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新乡职业技术学院 毕业设计（论文） 题目变频器和 plc 在电梯中的应用 系别机 电 工 程 系 学 生 姓 名朱 东 杰 学号1010103110 专 业 名 称机 电 一 体 化 技 术 指 导 教 师张 慧 玲 年月日 I 变频器和 plc 在电梯中的应用 摘 要 随着我国城市化建设的深入发展，高楼建筑不断涌现，电梯己成为了不 可缺少的垂直方向运载工具，具有广阔的市场前景。将可编程序控制器(PLC) 应用于电梯进行逻辑控制，大大提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性， 延长了使用寿命，同时缩短了电梯的开发周期。 本文在介绍电梯基本结构的基础上，阐述了电梯的控制原理，重点分析 了电梯系统设计中如何用 PLC 实现控制系统并编制控制程序， 研究并提出了 基于 PLC 和变频器的电梯控制系统的实现方案， 针对这些问题对电梯系统进 行了新的设计.设计出了新的采用 PLC 进行逻辑控制，用变频器调速的电梯 控制系统。 当今世界，电梯的生产情况与使用数量已成为衡量一个国家现代化程度 的标志之一。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发 展时期，载人电梯控制技术已经发展到了调频调压调速控制阶段，具有乘坐 安全、运行可靠、舒适度较高等特点。 关 键 词：电梯, PLC, 变频器, 控制系统 II 目 录 前言.1 第一章 电梯的概述.2 1.1 电梯的起源. 2 1.2 电梯的分类. 2 1.3 电梯的发展状况. 3 第二章 可编程控制器.5 2.1 plc 的定义.5 2.2 plc 构成控制系统的特点.5 2.3 plc 的主要技术指标.6 2.4 plc 的基础结构.6 2.5 plc 与继电器的比较.7 第三章 变频器.8 3.1 变频器的选择. 8 3.2 变频器的分类.8 3.3 VS-616G5 型变频器特点.9 3.4 变频器主要参数. 9 3.4.1 变频器主要参数的设置. 9 3.4.2 变频器参数设置的原则. 10 第四章 电梯硬件系统的设计.11 4.1 电梯的主要电气设备.11 4.2 电梯的工作方式.11 4.2.1 有司机工作方式.12 4.2.2 无司机工作方式.12 4.2.3 消防工作方式.12 4.3 plc 的 I/O 接口设计.13 4.3.1 轿厢位置的检测.13 4.3.2 plc 的选型.13 4.3.3 输入输出模块的选择.13 4.4 电梯控制系统.14 III 4.4.1 系统的控制要求.14 4.4.2 电梯控制的功能.15 4.4.3 电梯的工作原理.16 4.4.4 电梯系统的基本业务.16 4.4.5 电梯控制系统的设计.16 第五章 电梯软件系统的设计.18 5.1 电梯的控制流程图.18 5.2 电梯开关门控制.19 5.3 电梯到层指示.20 5.4 层呼叫层指示灯控制.20 5.5 电梯方向选择， 启动控制和过载保护.22 5.6 操纵盘指令指示控制.23 结论.25 参考文献.26 致谢.28 1 前 言 可编程控制系统（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运 算操作系统。它采用一种可编程的存储器，可执行逻辑运算，顺序控制，定 时，计数和算术运算等操作指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各 种类型的机械设备或生产过程。电梯是一种起重运输设备，广泛的应用于高 层住宅，大型公共建筑，工厂仓库等场所，节省了人力和时间，提高了工作 效率。影响的质量好坏的重要因数是它的控制系统。传统的电梯自动控制由 继电器接触器进行控制，其缺点是触点多，接线复杂，故障率高，可靠 性差，维护工作量大，而采用 PLC 组成的控制系统很好的解决了上述问题， 它工作可靠性高，灵活性好，通用性高，编程简单，使用方便，而且它的抗 干扰能力远远强于传统电梯的，它使电梯的运行更加安全，方便。本文主要 通过提出电梯系统的基本功能要求，为实现这几种功能，我从硬件和软件两 个方面入手，硬件方面，主要从的选型，内存容量计算，PLC 输入输 出地址的分配和硬件的设计和选型方面考虑；软件方面，由于整个系统的程 序设计相当复杂，为了便于设计，基于系统不同的功能要求，我将系统划分 为电梯开门控制、电梯到层指示、层呼叫指示灯控制、箱内指令指示控制和 电梯方向选择、启动控制、过载指示、限位保护等基本模块。系统功能划分 有利于简化设计思想，提高设计效率。完成硬件和软件部分的设计，整体工 程就完成了绝大部分，此后还需要程序的反复验证，现场调试，系统安装等 等。鉴于本人水平有限，若有不足之处还望指正。 2 第一章. 电梯的概述 1.1 电梯的起源 1854 年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙格雷夫 斯奥的斯第一次向世人展示了他的发明历史上第一部安全升降梯。自 1889 年美国奥斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来， 电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，从那以后，升降 梯在世界范围内得到了广泛应用。