基于PLC的五层电梯控制系统.docx
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基于PLC的五层电梯控制系统
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5层5站电梯，使用西门子200可编程控制器，设计了电梯的控制系统。
实现了电梯的指层控制、轿内与各层厅站呼梯指令的记录、电梯运行方向和停靠的层站的控制，自动运行和自动开关门等功能。
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：
电梯控制系统安全性和可靠性高，日常保养维护和故障检修方便，运行成本低。
关键词：
电梯；控制系统；可编程控制器；西门子200
DesignofFive-storeyElevatorControlSystemBasedonPLC
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyLAIHong-yu
Abstract:
Theelevatorisnotonlythenecessaryfacilityinthehigh-risebuilding,butalsotheessentialverticaltransportmeansinthemulti—layeredconstruction.Thisarticleelaboratedtheelevatorstructure，thestructureandtheworkingprincipleoftheprogrammablelogiccontroller．Aimattheelevatorof5storeyand5stations，IdesignthiselevatorcontrolsystembytheuseofS7-200programmablelogiccontroller.Thesemodulesachievethefunctions：
fingeringoutthelocationofthecabin，registeringtheinstructionsfromthecabinandthestationhall．choosingthedirectionandthestationofelevatorfollowtheseinstructions，operatingelevatoranddoorautomatically，andotherfunctions.Thiselevatorcontrolsystemappliesintheactualoperatingelevator
．Theoperatingresultindicated：
itssecurityandreliabilityalehigh,theroutinemaintenanceandthetroubleshootingareconvenient,theelevatoroperatingcostislow.
Keywords:
Elevator;controllersystem;programmablelogiccontroller;S7-200
第一章引言
随着科学技术和社会经济的发展，高层建筑已经成为现代城市的标志。
电梯作为垂直运输工具，承担着大量的人流和物流的输送，在建筑物中有相当重要的作用。
是现代城市生活中必不可少，且应用最广泛的垂直交通运输工具。
1.1设计背景
电梯是垂直运行的电梯（通常可简称为电梯）、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或水平方向运行的自动人行道的总称。
伴随我国城镇化进程的加速，电梯已成为城镇居民生产、生活不可或缺的垂直交通工具，在提升公众的生产、生活效率与质量的同时，其安全工作也成为一项民生工程，其安全状况倍受公众与媒体关注。
（一）安全形势总体平稳
在电梯数量快速增加情况下，电梯事故稳中有降，保持了总体平稳的安全形势。
从2005年开始，平均每年电梯事故起数在40起、死亡人数在30人左右。
电梯万台事故率和万台死亡人数稳步下降，2010年电梯万台事故率0.26，万台死亡人数0.17，均小于特种设备平均水平，也小于锅炉压力容器等其他特种设备。
（二）近年事故原因分类
近年电梯事故中，违章操作引发的事故较为突出，事故中受到伤害的人员以普通乘客最多。
●事故产生原因中，违章操作62.7%，设备缺陷22.7%，意外8.0%，非法使用设备6.6%。
●事故中受伤害人员中普通乘客50%，维护保养人员13%，安装工人12%，电梯操作人员4%，其它包括保安等未经培训的人员21%。
（三）电梯数量快速增长
截至2010年底，全国在用电梯总数已经达到162.8万台，并以每年20%左右的速度高速增长，每年新增电梯数在30万台以上，占全球每年新增电梯总量的一半以上。
上海、北京等几个城市在用电梯数量已超过10万台。
目前，我国电梯年产量、电梯保有量、年增长量均世界第一。
上海超过纽约成为全世界电梯最多的城市。
1.2课题研究背景和意义
电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。
随着社会的发展，建筑物规模越来越大，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。
事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。
在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。
