PLC電梯控制系統(tǒng)

摘要

在現(xiàn)代社會及經(jīng)濟(jì)活動中，電梯己成為城市物質(zhì)文明的標(biāo)志。尤其是在高層

建筑中，電梯作為一種垂直運輸工具，承載著大量人流、物流的輸送。隨著今天

高層建筑的迅速發(fā)展，人們對電梯諸如可靠性、舒適度、低噪音、低能耗等的性

能要求也愈來愈高。這一系列的要求促進(jìn)了如今電梯行業(yè)的快速發(fā)展，其拖動技

術(shù)發(fā)展到了調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速階段，邏輯控制也由可編程控制代替了之前

的繼電器控制。

本設(shè)計針對目前我國電梯業(yè)的現(xiàn)狀，采用PLC對電梯進(jìn)行邏輯控制，考慮

了電梯的可靠性、可維護(hù)性、靈活性、使用壽命以及電梯的開發(fā)周期等方面，設(shè)

計的控制系統(tǒng)具備樓層指示、呼梯指令登記、選層選向、自動運行和檢修運行等

功能，具有集選控制的特點。而所設(shè)計的電梯電力機(jī)交流變頻器的調(diào)速技術(shù)是如

今節(jié)電、改善工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量、推動技術(shù)進(jìn)步、改善環(huán)境的一種重要手

段。

關(guān)鍵詞:電梯，控制系統(tǒng)，PLC,變頻調(diào)速

1

目錄

摘要...................................................................1

第一章引言...........................................................3

1.1研究背景及意義................................................3

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀................................................3

1.3木文研究的主要內(nèi)容............................................4

第二章電梯的概述......................................................5

2.1電梯的定義與簡介..............................................5

2.2電梯的結(jié)構(gòu).....................................................5

2.2.1四大空間................................................6

2.2.2八大系統(tǒng)................................................7

第三章PLC簡介.......................................................8

3.1PLC的定義及特點............................................8

3.1.1PLC的定義.............................................8

3.1.2PLC的特點.............................................8

3.2PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域...........................................9

3.3本章小結(jié).....................................

第四章系統(tǒng)控制方案的設(shè)計..............................................9

4.1系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟............................................9

4.2系統(tǒng)控制方案.................................................10

4.3PLC控制電梯的邏輯關(guān)系......................................11

第五章系統(tǒng)硬件設(shè)計...................................................11

5.I電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計...........................................11

5.2電力調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展....................................11

5.3井道信號系統(tǒng)的設(shè)計..........................................12

5.3.1井道信號系統(tǒng)的設(shè)計....................................12

5.4機(jī)型的選擇...................................................12

5.4.1PLC的選型............................................12

5.4.2變頻器的選型.........................................13

5.4.3旋轉(zhuǎn)編碼器............................................13

5.5編碼器與PLC的連接..........................................13

參考文獻(xiàn).............................................................14

2

第一章引言

1.1研究背景及意義

電梯是安裝在建筑物內(nèi)的一種交通工具，是為了滿足人們對于垂直運輸?shù)男?/p>

要而建立的。在現(xiàn)代社會，電梯就如同汽車、輪船一般不可或缺有關(guān)資料顯示，

在美國，每年乘坐其它交通工具的人數(shù)約為80億人次而乘坐電梯的人數(shù)達(dá)到540

億人次之多。如今，電梯的使用情況已成為衡量現(xiàn)代化發(fā)展程度的一種標(biāo)志，從

某種意義上說，電梯也成為研究一個城市中居民生活狀態(tài)的最完美空間。

電梯作為一種公共交通工具，安全性能顯得尤為重要，因為只有安全運行才

能夠使乘客對電梯產(chǎn)生信任感。事文上，電梯的設(shè)計方面已采用了多種安全保護(hù)

措施，據(jù)美國一家保險公司對電梯安全性的一項調(diào)查和計算顯示，乘電梯要比走

樓梯安全5倍。隨著高層建筑的不斷出現(xiàn)，人們對電梯系統(tǒng)的性能要求也越來越

高，不單單是安全性，還包括舒適度等方面。從研究電梯交通系統(tǒng)的統(tǒng)計特性到

研究電梯交通系統(tǒng)的動態(tài)特性，人們在電梯控制系統(tǒng)中利用了各種技術(shù)來提高系

統(tǒng)的運行效率。

社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展帶動了人類文明的高速發(fā)展，特別是20世紀(jì)70年代

以后，高層建筑在世界范圍內(nèi)得到的迅猛發(fā)展，極大地促進(jìn)了電梯技術(shù)的改良和

革新。近半個世紀(jì)以來，電梯技術(shù)從原始的模型升降機(jī)發(fā)展到能滿足人類需要的

高級智能化電梯。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國生產(chǎn)的電梯在亞洲的年銷售量己達(dá)1萬臺，約占

亞洲市場的1/50,同時國產(chǎn)電梯的技術(shù)水平以及產(chǎn)品質(zhì)量也在穩(wěn)步提高。自1985

年參加了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC178以來，我國先后等同或等效地采用了一批

國際標(biāo)準(zhǔn)以及先進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的高起點促使我國電梯業(yè)在技術(shù)上處于有利位

置，許多諸如無齒輪曳引機(jī)、無機(jī)房電梯、永磁同步拖動技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等

在國際上也是剛剛出現(xiàn)的新技術(shù)和新產(chǎn)品，在我國，已有許多企業(yè)可以生產(chǎn)了。

3

7、對本論文的研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。

第二章電梯的概述

2.1電梯的定義與簡介

電梯是以電動機(jī)為驅(qū)動的?種垂直升降機(jī)，主要用于多層建筑的乘人或載

物。電梯有裝有箱狀吊艙式的也有臺階式的，臺階式的踏步板裝在履帶上連續(xù)傳

送，也稱自動電梯。電梯是服務(wù)于樓層的固定式的升降設(shè)備，其具有一個轎廂，

運行于至少兩列垂直的或者是傾斜角小于15度的剛性導(dǎo)軌之間。不過習(xí)慣上不

論電梯的驅(qū)動方式如何，都將其作為建筑物內(nèi)的垂直交通運輸工具的總稱。

2.2電梯的結(jié)構(gòu)

電梯是機(jī)電合一的一種大型的復(fù)雜的產(chǎn)品。它的機(jī)械部分相當(dāng)于人的軀體，

電氣部分好比人的神經(jīng)，而控制部分可比人的大腦。機(jī)電高度合一，使電梯成為

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的綜合產(chǎn)品。電梯的結(jié)構(gòu)包括四大空間和八大系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如

圖：

5

2.2.1四大空間

(1)、機(jī)房部分

電梯控制間，一般設(shè)置在電梯井道的頂部。包括曳引機(jī)、電源控制盒等設(shè)備。

(2)、井道部分

包括導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架、對重、緩沖器、限速器張緊裝置、補(bǔ)償鏈、隨行電纜、

底坑、井道照明等設(shè)備。

(3)、層站部分

位于電梯的各層廳外，該部分包括電梯層門(廳門)、置、門鎖裝置、層站開

關(guān)門裝置及消防按鈕等。

(4)、轎廂部分

該部分主要由轎廂、轎廂門、平層裝置、安全鉗裝置、呼梯裝置(召喚盒)、

樓層顯示裝開門機(jī)、轎內(nèi)操縱箱、指示燈以及通訊報警裝置等組成。

6

2.2.2八大系統(tǒng)

(1)、曳引系統(tǒng)

曳引系統(tǒng)的主要功能是輸出與傳遞動力，以驅(qū)動電梯運行。主要由曳引機(jī)、

曳引鋼絲繩、導(dǎo)向輪、反繩輪組成，是電梯中的核心部分之一。

(2)、導(dǎo)向系統(tǒng)

主要功能是限制轎廂和對重的活動自由度，使轎廂和對重只能沿著各自的導(dǎo)

軌作升降運動而不發(fā)生擺動和振動。無論是轎席還是對重導(dǎo)向均由導(dǎo)軌、導(dǎo)靴以

及導(dǎo)軌架構(gòu)成。

(3)、轎廂

轎廂是運送乘客或貨物的電梯組件，主要由轎廂架和轎廂體組成。轎廂架是

固定和懸吊轎廂的框架，是轎廂的主要承重機(jī)構(gòu);轎廂體由轎廂底、轎廂壁、轎

廂頂、轎廂門等部分組成。

(4)、門系統(tǒng)

門系統(tǒng)可分為兩種，分別是裝在井道入口層站處的層門以及裝在轎廂入口處

的轎廂門。無論轎廂門還是層門都由門、導(dǎo)軌架、門框、滑輪、滑塊、地坎等部

分構(gòu)成。

(5)、重量平衡系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有使對重與轎廂能達(dá)到相對平衡的作用，即電梯在運行中即使載重

量不斷變化，兩者間的重量差仍保持在較小限額之內(nèi)，以保證曳引傳動平穩(wěn)正常。

重量平衡系統(tǒng)通常由走重裝置和重量補(bǔ)償裝置組成。

(6)、電力拖動系統(tǒng)

該系統(tǒng)的功能是為電梯提供動力，并控制著電梯的啟動加速、穩(wěn)速運行和制

動減速。目前，電梯的電力拖動系統(tǒng)分為直流電動機(jī)拖動、交流電動機(jī)拖動以及

永磁同步電動機(jī)拖動。

(7)、電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要是指對電梯主曳引機(jī)和門機(jī)的啟動、運行方向、減速、停

止的控制，同時管理著每層站顯示、層站叫喚、轎內(nèi)指令、安全保護(hù)等指令信號。

該系統(tǒng)主要由控制裝置、操縱裝置、平層裝置、位顯示裝置等部分組成?？刂葡?/p>

統(tǒng)的功能及性能直接決定了電梯的自動化程度及運行性能。

7

（8）、安全保護(hù)系統(tǒng)

電梯的安全保護(hù)系統(tǒng)包括了機(jī)械的和電子的各類保護(hù)系統(tǒng)，例如緩沖裝置、

機(jī)械限速裝置、終端保護(hù)裝置，以確保電梯的安全使用，防止危險事故的發(fā)生。

緩沖裝置起沖頂和撞底保護(hù)的作用，限速裝置起到超速保護(hù)的作用，而安全保護(hù)

則在電梯運行的各個方面都有體現(xiàn)。

第三章PLC簡介

3.1PLC的定義及特點

3.1.1PLC的定義

1980年可編程控制器問世后，NEMA（美國電氣制造商協(xié)會）對其做過如下定

義：

PLC是一種數(shù)字式的電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，實現(xiàn)

邏輯運算、順序運算、計數(shù)、計時和算式運算等功能，用來對各種機(jī)械或生產(chǎn)過

程進(jìn)行控制。

1982年，IEC（國際電工委員會）頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，將其

定義為：

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它

采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計數(shù)、

計時和算式運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各

種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易與工業(yè)控制系統(tǒng)

形成一個整體、易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。

3.1.2PLC的特點

1、高可靠性，強(qiáng)抗干擾能力

電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵是高可靠性。PLC采用了現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，生

產(chǎn)工藝制造嚴(yán)格，并且內(nèi)部電路具有很強(qiáng)的抗干次能力，因此具有高可靠性；

2、配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)；

8

PLC發(fā)展至今，已形成了大、中、小各規(guī)模的系列產(chǎn)品，可用于各種規(guī)模的

工控場合?，F(xiàn)代PLC除了具備邏輯處理功能，還具備完善的數(shù)字運算能力，被

許多數(shù)字控制領(lǐng)域所運用。隨著近年P(guān)LC功能單元的大量涌現(xiàn)，PLC也滲透到

了溫度控制、位置控制、CNC等各項工業(yè)控制中，另外隨著PLC通信能力的加

強(qiáng)以及人機(jī)界面技術(shù)的不斷發(fā)展，對PLC組成的各

種控制系統(tǒng)的使用也變得非常容易。

3、學(xué)用容易，深受歡迎

PLC作為一種通用工控計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的。其接口容易，編程語言

也容易被工程技術(shù)人員所接受。梯形圖的表達(dá)方式和圖形符號與繼電器電路圖十

分接近，這就為不熟悉電子電路或匯編語一言的人利用計算機(jī)從事工業(yè)控制提供

了便利。

4、系統(tǒng)設(shè)計、建造的「作量小，維護(hù)方便，易改造.

3.2PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域

PLC目前已應(yīng)用于各行各業(yè)，主要歸納如下：

1、開關(guān)量的邏輯控制和順序控制

這是PLC應(yīng)用的最基本、最廣泛的領(lǐng)域。它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，并

實現(xiàn)了邏輯控制和順序控制，不但可對單臺設(shè)備進(jìn)行控制，也可控制多機(jī)群控和

自動化流水線，從而實現(xiàn)各種簡單或復(fù)雜的控制要求。

2、模擬量控制

工業(yè)生產(chǎn)過程中，存在著許多連續(xù)變化的模或量，比如壓力、流量、溫度、

液位和速度等。為了實現(xiàn)對這些模擬量的控制，就要求大部分PLC產(chǎn)品具備處

理這些模擬量所需的功能，即采用相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及各種控制

算法程序來處理這些模擬量，以完成閉環(huán)控制。

第四章系統(tǒng)控制方案的設(shè)計

4.1系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟

I、深入了解并分析電梯的工藝條件及控制要求；

9

2、確定輸入輸出設(shè)備。根據(jù)控制系統(tǒng)所需的功能，明確系統(tǒng)需要的用戶的

輸入、輸出設(shè)備。輸入設(shè)備通常有按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)、傳感器、各種信

號等;輸出設(shè)備一般為指示燈、繼電器、接觸器等；

3、根據(jù)I/O點數(shù)進(jìn)行設(shè)備選型并分配I/O點，編制出I/O分配表；

4、畫出電梯系統(tǒng)的梯形圖，這是整個系統(tǒng)設(shè)計工作的核心，要求周密、完

癡

5、將程序輸入PLC中進(jìn)行軟件測試，及時查找出錯誤，以便保證系統(tǒng)程序

的完善；

6、利用電梯模型，進(jìn)行整體調(diào)試。

4.2系統(tǒng)控制方案

本設(shè)計主要設(shè)計一個四層電梯控制系統(tǒng)，其主要控制要求如下：

1、開關(guān)門控制

當(dāng)某一樓層的電梯指示燈一直亮?xí)r，表示該層電梯正在進(jìn)行開門、延時、關(guān)

門的動作。為了保證電梯運行的安全性，電梯的萬關(guān)門信號和故障報警信號應(yīng)該

是互鎖的，也就是說，當(dāng)故障報警信號有效時，開關(guān)門信號都不會顯示，樓層指

示燈也不會亮。

2、內(nèi)外呼叫控制

一旦有乘客按下某層樓的呼叫按鈕，該層相應(yīng)的電梯指示燈便亮起來，不過

不能立即開。呼叫信號要一直保持到電梯到達(dá)該層后且呼叫信號的指示與電梯的

運行方向相同時才可以被撤消。

3、上下行控制

電梯在每個樓層分別設(shè)置一個外呼按鈕，電梯運行時樓層指示燈亮。不過上

下行指示燈不能同時亮，各個樓層的指示燈也不能同時亮。一個呼叫請求在完成

之前如果收到另一個呼叫請求，則判斷兩個呼叫請求是否是在同一個方向，如果

是同一個方向則截車，反之則不截車。在行車過程中，如果故障報警信號有效，

則任何操作都無效，指示燈也不亮。在上下行期間，電梯的速度由變頻器給定。

10

4.3PLC控制電梯的邏輯關(guān)系

1、開始時，電梯處于任意一層。

2、當(dāng)有外呼梯信號時，電梯響應(yīng)該外呼信號，到達(dá)該樓層時，電梯停止運

行，電梯門打開，延時15秒后自動關(guān)門;當(dāng)有內(nèi)呼梯信號時，電梯響應(yīng)該內(nèi)呼信

號，到達(dá)該樓層時，電梯停止運行，電梯門打開，延時15秒后自動關(guān)門。行車

方向主要由內(nèi)呼信號決定，同一順序優(yōu)先行車；

3、在電梯運行過程，即電梯上升或下降的途中，對任何反方向的下降或上

升的外呼信號都不響應(yīng)。但是如果收到反向外呼信號前沒有其它內(nèi)、外呼梯信號

時，則電梯響應(yīng)該外呼信;行車途中如果遇到的呼梯信號是與行車方向相同的，

則響應(yīng)該信號并截車，反之不截車；

4、具有最遠(yuǎn)反向外呼信號響應(yīng)功能。例如:電梯在一樓，二層向下外呼信號、

三層向下外呼信號、四層向下外呼信號同時發(fā)出，則電梯先去四樓響應(yīng)四層向下

外呼信號。

第五章系統(tǒng)硬件設(shè)計

5.1電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

為獲得良好的舒適感，將電梯的起制動速度曲線設(shè)計為兩段拋物線加一段直

線，該曲線形狀的構(gòu)成與改變則由加速度斜率與拋物線變化率決定［［23］。加速度

是根據(jù)從。加速到1()(2轉(zhuǎn)/分的速度所需的時間來定義的，也就是加速的由。加

速到1()0()轉(zhuǎn)/秒2所需的時間，因此，可通過改變起動加速的時間獲得不同起動

的曲線斜率［［24］。增大加速時間可使起動曲線變緩，反之起動曲線會變急洞理,

增加拋物線的變化率可使起動曲線的彎曲幅度變小。不過，要改變拋物線的變化

率，也可通過改變拋物線的起始和終止的加速時間來實現(xiàn)。

5.2電力調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

交流電動機(jī)很好地克服了直流電動機(jī)的這些缺點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛

的應(yīng)用。由于交流電動機(jī)的平滑調(diào)速比較困難，初期主要采用的是鼠籠型異步電

11

動機(jī)變極調(diào)速和繞線式異步電動機(jī)。50年代中期，晶閘管的成功研制，開創(chuàng)了

電力電子技術(shù)的發(fā)展新時代，使得交流電動機(jī)調(diào)速得到了運用}23}070年代的

世界性能源危機(jī)，使得作為節(jié)約能源的重要手段的電機(jī)調(diào)速問題得到了重視，很

多曾經(jīng)不調(diào)速的裝置也采取了調(diào)速技術(shù)，進(jìn)一步推動了交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)為發(fā)

展。

5.3井道信號系統(tǒng)的設(shè)計

5.3.1井道信號系統(tǒng)的設(shè)計

I、電梯位置的確定與顯示

廂內(nèi)的乘客與門廳中等待電梯的乘客需要知道電梯的目前位置、電梯要確定

是否能夠應(yīng)答新的召喚指令及何時減速平層制動，這些都需要明確電梯當(dāng)前的準(zhǔn)

確位置。通常的電梯系統(tǒng)的位置信號是靠設(shè)置在井道中的位置開關(guān)實現(xiàn)。

2、轎廂的平層與停車

轎席運行后需要確定停車樓層，平層即指停車時轎廂i底與門廳地面齊平，不

過由于無法達(dá)到百分之百的精確，通常都有平層誤差規(guī)定。平層停車需在轎廂底

與所停樓層的地面相平之前開始，先要開始減速，然后再制動，以減小沖擊，提

高平層的精確度和乘客的舒適感。

5.4機(jī)型的選擇

5.4.1PLC的選型

根據(jù)計算的輸入輸出點及估算的容量，西門子57-200可編程控制器的

CPU226滿足要求，輸入輸出模塊選用EM223數(shù)字量擴(kuò)展模塊，還可以接模擬

模塊，電源模塊為220VAe電源。

西門子小型57-200系列PLC適用于各種場合中的檢測、監(jiān)測以及自動化控

制，它的強(qiáng)大功能使其無論是獨立運行，還是相連成網(wǎng)絡(luò)都能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制

功能。

S7-200系列的出色表現(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面:高可靠性;豐富的指令集;

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便于掌握;操作方便吶置集成功能豐富;通訊能力強(qiáng);擴(kuò)展模塊豐富等。

5.4.2變頻器的選型

本實驗電梯控制系統(tǒng)采用安川L1000電梯專用變頻器，其對高性能電流矢

量控制和絕對值編碼器的應(yīng)用發(fā)揮的淋漓盡致，實現(xiàn)高性能無傳感器的起動轉(zhuǎn)矩

補(bