电梯的控制系统设计

摘要目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采用了严格的抗干扰技术，具有很高的可靠性可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。本文主要设计一个四层的电梯控制系统。在此系统中，以PLC为主要的控制工具，同时利用变频器的变频调速技术对其进行设计。在设计过程中，先对其硬件控制部分做详细的分析，把它分为三大部分，看各大部分需要什么元器件，开关、信号灯等，然后画出它们的结构图。再根据输入输出信号，确定I/O点数，选出合适的PLC机型。并根据相关的要求选出合适的变频器。进行硬件和软件的设计，画出电路总图，画出PLC梯形图。关键词：电梯,控制系统,PLC,变频器第1章绪论随着时代的发展，社会经济环境的整体提升。作为中国支柱产业之一的房地产得到了飞速的发展。在此过程中，高层建筑也已成为现代城市的标志，而作为建筑物附属设备的电梯同样也得到了很好的发展机会。原来的电梯是利用交流双速或可控硅调速控制方式的逻辑部件继电器和选层器完成的。但时间久后，它们的触头产生磨损，插接口氧化产生接触不良。而造成事故或给维修带来不便。而现在用变频器和PLC改造的电梯就能克服这些问题，并满足客户需求。1.1电梯的起源与发展远古时代，为了能够满足这种需要。早在公元前236年前，古希腊当时的阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在妮罗宫殿里。人们把这三台卷扬机看作是现代电梯的鼻祖。而在瓦特发明了蒸汽机之后，于1850年，在美国纽约市出现了世界第一台由亨利・沃特曼制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。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一历史上第一部安全升降梯。从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯饰。随着水压梯的发展，蒸汽梯也就被淘汰了。后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯。直到今天，液压梯仍在使用。1889年，美国奥的斯公司制造的由直流电动机通过蜗杆蜗轮减速器带动卷筒卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机，构成了现代电梯的鼻祖。为了解决乘客乘坐电梯的安全性和舒适感方面的问题，1892年，美国亨利・华特・列昂那得发明了用调节电动机励磁场来调速的电动机一发电机电力驱动系统，使直流升降机的电力拖动构造有了重大发展。1900年，交流感应电动机被使用到电梯驱动以后，进一步简化了电梯的传动设备，以后由交流单速电动机发展到交流双速感应电动机。1903年，美国奥的斯在电梯传动机构中采用了曳引驱动代替卷筒方式，提高了电梯传动机械的通用性，同时也制造了有齿轮曳引高速电梯。这种电梯减少了传动设备，增强了安全性能，成为目前电梯曳引传动的基本构造形式在电梯控制技术方面，1949年开始应用电子技术，以后出现了电子子器件与信息处理的分区控制系统，以后发展到大规模集成电路。由于电梯拖动技术从直流电动机驱动，到交流单速、交流双速电动机驱动到交流调压调速（ACVV）控制，交流调压调频调速（VVVF）控制，使得电梯控制技术不断成熟，加上电子技术、电子计算机技术、自动控制技术在电梯中的广泛应用使电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、减少噪声等方面都有了极大改善。70年代，特别是1973年以来，电梯控制柜的控制电路逐渐从模拟电路向数字化电路发展，数字技术显著提高了电梯的可靠性和运性精度。70年代末到80年代初，高速无齿轮和有齿轮快速电梯都应用微机作为控制的主要部件，而且每部电梯使用的微机不止一部。80年代，大功率晶体管模块的问世以及微机和数字调节技术的不断成熟人们利用PWM（脉宽调节）技术来控制换流器，实现对电梯中交流电动机进行调压调频（VVVF），达到线性调速的目的。自80年代中期VVVF控制的电梯先后由美国奥的斯、日本三菱等电梯公司相继开发并逐步推向市场。90年代，VVVF拖动系统得到较快发展，其许多技术、经济指标，明显优于其它电梯控制系统。1.2电梯控制系统在我国发展的现状及趋势作为中国对外开放最早的行业，中国电梯业受到外资各种“蚕食”措施的影响，原有的八大中国国企电梯品牌全军覆没，而外资品牌垄断中国电梯市场份额则高达95%以上。近年来，一批民营的电梯企业却苦练内功，绝地反击，出现了四分天下有其一的局面。目前，中国已成为全球电梯行业竞争的主战场，我国的电梯业主要以民营企业为主。利用国家支持、资本市场支持等多方面有利因素，加快地赢得了更多的市场。近年来，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，更新换代生产更新型的电梯,继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，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，继电器控制的弱点就越来越明显。可编程序控制器（PLC）最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前,电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。1.3本文的主要内容及结构1.3.1本文的主要内容本文主要是以S7-200系列PLC为控制核心，同时利用变频器的变频调速技术对电梯控制系统进行设计。在设计过程中，首先了解电梯基本的结构和控制要求，再对它的工作原理进行深入了解。再将其硬件部分做详细的分析，把它分为指层控制模块、轿内指令和厅外召唤的登记与消号模块、电梯的选层和定向模块、电梯的开关门运行模块、电梯运行控制模块等，从而实现各个模块的功能，并画出它们的结构图。再进行软件设计，画出流程图，最后画出总电路图，写出相关程序。