控制系统的可靠行更高，结构显得更加紧凑。本系统的硬件框图如图3-1所示。图2-1 PLC电梯联动控制系统硬件框图从图3-1可以看出，该系统主要由两个部分组成，其中电梯控制的逻辑部分由PLC来实现。 通过分析研究电梯的实际运行情况和控制规律，从而设计开发出电梯联动控制程序，使得 PLC能够控制电梯的运行操作。电梯的调速部分则选用高性能的矢量控制变频器

2、，配以脉 冲发生器(编码器)测量鼠笼式拽引电动机的转速，从而够成电机的闭环矢量控制系统，实 现鼠笼式拽引机电动机交流变频调速(Variable VOltage Variable Frequency简称VVVF)运行。 PLC首先接收来自电梯的呼梯信号、平层信号，然后根据这些输入信号的状态，通过其内 部一系列复杂的控制程序，对各种信号的逻辑关系有序的进行处理，最后向直流门控电机、 变频器和各类显示器适时地发出开关量控制信号，对电梯实施控制。在电梯控制系统中，由 于电梯的控制属于随机性控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号 之间的关联性很强，逻辑关系处理起来非常复杂，这就给PL

3、C的编程带来很大难度。在PLC向变频器发出开关量控制信号的同时，为了满足电梯的要求，变频器又需要通过鼠 笼式拽引电动机同轴连接的脉冲发生器和PG卡，对电动机完成速度检测及反馈，形成闭环 系统。脉冲发生器输出脉冲，PG卡接收到脉冲以后，再将此反馈给变频器内部，以便进行 运算调节。根据脉冲的相序，可判断出电动机的转动方向，并可以根据脉冲的频率测得电动 机的转速。2.1.1硬件电路图2-2硬件接线图其各部分功能说明如下；Q1-三相电源断路图K1电源控制接触器K2负载电机通断控制接触器VS变频器BU制动单元RB能耗制动电阻M主拖动拽引电机2.1.2主电路主电路由三相交流输入、变频驱动、拽引机和制动单元

4、几部分组成。由于采用交直-交电压 型变频器，在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能送回电网，为限制泵升电压，采 用受控能耗制动方式。2.1.3PLC控制电路PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频 器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选控制。PLC在输出显示和监控信号的同 时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和制动停梯等信号。2.2电梯的速度控制曲线电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒 适，停靠准确，电梯的运行速度应当符合图2-3所示，平层误差应符合表2-1所示：Vm电梯运行额定速度Vm电梯运

5、行额定速度图2-3电梯运行速度曲线图Vp平行爬层慢车速度表2-1平层误差范围高速梯快速梯低速梯m/sW5 W10 0.5W15 30采用变频调速双环控制可基本满足要求，但和国外高性能电梯相比还需要进一步改进。本设 计正是基于这一想法，利用现有旋转编码器构成速度的同时，通过变频器的PG卡输出与电 机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口，通过累计脉冲数， 经式计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。电梯位移h=SI式中I：累计脉冲数S:脉冲当量S=IpD/(pr )(1)本系统采用的减速机，其减速比1=1/2 0,拽引轮直径D=580mm，电机额定转速ne=1450r/min,

6、旋转编码器每转对应脉冲数p=1024,PG卡分 频比r=1/18,带入式(1)得S = 1.6mm/脉冲2.3拖动电动机的选择电动机的选择包括选择电动机的种类、结构形式及各种额定参数。电动机选择的基本原则电动机的机械特性应满足生产机械的要求，要与负载特性相适应。保证运行稳定且具有良好 的启动性能和制动性能。工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。 电动机结构形式要满足机械设计提出的安装要求，适合周围环境工作条件的要求。根据生产机械调速要求选择电动机在一般情况下选用三相笼型异步电动机或双速三相电动机;在既有一般调速又要求起动转矩 大的情况下，选用三相绕线型异步电动

7、机；当调速要求高时选用直流电动机或带变频调速的 交流电动机来实现。综上，电梯的曳引电动机选择三相绕线型异步电动机，门机可选择变频调速的交流电动机。 电动机结构形式的选择根据不同工作环境选择电动机的防护形式。开启式适用于干燥、清洁的环境；防护式适用于 干燥和灰尘不多，没有腐蚀性和爆炸性气体的环境；封闭自扇冷式与他扇冷式用于潮湿、多 腐蚀性灰尘、多风雨侵蚀的环境；全封闭用于浸入水中的环境；隔爆式用于有爆炸危险的环 境中。综上，机房和井道的工作环境干燥和灰尘不多，没有腐蚀性和爆炸性气体，因此曳引电动机 和门机电动机均选择防护式；电动机额定电压的选择电动机额定电压应与供电电网的供电电源电源一致。电梯均