然而只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量才能全面保证电梯的最终高质量。
在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。
因此，可以说乘坐电梯更安全。
美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：
乘电梯比走楼梯安全5倍。
掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多”。
目前，由可编程序控制器（PLC）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，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。
可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
自1969年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台PLC问世以来，迄今已30多年，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。
用户买到所需PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活而方便地将PLC应用于生产实践，而且用户程序的编制、修改和调试不需要具有专门的计算机编程语言知识。
这样就破除了“电脑”的神秘感，推动了计算机技术的普遍应用。
可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD／CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统的继电一接触控制系统。
1.3本文的研究目标
本次毕业设计以五层电梯作为控制对象，以PLC作为工具对电梯控制系统进行了设计。
在设计过程中，对五层电梯的硬件部分作分析，看需要什么样的开关，电机，信号灯等。
然后，根据需要画出控制面板图，再根据控制面板图计算出I/O点数，确定所选PLC机型，选定变频器型号，画出连线图，然后在进行软件设计，写出控制系统的流程图，梯形图，写出语句。
第二章电梯的概述
2.1电梯工作原理
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。
常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。
轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。
补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。
电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。
指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。
安全装置保证电梯运行安全。
电梯结构及分类
（1）电梯的结构
电梯的机械部分是电梯的躯体，同时电子电气是电梯的神经和大脑。
机械部分与电子电气之间的有机结合，才能实现电梯的功能。
它由曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、对重装置、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等组成。
电梯的结构如图2-1所示。
（2）电梯的分类
电梯的分类非常丰富，根据使用性质、驱动方式、运行速度、有无司机、操纵控制方式等不同，有多种分类方法。
图2-1电梯的结构
2.2系统控制方案设计
2.2.1控制方式的选择
继电器和PLC都可以控制电梯的运行方式,但控制方法的不同会使得电梯具有不同的特点,如表2-1为PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。
表2-1PLC与继电器控制系统功能与特点的比较
比较项目
继电器控制
PLC控制
对生产工艺变
化的适应性
需进行重新设计与接线.适应性差
只需对程序进行修改.适应性强
控制功能的实现
通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能
对进行编程实现所需控制要求
控制的实时性
机械动作时间常数大，实时性差
微处理器控制，实时性非常好
复杂控创能力
极差
很强
可靠性
元器件多、触点多，容易出现故障
采用大规模集成电路.绝大部分是软继电器，可靠性高
柔韧性和灵活性
差
具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活
占用空间与安装
控制柜体积大、笨重，安较施工工作量大
体积小，重量轻，安装工作量
小
使用寿命
易损、寿命短
寿命长
维护
复杂、工作量大
工作量小
价格
极低
较高
所以本系统最终能够选择以PLC控制电梯的运行方式。
2.2.2电梯控制系统的控制要求
本设计主要设计一个五层层电梯控制系统，其主要控制要求如下：
①开关门控制
当某一楼层的电梯指示灯一直亮时，表示该层电梯正在进行开门、延时、关门的动作。
为保证电梯运行的安全性，电梯的开关门信号和故障报警信号必须是互锁的，也就是说，当故障报警信号有效时，开关门信号都不会显示，同时楼层指示灯也不会亮。
②内外呼叫控制
一旦有乘客按下某层的呼叫按钮，该层相应的电梯指示灯就亮起来，不过不能立即开门。