1.3.2本文的结构本文主要是涉及到电梯控制系统的设计，其主要由以下几部分组成：第1章主要是简单的了解电梯的起源与发展，并在发展的过程中产生了哪些技术对其进行功能的改进。并在最后，简单的讲解了一下本文主要需完成的工作以及需要的元器件。第2章主要是对电梯进行概述，讲解了电梯的基本结构和控制要求。它主要由三大部分组成，分别是机械部分、电气部分、控制部分。它们三个部分是紧密相连的。并在后续章节具体的讲解了它们各个部分的构成。第3章，该章节主要是对电梯控制系统进行硬件设计，电梯控制系统的硬件主要包括PLC部分和变频器部分，在该章中会详细的对其进行了解。如变频器的选择则根据其特点及要求来选出VS-616G5型的变频器。最后会提到PLC的连线图等内容。第4章主要是对电梯控制系统进行软件设计，了解其基本指令，以便对后面的编程有帮助，在本章的第二节中画出了本文的程序流程图。也就相当于给出了其工作的过程。第2章电梯的概述有了电梯，摩天大楼才得以崛起，现随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。电梯就是用于高层建筑物中的固定式升降运输设备，它有一个装载乘客的轿厢，沿着垂直或倾斜角度小于15°的导轨在各楼层间运行，是垂直运行的电梯(通常也简称为电梯)、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。由于电梯在现代生活中的作用越来越为重要，是高层建筑中必备的垂直交通工具。所以在此有必要对其进行阐述，以便能对后面的工作有一定的帮助。2.1电梯的基本结构电梯是机、电一体化产品。其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动钢丝绳曳引式结构，其机械部分由曳引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。电梯的基本结构图如图1所示。图1电梯的基本结构图1、曳引系统电梯曳引系统的功能主要是输出和传递动力，使电梯驱动运行。它主要由曳引机，曳引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。曳引机为电梯的运行提供动力，由电动机、曳引轮、连轴器、减速箱和电磁制动器组成。曳引钢丝的两端分别连接轿厢和对重，依靠钢丝绳和曳引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型的方式可以增加拽引力。2、导向系统导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。3、门系统门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架等组成。层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。4、轿厢轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底、轿厢壁、轿厢顶、照明通风装置、轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定。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。对重是用来平衡轿厢自重和部分额定载重的。重量补偿装置是用来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的平衡设计影响的装置。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，它的作用是对电梯进行速度控制。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者直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈系统是给调速系统提供电梯运行速度信号的系统。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置的作用是对拽引电机进行速度控制。7、电气控制系统电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置是根据电梯的运行逻辑功能要求来控制电梯的运行并设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到——平面的操作。位置显示装置,是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯中尖头指示电梯的运行方向。8、安全保护系统安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。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装置。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。2.2电梯的控制要求随着科学和经济的不断发展，人们对现代电梯的自动化程度和智能行等方面的要求越来越高，要求能完成下列基本功能，这些功能有的是厂家作为标准功能配置在电梯上，有的则是按用户要求进行配置。但是由于本次设计工作的时间有限，不可能实现下面的所有控制要求，只能完成其中的一些主要的最基本的控制要求。1、司机操作由司机关门启动电梯运行，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、独立操作只通过轿内指令驶往特定楼层，专为特定楼层乘客提供服务，不应答其它层站和厅外召唤。5、特别楼层优先控制特别楼层有呼唤时，电梯以最短时间应答。应答前往时，不理会轿内指令和其它召唤。到达该特别楼层后，该功能自动取消。6、停梯操作在夜间、周末或假日，通过停梯开关使用电梯停在指定楼层。停梯时，轿门关闭，照明、风扇断电，以利节电、安全。7、满载控制当轿内满载时，不响应厅外召唤。8、清除无效指令清除所有与电梯运行方向不符的轿内指令。9、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。