8、采用三相五线制，因此曳引电动 机额定电压380V，门机电源可以和光幕或安全触板电源共用，因此选择220V额定电压。电动机额定转速的选择对于额定功率相同的电动机，额定转速越高，电动机尺寸、重量和成本愈低，因此在生产机 械所需转速一定的情况下，选用高速电动机较为经济。但由于拖动电动机转速越高，传动机 构转速比较大，传动机构越复杂。因此应综合考虑电动机与传动机构两方面的多种因素来确 定电动机的额定转速。通常采用较多的同步转速为1500r/min的三相异步电动机。电动机容量的选择电动机的容量反映了它的负载能力，它与电动机的允许温升和过载能力有关。允许温升是电 动机拖动负载时允许的最高温升，与绝缘材料的

9、耐热性能有关；过载能力是电动机所能带最 大负载能力，在直流电动机中受整流条件的限制，在交流电动机中由电动机最大转矩决定。 实际上，电动机的额定容量由允许温升决定。电动机容量的选择方法有两种，一种是分析计算法，另一种是调查统计类比法。分析计算法 根据生产机械负载图求出其负载平均功率，再按负载平均功率的（1.11.6）倍 求出初选电动机的额定功率。对于系数的选用，应根据负载变动情况确定。大负载所占分量 多时，选较大系数；负载长时间不变或变化不大时，可选最小系数。对初选电动机进行发热校验，然后进行电动机过载能力的校验，必要时还要进行电动机起动 能力的校验。当校验合格时，该额定功率电动机符合负载要求；

10、若不合格，再另选一台电动 机重新进行校验，直至合格为止。此方法计算工作量大，负载图绘制较为困难。对于较为简 单、无特殊要求、一般生产机械的电力拖动系统，电动机容量的选择往往采用调查统计类比 法。统计类比法 将各国同类型、先进的机床电动机容量进行统计和分析，从中找出电动机容量 与主要参数间的关系，再根据我国国情得出相应的计算公式来确定电动机容量。这是一种实 用方法。2.4速度控制本方法是利用PLC扩展功能模块D/A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入PLC 寄存器，程序运行时，通过查表方式写入。/人由D/A转换成模拟量后将、理想曲线输出. 加速给定曲线的产生由于电梯逻辑控制部分程序最大，而

11、PLC运行采用周期扫描制，因而采用通常的查表方法，每 次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过程中，其PLC与 各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信息采集、控制量的输出等操作都是按照固定的 顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断、和操作。2）减速制动曲线的产生为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前， 电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定周期中断完成，加速到对应模式的最 大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。 电梯以对应模式的最大值运行，在该

12、模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程 序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。2.5 I/O点数分配及PLC的型号的选择分配I/O点之前，首先要了解有哪些输入输出点，图3.4五层电梯的简化模型和控制柜示意 图，从中我们不难发现输入的大致分布情况。图2.4五层电梯的简化模型和控制柜示意图2.5.1I/O接口模块S7-200的接口模块主要有数字量I/O模块、模拟量I/O模块和通信模块。下面分别介绍这些模块。数字量I/O模块的选择电梯逻辑控制系统的控制核心是PLC,哪些信号需要输入至PLC, PLC需要驱动哪些负载， 以及采用何种编程方式，都是需要认真考虑的问题，

13、都会影响到其内部1/0点数的分配。因 此，I/O点数的确定，是设计整个PLC电梯控制系统首先需要解决的问题，决定着系统硬件 部分的设计，也是系统软件编写的前提。（二）模拟量I/O模块的选择模拟量I/O模拟的主要功能、是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电 气隔离功能。模拟量输入（&。）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量转换成 PLC内部接受的数字量；模拟量输出（D/A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信 号输出。典型模拟量I/O模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA等，可根据实际需要选用， 同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。（三）特殊功能模块的

14、选择目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的 智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。2.5.2统计I/O点数输入信号有31个，考虑到有15%的备用点，即31X（1+15%） =35.65，取整数36，共需36 个输入点。输出信号有31个，考虑到有15%的备用点，即31X（1+15%） =35.65，取整数36，因此共 需36个输出点。2.5.3 PLC程序中I/O点的定义在编程过程中，所用到的I/O地址分配如表2-2所示。编程过程可分为电梯内部和电梯外部 两分进行。输入输出点分配下表：表2-2符号明细参

15、数表 输入、输出点分配表 输入点对应信号外呼按钮1表2-2符号明细参数表 输入、输出点分配表 输入点对应信号外呼按钮1上外呼按钮2上外呼按钮2下外呼按钮3上外呼按钮3下外呼按钮4上外呼按钮4下外呼按钮5下内呼按钮去1楼内呼按钮去2楼内呼按钮去3楼内呼按钮去4楼内呼按钮去5楼I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7输出点 对应信号Q0.0KM1电动机正转Q0.1Q0.2KM2电动机反转Q0.3KV线圈及故障Q0.4上行指示Q0.5下行指示Q0.6开门指示Q0.7关门指示Q1.01上外呼指示Q1.12上外呼指示Q1.2

16、2下外呼指示Q1.33上外呼指示Q1.43下外呼指示1楼平层信号Q1.54上外呼指示2楼平层信号Q1.64下外呼指示M5.22楼平层M1.7下降记忆信号M5.33楼平层M6.11层有效开门信号M5.44楼平层M6.22层有效开门信号M5.55楼平层M6.33层有效开门信号I2.0 3楼平层信号Q1.75下外呼指示4楼平层信号Q2.0内呼按钮去1楼指示5I2.0 3楼平层信号Q1.75下外呼指示4楼平层信号Q2.0内呼按钮去1楼指示5楼平层信号Q2.1内呼按钮去2楼指示I2.3上下限位Q2.2内呼按钮去3楼指示I2.4轿厢内开门按钮Q2.3内呼按钮去4楼指示I2.5轿厢内关门按钮Q2.4内呼按钮

17、去5楼指示I2.6热继电器Q2.5LED层显示a段I2.7I3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7Q2.6LED层显示b段Q2.7LED层显示c段Q3.0LED层显示d段Q3.1LED层显示e段 Q3.2LED层显示f段 Q3.3LED层显示g段 Q3.4加速继电器 Q3.5低速继电器 Q3.6快速继电器一楼上行减速接近开关 二楼上行减速接近开关 二楼下行减速接近开关 三楼上行减速接近开关 三楼下行减速接近开关 四楼上行减速接近开关 四楼下行减速接近开关 五楼下行减速接近开关2.5.4程序中使用的内部继电器说明程序中使用的内部继电器说明见下表:表2-3符号明细参数表内部

18、继电器说明 内部继电器说明M0.01楼上升外呼按钮用，用于记忆外呼按钮呼梯信号，平层解除M4.0合信号上升综M0.12楼上升M4.1M0.22楼下降M4.2M0.33楼上升M4.3M0.43楼下降M4.4下降综合信号M0.54楼上升M4.5M0.64楼下降M4.6M0.75楼下降M4.7M5.11楼平层平层用，用于记忆平层信号，被其他平层信号解除忆信号M1.6上升记M1.1 内呼去1楼 用于要去的楼层，平层时解除 M6.44层有效开门信M1.2 内呼去2楼M1.2 内呼去2楼M1.3 内呼去3楼M1.4 内呼去4楼M1.5 内呼去5楼M6.6已正常开关门记忆信号M7.22层手动开关M7.1M7

19、.22层手动开关M2.01楼上升开关门有效外呼 M7.33层手动开关M2.12楼上升M7.44层手动开关M2.22楼下降M7.55层手动开关M2.33楼上升M7.6各层手动开门信号综合M2.43楼下降T34电梯加速时间M2.54楼上升T37开门时间M2.64楼下降T38关门时间M2.75楼下降T39运行后不在平层的时间M3.1内呼去1楼开关门有效内呼T40无人乘坐回基站的时间M3.2内呼去2楼M3.3内呼去3楼M3.4内呼去4楼M3.5内呼去5楼2.5.5PLC的型号选择选择能满足控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步。目前，国内外PLC 生产厂家的PLC品种已达数百种，其性能各

20、有特点。所以，在设计时，首先要尽可能考虑 采用熟悉的PLC。1. PLC的型号在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑以下几点。（1.）性能与任务相适应对于开关量的控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，如对小型泵的顺序控制、单台机 械的自动控制等，可选用小型PLC （如SIEMENS公司S7-200系列CPU224型？10就能 满足要求。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压 力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的 模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传

21、感器直接输入 的温度模块）和驱动装置，并且选择运算功能强的小型PLC，（如SIEMENS公司的S7-300 系列PLC）。对于控制比较复杂的中大型控制系统,如闭环控制、PID调制、通信联网等，可选用中、大 型PLC （如SIEMENS公司的S7-400系列PLC）。当系统的各个控制对象分布在不同的地域 时，应根据各部分的具体要求选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。（2）PLC的处理速度应满足实时控制的要求PLC工作时，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在1或2 个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般的工业控制是允许的。但有些设备的实时性 要求较高，不允许有较大的

22、滞后时间。例如PLC的I/O点数在几十2到几千点范围内，这 时用户程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应 小于普通继电器的动作时间（普通继电器的动作时间约为100ms），否则就没有意义了。通 常为了提高PLC的处理速度，可以采用以下几种方法；选择CPU处理速度快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5us；优化应用软件，缩短扫描周期；采用高速响应模块，例如高速计数模块，其响应的时间可以不接受PLC扫描周期的影响， 而只取决于硬件的延时。（3）在线编程和离线编程的选择小型PLC 一般使用简易编程器。它必须插在PLC上才能进行编程操作，其特点是编程器与 P

23、LC共用一个CPU，在编程器上有一个“运行/监控/编程（RUN/MONITOR/PROGRAM）” 选择开关，当需要编程或修改程序时将选择开关转到“编程（PROGRAM）”位置，这时PLC 的CPU不执行用户程序，只为编程器服务，这就是“离线编程”当编程好后再把选择开关 转到“运行（RUN）”位置，CPU则去执行用户程序，对系统实施控制。简易编程器结构简 单、体积小，携带方便，很适合在生产现场调试、修改程序用。图形编程器或者个人计算器与编程软件包配合可实现在线编程。PLC和图形编程器各有自 己的CPU，编程器的CPU可随时对键盘输入的各种编程指令进行处理。PLC的CPU主要 完成现场的控制，并

24、在一个扫描周期的末尾与编程器通信，编程器将编好或修改好的程序发 送给PLC，在下一个扫描周期，PLC将按照修改后的程序或参数控制，实现“在线编程”。 图形编程器价格较贵，但它功能强，适应范围广，不仅可以用指令语句编程，还可以直接用 梯形图编程，并可存入磁盘或用打印机打印出梯形图和程序。一般大、中型PLC多采用图 形编程器。使用个人计算机进行在线编程，可省去图形编程器，但需要编程软件包的支持， 其功能类似于图形编程器。根据控制要求PLC控制系统选择SIEMENS公司S7-200系列CPU226，因为I/O点数不够， 另外选择扩展模块EM221。电梯的软件设计3.1系统的软件设计系统的软件设计因控

25、制任务的难易程度不同而异，也因人而易。具体是用梯形图还是用语句 表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：a）有些PLC使用梯形图编程不是很方便（例如书写不方便），则可用语句表编程，但梯形图 比语句表直观。b）经验丰富的人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。c）如果是清晰的单顺序或并发顺序的控制任务，则最好用功能图来设计程序。整个系统软件是一个整体，其质量的好坏很大程度上影响可编程控制的性能。很多情况下， 通过改进系统软件就可以在不断增加任何设备的条件下大大改善可编程控制器的性能，例 如，S7-200系列在推出后，西门子公司不断的将其系统软件进行完善，使其功能越来越强。 软件设计可

26、以与现场施工同步进行，即在硬件设计完成以后，同时进行软件设计和现场施 工，这样可以保证程序的正确运行。3.1.1电梯控制的PLC外部接线图根据I/O接口分配情况，可画出PLC外部接线图，如3-1所示。3-1电梯的硬件接线图3.1.2电梯的流程图电梯的流程图（如图3.2）3.2 电梯流程图3.2电梯的基本功能3.2.1电梯内部部件功能简介在电梯内部，应该有5个楼层（15）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下 行显示器。当乘客进入电梯后，电梯内应该有能让乘客按下的代表其要去的目的地楼层按钮， 称为内呼按钮。电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动开门、关门的按 钮，使乘客可以在

27、电梯停下时随时地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，既电梯是上升还是下降以及电梯处在楼层的第几层，这样可以 使电梯里的乘客清楚地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。3.2.2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。5层楼电梯中，1层只有上呼叫按钮，5层只有下呼叫按钮，其余3层都同时具有上呼 叫和

28、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。3.2.3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。为了方便分析，假设电梯位于1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（15层）后没，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，至U达指定层时，门才打开。在电梯运行过程中，支持其他呼叫。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 动开门或开门；b）各楼层显示植为该层所在位置，且上行与下行指示灯均灭。3.3实际运行中的情况分析实际中，电梯服务的对象是许多乘客，乘客乘坐电梯的目的是不完全一样的，而且，每一个 乘客呼叫电梯的时间有前有后，因此，我们将电梯在实际中的各种具体情况加以分类，做出 分析，以便于编制程序。3.3.1分类分析电梯上行分析。若电梯在上行过程中，某楼层有呼叫产生时，可分以下两种情况：若呼叫层处于电梯当前运行层之上目标运行层之下，则电梯应在完成前一指令之前先上行至 该层，完成