郝兆璐-(已修改)--基于PLC的五层电梯控制系统的优化设计

1、目 录1 引言11.1 课题研究背景和意义11.2 本选题在国内外的研究现状和发展趋势21.2.1 国外现状与发展趋势21.2.2 国内现状与发展趋势22 总体设计42.1 五层电梯的总体设计要求52.2 总体设计方案63 电梯控制系统的硬件设计63.1 电梯硬件框图及控制要求分析63.2 可编程控制器的选型73.3 五层电梯的主电路73.4 门机电路、抱闸电路、门锁及安全运行电路93.5 电梯的主要电气设备93.6 输入输出设计123.7 楼层位置显示功能123.8 电梯意外断电安全电路图124 电梯控制系统的软件设计144.1 五层电梯软件设计流程图144.2 电梯的自检状态154.3 电

2、梯的正常工作状态154.4 电梯开关门控制154.5 层楼信号产生与消除174.6 内选指令的登记与消除184.7 外呼信号的登记与消除204.8 电梯的上、下行定向225. 程序的仿真及调试245.1 创建项目245.2 程序的编写255.3 程序的编译及调试25结束语27参考文献28附录29致谢30基于PLC的五层电梯控制系统优化设计郝兆璐（德州学院机电工程学院，山东德州 253023）摘要：电梯不仅仅是高层建筑里的必备设施，在多层建筑里也是不可缺少的垂直运输工具。据此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，针对小区5层电梯，使用西门子200可编程控制器，设计了电梯的控

3、制系统，在原有基础上，对电梯的安全性进行给深入的优化设计。这种电梯控制系统应用于实际运行的电梯中，运行结果表明：电梯控制系统可靠性高，日常保养维护和故障检修方便，安全性得到进一步提高。 关键词：电梯；控制系统；可编程控制器；西门子2001 引言1.1 课题研究背景和意义电梯是当今生活中不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。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。目前，由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯

4、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。1.2本选题在国内外的研究现状和发展趋势1.2.1国外现状与发展趋势 以美国为例，自1889年美国奥迪斯升降机公司推出世界上第一步升降机以来，电梯就成为人类进出高层建筑不可缺少的代步工具。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC技术在工业控制领域的广泛应用，电梯工业又取得了飞速的发展。随着计算机、通讯技术发展，产生了能使世界的信息大量汇聚一起并且快速传递的智能系统。垂直交通工具电梯，也向智能化方向发展。想

5、要使智能化的电梯成为安全舒适、高效优质的服务工具，与消防、保安、楼宇设备控制等系统交互联系，就要与大厦的所有自动化信息系统联网。目前的电梯控制系统中大量运用的串行通讯，具有布线简单，信息传输量大等优点。微机接口板上输入和输出电路的去掉，减少了井道、机房中的布线数量，大大提高其可靠性、安全性。实维护和维修电梯变得更加简便、省时，很大降低了出错率。1.2.2国内现状与发展趋势近些年来，在城市化建设与人们物质生活的快速提高下，建筑行业的发展越来越迅速，我国电梯产量、保有量、年增长量均为世界第一，我国现已成为世界第一大电梯消费市场。我国的电梯生产技术得到了迅速发展一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。

6、更新换代生产更新型的电梯，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，电梯生产技术又有了长足的进步。目前，PLC控制技术己成为我国现代电梯行业的一个热点。但随之而来的是越来越多的电梯事故，由于我国电梯制造业起步晚，制造市场竞争激烈，核心技术水平低，电梯生产企业资金投入少，设备落后，产品良莠不齐，这不得不引起人们的关注和重视。电梯安全事故更是待解决的重中之重。2 总体设计方案本课题主要研究的是基于PLC的五层电梯控制系统的优化设计，增强其安全性，可靠性。2.1五层电梯的总体设计要求(1)电梯无司机驾驶，自动响应各楼层的上呼、下呼信号和轿厢内呼信号； (2)

7、电梯按先入为主的原则，自动确定运行方向，对反方向的呼叫先记忆， 当电梯完成全部顺向指令后，再响应反方向的呼叫； (3)电梯到达顶层或底层时，自动停止，延时后可改变方向继续运行； (4)电梯到站后自动平层开门，延时关门； (5)手动开、关门控制。 (6)按内、外召唤指令信号自动定向，要求优化使任何召唤都在最短时间内响应； (7)厅门和轿内有楼层显示和运行方向显示； (8)具有电梯的电气安全保护系统。（9）具有断电自动开门功能。2.2总体设计根据五层电梯的设计要求，本文采用变频调速控制系统来控制电梯，系统由轿厢，曳引机构，开关门机构，PLC，变频器及其他电气元件构成。电梯的调速部分选用高性能的控制

8、变频器，并测量曳引电机的转速，构成闭环矢量控制系统。系统结构框图如图位置信号呼叫信号楼层显示呼叫显示PLC门电机电源 变频器曳引机测速报警信号报警显示蓄电池图1系统结构框3 电梯控制系统的硬件设计3.1 电梯硬件框图及控制要求分析根据论文设计的要求和依据论文要求选择的电气元件，如图3所示：电梯模型交流电机变频器S7-200PLC楼层显示通讯电缆PLC编程软件图2 电梯系统硬件框图所涉及的电梯模型共有五层，电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；1-5所对应的指示灯表示楼层号，每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再

9、确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向、顺向截梯、反向保号，外呼记忆，自动开/关门状态，停梯消号，自动达层等功能。分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：开始时，电梯处于任意一层。当有外呼梯信号到来时电梯响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。当有内呼梯信号到来时，电梯应该响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。在电梯运行过程中电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应，但如果反向呼梯信号前方无其它内、外呼梯信号时，则电梯相应该外呼信号，但不响应三层向下外呼梯信号。同时，如果电梯达到四

10、层，五层没有任何呼梯信号，测电梯可以响应四层向下外呼梯信号。电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。例如电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。电梯具有同向截车功能。电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮可使门打开，按关门按钮可使门关闭。3.2 可编程控制器的选型目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达到数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。在设计PLC控制系统时，要选择最适宜的PLC机型，对于系统的控制目标。设计PLC控制系统时，首要的控制目标就是：确保生产的安全可靠，能长期稳定运

11、行，保证产品高质量，提高生产效率，改善信息管理等。如果要求以极高的可靠性为控制目标，构成PLC冗余控制系统，这时要从能够完成冗余控制的PLC型号中进行选择；如果以改善信息管理为控制目标，要首先考虑通信能力。另一个方面就是要对PLC的硬件配置的考虑，可以从CPU的能力、I/O系统、指令系统、响应速度或其它考虑。综合考虑后，本设计选择了西门子公司生产的S7-200型机。如图4所示：图3 西门子 S7-2003.3 五层电梯的主电路图中M1为电梯专用型双速笼型异步电动机；KM1、KM2为电动机正、反转接触器，用以实现电梯上、下行控制；KM3、KM4为电梯高低速运行接触器，用以实现电梯的高速或者低速运

12、行；KM5为启动加速接触器；KM6、KM7、KM8为减速制动接触器，用以调整电梯制动时的加速度；L1、L2与R1、R2为串入电动机定子电路中的电抗和电阻，当KM1或者KM2与KM3通电吸合时，电梯将进行上行或下行启动，延时后KM5通电吸合，切除R1、L1，电梯将转为上行或下行的稳速运行；当电梯接收到停层指令后，KM3断电释放，KM4通电吸合，电机转为低速接法，接入阻抗制动，实现上升与下降的低速运行，且KM6-KM8依次通电吸合，用来控制制动过程的强度，提高停车制动时的舒适感；至平层位置时，接触全部断电释放，抱闸抱死，电梯停止运行。如图5所示：图4 电梯拖动电路电路图3.4 门机电路、抱闸电路、

13、门锁及安全运行电路图6为电梯的门机、抱闸、门锁及安全运行电路。门电动机为他励直流电动机，可由KM9、KM10控制其正反转。KM9接通时，电阻R2与电动机电枢并联，电流由电枢左端流向右端，电动机正转实现开门，压下SQ8时，R2部分被短接，实现开门调速。KM10接通时，电动机将反转，实现关门，并由SQ9、SQ10与R3一起实现关门调速。当电梯上下运行时，抱闸应打开，其线圈应通电。电梯停止运行时，抱闸应抱死，其线圈应断电。将所有厅、轿门开关串联在一起，控制门锁继电器KA1，实现全部门关闭后电梯才能运行的控制。将安全窗开关、安全钳开关、限速器开关、轿内急停开关、上下强迫停止开关、基站开关梯开关以及热继

14、电器触点FR1、FR2串联在一起，构成安全回路，控制安全运行继电器KA2，用KA2的触点控制PLC的RUN口，只有当该KA2吸合时，才允许PLC处于运行状态。这样可以节省PLC的输入口，又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。如图6所示：图5 门机、抱闸、门锁及安全运行电路3.5 电梯的主要电气设备（1）牵引电动机齿轮牵引机为电梯的提升机构。主要由驱动电动机，电磁制动器（也称电器包闸），减速器牵引轮组成。（2）自动门机用来完成电梯的开门与关门。电梯的门分为厅门（每层站一个）与轿门（只有一个）。只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门，轿门全部

15、关闭后才允许启动运行。（3）层楼指示灯层楼指示灯也叫层显，安装在每层站厅门的上方和轿厢内轿门的上方，用以指示电梯的运行方向及电梯所处的位置。过去常由低压灯泡构成，现多由LED组成，且与呼梯盒做成一体结构。（4）呼梯盒用以产生呼叫信号。常安装在厅门外，离地面一米左右的墙壁上。基站与底站只有一只按钮，中间层站由上呼叫与下呼叫两个按钮组成。（5）操纵箱操纵箱安装在轿箱内，供乘客对电梯发布动作命令。其上面设有与电梯层站数相同的内选层按钮。（6）平层及开门装置该装置由平层感应器及楼层感应器组成。上行时，上磁铁板先触发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号，电动

16、机停转，抱闸抱死。下行时，下磁铁板出发楼层感应器，发出减速停车信号，电梯开始减速，至平层感应器触发时，发出开门及停车信号。（7）轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。位置检测方法主要有如下几种：（1）用

17、干簧管磁感应器或其它位置开关。这种方法直观、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，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。由于本文是五层电梯的控制故选用感应器检测轿厢位置，如图6所示：楼层感应器上磁铁板下磁铁板磁铁板平层感应器厅门轿门引导轮对重曳引电动机图7 电梯的平层、停层装置示意图3.6 输入输出设计为了便于对电梯的工作原理及PLC系统进行分析，现列出电梯所用电器元件表，电梯的电器元件表如表1所示：表1 五层五站电梯

18、电器元件表元件符号名称及作用元件符号名称及作用KM1上行接触器SQ5基站开关KM2下行接触器SQ6开门到位开关KM3高速接触器SQ7关门到位开关KM4低速接触器SQ8开门调整开关KM5启动接触器SQ9、SQ10关门调整开关KM6-KM8制动接触器SQ11-SQ151-5楼厅门锁开关KM9开门接触器SQ16轿门关闭到位开关KM10关门接触器SQ17上限位开关SQ18下限位开关HL134楼上呼记忆灯SQ19上行强迫停止开关HL144楼下呼记忆灯SQ20下行强迫停止开关HL155楼下呼记忆灯SB1开门按钮SA1运行状态选择钥匙开关SB2关门按钮SA2基站开关梯钥匙开关SB3上行启动按钮SQ1安全窗开

19、关SB4下行启动按钮SQ2安全钳开关SB5-SB91-5楼轿厢内选按钮SQ3限速器开关1SB1-4SB11-4楼上行外呼按钮SQ4轿内急停开关2SB2-5SB22-5楼下行外呼按钮1KR1楼感应器1HL-5HL1-5层层楼指示灯2KR2楼感应器6HL-7HL上行、下行指示灯3KR3楼感应器HL6、HL7操纵箱上下行指示记忆灯4KR4楼感应器HL81楼上呼记忆灯5KR5楼感应器HL92楼上呼记忆灯6KR上平层感应器HL102楼下呼记忆灯7KR下平层感应器HL113楼上呼记忆灯SQ电源开关HL123楼下呼记忆灯SB0极限开关3.7 楼层位置显示功能在电梯运行过程中需要显示电梯运行的位置，还要满足对

20、电梯进行相应的操作需求，如图8、图9所示：g图8 轿厢内控制屏示意图efdA段B段C段D段E段F段G段一楼0110000二楼1101101三楼1111001四楼1110001五楼1011011图9 LED数码管显示层楼示意图3.8 电梯意外断电安全电路图图表 10 电梯意外断电安全电路图电梯意外断电时，蓄电池开始工作，将电梯们打开，电路图如上。4 电梯控制系统的软件设计41 设计流程图程序的基本控制流程如图10所示（其中不包括检修及司机开关电梯环节，只是电梯运行的基本流程图）：图10 PLC系统总体设计流程图由电梯运动流程图可以看出电梯的运动控制中最需要关注的主要部分是：开关轿厢门的控制，电梯

21、的自动选向，轿厢的内呼和楼层外呼指示。将各部分分为单独的模块分别进行编程，绘制梯形图，不仅条理清晰，提高编程效率，而且能更为方便的进行程序的调试。在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，系统软件根据运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑控制。4.2 电梯的自检状态在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，系统软件根据运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑控制。PLC上电后，PLC中的程序己开始运行，但因为电梯尚未读入任何数据，也就无法在收到请求信号后通过固化在PLC中的程序作出响应。为满足处于响应呼叫就绪状态这一条件，必须使电梯处于平层状态

22、已知楼层且电梯门处于关闭状态。电梯自检过程的目标为:先按下启动按钮，在PLC的第一个扫描周期，检查电梯是否平层，若电梯为平层，则保持，若电梯未平层，则通过置位使中间继电器置1，进而使电梯下行直至平层是中间继电器复位为止。4.3电梯的正常工作状态电梯完成一个呼叫响应的步骤如下:电梯在检测到门厅或轿厢的呼叫信号后将此楼层信号与轿厢所在的楼层信号比较，通过选向模块进行选向。电梯通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿厢运动。轿厢运动速度要经过低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至减速点。当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速度变为低速，并以低速运行到平层点停止。平层后

23、，电梯开门，直到碰到开门到位行程开关;再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿厢所在楼层。4.4电梯开关门控制1）电梯的开门控制（1）投入运行前的开门：将开关梯钥匙插入SA2内，如图11所示，旋至开梯位置，则中间继电器KA2得电吸合，其动合触点KA2(1-2)闭合，接通PLC电源，使PLC处于运行状态。（2）电梯检修时开门：在检修状态下，开关门均为手动状态，由关门按钮SB1、开门按钮SB2实施开门与关门。（3）电梯自动运行时停层开门：电梯停层时，到平层位置，实现电梯开门（4）电梯关门过程中重新开门：在电梯关门过程中，若有人或物夹在两门中间，需重新开门，通过开门

24、按钮SB1实施重新开门。（5）呼梯开门：电梯到达某层站后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命，若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯要求。若其他层站有人呼梯，电梯将首先定向，并启动运行，到达呼梯层站时再开门，此时开门是按停层开门处理的。当电梯自动运行时，KM9不能得电，禁止开门。具体开门程序如图11所示：图11 开门程序2）电梯的关门控制（1）电梯使用后的关门：此时电梯到达基站，司机或乘客离开轿厢，电梯自动关门。司机将开关电梯钥匙插入SA2，旋到关梯位置，使KA2失电释放，PLC停止运行，电梯被关闭。（2）自动运行时的关门：停站时间继电器T37延时结束时，电梯自动关门；停战

25、时间未到时，可通过关门按钮SB2（I0.4）实现提前关门。超载时电梯不关门，也就不会启动运行。具体电梯关门程序如图12所示：图12 关门程序4.5层楼信号产生与消除当电梯位于某一层时，指层感应器1KR-5KR,产生该楼层信号，以控制指层灯的状态，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号（上一层或下一层）所取代。当层的层楼继电器是用上层或下层的层楼信号关断的。例如当电梯由4层下降到3层，3楼感应器3KR闭合，使输入继电器I2.3得电，Q1.6得电，3HL得电，指示3层层楼，同时4HL失电，4层层楼指示关断，如图13所示：图13 楼信号的产生与消除4.6 内选指令的登记与消除内选辅助继电器梯形图支路

26、中串接层楼辅助继电器的动断触点。乘客或司机通过操作轿厢的操纵盘上1-5层的选层按钮SB5-SB9，可以选择欲去的楼层。选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯HL1-HL5亮。当电梯到达所选的层楼后，该层楼的层楼辅助继电器得电，其动断触点断开，使该层内选辅助继电器失电，指示灯也熄灭，即内选信号被清除；另外，停靠在某层后，该层的内选信号不能被登记。如图14所示：图14 内选指令的登记与消除4.7外呼信号的登记与消除乘客或司机在厅门外呼梯时，呼梯信号应被接收和记忆。当电梯到达该楼层，且定向方向与目的地方向一致时（基层和顶层除外），呼梯要求已满足，呼梯信号被清除，如图15所示:图15 外呼信号的登记与消

27、除4.7 电梯的上、下行定向在自动运行状态下，电梯首先应确定运行方向，即定向。电梯的定向只有两种情况，即上行和下行。电梯处于待命状态，接收到内选和外呼信号时，应将电梯所处的位置与内选和外呼信号进行比较，确定是上行还是下行。一旦电梯定向后，内选与外呼对电梯进行顺向运行的要求没有满足的情况下，定向信号不能消除，如图16所示：图16 电梯的上、下行定向5. 程序的仿真及调试本次设计采用以西门子公司的可编程控制器STEP 7-Micro/Win进行实验。首先在WINDOWS环境下打开STEP 7-Micro/Win软件，向软件中输入程序，待程序输入完毕将其变换后写入PLC中。写入完毕后，打开菜单栏中仿

28、真软件，将程序下载在到软件当中，运行软件实现对PLC过程的监控功能。根据实验要求，动作相应开关，模拟电梯控制系统的工作过程。在实验过程中要注意观察程序运行的变化过程。若输入的程序有问题，对程序进行修改，经变换后再写入PLC中调试。5.1 创建项目新建文件，设定PLC类型，如图17所示：图17 项目的创建5.2 程序的编写单击左侧树中的程序块，打开程序块中的分支，单击树枝中的主程序，在主程序窗口中输入编写的电梯程序，如图18所示：图18 程序的输入5.3 程序的编译及调试当程序编写完成后，要进行验证编写的程序是否有错误，当然最好是分开进行，减少错误量，例如先编写LED显示模块，进行调试，再编写开

29、关门程序，再调试等。所有的程序编写完成后再统一调试，并下载到模型机里面进行联机调试。如图19所示：图19 程序的编译及联机调试结束语经过近三个月的研究工作，通过在图书馆、互联网上查阅有关资料，了解了电梯的起源和发展过程，并且加深了对电梯的运行过程、控制系统的认识。熟悉了可编程控制器在电梯控制系统中的运用。尤其是可编程控制器（PLC），我以前的课程中虽然学过,但是不精。为了完成这个课题，我用了两个月的时间来再次学习PLC及电气自动化。虽然在开始阶段感到很困难，但坚持下来却感觉并不难。并且在所学知识的基础上利用已有的电梯控制系统的设计，尝试了对电梯控制系统的研究。并且，使我将原来所学的知识系统化、

30、理论化、实用化，对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。通过这次设计，我还认识到无论做什么，都需要踏实、勤奋、严谨的工作态度这对我以后的工作产生深远的影响。设计达到了预定的设计目的，利用可编程控制器（PLC）控制技术改造旧电梯，充分利用了现代电力电子技术、计算机原理和检测技术，达到了对电梯的可靠控制。通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了电梯的运行可靠性。采用PLC改造后的电梯结构紧凑、维修简单、故障率低。如果PLC与交流变频调速（VVVF）控制技术结合将提升电梯的的效率和舒适感，有利于电梯的节能。具有一定的经济效益和社会效益。改造时要注意改造后的电梯控制系统运行可靠，减

31、少维护费用和电梯的能耗，增强了安全性。但仍有许多要改进的地方，如：1.增加与微机通讯的接口，实现联网控制，多台电梯的综合控制有微机完成。2.优化电梯的选向功能，使之随客流量的变化而改变，打到高效运送乘客的目的。3.增加出现紧急情况时的电梯处理办法。4.断电开门时的复杂情况处理。以上四条都是有待改进的。参考文献1 黄立培. 变频器应用技术及电动机调速M. 北京：人民邮电出版社,2007.1:19-282 吴忠智. 变频器应用手册M. 北京：机械工业出版社,1995.1:13-233 李秧耕，何峰峰. 电梯基本原理及安装维修全书M. 北京：机械工业出版社,2003.2:54-604 陈一才. 大楼

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