曳引式电梯单控系统.docx
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曳引式电梯单控系统
1引言
电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具、是机电一体化的复杂运输设备。
它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电力拖动系统和土建工程等多个科学领域。
目前电梯的生产情况和使用数量已成为一个国家现代化程度的标志之一。
随着现代化城市的高速发展，每天都有大量人流及物流需要输送。
为节约用地和适应经贸事业的发展，一幢幢高楼拔地而起，这些高层建筑的垂直运输是一个突出问题，与人们的工作和生活紧密相关。
随着社会的发展，电梯的使用越来越普遍，已从原来只在商业大厦、宾馆使用，过渡到在办公楼、居民楼等场所使用，并且对电梯功能的要求也不断提高，相应地其控制方式也在不停地发生变化。
对于电梯的控制，传统的方法是使用继电器—接触器控制系统进行控制，随着技术的不断发展，微型计算机在电梯控制上的应用日益广泛，现在已进入全微机化控制的时代。
当今时代随着高层建筑的日益增多和建筑设计的档次的提高，使得人们对电梯的要求也越来越高。
目前已不仅限于要求电梯搭乘快速、舒适，制造坚固，装潢考究，人们对电梯的安全可靠性及多功能性正提出越来越高的要求，为此电梯正朝着控制智能化的方向发展。
而电梯的核心是电梯控制器，电梯控制器的实现也有多种方式,诸如PLC、单片机等等.在以往的电梯控制器设计中,大部分都是采用PLC来实现，但是PLC是基于外围的硬件实现电梯的控制,而如果在采用PLC的基础上采用硬件描述语言来完成电梯控制器的设计,这样就更能实现电梯的智能。
集选控制是一种将轿厢内指令与厅外召唤等各种信号集中进行综合分析处理的高度自动控制功能。
它能对轿厢指令、厅外召唤登记，停站延时自动关门起动运行，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，能自动应召服务。
本设计所要达到的是曳引式电梯的单控实现，设计的内容主要是以一个比较完整的电梯为例，介绍单控实现的具体方法，从操纵方法来看，属于集选控制电梯。
2电梯控制系统的总体设计
2.1曳引电梯的基本结构
曳引式电梯是垂直交通运输工具中使用最普遍的一种电梯，其基本结构如图2-1所示。
电梯系统由电梯机械模型和控制装置组成，电梯机械模型包括电梯曳引机、变频器、控制单元、终端保护装置、轿厢和轿架、导轮、对重、曳引钢丝绳对重、厅门、召唤按钮箱、层楼指示灯箱等组成部分。
控制设备由PLC、变频器、电脑主机、PLC控制键盘等组成。
1-减速箱； 2-曳引轮；3-曳引机底座； 4-导向轮；
5-限速器； 6-机座；7-导轨支架； 8-曳引钢丝绳；
9-开关碰铁； 10-紧急终端开关；11-导靴； 12-轿架；
13-轿门； 14-安全钳；15-导轨； 16-绳头组合；
17-对重， 18-补偿链；19-补偿链导轮； 20-张紧装置；
21-缓冲器； 22-底坑；23-层门； 24-呼梯盒；
25-层楼指示灯；26-随行电缆；27-轿壁； 28-轿内操纵箱；
29-开门机； 30-井道传感器；31-电源开关； 32-控制柜；
33-曳引电机； 34-制动器
图2-1曳引式电梯结构图
2.1.1曳引机
电梯的曳引机是电梯的驱动装置，曳引机包括：
1）驱动电动机：
交流梯为专用的双速电动机或三速电动机。
直流梯为专用的直流电机。
2）制动器：
在电梯上通常采用双瓦块常闭式电磁制动器。
电梯停止或电源断电情况下制动抱闸，以保证电梯不致移动。
3）减速箱：
大多数电梯厂选用蜗轮蜗杆减速箱，也有行星齿轮、斜齿轮减速箱。
无齿轮电梯不需减速箱。
4）编码器：
作用是把电动机所转的圈数按照一定的编码规则记录下来，保存在高速计数器中。
此类计数器从PLC的一个高速输入端输入A相计数脉冲信号，从PLC的另一个高速输入端输入B相计数脉冲信号，C251~C255都是这一类的计数器，本程序将使用C251计数器。
5）曳引轮：
曳引机上的绳轮称为曳引轮。
两端借助曳引钢丝绳分别悬挂轿厢和对重，并依靠曳引钢丝绳与曳引轮绳槽间的静摩擦力来实现电梯轿厢的升降。
6）导向轮或复绕轮：
导向轮又称抗绳轮。
电梯轿厢尺寸一般都比较大，轿厢悬挂中心间的距离往往大于设计上所允许的曳引轮直径。
因此对一般电梯而言，通常要设置导向轮，以保证两股向下的曳引钢丝绳之间的距离等于或接近轿厢悬挂中心和对重悬挂中心间的距离。
对复绕的无齿轮电梯而言，改变复绕轮的位置同样可以达到上述目的。
对有齿轮曳引机由传统的蜗轮蜗杆传动逐渐向行星式齿轮传动和高精度硬齿面圆柱齿轮传动发展之势，这有利于缩小曳引机体积及提高承载能力和传动效率，而且可使其向高速化发展。
电梯曳引机电动机并不是通常体积的普通工业用的交流感应电动机，电梯时典型的位能负载，根据电梯的工作性质，电梯曳引电动机应具有的特点如下：
·能频繁地起动和制动；
·起动电流较小；
·电动机运行噪声低；
·对电动机的散热要作周密考虑；
·电梯曳引电动机为双绕组双速电动机；
除了上述特点以外，电梯交流调速用曳引电动机往往备有两个轴伸端：
其中一端为传动端，与减速器耦合；另一端为非传动端，通常装有飞轮，用以增加运动系统的转动惯量，改善起动过程乘坐舒适感。
2.1.2导向系统
导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。
它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只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，与井道壁联接。
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。
2.1.3门系统
门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、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。
图2-2电梯模拟示意图
2.1.4轿厢
轿厢用以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、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。
轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。
轿厢外观如图2-2所示。
图2-2顺便把电梯其他组成部分显示出来了。
2.1.5重量平衡系统
重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。
对重由对重架和对重块组成。
对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。
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。
2.1.6电力拖动系统
电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，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机或直流电机。
供电系统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，与电机相联。
调速装置对曳引电机实行调速控制。
如图所示，两个三相电机分别为门电机和曳引机，转换开关CS1用于控制交流电源通断，熔断器FU1作短路保护，接触器KM1、KM2、KM3、KM4的主触头控制电动机的运行状态，热继电器FR1、FR2作过载保护，PE接地。
主电路的特点是由KM1、KM2实现三相电源任意两相的调换，以实现两个方向的稳定运行，要求KM1、KM2不能同时动作以避免电源相间短路，有两个单向运行控制部分组成，两部分之间互锁是通过将各自的常闭触点串接在对方的工作电路中来实现的，进一步保证电路的安全、可靠。
图2-3电气原理图
2.1.7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、选层器等组成,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、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。
控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。
位置显示是指轿内和层站的指层灯。
层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。
选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。
2.1.8安全保护系统
安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。
机械方面的有：
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；还有切断总电源的极限保护等。
电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。
限位器是当轿厢运行速度达到限定值时，能发出电信号并产生机械动作的安全装置。
在整个系统中一共使用了4个限位器和4个传感器，4个限位器是机械的只有上行减速限位器和上行平层限位器，下行的也是。
限位器重的感应片和传感器是配合使用的，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。
2.1.9变频器部分
变频器的设置在模型建立中式比较重要的，根据以下选择进行变频器的选取.
（1）变频器容量计算
变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行选取。
设电梯曳引机电机功率为P;，电梯运行速度为v，电梯自重为WI电梯载重为w:
，配重为w3，重力加速度为g，变频器功率为P。
在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2:
P2=（Wl+WZ-W3）g+F1
其中F=K（wl+w2+w3）g。
电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率Pl，相对于P2留有较大裕量，可取P=l.5P2。
因为:
K=0.02，wl=1600Kg，w2=800Kg，w3=2000Kg，g=9.8m/s2，，v=1.5m/s
代入以上各参数，得P2=7.2Kw。
电机功率Pl=11KW，变频器的功率P应接近于电机功率Pl，相对于P2留有较大裕量，可取P=l.5P2=10.8KW。
根据以上的分析，选取变频器的额定功率为11KW。
（2）变频器制动电阻参数的计算
由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应
具有制动功能。
TD1000型变频器可采用能耗制动方式将再生能量消耗在制动电
阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。
能耗制动电阻Rz的大小应使制动电流
12的值不超过变频器额定电流的一半，即IZ=U0/RZ
其中U0为额定情况下变频器的直流母线电压。
由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。
根据这个原则，爱默生公司为各种型号的变频器配备了制动电阻，查阅TD1000变频器的使用说明书可得，电机额定功率为11KW时，选用的制动电阻型号为R01-1400W60。
（3）TD1000变频器的参数设置
TD1000变频器共有134个功能参数需要设置，这些功能参数可以分为8组，每一组参数的设定都具有特定的含义。
这8组参数分配及含义如表2-1所示。
表2-1TDI000变频器的功能参数
组号
范围
说明
1
F000～F019
基本运行功能参数
2
F020～F050
辅助功能
3
F051～F062
闭环控制功能
4
F063～F080
输入输出端子功能选择
5
F081～F085
显示功能设定
6
F086～F093
电机特性参数及特殊功能
7
F094～F101
记忆检查功能
8
F102～F134
参数初始化
在进行参数的设定时，一般要遵循以下原则:
1、为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些，而
积分时间常数宜大些;
2、零速一般设里为OHz，带速抱闸功能将影响舒适感。
3、变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌直接输入
（4）TD1000变频器的配线
三种基本运行的控制部分配线分别如下:
l）用操作面板控制运行时
没有控制配线，直接使用操作面板即可进行控制操作。
2）用控制端子控制运行时
1、可选择VCI或CCI作为信号给定输入。
注意接线必须采用屏蔽电缆;
2、控制端子VCI只可外接电压信号（0～1OV）;CCI既可输入电压信号，又可输入电流信号，同时必须根据输入信号的类型，在主控板上I瓜选择插座CN10作相应的跳线选择;若采用电流输入方式，则CN10应选择I侧，若采用电压输入方式，则CN10应选择V侧。
3）通过串行通信口用上位机控制运行PLC为RS485接口时，可直接将PLC的RS485口与控制板的通信端子（CNll）相连;若PLC为RS232接口，需使用RS485/RS232接口协议转换器。
根据本文的控制方案，本文采用的是用控制端子控制运行的，所以上述第二种控制配线就是本文的配线方法，将VCI端子接PLC的模拟量输出模块EC20-4AM的VOI+端子，由PLC模拟量输出模块EC20-4AM输出一个电压模拟量曲线控制变频器的变频和调压，从而控制电机的转速。
变频器的Xl端为变频器故障复位的信号输入端.
2.1.10控制器部分
控制器使用了三菱公司的PLC，型号为FX2N-128MR，有64点基本输入端和64点继电器输出端。
PLC控制器是电梯控制系统中不可或缺的重要部分，其主要作用是通过PLC接收从电梯传来的信号、设置变频器控制电梯的上下运作、设定电梯的运行模式等。
通过此控制器完成一系列复杂的电梯运作过程：
门厅按钮被按下，轿厢开始加速运动；轿厢到达限制速度，开始匀速运动；轿厢开始减速，准备平层；轿厢平层，并且出发开关门电机，开始开门；到达开门限位，准备进入关门；触发开关门电机，开始关门；到达关门限位，等待乘客进行轿厢内操作或门厅召唤。
2.2曳引电梯整体方案
曳引电梯硬件框图如图2-3所示。
三相电源通过整流滤波电路进入变频器，到运行接触器带动曳引机，曳引机准备运作。
同时用户通过PLC控制器发送开关门、泊梯、楼层运行指示等操作，PLC作为集选控制，发出一系列指令传递给变频器，如上下行召唤、初始化程序、启动复位等厢动作指令，变频器则根据这些指令做出轿厢速度的调整，其中轿内召唤及厅外召唤由轿厢和门厅反馈回PLC控制器。
上述为整个曳引电梯控制流程。
图2-3曳引电梯硬件框图
3电梯控制系统硬件设计
3.1电梯I/O接口配置
PLC控制器的由64个输入点数和64个输出点数构成，为了明确每个输入端传入数据的意义和每个输出线圈所控制的量，如表3-1所示，给出了I/O资源配置表。
表3-1电梯I/O接口资源配置表
元件名
作用
X000
编码器A相输出端，不可直接使用的输入端
X001
编码器B相输出端，不可直接使用的输入端
X002
关门限位开关，门关上时为逻辑1
X003
开门限位开关，门打开时为逻辑1
X024
电梯停止按钮
X025
一层上行干簧感应触点
X026
二层上行干簧感应触点
X027
二层下行干簧感应触点
X028
三层上行干簧感应触点
X029
三层下行干簧感应触点
X030
四层上行干簧感应触点
X031
四层下行干簧感应触点
X032
五层下行干簧感应触点
X033
上下行强迫换速开关
X036
速度继电器感应触点
X037
光点感应触点
X050
上行平层限位开关（常闭）
X051
上行减速限位开关（常闭）
X052
下行平层限位开关（常闭）
X053
下行减速限位开关（常闭）
X054
上行平层接近开关
X055
上行减速接近开关
X056
下行减速接近开关
X057
下行平层接近开关
X060
一楼上行按钮
X061
二楼下行按钮
X062
二楼上行按钮
X063
三楼下行按钮
X064
三楼上行按钮
X065
四楼下行按钮
X066
四楼上行按钮
X067
五楼下行按钮
X070
厢内一楼按钮
X071
厢内二楼按钮
X072
厢内三楼按钮
X073
厢内四楼按钮
X074
厢内五楼按钮
X075
厢内开门按钮
X076
厢内关门按钮
X077
厢内警报按钮
Y011
曳引机控制正转
Y012
曳引机控制反转
Y013
门机控制正转
Y014
门机控制反转
Y020
曳引机反转信号输出
Y021
曳引机正转信号输出
Y022
检修状态输入
Y023
使能端口
Y024
变频器故障输入
Y041
楼层显示器
Y042
楼层显示器
Y043
楼层显示器
Y044
楼层显示器
Y045
楼层显示器
Y046
楼层显示器
Y047
楼层显示器
Y48
楼层显示器
Y49
楼层显示器
Y050
一楼上行指示灯
Y051
二楼下行指示灯
Y052
二楼上行指示灯
Y053
三楼下行指示灯
Y054
三楼上行指示灯
Y055
四楼下行指示灯
Y056
四楼上行指示灯
Y057
五楼下行指示灯
Y060
厢内一楼指示灯
Y061
厢内二楼指示灯
Y062
厢内三楼指示灯
Y063
厢内四楼指示灯
Y064
厢内五楼指示灯
Y065
开关门电动机开
Y066
开关门电动机关
Y067
厢内警报指示灯
Y070
曳引机正转
Y071
曳引机逆转
Y072
曳引机减速
3.2主电路设计
电梯主电路图如图3-1所示。
图3-1电梯控制主电路图
4电梯控制系统软件设计
4.1电梯所需实现的功能介绍
（1）司机操作：
由司机开门启动电梯运行，由轿内指令按钮选向，厅外召唤只能顺向截梯，自动平层。
（2）集选控制：
集选控制室将轿厢内指令与厅外召唤等各种信号集中进行综合分析处理的高度自动控制功能。
它能对轿厢指令、厅外召唤登记，停站延时自动关门起动运行，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，能自动应召服务。
（3）下行集选：
只在下行时具有集选功能，因此厅外只设下行召唤按钮，上行不能截梯。
（4）上行集选：
只在上行时具有集选功能，因此厅外只设上行召唤按钮，下行不能截梯。
（5）防止恶作剧功能：
本功能防止因恶作剧而按下过多的轿内指令按钮。
该功能是自动将轿厢载重量（乘客人数）与轿内指令数进行比较，若乘客数过少，而指令数过多，则自动取消错误的多余轿内指令。
（6）开门时间延长按钮：
用于延长开门时间，使乘客顺利进出轿厢。
（7）故障重开门：
因故障使电梯门不能关闭时，使门重新打开再试关门。
（8）故障检测：
一套以编码器为参考的后备检测系统，能在第一时间发现电梯的故障，然后回到底层，并发出警报，通知维修人员。
4.2程序流程图
程序流程图如图4-1所示。
由于PLC语言的特殊性，其流程图和C语言等其他语言的流程图有些区别，先简要说明一下主要程序段的功能。
（1）电梯复位程序段
此段程序有两个功能：
一个事在系统上电以后，把轿厢的位置恢复到第一层的状态：
另一个是在系统出现故障以后，把轿厢的位置恢复到第一层并中止程序。
（2）用户输入程序段
用户的输入包括门厅的按钮和轿厢内的按钮，用户输入程序段完成在用户输入以后，马上保持用户选择的状态，以便后面的程序判断。
（3）系统状态确定程序段
对在用户输入程序段中用户选择的状态进行分析和处理，确定程序应该执行哪一部分的代码，以及更改电梯本身的状态。
（4）轿厢开关门程序段
控制轿厢的开关门，修改开关门的状态逻辑线圈，包括关门延时。
（5）检测故障程序段
此段程序在每个扫描周期都执行一次，一旦检测到有故障，就跳转到发生故障处理程序段并执行。
（6）发生故障处理程序段
一旦检测到故障，就会更改运行电梯的状态，恢复电梯到底层，并中断程序的运行。
（7）设定上行目标
此段程序是用来上行过程中的下一个目标的，只有在上行以及电梯空闲时才会调用，如果没有下一个目标，就会设定电梯为空闲。
（8）设定下行目标
此段程序是用来下行过程中的下一个目标的，只有在下行以及电梯空闲时才会调用，如果没有下一个目标，就会设定电梯为空闲。
（9）执行上行程序
此段程序包括控制电梯上行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。
（10）执行下行程序
此段程序包括控制电梯下行，检测是否应该减速或者停止电梯正转并且执行。
4.3程序中使用的部分语句介绍
PLC梯形图编程是一种并行的编程，编程的方法和C++、Basic等语言的方法不一样，PLC梯形图编程的传统思想是一种串行执行的思想，如果按照传统的PLC梯形图编程思想，这段程序将会变得非常复杂，这种思想的程序可以在本次编写的程序的电梯复位中看到。
但是如果整个程序都是用这种思想，会使程序变得非常复杂，不容易修改，可读性也差，所以要改变编程思想。
在分析程序之前，先介绍一些平时梯形图编程中并不常用的指令。
4.3.1主控语句
MC（MasterControl）是主控指令，MCR（MasterControlReset）是主控复位指令，梯形图如图4-2所示。
目的操作数[D]选择范围为输出线圈Y和逻辑线圈M，常数n为嵌套级数，其选择范围为N0~N7。
MC和MCR指令必须成对使用。
N0==M0
图4-2MC和MCR指令的梯形图
当MC指令的控制线路断开时，扫描MC与MCR指令之间各梯形图的情况相当于这些梯形图的控制线路均处于“断开”，因此各计数器和具有失电保持的技术器的当前计数值和计数值保持不变，SET、RST等指令中各软设备的状态或数据也保持不变，而普通计时器则被复位，各逻辑线圈和输出线圈均被切断。
如果需要在MC与MCR指令之间再使用MC指令，即嵌套数大于1，则嵌套级的序号应从小到大地编制，即最外层的序号最小，越往里层序号越大。
4.3.2跳转指令
CJ（ConditionalJump）是跳转指令，其梯形图如图4-3所示，其操作数一定是PN。
N是一个0～127的整数，表示跳转的指针，如果接通X000，那么2～14之间的代码将不再被扫描。
在其操作码之后加“P”，表示当其控制线路由“断开”到“闭合”时才执行跳转指令。
图4-3CJ令梯形图
4.3.3子程序调用指令
CALL（SubroutineCall）是子程序调用指令，SRET（Sub-routineReturn）是子程序返回指令，这两个指令的使用如图4-4所示，PN是子程序调用的指针。
在操作码CALL之后加“P”,表示当其控制线路由“断开”到“闭合”时才执行子程序调用指令。
（注意，子程序必须编制在FEND指令之后。
）
FX2系列PLC允许子程序嵌套，其最高嵌套级数为5。
就如图4-4所示，如果X000接通，那么，扫描到第2行的时候，就会执行P10内的子程序，如果X002没有接通，那么程序执行到第14行就返回到第2行，执行下去，如果X002接通，那么将在第10行处跳到第15行执行P11的子程序，执行到第18行，遇到SRET指令，返回第10行，继续执行，遇到第14行的SRET后返回到第2行。
还有要注意，虽然有了FEND和SRET，但是整个程序的END还是要的，否则写入PLC会出错。
图4-4子程序调用的梯形图
4.3.4加“1”指令和减“1”指令
INC（Increment）是加“1”指令，DEC（Decrement）是减“1”指令，它们的梯形图如图所示。
两者的目的操作数[D]的选择范围都是Y（输出线圈，包括KnY）、M（逻辑线圈，包括KnM）、T（计时器）、C（计数器）、D（数据寄存器）、V（变址寄存器）。
在操作码INC或者DEC之后加“P”，表示当其控制线路由“断开”到“闭合”时才执行加“1”指令或减“1”指令。
图4-5INC指令和DEC指令的梯形图
如图4-5所示，只要X000接通，那么就会不断增加D10，不会停止，因此，一般都是使用INCP，这样只是在X000刚被接通时，才增加一
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