呼叫信号要一直保持到电梯到达该层后且呼叫信号的指示与电梯的运行方向相同时才会被撤消。
③上下行控制
电梯在每个楼层分别设置一个外呼按钮，电梯运行时楼层指示灯亮。
但是上下行指示灯不能同时亮，各个楼层的指示灯也不可以同时亮。
一个呼叫请求在完成之前如果收到另一个呼叫请求，则要判断两个呼叫请求是否是在同一个方向，如果是不再同一方向则不截车，反之则截车。
在行车过程中，如果故障报警信号有效，则任何操作都无效，指示灯也不亮。
在上下行期间，电梯的速度由变频器给定。
2.2.3电梯控制系统总体方案的确定
本系统是主要由PLC、变频器、控制箱、显示器、曳引电动机组成的交流变频调速系统（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2-2所示。
图2-2电梯控制系统框图
从图2-2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，实现鼠笼式曳引机电动机交流变频调速（VariableVoltageVariableFrequency,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PLC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曳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。
第三章系统硬件设计
一个完整的控制系统总是包括硬件系统和软件系统,本章集中介绍电梯控制系统涉及到的硬件设计。
本章给出了五层电梯的硬件设计包括电梯的调速系统、井道信号系统、电梯的硬件选型以及各硬件的参数设置。
3.1电梯调速系统设计
3.1.1电梯的快速性要求
电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的。
快速则可节省时间，这对于处在快节奏的现代社会中的乘客是非常重要的。
快速性主要通过以下方法得到：
①提高电梯额定速度V，则电梯的额定速度提高，运行时间缩短，达到为乘客节省时间的目的。
②集中布置多台电梯，通过电梯数量的增加来节省乘客候梯时间。
③尽可能的减少电梯起、停过程中的加、减速时间。
上诉三种方法中，前两种需要增加设备投资，第三种方法通常不需要增加设备投资，因此在电梯设计时，应尽量采用第三种方法减少起、制动时间。
但是起、制动时间缩短意味着加、减速度的增大，而加、减速度的过分增大和不合理的变化有将造成乘客的不舒适感。
因此，对电梯又提出了舒适性的要求。
3.1.2电梯舒适度的要求
电梯引起乘客生理不适主要是由于以下两点原因造成的：
①由加速度引起的不适。
人在加速上升或减速下降时，加速度引起的惯性力叠加到重力之上，使人产生超重感，各器官承受更大的重力；而在加速下降或减速上升时，加速度产生的惯性力抵消部分重力，使人产生上浮感，感到内脏不适，头晕目眩。
考虑到人体生理上对加、减速度的承受能力，GB/T158-1997《电梯技术条件》中规定：
“电梯的起制动应平稳、迅速，加、减速度最大值不大于1.5m/s2。
”
②由加速度变化率引起的不适。
大量实验证明，人体不但对加速度敏感，对加加速度（或称加速度变化率）也比较敏感。
我们用a来表示加速度，用ρ来表示加加速度，则当加加速度ρ较大时，人的大脑就会感到晕眩、痛苦，它的影响比加速度a的影响还严重。
我们也称加加速度为生理系数，在电梯行业一般限制生理系数ρ不超过1.3m/s2。
而促进电梯舒适度的途径有以下几种途径：
①选用品质优良、稳定的曳引机
曳引机是电梯运行的驱动装置，其性能直接关系到电梯运行的舒适感。
曳引机的机械间隙对电梯的影响主要体现在电梯在加减速过程中，在电机速率发生变化时，电动运行和发电运行状态将发生切换，造成电梯的振动，极大地影响了电梯的舒适感。
在电梯S曲线加减速过程中，一般各有一两次明显失重或者超重感觉，并伴随曳引机发出异响。
另外，对于一些改造的双速旧梯用曳引机，由于多次高低速切换的巨大冲击，造成连接套轴中的橡胶垫片严重磨损，也会造成上述现象。
因此，要想使得电梯具有良好的舒适性,必须选用品质优良、稳定的曳引机.
曳引机功率的选择公式：
N＝QV（1-Y）/102W
其中：
W为电梯机械传动效率；Y为电梯平衡系数：
Q为电梯的额定载重量；V为电梯的额定速度。
在计算电梯曳引机功率后再预留20%～30%的功率。
②选用品质优良的驱动电机
在保证曳引机质量的前提下，与曳引机配套的电机的性能也直接关系到电梯的起制动过程的性能，问题主要表现为启动舒适感的好坏。
如果电机的启动转矩大，在电梯松闸的时刻产生的倒溜就会很小。
③选用性能优良的变频器
异步电机矢量控制是完全基于电机参数的矢量控制，因此电机参数必须能够进行自动学习。
否则，取得不了优越的性能。
因此，首先必须选用能够进行电机参数自学习的变频器。
其次，变频器必须具有零速150%以上的转矩输出，可以保证良好的启动和停车舒适感。
另外，需要非常好的过载能力，110%的额定负载，必须连续运行，特别对于高层电梯，需要满载运行超过30S以上的，更要考虑这一点。
3.2井道信号系统设计
（1）电梯位置的确定与显示
轿厢内的乘客与门厅中等待电梯的乘客需要知道电梯目前所在位置,电梯要确定是否能够响应新的召唤指令及何时减速平层制动，这些都需要明确电梯当前的准确位置。
通常电梯系统的位置信号是靠设置在井道中的位置开关来实现。
（2）轿厢的平层与停车
轿厢运行后需要确定停车楼层，平层是指停车时轿厢底与门厅地面齐平，不过在实际中无法达到百分之百的精确，通常都有平层误差规定。
平层停车过程需在轿厢底与所停楼层的地面相平之前开始，先要开始减速，然后再制动，以减小冲击，提高平层停车的精确度和乘客的舒适感。
3.3电梯模型结构
（1）电梯层门的显示
电梯层门是为了确保乘客安全，而在各层楼的停靠站，通向井道的入口处，设置供司机、乘用人员和货物等出入的门。
图3-1为电梯层门示意图。
电梯层门旁装有消防按钮、上行召唤按钮和下行召唤按钮（最底层只有上行召唤按钮、最高层只有下行召唤按钮）,并有召唤登记指示灯。
层门上方装有LED数码管，用以显示轿厢所在层楼位置，另外还有轿厢上行和下行指示灯。
红色圆圈是消防按钮，向下按导致X10接通。
按下该按钮的同时向左转是消防关门开关，X14触点闭合，电梯门关闭；向右转是消防开门开关，X11触点闭合，电梯门打开。
呼梯按钮按下时，相应的按钮变成青绿色，表示该呼梯按钮已按下。
电梯楼层显示采用7段LED数码管显示，图中显示电梯目前处于三楼的位置。
电梯运行方向用红色箭头表示，图中箭头向上表示电梯正处于上行状态中
图3-1电梯层门示意图
（2）
电梯轿厢内控制屏
图3-2轿厢内控制屏示意图
3.4硬件选型
3.4.1变频器的概述及选型
（1）变频器的概述
上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。
在近20年的时间内，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。
这期间变频器的容量不断增大、体积越来越小、功能越来越多也更加的智能化，使得变频器的应用领域不断扩大。
（2）变频器的选型
★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计算。
设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为v，电梯自重为W1，电梯载重为W2，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
:
（3-1）
其中
为摩擦力，
可忽略不计。
电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取
。
★变频器制动电阻参数的计算
由于电梯为位能负载，电梯运行过程中会产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能。
虽然带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器能够将再生能量回馈电网，但造价太高。
如果采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低且具有良好的使用效果。
能耗制动电阻Rz的大小应使得制动电流工作时的值不超过变频器额定电流的一半，即
（3-2）
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。
★变频器的选型
电梯的调速除了对一般的工业控制的静态、动态性能的要求外，其舒适度的指标通常也要考虑。
本设计中保证电梯按理想的给定速度曲线运行并保证舒适感的关键是电梯的拖动调速系统。
考虑以上各种因素，本设计最终选用由佛山市特飞龙机电设备有限公司生产的价格为1020元的欧姆龙小型变频器ORMON3G3JZ-AB0151.5KW变频器三相变频器。
图3-3欧姆龙小型变频器ORMON3G3JZ-AB0151.5KW变频器
3.4.2位置检测元件的选型
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）用干簧感应器或其它位置开关
干簧感应器如图3-4所示。
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
图3-4干簧感应器
干簧感应器就是在U型槽的两侧分别放置干簧管与永久磁铁。
当隔磁板没有插入U型槽内时，那么磁场作用下的常闭触点2、3闭合；隔板插入U型槽时，永久磁铁磁场经过隔磁板和空气间隙形成闭合磁路。
那么，在簧片的弹性作用下，触点2、3常开，4则闭合。
于是根据电梯的控制要求，可将传感器安装在轿厢的顶部，隔磁板固定于井道相应位置的导轨上。
采用这种方法具有直观、简单的优点，但是因为每层都需要一个感应器，当楼层较高时，就会占用过多的PLC输入点。
（2）用双稳态磁保开关
该方法需要对磁保开关的不同状态进行编码，较麻烦。
双稳态磁保开关如图3-5所示。
图3-5双稳态磁保开关
（3）采用旋转编码器
目前的PLC一般都具有专用计数单元或高速脉冲输入端，所以为获取电梯运行的准确位置，可采用编码器。
编码器可以直接与PLC高速脉冲输入端相连，利用PLC内置24V直流电源作为其电源。
编码器实物和原理如图3-6所示。
图3-6旋转编码器实物图及工作原理
旋转编码器是一种旋转式测量装置，安装于被测轴上并随被测轴一起转动，用来测量转动量（主要为转角），并将其转换成数字形式的输出信号。
电梯的轿厢所处的位置及运行速度用码盘来检测，检测所得的位置及速度作为位置反馈信号和速度指示信号。
旋转编码器的转轴与曳引电动机转轴直接相连，当电动机转动时，编码器输出与转动量对应的脉冲数，通过累积脉冲数可以直接计算出轿厢对应的位置行程，从而确定电梯运行时轿厢所处的楼层位置，进而确定出换速点、开门地点、到站停车点等。
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3-7所示：
图3-7电梯的平层、停层装置示意图
3.4.
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