以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始 了她辉煌的旅程。150 年以来，她已经发展成为世界、亚洲和中国领先的电 梯公司。 由于城镇化建设的加速和房地产行业的进一步发展,城市轨道交通、机 场、大型商场等城市建设投入的增加,电梯在公办大楼、公司、高层住宅、宾 馆等场所得到了广泛应用。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运 输设备。电梯服务在改革开放以后，我国电梯的使用数量快速增长。尤其是 现阶段，随着经济日新月异的发展，人们生活水平不断提高，城市建筑不断 增多，楼房也越来越高，与此相应，电梯也得到迅猛的发展。现在，电梯已 完全融入我们的生产、生活中，满足人们生活、工作及学习的需要。据统计， 我国在用电梯已达 40 多万台，每年还以约 5 万6 万台的速度增长。 1.2 电梯的分类 一. 按拖动系统分: 1.交流电梯 其又分为交流单速电梯、交流双速电梯、交流调速电梯、 变频调速电梯。 2.直流电梯 曳引电动机是直流电机，分为直流有齿和直流无齿电梯。 3.液压电梯 靠液压传动的电梯，分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。 二. 按控制方式分: 信号控制电梯、集选控制电梯、下集控制电梯等。 三. 按用途分类分： 乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、杂物电梯、住宅电梯、 特种电梯； 3 四. 按速度分: l低速电梯速度不大于 1m/s 的电梯，其规格有 0.25m/s、0.5m/s、 0.75m/s 和 lm/s。 2中速电梯速度在 l2m/s 之间，其规格有 1.5m/s 和 l.75m/s。 3高速电梯速度在 2m/s 以上，其规格青 2m/s、2.5m/s、3m/s，有 的电梯速度已经达到 6m/s、10m/s。 1.3 电梯的发展状况 一、国内: 近年来，国内基础建设的高涨，特别是高楼大厦的兴建，对电梯的要求 上升，中国电梯工业进入飞速发展时期。2007 年中国电梯产销量达到了 21.6 万台，超过了全世界电梯产量的一半，电梯的生产能力跃居世界第一。2007 年，新安装验收电梯 14.6999 万台，同比增长 24%。截至 2007 年底，全国在 用电梯达 91.7313 万台。中国已经成为全球最大的电梯市场。2008 年中国电 梯产量达 25 万台，目前全国在用电梯突破 100 万台，这是中国电梯行业发展 的又一里程碑。 中国电梯行业外商云集，国际上最大的电梯公司几乎全部进入中国，最 先进的电梯产品争先在中国生产。美国奥的斯，瑞士迅达、芬兰通力、德国 蒂森，日本三菱、日立、东芝、富士达等世界最负盛名的电梯公司先后在北 京、天津、上海、广州、沈阳、杭州、廊坊等地投资建厂。他们大多用合资 的方式建设了最好的工厂，装备了最好的设备，引进了最好的技术，合资企 业在国内的市场份额已超过 80%。通过引进先进电梯产品和技术，形成了国 内合资企业为主体的企业队伍。不断改善现有产品质量，推出现代电梯产品。 随着交流调压调速电梯技术引进技术的消化和吸收，使国内电梯产品得以更 新。目前国内电梯更新技术主要采用微机控制电梯、可编程器控制电梯，二 者都是电梯技术的方向，各有优点。采用微机控制的电梯，控制功能得到增 强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。采用可编程控制器取代继电 器控制系统的机型对电梯进行控制再利用变频调速技术，形成的新一代电梯 产品由于控制结构简单易行、安全可靠，特别是利用其技术，在对老旧电梯 改造上，目前很有前景。 国外先进技术水平相比，我国在电梯控制领域虽然还存在一定差距，但 4 国内电梯技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。为保证电梯质量，在 建立全国性完整的电梯管理法规、落实检查机构、壮大安装调试队伍、组建 维修保养网络和提高相关人员技术素质等方面，都在进行着一系列实质性的 工作。 二.国外: 电梯随着世界经济快速发展及经济全球化，发达的工业化国家纷纷研制 出高速及超高速电梯一。当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡 量一个国家工业现代化程度的标志之一。世界上有名的电梯公司，诸如:美国 奥的斯公司、瑞士迅达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的 产量已占世界市场的一办以上，其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大 的电梯生产企业。目前国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，随着电梯技 术的发展，绿色化、低能耗、智能化、网络化、蓝牙技术的电梯成为一段时 间内的发展趋势。 1绿色化。绿色理念是电梯发展总趋势。