电梯变频器系统设计—毕业设计论文.doc

电梯变频器和电梯变频器和 plc 控制系统的设计控制系统的设计 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 092 班班 本科毕业设计说明书（论文） i 摘摘 要要 本文介绍的是基于 plc 的四层楼电梯控制系统。电梯是垂直方向的运输设备， 是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢， 在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。而控 制电梯运行的 plc 系统也要求越来越高，要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运 行目的。该系统主要由 plc、逻辑控制电路组成。其中包括交流异步电动机、继电 器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器和变频器组成为一体的控制系统。本机 控制单元采用以西门子的可编程控制器 plc 对机器进行全过程控制。而要想电梯能 稳定可靠的运行，就需要一套精准的控制系统。电梯的控制系统有很多种类，常见 的有微机控制和 plc 控制。研究目的是实现 plc 对实际机械系统的控制，拖动系 统采用通用变频器实现对双速三相异步电动机的控制。然后通过 v4.0 step 7 microwin sp3 软件对 plc 进行编程，最后通过 simatic s7-200 型 plc 仿真来调 试程序，从而验证了基于 plc 的四层楼电梯控制。 整个系统通过 plc、逻辑控制电路对电梯的升降；加、减速；平层；起动、制 动控制。其结构简单、运行效率高、平层精度高、易于理解与掌握。 关键词：关键词：电梯；控制系统；plc；变频器。 本科毕业设计说明书（论文） ii abstract this article is about based on plc four floors of elevator control system. the elevator is perpendicular directional of the conveyance equipments be indispensable in the high building of transportation equipments. it depends electric power, dragging along to move a car that can carry person or thing and lead a track in the building of the well way up do perpendicularity to ascend and descend sport, there is prominent function in the peoples life. and the control elevator circulate of the plc system also has more and more high request, request to attain the movement purpose of “steady, quasi-, quick“ of elevator movement. that system mainly from plc, logic control the electric circuit constitute. include an exchanges difference to tread electric motor among them, after the electric appliances, get in touch with a machine, route of travel switch and press button, give out light the indicator constitute and transducer for the control system of integral whole. the this machine control unit adoption carries on whole process a control to the machine by the programmable controller plc of siemens company. but if you want let the elevator run stable and reliable,a precise control system is necessary.there are many kinds of the elevator control system,pc control system and plc control system are in common.purpose of the study is realization of plc control of mechanical systems. drag system use universal converter control two-speed three-phase asynchronous motor.and use v4.0 step 7 micro win sp3 software programming.finally,we use simatic s7-200 plc debug the program.and base on plc verified four floors of elevator control system. the whole system passes plc, logic control the electric circuit is to the rise and fall of elevator; add, decelerate; even layer; start, make to move a control. its structure is simple and circulate an efficiency, even layer accuracy, be easy to comprehension and control. keywords: elevator;control system;plc;inverter. 本科毕业设计说明书（论文） 1 目目 录录 摘摘 要要.i 1 绪论绪论.2 1.1 题目背景2 1.2 当前领域存在的问题3 1.3 本题目研究的意义4 1.4 论文的主要内容4 2 电梯的基本结构以及电梯控制系统电梯的基本结构以及电梯控制系统5 2.1 电梯土建的基本结构5 2.2 电梯的机械基本结构5 2.3 电梯的基本结构7 2.4 按照功能分，电梯结构可分为 8 大系统。.8 2.5 电梯控制系统的原理与要求10 2.6 电梯控制系统12 3 电梯控制系统硬件部分设计电梯控制系统硬件部分设计14 3.1 plc.14 3.2 变频器21 3.3 电动机型号的选择27 3.4 轿厢位置感应器的选择28 3.5 电梯控制系统硬件框图30 3.6 电梯控制系统硬件电路图30 4 电梯控制系统的软件设计电梯控制系统的软件设计33 4.1 电梯控制系统流程图33 4.2 辅助继电器（m）和特殊标志位寄存器（sm） 33 4.3 plc 软件设计34 4.4 仿真软件36 4.5 组态王38 4.6 控制系统软件设计40 结结 论论44 谢谢 辞辞45 参考文献参考文献46 本科毕业设计说明书（论文） 2 附附 录录47 附录一：i/o 表47 附录二：梯形图49 附录三：组态图58 附录四：组态王数据改变命令语言62 附录五：外文资料翻译66 本科毕业设计说明书（论文） 1 1 绪论绪论 1.1 题目背景题目背景 电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工 程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久 性垂直交通工具。电梯作为一种较为复杂的机电一全化设备，它由多许机械构 件和电子、电气、大规模集成电路组成的微型计算系统及声、光控制部件所组 成。那么电梯到底有哪些功能呢？我们从按下电梯的按钮到完成电梯的运行并 走出电梯轿厢，实际上已包含了电梯的许多功能，如：电梯的定向选层、电梯 的起动、加速、稳速运行、到站减速、平层停车、开关门。还有检修功能、安 全保护功能、消防功能、楼层显示等。 从电梯控制统的实现方法分，电梯的控制系统经历了继电器控制、可编程 序控制（plc） 、单片微机控制、多微机控制多种形式。继电器控制系统是 80 年代最广泛的一种电梯控制方式，有控制逻辑线路简单、直接、易于理解和掌 握的优点，但由于该类系统是由众多继电器、接触器构成，使用一段时间后其 接触点往往接触不良，所以电梯故障高，众多的继电器、接触器动作噪声较大， 整个控制柜体积大。随着多微机系统在电梯控制系统中的应用，电梯控制发生 了限大的变化，因为微机在电梯中的应用不仅取代了大部分继电器和选层器， 整个系统更加可靠，灵活性更加提高，功能大增强了。但微机的集成度高，功 能项目固化，一般维修人员及工程人员修改或增加不了其功能。如要修改或增 加其功能要找回生厂家或用专用的工具。可编程序控制器取代继电器构成的电 梯控制系统，可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且触点少、可靠高、 故障率低、维修方便、噪声小最主要的是可编程序控制系统的“可编程“功能， 使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可。而 plc 的编程语言需不尽 相同，但都有通俗易懂，便于自学的优点一般维修及工程人员都能掌握,plc 电 梯控制系统比较适用于小高层的楼房. 1.2 当前领域存在的问题当前领域存在的问题 (1) 节能问题 越来越多的电梯进入高层建筑，电梯的节能运行是电梯开发和使用的关键。 从控制的角度来看，充分地利用电能是一个良好的举措。基于变频器有良好的 节能功能比如变频节能、功率因数补偿节能、软启动节能等。所以变频器的使 用可以很好的解决电梯系统的节能问题。 (2) 效率问题 电梯作为一种位能型负载，运行过程中需要作频繁地升降运动，研究一种 本科毕业设计说明书（论文） 2 或多种电梯速度给定曲线，合理地选择运行速度曲线，是提高运行效率至关重 要的一环，而目前国内生产的大多数电梯存在着给定速度曲线实现困难、资源 耗用率高等系列不足等问题，极大地限制了电梯高效地运行。 (3) 控制器性价比问题 目前国内的电梯厂家采用的电梯控制核心设备大部分都是国外进口产品， 核心技术和知识产权为国外大公司所有。而少数自己开发的控制器也有开发周 期长，开发成本高等缺点。另外国内的绝大部分 vvvf 电梯采用的变频器都是 电梯用专用变频器，这种变频器虽然使用起来方便，但其价格却是同类通用变 频器的 1.5 到 2 陪，使整个控制系统的性价比大大下降。本设计考虑到此问题， 所以选择使用日本安川 616g5 型通用变频器。 1.3 本题目研究的意义本题目研究的意义 电梯作为建筑内运输人或货物的交通工具，特别是在高层建筑内它的安全 性、可靠性，起着至关重要的作用。plc 作为新型工业控制器在电梯控制系统 中的应用有很多优点，本设计的控制对象为四层电梯，利用 plc 作为控制工 具进行对控制系统设计。实现了电梯安全、可靠、稳定的运行。 1.4 论文的主要内容论文的主要内容 在电梯的控制中其控制量多、逻辑性强、随机性大是其主要特点，对于 plc 控制设计来说，电梯控制系统具有很强的实用性和典型性，研究、分析电 梯的逻辑关系，进而实现控制，对于理解和学习 plc 都具有很好的意义。 控制电梯运行的 plc 系统要求达到电梯运行的“稳、准、快”的运行目的。 该系统主要由 plc、逻辑控制电路组成。其中包括交流异步电动机、继电器、 接触器、行程开关、按钮、发光指示器和变频器组成为一体的控制系统。本机 控制单元采用以西门子公司的可编程控制器 plc 对机器进行全过程控制。整个 系统通过 plc、逻辑控制电路对电梯的开关门，升降，加、减速，平层，起动、 制动控制。要求其达到结构简单、运行效率高、平层精度高、使其能够易于理 解与掌握。最后再通过西门子 plc 调试软件进行调速，满足设计所需要的要求。 本科毕业设计说明书（论文） 3 2 电梯的基本结构电梯的基本结构以及电梯控制系统以及电梯控制系统 2.1 电梯土建的基本结构电梯土建的基本结构 土建部分大致由机房，井道，底坑组成。 2.1.1 电梯机房电梯机房： 通常电梯机房设在建筑物的顶楼，机房内设有控制柜，电梯曳引主机，导 向轮，防止电梯超速的限速器，电梯的总电源盒等部件。 2.1.2 电梯井道：电梯井道： 是在机房曳引机的上方是贯穿于建筑物通体高度的方形直通道空间，井道 侧壁上安装有竖直的导轨，作为引导轿厢、对重运动提供空间。 2.1.3 底坑：底坑： 井道的底部平面低于建筑物的最低层的地面，主在用于安装电梯轿厢，对 重缓冲器，以便在轿厢冲顶、蹲低有缓冲的空间起减速缓冲作用。 2.2 电梯的机械基本结构电梯的机械基本结构 机械部分主要有曳引主机，导向轮，曳引钢丝绳-绳头，限速器-安全钳，导 轨-导靴，电梯轿厢，开关门连杆装置，层门-门锁，缓冲器等部件。 2.2.1 曳引机：曳引机： 是电梯轿厢升降的主拖动机械，它由电动机、制动器、减速箱（无齿轮曳 引机没有减速箱） 、曳引轮、和底座等组成。 2.2.2 曳引钢丝绳：曳引钢丝绳： 电梯用曳引钢丝绳常采用电梯专用西鲁式钢丝绳（6x19s+nf 或 8x19s+nf） 。 2.2.3 导向轮：导向轮： 导向轮用于半绕时，俗称过桥轮，用于全绕式时，称为抗绳轮。导向轮是 用来调整钢丝绳与曳引轮之间的包角大小，与及调整轿厢与对重的相对位置。 2.2.4 限速器限速器-安全钳：安全钳： 限速器-安全钳装置由限速器、限速钢丝绳、安全钳、底坑张紧轮四部分组 成。电梯中限速器与安全钳成对出现和使用，它们是电梯中最重要的一道安全 保护装 置。其作用有：电梯由于超速、打滑、断绳、控制制失控等原因，起到 了安全保护作用。 本科毕业设计说明书（论文） 4 2.2.5 导轨导轨-导靴导靴 导轨和导靴是电梯轿厢和对重导向部分。电梯导轨材料多采用普通碳素钢 a3f 轧钢，要求具有足够的强度、韧性，在受到强烈冲击时不致发生断裂。 导靴是轿厢与对重沿着导轨上下移动的导向装置。 2.2.6 电梯轿厢电梯轿厢 电梯轿厢是电梯中装乘客或货物的金属结体。它由轿厢架、轿厢壁、轿厢 底、轿厢顶、轿门等到几部分组成。由上下四组导靴向沿导轨作垂直升降运动， 完成垂直运输任务。常用电梯轿厢内部净高和使用者正常出入门口净高一样， 应不小于 2 米，宽度和深度由电梯的实际载重量而定。 2.2.7 开门机及开关门机构开门机及开关门机构 自动开门装在轿顶靠近轿门处，由电动机通过减速装置（齿轮传动或蜗轮 传动或带齿胶带传动）带动曲柄杆机构去开、关门。 2.2.8 层门层门 层门是电梯在各楼层的停站，也是供乘客或货物进出电梯轿厢通向各层大 厅出入口，又称为厅门。层门由门框、门板、门头架、吊门滚轮、层门地坎和 门联锁等组成。门框又由门楣（门导轨或门上坎） 、左右立柱组成。 2.2.9 对重装置对重装置 对重装置的作用，是以其自重量去平衡轿厢侧所悬挂的重量。它的作用有： （1）减少电梯曳引机的输出功率； （2） 减少曳引轮与钢丝绳之间的摩擦曳引力，延长钢丝绳寿命； （3） 如果电梯在“冲顶”或“蹲底”时，使电梯失去曳引条件，避免冲击并 井道顶部； （4） 使电梯的提升高度不像强制式驱动那样受到限制。 本科毕业设计说明书（论文） 5 2.3 电梯的基本结构电梯的基本结构 如图 2-1 所示为电梯的基本结构。 图 2-1 电梯的基本结构示意图 1控制柜(屏) 2 一拽引机 3拽引钢丝绳 4限速器 5限速器钢绳 6限速器张紧装置 7轿厢 8安全钳 9轿厢门安全触板 10导轨 11对重 12厅门 13缓冲器 本科毕业设计说明书（论文） 6 2.4 按照功能分，电梯结构可分为按照功能分，电梯结构可分为 8 大系统。大系统。 2.4.1 电梯拽引系统电梯拽引系统 拽引系统包括拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮等装置。作用为输出 和传递动力以驱动电梯进行上下往复运动。拽引机是电梯的动力装置，又称为 电梯主机，为电梯的运行提供动力。分为有齿轮拽引机、无齿轮拽引机。主要 是由电动机，拽引轮，连轴器，减速箱以及电磁制动器等部分组成。拽引钢丝 绳的两端分别连接轿厢和对重，轿厢的升降就是依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩 擦力来进行驱动的。导向轮的作用是用来分开轿厢和对重之间的间距。电磁制 动器是机械系统中的主要安全设施之一，一旦系统突然断电，它能使正在运行 中的电梯轿厢和对重立即抱闸，从而强制电梯停止，并定位不动。另外制动器 还影响电梯的平层精确度以及乘坐时的舒适感。 2.4.2 导向系统导向系统 导向系统的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，在井道中确定轿厢与对 重的相互位，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。由导轨，导靴和导轨 架三部分组成。 2.4.3 门系统门系统 门系统分为厅门和轿门两部分。厅门是被动门，只能由轿门通过吸合装置 控制开门或关门；轿门(也称自动门) 以交流或调速直流电动机为动力,由装在轿 箱顶部的自动开门机来控制开门和关门。本设计门系统采用他励直流电机拖动。 门锁装置是电梯的一种安全设施，一般安装在厅门的内侧，在厅门关闭后门锁 闭合，同时自动接通门机联锁电路。电梯只有在联锁电路接通后方能运行。除 特殊情况外用户严禁从厅门外侧打开厅门的联锁装置。 2.4.4 轿厢系统轿厢系统 轿厢由轿厢架和轿厢体两部分组成，是用来运送乘客或运送货物的电梯部 分。轿厢架由立柱、底梁、横梁以及和斜拉杆等部分组成，是轿厢体的承重机 构。而轿厢体是由厢底、厢壁、厢顶、轿厢内操纵按钮板以及照明通风装置等 部分组成。轿顶应有紧急情况下的安全出口，供紧急情况下逃生用。 2.4.5 重量平衡系统重量平衡系统 该系统是由对重和重量补偿装置两部分组成。其中对重由对重架和对重块 组成，是用来平衡轿厢的自重以及部分额定载重的。而重量补偿装置是用来补 偿高层电梯中轿厢和对重侧拽引钢丝长度变化对电梯平衡的影响而设计的装置。 由于本设计为四层电梯，固可忽略此装置。 本科毕业设计说明书（论文） 7 2.4.6 电力拖动系统电力拖动系统 电梯的电力拖动系统主要由双速三相异步电动机和变频器组成。由变频器 给出电动机控制信号，控制电动机的启动、加速、减速与停车。从而实现对拽 引轮的拖动目的。 目前，常用的电梯拖动大多为交流拖动。交流调速的方法很多，大电梯领 域里应用较为广泛的有交流变极调速、交流调压调速、交流变压变频调速。 2.4.6.1 交流变极调速 据异步电动机的同步转速为即旋转磁场的转速为： pfn/60 10 （2- 1） 当改变定子绕组的极对数时，就可以改变同步转速，从而使电机转速得调节。 为了实现变极调节调速，可以在定子上安装两组独立的绕组，各构成不同 的极对数，也可以通过改变绕组接法的方式实现调速，变极调速适用于不需要 平滑调速的载货电梯。 2.4.6.2 交流调压调速 异步电动机的轴转速为： n= （2-2 ） 当改变转差率s时，也可以达到调节电动机转速的目的，这些转差功率消耗在 转子电路上，不但使转子发热，也降低了工作效率。 目前电梯上使用较多的改变转差率调速的方法是变压调速，即通过改变定 子电压来达到调速的目的。变压调速的调速范围非常窄（电动机线性调速范围 小） 。因此电梯上的变压调速都采用闭环控制，以提高调速范围。 2.4.6.3 变频调速 由公式（2-1）可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上正 比于 1 f ，因此，如果供电电源的频率可以平滑改变，异步电动机的转速就可以 得到平滑调节。通过改变电源频率来实现调速的方法，可以得到很大的调速范 围及很好的机械性，这种调速方法是目前电梯上应用最多的调速方式。 变频调速主回路由三相交流输入、变频调速驱动、曳引机和制动单元构成. 三相电源 r、s、t 经接线端子进入变频器为其主回路和控制回路供电，输出 端为两相电接电动机的快速绕组，外接制动单元减少了制动时间，加快制动过 程。旋转编码器用来检测电梯的运行速度和运行方向，变频器将实际速度与变 频器内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率及电压，使电梯的实 )1(/60 1 spf 本科毕业设计说明书（论文） 8 际速度跟随变频器内部的给定速度，达到调节电梯速度的目的。 图 2-2 变频调速曲线图 2.4.7 电气控制系统电气控制系统 电梯的电气控制系统是根据电梯的运行逻辑功能要求，对电梯的运行实行 操纵和控制，一般设置在机房中的控制柜中。由操纵装置、位置显示、平层装 置以及控制等部分组成。其中控制装置是用来控制电梯的运行。操纵装置是指 轿内及厅外的操纵按钮，由轿厢内呼梯盘、厅外呼梯按钮、轿顶和机房中的检 修或应急操纵箱等构成。通过轿厢内的呼梯盘和厅门的呼梯按钮来操纵电梯的 运行。平层装置是电梯到达预定停靠站时，由平层感应器发出平层控制信号， 实现电梯轿厢准确的平层。 电梯的控制系统大致有以下几部分组成：开关门按控制、轿内指令登记与 消号、厅外召唤登记与消号、定向选层线路、启动线路、减速平层线路、检修 运行线路、消防运行线路、主控回路等。这几部分共同构成电梯的控制系统， 实现电梯的登记、开关门、启动、运行、减速、平层等各种功能。 2.4.8 安全保护系统安全保护系统 安全保护系统包括机械和电气两方面的保护，作用是保护电梯的使用安全， 防止一切危及人身安全的事故发生。