10、按客流量控制开门时间监视乘客的进出流量，使开门时间最短。11、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。12、故障重开门因故障使电梯门不能关闭时，或者在关门的过程中又有乘客进入的时候，使门重新打开再试关门。13、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。14、光电装置用来监视乘客或货物的进出情况。15、光幕感应装置利用光幕效应，如关门时仍有乘客进出，则轿门未触及人体就能自动重新开门。16、副操纵箱在轿厢内左边设置副操纵箱，上面设有各楼层轿内指令按钮便于乘客较拥挤时使用。17、电子触钮用手指轻触按钮便完成厅外召唤或轿内指令登记工作。18、灯光报站电梯将到达时，厅外灯光闪动，并有双音报站钟报站。19、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。20、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。21、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。22、故障检测将故障记录在微机内存（一般可存入8~20个故障），并以数码显示故障性质。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。第3章电梯控制系统硬件设计电梯控制系统可分为电力驱动系统和电气控制系统两个主要部分。电力驱动系统对电梯的起动加速、稳定运行、制动减速起着决定性的作用。由于目前电器电子元件的高速发展，使得变频变压技术逐步成熟，因此使用变频变压调速系统控制的电梯也已经投入使用，这种系统驱动的电梯其额定速度越来越高，而利用矢量变换控制的变频变压系统的电梯额定速度可达14m/s.并且这种驱动控制具有设备体积小、重量轻、效率高、节省能源等优点，所以本设计选用此驱动系统。电气控制系统则主要由PLC、变频器和旋转编码器组成。可编程控制器（PLC）负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系，它是系统的核心。变频器实现电机的调速。旋转编码器对电机进行测速。3.1电梯的控制原理针对这个四层电梯的控制系统．本文采用西门子S7—200可编程控制器设计电梯的控制系统完成电梯的轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开关门控制等控制任务。电梯运行规则：当电梯在一楼时，按厢内指令开关“四”,电梯应在四楼停车。1.按“一”楼下呼梯开关,电梯应由四楼降到一楼接人。2.按厢内指令开关“三”,同时按二楼上呼开关电梯应在二楼接入后,再到三楼.。3.当电梯在三楼时,依次按厢内开关“二”、“四”、“一”电梯应下行到二楼；下行至一楼；上行至四楼。4.电梯在一楼,按厢内指令开关“二”随后立即按“三”楼,“四”楼下呼开关电梯,电梯应先到二楼,下客后断续上升到四楼接客,然后到三楼接客。其系统原理框图如图2所示。图2电梯控制系统原理框图3.2电梯控制系统结构设计电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。调速部分的性能对电梯运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。可编程控制器(ProgrammableLogicController，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。更改控制方案时不需改动硬件接线。其结构方框图如图3所示。图3PLC控制方式结构方框图3.3电源模块的设计由于本设计中要考虑到给PLC和变频器提供电源，所以就要进行电源模块的设计，电源模块主要是给变频器提供380V的市电，此处不需要对其进行特别的设计。此处主要是设计给PLC提供的24V的直流电，而这个24V的直流电主要是通过380V的市电经变压器变压得到24V的交流电，再通过整流电路得到粗糙的直流电，再经过电容滤波和稳压管78L24对其进行稳压操作，得到24V的直流电。其电路图如图4所示。图424V直流电源电路3.4电梯控制系统控制核心的设计由上图4可以看出PLC是整个控制部分的核心。下面就PLC进行特点分析及选择设计。3.4.1PLC的定义和特点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（NationalElectricManufactureAssociation,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（InternationalElectricalCommittee,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、PLC的特点PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些特点如下所示：可靠性对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。易操作性易操作性主要表现为操作方便、编程方便、维修方便。其中PLC操作主要表现在程序的输入和程序的更改。而程序的输入直接可以显示，程序的更改操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。所以说其操作方便。PLC编程语言有多种，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解，所以有利于程序的编写和学习，采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，十分有利于编程人员的编程。虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是，由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用，并发挥出更有效的功能特点。所以说编程方便。由于PLC具有自诊断功能，这样就给维修人员减少了很多不必要的工作。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了大量的时间。（3）灵活性PLC的灵活性表现在下列三方面：编程的灵活性，PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。扩展的灵活性PLC的扩展灵活性是它的一个重要的特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展，功能的扩展，应用和控制范围的扩展。操作的灵活性操作的灵活性是指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。机电一体化为了使得工业生产过程的控制更平稳、更可靠，向优质高产低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化——仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程控制而设计的控制设备，它的体积大大减小，功能不断完善，抗干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此，它已成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要控制设备。3.4.2PLC的主要功能和应用PLC的主要功能和应用如下：（1）开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。（2）模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。（3）定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。其定时时间间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。（4）数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。（5）信号连锁系统信号连锁是安全生产所需的。在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。（6）通信把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。3.4.3PLC选型及设计1、PLC控制系统设计的基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：（1）最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。（2）保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。（3）力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。（4）适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2、可编程控制器机型的选择输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部分，是PLC的重要组成部分。与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出接口可以直接和强电设备相连接。对于小型PLC，厂家通常将I/O部分就装在PLC的本体部分，而对于中、大型PLC,各厂家通常都将I/O部分做成可供选取、扩充的模块组件，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数的I/O组件来组成自己的控制系统。为便于检查，每个I/O点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。用户可以方便地检查各点的通断状态。（1）输入接口输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，通常有直流开关量输入接口电路和交流开关量输入接口电路两种。交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场提供交流电流，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电耦合器。在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器(ACD)将模拟量转换成数字量，才能为PLC的CPU所接受。（2）输出接口为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载:双向晶闸管输出方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。一些PLC还真有模拟输出接口，用于需要摸拟信号驱动的负载。本设计根据需要控制的开关、设备大约有14个输入点,16个输出点需进行控制。选择S7-200/CPU226系列的PLC，I/O分配表如表1、表2所示，LED七段数码管显示如表3所示，内部继电器说明如表4所示，以及PLC的外部接线图如图5所示。表1输入点的分配名称元件名地址编码名称元件名地址编码一层位置开关SQ1I0.0一层上行呼梯K1I1.0二层位置开关SQ2I0.1二层上行呼梯K3I1.1三层位置开关SQ3I0.2三层上行呼梯K5I1.2四层位置开关SQ4I0.3二层下行呼梯K2I1.3一层指令开关K7I0.4三层下行呼梯K4I1.4二层指令开关K8I0.5四层下行呼梯K6I1.5三层指令开关K9I0.6四层指令开关K10I0.7表2输出点的分配名称元件名地址编码名称元件名地址编码上行指示L9Q0.0一层上行呼梯L1Q1.0下行指示L10Q0.1二层上行呼梯L2Q1.1上行驱动KM1Q0.2三层上行呼梯L3Q1.2下行驱动KM2Q0.3二层下行呼梯L4Q1.3一层指令登记L11Q0.4三层下行呼梯L5Q1.4二层指令登记L12Q0.5四层下行呼梯L6Q1.5三层指令登记L13Q0.6开门模拟L7Q1.6四层指令登记L14Q0.7关门模拟L8Q1.7表3LED七段数码管显示LED层显示a段L21Q2.0LED层显示b段L22Q2.1LED层显示c段L23Q2.2LED层显示d段L24Q2.3LED层显示e段L25Q2.4LED层显示f段L26Q2.5LED层显示g段L27Q2.6表4内部继电器说明M0.11楼平层信号M2.0延时继电器M0.22楼平层信号M2.5上行内呼楼层指令信号M0.33楼平层信号M2.6下行内呼楼层指令信号M0.44楼平层信号M2.7上行外呼楼层指令信号M1.0楼层到达指令信号M3.2下行外呼指令信号M1.1下降记忆信号M3.0中间继电器M1.2上升记忆信号M3.1中间继电器M1.5上行中间继电器M1.6下行中间继电器图5PLC外部接线图3.5变频器的选型及设计众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一段历史时期，调速传动领域基本上呗直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服的缺点。如机械式换向带来的弊端，使其事故率高，无法在大容量的调速领域中应用。而交流电动机有它固有的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价耐用，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。而近年来随着电力半导体器件、计算机技术的发展，交流电动机的速度控制产生了一场深刻的革命。以各种电力半导体器件构成的交流调压调速系统、变频调速系统正在取代着直流电动机调速系统。在以上诸多的交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，调速范围广，是一种理想的调速系统。本节主要从实际出发，对变频调速的主要内容进行介绍。3.5.1变频调速的基本原理从某种意义上说，如果能够有一个可以任意改变频率的电源的话，既可以改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。但由于在实际的调速控制过程中，还必须考虑到有效利用电动机磁场，抑制起动电流和得到理想的转矩特性等方面的问题。因此，一个普通的频率可调交流电源并不能满足对异步电动机进行调速控制的需要。改变定子电源频率可以改变同步转速和异步电动机的转速。异步电动机定子绕组每相感应电势为（一个线圈组电动势的有效表达式）式中:定子绕组等值匝数，k<1；:定子绕组的实际匝数；:定子电源的频率；:气隙中的磁通量；:电机外加电压；:电机定子电流；：电机定子阻抗。如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压，即如下所示从上式可以看出，若定子端电压不变，则随着的升高，气隙磁通将减小。电机转矩为式中:转子电流；:转子电路功率因数；:转矩常数。从电机转矩公式可看出的减小势必会导致电机允许输出转矩下降，使电机的利用率降低，同时电机的最大转矩也将降低，严重时会导致电机堵转。若维持定子端电压不变，而减小，则增加，将造成磁路过饱和，励磁电流曾加，铁心过热，这是不允许的。为此在调频的同时需改变定子电压，以维持气隙磁通不变。根据和的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。3.5.2变频器的选型随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。目前有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但价格相对较贵。因此，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。这是本设计的特点之一。电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感：另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。另外，616G5变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01-0.02%，使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。采用高性能IGBT，载波频率20KHz从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。由以上介绍，本设计采用VS-616G5的变频器。下面介绍VS-616G5的变频器的设计。由于电梯是载人的起重设备，要求可靠性系数特别大，为最大程度满足乘客的舒适感，使用VS-616G5带PG矢量控制，将测速脉冲反馈给变频器，提高控制精度。有电力电网送来的380V动力电源变为可控的直流电，经变频器转换为可调的频率可变的变频变压三相正弦交流电，驱动电机平稳运行。3.5.3变频器的设计由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。1、VS-616G5变频器参数的设置616G5变频器共有9组参数，每组参数设定都具有特定的含义。常用参数如表5所示。表5616G5变频器参数参数功能A组确定控制模式B组选择运行功能C组确定加减速时间及转矩补偿时间D组选择频率E组确定运行电压频率曲线F组保护设置H组确定偏差标准2、参数设置参数设置的原则：（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）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，以减小停车冲击；（3）零速时一般设置为0Hz；（4）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。616G5变频器主要参数设置表如表6所示。表6616G5变频器主要参数设置表参数名称设定值A1-02控制方式选择3B1-01频率指令选择1B1-02运行指令选择1B1-03停止方法选择0B1-04反转禁止选择0B2-01零速电平选择0.1HzB2-04停止时直流制动时间1.0sC1-03加速时间23.0sC1-04减速时间23.0sC2-01加速开始时S型曲线时间0.6sC2-02加速完了时S型曲线时间0.6sC2-03减速开始时S型曲线时间0.6sC2-04减速完了时S型曲线时间0.6sC5-01ASR比例增益ｌ5C5-02ASR积分时间１1sE1-01输入电压设置380VE1-04最高输出频率50E1-05最大电压380VE1-06额定电压频率50E1-09最低输出频率电压0E2-01电机额定电流按电机铭牌设置E2-02电机额定滑差按电机铭牌设置E2-03电机空载电流按电机铭牌设置E2-04电机极数按电机铭牌设置F1-01PG常数根据旋转编码器铭牌设置F1-02PG断线检测时的动作选择0F1-03超速时的动作选择0F1-04超度偏差过大时的动作选择0F1-05PG分频比根据电机极数设置3.6速度检测系统设计3.6.1速度给定曲线为了满足舒适感、提高运输效率以及完成精确的平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。人们对于速度的敏感度主要是加速度的变化率。舒适则意味着需要平滑的加速或减速。为了获得良好的舒适感，升降电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线（S曲线）及一段直线构成。而这一曲线的形状构成及改变都是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从0加速到所需要的时间来定义的。其意义为加速度由0加速到所需要的时间。因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。增大加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。同理，增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之，起动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化，也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现，本设计采用的616G5变频器就具有S曲线加速时间设定功能，故将加速时间和S曲线加速时间配合调整，即可获得理想的起动曲线。同理，制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图6所示。图6理想的电梯速度给定曲线3.6.2PG卡接口设计由于此设计中需要进行速度检测，而PG卡能够对电机的速度进行检测。PG卡称为光电编码器，光电编码器主要由光电编码盘和发光二极管、光电三极管组成。光电编码器与电机同轴相连，随着电机的转动，均匀分布在编码盘上的孔使光敏三极管通、断，产生一系列脉冲信号输出。码盘上有两排空间位置相差的光孔，使在相应位置上的两个光敏三极管产生相差的两相脉冲，根据两相脉冲超前于滞后的关系，可判定电机的正反转。图7为PG卡与VS-616G5的连接图。图7PG卡与VS-616G5的连接图该系统的总电路图见附录A。第4章电梯控制系统软件设计由第三章硬件设计可知，电梯控制系统的软件设计主要是用PLC来对其进行程序设计，具体的程序书写如后序章节具体讲解。4.1S7-200系列PLC的基本逻辑指令基本逻辑指令是PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法，各种型号的PLC的基本逻辑指令都大台大同小异，现在我们针对FX2N系列，逐条学习其指令的功能和使用方法,每条指令及其应用实例都以梯形图和语句表两种编程语言对照说明。输入输出指令（LD／LD/／OT）LD:常开接点与母线连接，开始逻辑运算；LD/:常闭接点与母线连接，开始逻辑运算；OT:线圈驱动指令，将运算结果输出到指定的继电器。LD与LD/指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。OT指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。2、触点串连指令（AN／AN/）、并联指令（OR／OR/）AN:串联常开接点指令，把原来保存在结果寄存器中的逻辑操作结果与指定的继电器内容相“与”，并把这一逻辑操作结果存入结果寄存器。AN/:串串联常闭接点指令，把原来被指定的继电器内容取反，然后与结果寄存器的内容进行逻辑“与”，操作结果存入结果寄存器。OR:并联常开接点指令，把结果寄存器中的内容与指定的继电器内容进行逻辑“或”，并把逻辑操作结果存入结果寄存器。OR/:并联常闭接点指令，把指定继电器内容取反，然后与结果寄存器的内容进行逻辑“或”，操作结果存入结果寄存器。3、电路块的并联和串联指令（ANS/ORS）ANS:实现多个指令块的“与”运算。ORS:实现多个指令块的“或”运算。含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以ST或ST/指令开始，而支路的终点要用ORS指令。ORS指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORS指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORS指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORS的指令，但这时ORS指令最多使用7次。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANS指令，各并联电路块的起点，使用ST或ST/指令；与ORS指令一样，ANS指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANS指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANS指令，最多使用7次。