不断改进产品的设计、生产环 保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染 的电梯。 2降低能耗。减少电梯能耗的措施是多方面的。主要包括:选择减小电 梯机械系统的惯性和磨擦阻力;合理运用对重和平衡重。 驱动系统使用永磁同 步无齿轮曳引机等技术。优化控制软件设计，使电梯的停站次数减至最少。 利用电梯机房在楼顶的优势，充分利用太阳能作为电梯的补充能源也将是新 的研究课题。 3智能化。随着计算机技术，通讯技术与控制技术的发展使大厦的智能 化，中国电梯工业进入飞速发展时期。智能化的电梯首先要与智能大厦中所 有自动化系统联网，如与楼宇控制系统、消防系统、保安监控系统等交互联 系，使电梯成为高效优质、安全舒适的服务工具。 5 第二章. 可编程控制器 2.1 PLC 的定义 由于 PLC 在不断发展， 因此， 对它下一个确切的定义是困难的。 1980 年 PLC 问世后，由美国电气制造商协会(National Electric Manufacturer Association NEMA)对 PLC 下过如下的定义:PLC 是一种数字式的电子装置。 它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计 时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。 1982 年，国际电工委员会(International Electrical Committee IEC) 颁布了 PLC 标准草案，1985 年提交了第 2 版，1987 年的第 3 版对 PLC 作 了如下的定义:PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作 的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运 算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模 拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围 设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而 设计。 上述的定义表明，PLC 是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置， 它有与其他顺序控制装置不同的特点。 2.2 PLC 构成控制系统的特点 一.可靠性高， 抗干扰能力强。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格夫人生产工艺制造，内部电路 采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 二.配套齐全，功能完善，适用性强。PLC 发展到今天，已经成为了各种 规模系列产品可以用于各种规模的工业制造场合。 三 易学易用 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式， 很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 四.系统设计的工作量小，维护方便，容易改造。PLC 用存储逻辑代替接 线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大 为缩短，同时日常维护也变得容易起来。 6 五.PLC 的功能非常丰富。 六.采用模块化结构。 七.安装简单，维修方便。PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境 下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，写 入 PLC 的应用程序即可投入运行。PLC 工作可靠，出现故障的概率很低，这 大大减轻了维修的工作量。 八.环境要求低，适用于恶劣的工业环境。 九.运行速度快。 十.体积小，重量轻。 2.3 PLC 的主要技术指标 一输入/输出点数(I/O 点数)。I/O 点数是指可编程控制器外部输入、 输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关、按钮和可以控制多少个负 载。 二存储容量。存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存 储器容量，一般以步为单位，二进制 16 位即一个字为一步。 三扫描速度。一般以执行 1000 步指令所需时间来衡量，单位为 ms/k 步，也有以执行一步指令所需时间来计算的，单位用此/步。 四功能扩展能力。可编程控制器除了主模块之外，通常都可配备一些 可扩展模块，以适应各种特殊应用的需要，如 A/D 模块、D/A 模块、位置控 制模块等。 五指令系统。指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量 可编程控制器功能强弱的主要指标。 2.4 PLC 的基本结构 PLC 的类型繁多，功能和指令系统也不同，但是结构与工作原理则大同 小异，通常由中央处理单元 CPU、存储器、输入输出等部分组成。 一.主控部分 主控部分包括中央处理器、系统程序存储器、用户程序及数据存储器、 输入输出扩展接口、外部设备接口和电源等部分组成。中央处理器是 PLC 的 核心部分，它包括微处理器和控制接口电路，用于运行用户程序、监控输入/ 7 输出接口状态作出逻辑判断和进行数据处理，将结果送到输出端，并响应外 部设备的请求以及进行各种内部判断等。 二.输入/输出(I/O)接口 I/O 接口是 PLC 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备的 控制信号。 输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备。 三.输入/输出扩展单元 I/O 扩展接口用于将外部输入/输出端子数的扩展单元和基本单元连接 在一起。输入输出扩展接口有并行接口、串行接口和双口存储器等多种形式。 四.外部设备接口 外部设备接口是 PLC 主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它， PLC 可以与编程器、打印机等外部设备相连。该接口的功能是串行/并行数据 的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。 五.编程器 编程器是 PLC 利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或 监视 PLC 的工作情况。一通过专用的 PC/PP 工电缆线将 PLC 与电脑连接，并 利用专用的软件进行电脑编程和监控。 六.电源单元 电源是供给 PLC 电源的器件，通常为输入设备提供直流电源。它的作用 是把外部的供电电源变换成系统内部各电源所需的电源。可编程序控制器的 电源一般采用开关电源，特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高。 2.5 PLC 与继电器的比较 几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且 目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满 足与适应工业控制的要求和发展，与 PLC 相比较，存在着质的差别。 8 第三章. 变频器 3.1 变频器的选择 为降低成本，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通 过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。 电梯用通用变频器的选择主要考虑一下几个方面: 一根据负载特性选择变频器，如负载为恒转矩负载需选择 siemens MMV/MDV 变频器，如负载为风机、泵类负载应选择 siemens ECO 变频器。 二选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的 额定功率只能作为参考。另外应充分考虑变频器的输出含有高次谐波，会造 成电动机的功率因数和效率都会变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工 频电网供电相比较，电动机的电流增加 10%而温升增加 20%左右。所以在选择 电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，防止温升过高，影 响电动机的使用寿命。 三变频器若要长电缆运行时，此时应该来采取措施抑制长电缆对地耦 合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一档选择或在变频 器的输出端安装输出电抗器。 四对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高 度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。 五变频器用于变极电动机时，应充分注意选择变频器的容量，使其最 大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行极数转换时， 应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时会造成变频器损坏。 3.2 变频器的分类 一.按变换的环节分类 1.交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后 再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应 用的通用型变频器。 2.可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交 流，又称直接式变频器。 9 二.按直流电源性质分类 1.电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无 功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电 压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 2电流型变频器 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无 功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大， 故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制 负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 三.按工作原理分类 可以分为 V/f 控制变频器、 转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。 四.按开关方式分类 可以分为 PAM 控制变频器、 PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器。 五.按用途分类 可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和 三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式 分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。 3.3 VS 616G5 型变频器特点 VS616G5 变频器的特点如下： 一包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。 二有丰富的内藏与选择功能。 三由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。 四保护功能完善、维修性好。 五通过 LCD 操作装置，可提高操作性能。 3.4 变频器主要参数 3.4.1 变频器主要参数的设置 由于采用 PLC 作为逻辑控制部件，故变频器和 PLC 通讯时采用开关量 10 而不用模拟量。由于 616G5 是通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足 运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器 要复杂得多。VS 一 616G5 变频器共有 9 组参数，每一组参数的设定都具有 特定的含义。 3.4.2 变频器参数设置的原则 一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; 二为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低 些，可以减小停车冲击; 三零速一般设置为 0Hz，速抱闸功能将影响舒适感; 四变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入。 11 第四章. 电梯硬件系统的设计 4.1 电梯的主要电气设备 一.曳引电动机 齿轮曳引机办电梯的提升机构，主要由驱动电机、电磁制动器(也称电磁 抱闸)、减速器及曳引轮组成。 二.自动门机 用来完成电梯的开门与关门。电梯的门有厅门和轿门。只有当电梯停靠 在某层站时，此层厅门才允许开启，也只有当厅门，轿门全部关闭后才允许 起动运行。（检修状态时，可以在不关门状态下运行） 三.层楼指示 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。一般由数码管组成，且与呼梯 盒构成统一结构。 四.呼梯盒 呼梯盒也叫召唤按钮箱或外呼盒，用来在每层站召唤电梯。基站与顶站 只有一只按钮，中间层站由上呼与下呼两个按钮组成。按钮带有呼梯记忆灯， 灯亮时表示呼梯信号己被接收并记忆。满足呼梯要求时，呼梯记忆灯将熄灭。 五.操纵箱 操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发出动作命令。操纵箱上设 有与电梯层站数相同的内选层按钮、上下行起动按钮、开/关门按钮、急停按 钮、电梯运行状态选择钥匙开关以及照明、层楼指示灯的控制开关。 六.停层装置 在电梯的井道内每层站装有一只感应器，当轿厢运动到相应层站时，其 感应器发出信号，以此检测电梯所处位置。 七.安全窗及其开关，安全钳及其开关，极限器及其开关，上、下限位开 关，上下强迫停止开关，极限开关。 4.2 电梯的工作方式 目前电梯控制系统主要有二种控制方式:PLC 控制、微处理器控制，其中 12 微机控制系统抗干扰能力弱。PLC 作为新一代工业控制器，以其高可靠性和 技术先进性，成为目前电梯系统中使用最多的控制方式，从而使电梯由传统 的继电器控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前电梯控制和 技术改造的热点之一。PLC 设计电梯系统可靠性高，程序设计灵活方便，抗 干扰能力强，运行稳定可靠，能很好地实现人机交互。电梯主要有三种工作 方式有司机方式、无司机方式、消防方式。 4.2.1 有司机工作方式 PLC 电梯控制系统的研究与设计有司机方式是指由专职司机操纵电梯运 行。具有以下特点: 一电梯上行/下行启动由司机决定; 二电梯开门、关门时间由司机控制; 三电梯是否直驶(不再响应外召唤)由司机决定。 4.2.2 无司机工作方式 无司机方式是指由乘客自己操纵电梯，这种电梯具有集选控制功能。具 有以下特点: 一电梯开门/关门/上、下客时间均由定时器定时; 二只要电梯门关闭后自动定向。 4.2.3 消防工作方式 消防方式是指大楼发生火灾时，电梯运行控制的一种特殊工作方式。具 有以下特点: 一正在运行的电梯控制系统一旦收到消防信号，处于上行时立即返回 底楼停站开门，处于下行时立即直驶底楼停站开门，处于底楼以外停站开门 的电梯立即关门返回底楼停站开门。 二电梯返回底楼并在底楼开门后，电梯处于消防工作状态。此时，电 梯不再响应外召唤信号，电梯的关门起动运行和准备前往层站由消防员控制 操作。当电梯就近到达某层站后，立即清除其它所有指令信号登记，是否继 续上行依火势大小决定。这里选择的电梯种类为无司机驾驶的轿内外选层开 关按钮控制自平层自动门电梯。 13 4.3 PLC 的 I/O 接口设计 4.3.1 桥厢位置的检测 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，通常分为三大 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。 4.3.2 plc 的选型 根据轿厢位置的检测，PLC 选用三菱 FX2N，又根据 PLC I/O 节点使用 原则，即预留出 25%左右的 I/O 点以做扩展时使用，4 层电梯有 32 个输入 信号和 27 个输出信号，本系统选用的 PLC 为三菱 FX2-128MR，这种机型的 I/O 点数均为 64，但其编辑指令可超过 1000 条，有 2000 步的程序内存， 并配有相应的编程软件 MEDOC，不但可通过手持编辑器进行编辑，而且还可 以通过计算机对其进行编辑。 4.3.3 输入输出模块的选择 检测来自现场设备的输入信号是 PLC 输入模块的主要功能， 接着把它转 换电平信号，这种信号 PLC 可以内部处理。输入模块的类型一般是交流形式 的，又由于信号的传送距离不是很远，在加上信号又是选用低电压形式（低 压一般有 5V、12V、24V、0V 和 68V），基于可靠性，我首选 24V 为电平信 号电压。内部输出电平是 PLC 输出模块的主要功能，相匹配的外部负载设备 控制信号在输出之前进行转换。开关频率高、电感性和低功率因数的负载设 备一般使用晶闸管输出模块，但缺点是过载能力较差，价格稍高。那么继电 器输出模块有什么优点呢？它使用电压范围较宽，导通压降损失较小，并且 价格不很高，缺陷就是它寿命特短，速度慢，不符合我们的设计要求，比较 之后我们采用晶闸管输出模块。我们选用交流 220V 作为电梯系统的曳引电 机的工作电压，选用交流 220V 作为轿箱门开关控制电机的工作电压，选用 14 24V 作为指示灯工作电压。 4.4 电梯控制系统 4.4.1 系统的控制要求 由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而 楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制应采用随机逻辑控制。即在以 顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以 及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。 电梯无司机驾驶时，电梯完全自动响应门厅和轿厢内指令。乘客按上行 或下行按钮，电梯启动后，若有呼梯信号，则开门。电梯上、下行到达目的 楼层，电梯到站后自动平层开门，延时自动关门,或乘客手动开关门。电梯到 达顶层或底层时，自动停止并变换运行方式。如果乘客按下报警按钮，则报 警器响，否则电梯出错，报修。 控制要求： 一.当轿厢停于 1F，2F，3F 时，按下 4F 上下按钮呼叫电梯，则轿厢上 升到 4F 停止。 二.当轿厢停于 2F，3F,4F 时，按下 1F 上下按钮呼叫电梯，则轿厢下降 到 1F 停止。 三.当轿厢停于 1F 时， 若按下 2F 按钮呼叫电梯， 则轿厢上升到 2F 停止； 若按下 3F 按钮呼叫电梯， 则轿厢上升到 3F 停止； 若按下 4F 按钮呼叫电梯， 则轿厢上升到 4F 停止。 四.当轿厢停于 4F 时，若按下 3F 按钮呼叫电梯，则轿厢下降到 3F 停止 若按下；2F 按钮呼叫电梯，则轿厢下降到 2F 停止；若按下 1F 按钮呼叫电 梯，则轿厢下降到 2F 停止。 五.当轿厢停于 1F 时，而 2F，3F，4F 均有人呼叫电梯时，轿厢上升到 2F 暫停 4S 后继续上升到 3F，暂停 4S 后继续上升到 4F。 六.当轿厢停于 4F 时，而,1F，2F,3F 均有人呼叫电梯时，轿厢下降到 3F 暫停 4S 后继续下降到 2F，暫停 4S 后继续下降到 1F。 七.轿厢在楼层之间运行超过 12S，电梯停止运行。 八.当轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的按钮呼 15 叫电梯均无效。楼层显示灯亮表示轿厢停于该层，灯灭表示轿厢离开该层。 4.4.2 电梯控制的功能 现代电梯在功能配置上分为标准功能、 用户要求功能和一些其它新功能。 标准功能包括有: 电梯控制的基本功能、管理维护及提升体验、功能安全性 功能。 一.电梯控制的基本功能 1.司机操作即手动控制运行功能。由司机关门启动电梯运行，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。 集选控制是将轿厢内指令与厅外召唤等各种信号集中进行 基于 PLC 电梯控制系统的研究与设计。 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.满载控制。当轿内满载时，不响应厅外召唤。 5.清除无效指令。清除所有与电梯运行方向不符的轿内指令。 6.开门时间自动控制。根据厅外召唤、轿内指令的种类以及轿内情况， 自动调整开门时间。 7.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。 8.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。 9.强迫关门。当门被阻挡超过一定时间时，发出报警信号，并以一定力 量强行关门。 二安全性功能 1.停电时紧急操作。当市电电网停电时，用备用电源将电梯运行到指定 楼层待机。 2.火灾时紧急操作。发生火灾时，使电梯自动运行到指定楼层待机。 3.消防操作。当消防开关闭合时，使电梯自动返回基站，此时只能由消 防员进行轿内操作。 4.地震时紧急操作。通过地震仪对地震的测试，使轿厢停在最近楼层， 让乘客迅速离开，以防由于地震使大楼摆动，损坏导轨，使电梯无法运行， 危及人身安全。 5.故障检测。将故障记录在微机内存(一般可存入 820 个故障)，并以 16 数码显示故障性质。当故障超过一定数量时，电梯便停止运行。只有排除故 障，清除内存记录后，电梯才能运行。大多数微机控制电梯都具有这种功能。 4.4.3 电梯的工作原理 电梯的工作状态分为自动运行状态和检修操作状态，两个工作状态相互 独立彼此分开。 当升降电梯处于自动运行状态下时，要求检修操作盒的所有 按钮无效， 同样当设备处于检修状态下时要求来自系统外部的控制信号无效， 此时系统只能通过检修手动盒点动检修。 4.4.4 电梯系统的基本业务 一处理桥厢内呼叫 乘客进入桥厢，按下桥厢内呼叫按钮，乘客可以下楼或上楼，这时有两 种情况，一种电梯正好路过，与乘客目的地方向相同;一种则相反，须等待电 梯返转。 二指明上行下行方向 当电梯门打开，并且电梯运行方向为上行/下行，桥厢上行/下行指示灯 亮。 4.4.5 电梯控制系统的设计 光电编码器 图 4-5控制系统原理图 本控制系统是采用 VS 616G5 型变频器和三菱 FX2N-128MR 型 PLC 组成的变频调速电梯控制系统,电气控制硬件框图如图 4-5 ,它由曳引电机、 门电机、变频器、可编程控制器 PLC 及其他电气元件构成。电梯的调速部分 呼叫信号位置信号楼层信号呼叫显示 门电机曳引机PLC 电源变频器 PG 17 选用高性能的矢量控制变频器,利用光电编码器测量曳引电机的转速,构成闭 环矢量控制系统。电路的逻辑部分由 PLC 来实现, PLC 接受来自现场的呼 叫、转速、楼层、位置等信号。发给调速系统的速度信号、门机的开关门信 号、楼层显示及呼叫显示信号。 18 第五章. 电梯软件系统的设计 5.1 电梯的控制流程图 Y Y N N Y N 上电 初始化 等待 确定本层与目标层 目标层与本层是否同 电梯选向 楼层检测 电梯加速 电梯启动 电梯高速运行 是 否 目 标 层 电梯减速 平层检测 是否厅外呼 是否强制工 是否轿厢呼 是否完成 强制工作 电梯制动 电梯制动 延时 关门 是否停止运行 停止 19 5.2 电梯开关门控制 电梯开/关门的控制梯形图，如图 5-1 所示： X000M1Y002X002Y001 Y001电梯开门 T0 X010M1Y001 X011 X012 X013 X001X003Y001T2 Y001电梯关门 T1 X006T2 电梯运行 图 5-1 电梯开/关门的控制梯形图 当电梯到达目的层时，电梯找平层，门电机开始正转，轿门和厅门同步 打开，待开门到位后，接收到信号后，门保持打开延时状态，开门延时命令 结束后开始关门，自动判断是否存在红外信号，如果有红外信号，电梯继续 延时开门 2 秒，如果没有信号门电机反转关门，直到关门到位，然后响应下 一个命令。 实验控制要求： 始正转， 轿门打开， 开门到位后， 行程开关 SQ1 开, 电梯运行到某一个被呼叫层或乘客需要到达的某一层后，轿门和厅门同步当 电梯到达目的层时，然后电梯找平层，而门电机开始正转，轿门和厅门同步 20 打开后，待乘客进入或走出完毕后，门自动关闭，但也可以以手动方式开/ 关电梯门。 5.3 电梯到层指示 电梯到层指示梯形图，如图 5-2 所示： X010M2 X012单层 M2M3 X011M3 X013双层 M2M3 X010Y013Y014Y015Y012 M2Y012一楼指示 X011Y012Y014Y015Y013 M3Y013二楼指示 X012Y012Y013Y015Y014 M2Y014三楼指示 X013Y012Y013Y014Y015 M3Y015四楼指示 图 5-2电梯到层指示梯形图 具体的控制过程如下： 当一层或者三层电梯的接近开关被按下时，X010 或 X012 动作，辅助继 电器 M2 输出有效信号并自锁。当一层电梯的接近开关动作时 X010 闭合， 同时辅助继电器 M2 的触点闭合，和一楼接近开关触点串联在的二、三和四 楼的楼层指示灯的触点都是常闭的，因此一楼指示灯输出 Y012 有效。同理 当三层电梯的接近开关动作时 X012 闭合同时辅助继电器 M2 的触点闭合， 和三楼接近开关触点串联在的一、 二和四楼的楼层指示灯的触点都是常闭的， 因此一楼指示灯输出 Y014 有效。 5.4 层呼叫层指示灯控制 21 当有乘客在四楼扭动下行旋转开关时，下行旋转开关闭合，X024 常开触 点闭合，四层呼叫指示输出有效并自锁，四层呼叫指示灯亮；当四层行程接 近开关被按下 X014 触点断开，四层呼叫指示输出 Y030 无效，灯灭。 当有乘客在三楼扭动下行旋转开关时，下行旋转开关闭合，X025 常开触 点闭合，三层呼叫指示输出信号 Y031 输出有效并自锁，三层呼叫指示灯亮。 当电梯向上运行时 Y011 常闭触点断开同时电梯停留在三层时 Y031 的自锁 功能无效，Y031 输出无效，指示灯灭；当电梯运行过程中压下三层接近开关 时，其常闭触点 X013 断开，Y031 输出也无效。 层呼叫指示灯控制梯形图，如图 5-3 所示： X021X014X010Y024 Y024Y012一层向上呼叫指示 X022X014X011Y025 Y025Y010二层向上呼叫指示 Y013 X023X014X012Y026 Y026Y010三层向上呼叫指示 Y014 X024X014X013Y030 Y030Y015四层向下呼叫指示 X025X014X012Y031 Y031Y011三层向下呼叫指示 Y014 X026X014X011Y032 Y032Y011二层向下呼叫指示 Y013 图 5-3层呼叫指示灯控制梯形图 同理，当有乘客在二楼扭动下行旋转开关时动作过程类似。当有乘客在 二楼扭动下行旋转开关时，下行旋转开关闭合，X026 常开触点会闭合，二 层呼叫指示输出信号 Y032 输出有效并自锁，二层呼叫指示灯点亮。当电梯 22 向上运行时 Y011 常闭触点断开同时电梯停留在二层时 Y031 的自锁功能 无效，Y031 输出无效，指示灯灭；当电梯运行过程中压下二层接近开关时， 其常闭触点 X012 断开，Y032 输出也无效。 5.5 电梯方向选择，启动控制和过载保护 电梯方向选择控制设计的说明如下： 电梯方向选择控制，即当电梯向上运行时，上行指示灯点亮，先将下行 呼叫指令记忆存储起来；当电梯向下运行时，下行指示灯点亮，上行指令记 忆存储起来。 电梯启动控制时，即电梯方向运行确定后，在关门信号和门锁信号符合 要求的情况下，电梯运行 2 秒后加速，在接近目的楼层时，开始慢速运行， 直到电梯到达目的层为止。 电梯方向的选择 PLC 梯形图，如图 5-4 所示： Y023Y015Y004Y011Y010 Y022Y014电梯向上指示 Y021Y013 Y020Y012Y003Y010Y011 Y021Y013电梯向下指示 Y022Y014 图 5-4电梯方向的选择梯形图 电梯启动控制和过载保护程序设计的说明如下： 如图 5-5 所示， X021、 X022、 X023 是电梯上行至某层的按下按钮， X024、 X025、X026 是电梯下行至某层的按钮，它们的作用是当电梯上行至某层的下 层接近开关时，电梯开始减速，以便平稳地在目标层停止。同理，当电梯下 行至某层的上层接近开关时，电梯也开始减速，同样使电梯平稳地停在目标 23 层。在门锁信号 X010，门关信号 Y002 和过载保护信号符合要求的前提下， M4 此时闭合，Y003 也闭合，电梯快速运行，经过 2 秒后，电梯加速运行。 当电梯接近二层时，二层的上下层接近开关 X030 与 Y021 接通 Y006，或 X034 与 Y021 接通 Y006，电梯慢速运行。当电梯到达二层时，Y013 开始动 作，电梯就会停止。 当电梯过载时，X037 常开触点闭合，Y035 输出有效，报警灯点亮，X037 常闭触点断开，电梯不会启动，电梯停止运行。 当电梯在向上运行或向下运行时，电梯一旦超出行程，会压下行程开关 SQ16 或 SQ17，常闭触点 X035 或 X036 断开，电梯启动程序停止，同时常 开触点 X035 或 X036 闭合，Y033 或 Y034 触点闭合，报警电路输出有效， 报警灯闪亮。 电梯启动控制和过载保护梯形图，如图 5-5 所示： Y005K20 T3Y006Y010 加速运行 Y003X027Y020Y007Y012Y013 Y014Y015Y006 Y004X030 Y021慢速运行 X031 Y022 X032 Y023 X033 Y022 X034 Y021超行程报警 X035Y033 X036Y034 图 5-5电梯启动控制和过载保护梯形图 5.6 操纵盘指令指示控制 该段程序设计说明： 按下轿内操纵盘某一层按钮 SB3、 SB4、 SB5 或 SB6， 24 则对应响应 X015、X016、X017 或 X020 接通并且自锁。比如去二层，在操 纵盘上按钮，对应 SB4、X016 闭合，二层指示灯接触器 Y021 闭合并自锁， 去二层箱内指示灯点亮；当电梯运行至二层时，二层接近开关 X013 开始动 作，Y021 通电闭合，使在 Y021 中的常闭触点断开，Y013 断电，然