机械方面的有：安全钳装置、限速器、缓 冲器、极限保护开关等装置。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，极限保护开关起超速时切断总电源的作用。电气方面的安全 保护有供电系统断相、错相保护装置、层门与轿门的电气联锁装置、紧急操作 装置和停止保护装置、轿顶、轿内和机房的检修运行装置等，这些保护系统在 电梯的各个运行环节中都有体现。从而充分保障人身以及财务安全。 2.5 电梯控制电梯控制系统的原理与要求系统的原理与要求 2.5.1 电梯位置的确定与显示电梯位置的确定与显示 本科毕业设计说明书（论文） 9 轿厢中的乘客及门厅中等待乘坐电梯的人都需要知道电梯的位置，因而轿 厢及门厅都设有显示楼层标志的电梯位置显示装置。此外，电梯的运行还需要 更加准确的电梯位置信号，以满足制动停车等控制的需要。传统电梯的位置信 号一般由设在井道中的位置开关，如磁感应器提供，当轿厢上设置的隔磁板插 入感应器时，发出位置信号，并启动楼层指示。 2.5.2 轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号 司机及乘客可按下轿厢内操作盘上的选层按钮选定电梯运行的目的楼层， 此为内选信号。按钮按下后，该信号应被记忆并使相应的指示灯点亮。在门厅 等候电梯的乘客可以按门厅的上行或下行召唤信号，此为外唤信号。该信号也 需记忆并点亮门厅的上行或下行指示灯，按电梯集选控制原则，电梯上行时， 应响应层站的上呼叫信号，下行时，响应下呼叫信号。在上行时应保留层站的 下呼信号，在下行时应保留层站的上呼信号这些保持信号在要求得到满足时应 能自动消号。 2.5.3 电梯自动运行时的信号响应电梯自动运行时的信号响应 电梯自动运行时应根据内选及外唤信号，决定电梯运行的运行方向。在定 向时，根据电梯轿厢内乘客欲往层楼的位置信号或各层楼大厅乘客的召唤信号 位置与电梯所处层楼的位置信号进行比较，门厅信号和内选信号都做为输入信 号与电梯位置信号进行比较，凡是在电梯位置信号上方向的轿内或层楼厅外召 唤信号，则电梯属上行状态；凡在其下方向的，则定下行状态。而且规定在运 行方向确定之后只有同方向的才能截梯，方向不能截梯，不响应中途的方向呼 唤要求，直到到达本反方向的最远站点才开始返程。要保持最远层楼召唤信号 所要求的电梯运行方向，而不能轻易地更改，这样以保证最高层楼(或最低层楼)乘 客的乘用电梯，而只有在电梯完成最远层楼乘客的要求后，方能改变电梯运行 方向。同时轿内指令信号优先于各层楼厅外召唤信号而定向，即当空轿厢电梯 被某层厅外乘客召唤到达该层后，某层的乘客即可进入电梯轿厢内而先按指令 按钮令电梯定上行方向(或下行方向)；若该乘客虽进入轿厢内且电梯门未关闭 而尚未先按指令按钮前(即电梯尚未定出方向)，出现其他层楼的厅外召唤信号 时，如此召唤信号指令电梯的运行方向有别于已进入轿厢内的乘客要求指令电 梯的运行方向，则电梯的运行方向应由已进入轿厢内的乘客要求而定向，而不 是根据其他层楼厅外乘客的要求而定向。 2.5.4 轿厢的启动与平层轿厢的启动与平层 轿厢在运行方向确定，轿厢已关好门时启动运行，运行的初始阶段是加速 运行阶段，其后是稳定运行阶段。 2.5.5 轿厢的平层与停车轿厢的平层与停车 本科毕业设计说明书（论文） 10 轿厢的运行后需确定在哪一层站停车，平层是指停车时，轿厢的平层停车 过程需在轿厢底面与停车楼面相平之前开始，先是减速，再是制动，以满足平 层的准确性及乘客的舒适感。传统的电梯的平层开始信号由平层感应器发出。 上平层感应器及下平层感应器装在轿厢顶部，隔磁板安装在井道壁上。上行时， 上平层感应器首先插入隔磁铁板板，发出减速信号，电梯开始减速，至下平层 感应器插入隔磁铁板时，发出开门及停车信号，电动机停转，抱闸抱死，下行 时下平层感应器首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至上平层 感应器插入隔磁铁板时，发出开门及停车信号。 2.6 电梯控制系统电梯控制系统 通过第一章对控制对象（电梯）的基本结构的了解，我们知道了用 plc 实 现对电梯的控制的总的系统框图。如图 2-3： 图 2-3 电梯 plc 控制系统的基本结构图 基于 plc 的控制系统的工作方式为：检测信号和控制信号通过 plc 的输入 接口进入 plc。然后经过 plc 的逻辑运算功能，对信号进行处理、储存、逻辑 运算后，经由输出接口输出。从而，实现了对被控对象的控制。其中，输入的 控制信号有运行方式选择、运行控制信号、安全保护信号、内指令信号、外召 唤信号及井道位置信号、门区或平层信号、开关门信号。输出信号有变频器拖 动控制信号和开关门控制型号、呼梯信号提示、运行方式提示、呼梯铃到站钟 和楼层显示。可编程控制器对输入的信号进行运算，以实际召唤信号登记、轿 厢位置判断、选层定向、顺向载车、反向最远载车及信号消除等功能，并控制 电梯自动关门、起动加速、减速平层、自动开门等过程。 运行方式选择：主要包括自动运行、有司机 、检修、消防等。 2.6.1 运行控制信号：运行控制信号： 主要包括四层楼每层的平层感应器信号，每层的位置检测感应器信号，上 本科毕业设计说明书（论文） 11 下行的感应器，和运行的极限开关信号。 2.6.2 安全保护信号：安全保护信号： 主要包括开关门极限开关，超重感应器信号，安全窗信号，安全钳信号， 限速器信号等。 2.6.3 内外选信号：内外选信号： 是指乘客或者司机对电梯运行做出的要求。 2.6.4 井道位置信息：井道位置信息： 安装在井道内的各个感应器所发出的感应信号。其中包括楼层位置检测信 号，平层感应信号，超速感应信号。 2.6.5 变频器拖动控制信号：变频器拖动控制信号： plc 通过对输入信号的处理后，是对变频器发出控制控制指令，而不是对 电动机直接控制，然后由变频器对电动机的正反转和速度的控制。 2.6.6 楼层显示：楼层显示： 楼层显示是 plc 电梯控制系统的重要输出，显示的正确与否直接影响到用 户的使用。本设计采用的是 led 7 段数码管显示， plc 的输出直接接 7 段数 码管。 2.6.7 呼梯信号指示：呼梯信号指示： 呼梯信号包括轿厢内的内呼和大厅的外呼，要求是当产生呼梯信号时，呼 梯按钮下的指示灯亮。当呼梯要求被满足时呼梯登记信号被消除，呼梯按钮下 的指示灯熄灭。 2.6.8 运行方向指示：运行方向指示： 当电梯定向后，开始执行运行程序。此时轿厢内和大厅的运行指示器，均 会显示电梯的运行方向。电梯运行方向一旦改变，显示信号也会随之改变。电 梯待机时，不显示运行方向指示。 本科毕业设计说明书（论文） 12 图 2-4 基于 plc 的电梯控制系统框图 本科毕业设计说明书（论文） 13 3 电梯控制系统硬件部分设计电梯控制系统硬件部分设计 3.1 plc 可编程序控制器（programmable logical controller,简称 plc） ，是在继电器 控制和计算机控制的基础开发的产品，逐渐发展以微处理器为核心，集自动化 技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动装置。它有可编程性， 且编程灵活简单，有在恶劣环境下工作的高抗干扰能力 ，适应性力。而其体积 小，重量轻，价格底等特点，在工业控制应用上越来越广泛，电梯控制系中的 应也不例外。不同的生产厂家生产的可编程逻辑控制器的结构多种多样，但基 本组成原理是一样的。 3.1.1 plc 的硬件系统结构的硬件系统结构 从硬件来看，plc 主要由 cpu，存储器，i/o 接口，电源，编程器等组成。 图 3-1 plc 硬件的基本结构 3.1.1.1cpu 板 cpu 板 plc 的核心部件，它包括：微处理器 cpu、存储器（rom、ram） 、 并行接口（pio） 、串行接口（sio）及时钟控制电路等。cpu 板是 plc 的运算、 控制中心，用来实现各种逻辑运算、算术运算及对整机进行管理控制；plc 内 部配有程序存储器和数据存储器（rom，ram） ，分别用于存储系统程序和用 户程序，并生成用户环境；并行接口和串行接口主要用于 cup 与各接口电路之 间的信息交换。时钟及控制电路用于产生脉冲及各种控制信号。 3.1.1.2 输入/输出电路 输入电路通常有两种形式；直流输入和交流输入电路。输入电路的作用是 本科毕业设计说明书（论文） 14 接收现现场输入设备送来的控制信号，并经光电耦合器隔离后转换成 plc 内部 的标准电平信号，然后由 cpu 读入并送至输入映象寄存器中，供程序执行使用。 输出电路的作用是将 plc 的输出控制信号送给外部输出设备，通过输出设备控 制被控制对象工作。输出电路共有三种形式：一种是继电器形式，它是通过控 制继电器的线圈使其触点的通断来控制输出设备，实现电气隔离；另一种是晶 体管输出型，它是通过光电耦合器使输出开关晶体管通断，进而控制输出设备； 第三种是可控硅输出型，通过触发可控硅的通断实现对外部输出设备的控制。 3.1.1.3 存储器扩展接口 存储器扩展接口用于连接用户程序存储器及数据存储器的扩展卡盒。常用 的扩展卡盒有三种：一种是 coms 开型 rom 卡盒，它需要用锂电池后备，以 防止断电时丢失程序及数据；另一种是 eprom 卡盒，这种卡盒需要用专门写 入器将调试好的用户程序或数据写入 eprom 中，擦写时需要用紫外线擦除器； 第三种是 eeprom 卡盒，是电可擦除存储器，它的写入和擦写只需专用编程器。 3.1.1.4 i/o 扩展接口 i/o 扩展接口与 cpu 之间是以总线方式连接的，因此它可以连接开总量的 i/o 扩展单元及扩展块，使 i/o 点数规模在配置更加灵活。同时也可以配接如模 拟量、高速脉冲等单元及通信适配器等特殊功能模块，使 plc 的功能大大增强。 3.1.1.5 编程器及其接口 编程器用于程序及数据的输入、编辑、调试和检测。当 plc 在正常运时， 一般不需要编程器，因此编程器设计为独立的部件。为了能对 plc 进行编程及 调试，在 plc 上专门设有一个编程接口，通过这个接口可以连接各种形式的编 程器。编程器的种类很多，常见的有便携式手持程器、专用智能编程器和通过 计算机和专用接口实现对 plc 的编程。 3.1.1.6 电源 plc 一般使用 220v 的交流电源，电源部件将交流电转换成供 plc 的中央 处理器，存储器等电子电路工作所需的直流电源，使 plc 能正常工作。 3.1.2 可编程控制可编程控制 任何一个控制系统要完成目的控制功能，必须通过一定的控制程序来实现 的。通常控制序可分两大类：固定布线程序和可编程序。 本科毕业设计说明书（论文） 15 3.1.2.1 固定布线程序 传统的继电器控制系统和电子器件系统中，要实现各种控制功能，其控制 程序是由种电气元件通过一定的联接方式-布线而成，输入设备如按钮开关、限 位开关、传感器等，用以向控制系统送入信号。输出设备如接触器、电磁阀等 用以控制被控制对象的动作。其输入对输出的控制是通过接线来实现，接线工 作结束后，控制程序也被确定下来，若要改变控制程序，则必须改变接线方式 重新布线，对于一个复杂的系统，是非常困难的。 3.1.2.2 可编程序控制 可编程序控制控制系统中完成一定的控制，只通过专用的编程器，用程序 语言进行编程，写入可编程控制的程序的存储器中，然后由可编程序控制器来 完成各种操作。 在可编程系统中，若要改变控制程序，只用编程器改写程序存储器中的某 些程序语句，不必要重新布线，由于控制被控对象的动作是控制程序语言来表 达的，故又称为软件程序。 3.1.3 plc 的工作原理的工作原理 plc 是由以微机为核心的电子部件，可以将它看作是一个由各种继电器、 定时器、计数器及状态器组合体。plc 的输入继电器，由外部开关通过输入端 来驱动的；plc 内的输出继电器，带有无数内触点和外部输出触点。此外， plc 还有如定时器、计数器、状态寄存器等“软”元件，这些元件带有动作线 圈和很多电子常开触点和常闭点，可以在 plc 内自由选择使用。 plc 控制系统主要由三部分组成：输入部分、控制部分、输出部分。 3.1.3.1 输入部分： 由用户输入设备组成，如按开关、操作开关、限位开关及传感器等。它们 直接与 plc 的输入端子相连接，用以产生输入信号，这些信号或来自电梯轿厢 操纵控制板，或来自电梯井道。 3.1.3.2 控制部分： 是根据被控对象的实际控制要求编制用户程序，并将编制好的程序通过编 程器送入 plc 内的用户程序存储器中，cpu 反复扫描执行用户程序，并产生各 种输出控制信号，plc 的控制功能是通过用户程序来实现的。 3.1.3.3 输出部分： 主要由用户输出设备组成，如接触器、继电器等，它们直接和 plc 的输出 端子相连，用以控制被控制的对象动作。 本科毕业设计说明书（论文） 16 plc 的工作过程实质上就是执行程序的过程。当 plc 运行时，cpu 按照分 时操作原理每个周期执行一个操作，由于 cpu 的运算处理速度很快，使得外部 出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的，种分时操作的过程称为 cpu 对程序 的扫描。 3.1.4plc 的工作过程分为三个阶段：的工作过程分为三个阶段： 输入处理、程序执行及输出处理。 3.1.4.1 输入处理 plc 以重复扫描方式执行用户程序。在执行程序前首先按地址编码顺序将 所有输入端子的通断状态（输入信号）读入输入映像寄存器中，然后开始执行 程序。在执行过程中，即使输入状态发生了变化，但输入映象寄存器中的内容 不变，直到一个扫描周期的输入处理阶段才重新读输入状态。 3.1.4.2 程序执行 在程序执行阶段，plc 顺序扫描用户程序。每执行一条程序所需要的信息 都是从输入映象寄存器和其他软元件映象寄存器读出并参与运算，然后将执行 结果写入有关的软元件映象寄存器中，因此各软元件映象寄储器中的内容随着 程序的执行在不断的变化。 3.1.4.3 输出处理 当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存 寄存器中，构成 plc 的实际输出并由输出端子送出给执行器。 虽然 plc 可以被当作一类微型计算机来看待，但是 plc 的工作方式却与微 机有很大不同。plc 则采用循环扫描工作方式。在 plc 中，用户程序按先后顺 序存放，cpu 从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。 如此周而不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期大致可分为 i/o 刷新和执行指令两个阶段。 所谓 i/o 刷新即对 plc 的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新 读入 plc 中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存 入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“i（输入）/o(输出) 刷新”。 由此可见，若输入变量在 i/o 刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端 也会相应的发生变化，或者说输出对输入产生了响应。反之，若在本次 i/o 刷 新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一 次扫描期间输出才会产生响应。由于 plc 采用循环扫描的工作方式，所以它的 输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几 本科毕业设计说明书（论文） 17 个因数：一是 cpu 执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数 的多少，即程序的长短。 3.1.5 plc 的选型的选型 plc 按输出方式有继电器输出和晶体管输出。本设计需要继电器方式输出 的 plc。plc 的品牌有很多，常见的有西门子，施耐德，ab（罗克韦尔） ， ge，欧姆龙，三菱等，国产品牌有台达，信捷，海为等。考虑到本设计所需 plc 为小型机即可实现。综合 plc 产品的性价比，固本设计 plc 选择为西门 子品牌的 s7-200 些列 plc。如图 3-2，图 3-3 为其 24v dc 数字组合 16 输入 /16 继电器输出扩展模块 6es7223-1pl22-0xa0 em 223。 图 3-2 s7-200 plc 图 3-3 6es7223-1pl22-0xa0 em 223 本科毕业设计说明书（论文） 18 s7-200plc 的特点 (1) 整体型结构 s7-200 是整体型结构，cpu 模块本体带有数字量输入输出。 (2) 扩展性好 除 cpu221 模块外，其他 cpu 模块可连接 2-7 块扩展模块。 (3) 通信功能强 通过扩展通信处理模块，也可直接采用点对点接口（ppi）通信协议、多点接口 （mpi）通信协议和自有端口通信协议实现与其他通信设备的通信。 (4) 编程语言丰富 提供两类指令集。符合 iec 61131-3 标准的指令集和公司专用 simatic 指令集， 采用梯形图、功能块图和指令表编程语言编程。 (5) 功能强 可实现复杂控制功能，具有很高的性能价格比。具有较强的通信功能，实现分 散控制集中管理。 表 3-1 cpu200 系列产品的技术数据 特性cpu221cpu222cpu224cpu224xpcpu226 数字6 di/4 do8 di/6 do14 di/10 do14 di/10 do24 di/16 do本机 容量模拟2 ai/1 ao 扩展模块数27 单相4 个 30khz6 个 30khz4 个 30khz， 2 个 200khz 6 个 30khz高速 计数 器 双相2 个 30khz4 个 30khz3 个 30khz， 1 个 200khz 4 个 30khz 高速脉冲 输出（dc） 2 个 20khz2 个 100khz2 个 20khz 这里我们 plc 选用 cpu226 小型 plc。em223 数字量输入/输出扩展模块。 包括 24v dc4 点输入/4 点输出、8 点输入/8 点输出、16 点输入/16 点输出、 24v dc4 点输入/4 点继电器输出、24v dc8 点输入/8 点继电器输出和 24v dc16 点输入/16 点继电器输出 6 种。 3.1.6 plc 的的 i/o 点估算点估算 在确定了电梯控制系统的基本结构之后，在确定 plc 的型号之前还要对整 本科毕业设计说明书（论文） 19 个控制系统的 i/o 点进行估算。估算结果如表 3-1。 表 3-2 控制系统的 i/o 点 输入 i输出 o 设备名称符号地址设备名称符号地址 门锁（主开关）ka1i0.0上行继电器km1q0.0 自动运行继电器sa1-1i0.1下行继电器km2q0.1 检修继电器sa1-2i0.2高速开关km3q0.2 开门继电器sb1i0.3低速开关km4q0.3 关门继电器sb2i0.4加速启动km5q0.4 上行启动继电器sb3i0.5制动减速 1km6q0.5 下行启动继电器sb4i0.6制动减速 2km7q0.6 起始层继电器sq5i0.7制动减速 3km8q0.7 开门极限继电器sq6i1.0开门继电器km9q1.0 关门极限继电器sq7i1.1关门继电器km10q1.1 上行极限继电器sq17i1.2一层指示1hlq1.4 下行极限继电器sq18i1.3二层指示2hlq1.5 一楼内选sb5i1.4三层指示3hlq1.6 二楼内选sb6i1.5四层指示4hlq1.7 三楼内选sb7i1.6上行指示5hlq2.1 四楼内选sb8i1.7下行指示6hlq2.2 一楼感应器kr1i2.1一层内选记忆指示hl1q2.3 二楼感应器kr2i2.2二层内选记忆指示hl2q2.4 三楼感应器kr3i2.3三层内选记忆指示hl3q2.5 四楼感应器kr4i2.4四层内选记忆指示hl4q2.6 一楼上行1sb1i2.6一楼上呼记忆指示hl8q3.0 二楼上行2sb1i2.7二楼上呼记忆指示hl9q3.1 二楼下行2sb2i3.0二楼下呼记忆指示hl10q3.2 三楼上行3sb1i3.1三楼上呼记忆指示hl11q3.3 三楼下行3sb2i3.2三楼下呼记忆指示hl12q3.4 四楼下行4sb2i3.4四楼下呼记忆指示hl13q3.5 上平层感应器kr6i3.6停车铃km11q3.6 下平层感应器kr7i3.7 超重压力感应器sb9i2.0 在估算 i/o 点的时候遇到了一个问题，就是西门子 s7-200 cpu226 型 plc 本科毕业设计说明书（论文） 20 属于小型机。它只有 24 个输入端口和 16 个输出端口。通过对表 3-1 的估算结 果看，系统所需的 i/o 端口超出了实际的端口数量，这就需要用到了 i/o 扩展 模块，6es7223-1pl22-0xa0。如图 3-3。此模块是 24v dc 数字组合 16 输入 /16 继电器输出，完全满足本设计的需要。 本科毕业设计说明书（论文） 21 3.2 变频器变频器 变频器（variable-frequency drive，vfd）是应用变频技术与微电子技术， 通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主 要由整流（交流变直流） 、滤波、逆变（直流变交流） 、制动单元、驱动单元、 检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部 igbt 的开断来调整输出电源的电 压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、 调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等 等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 变频器是利用电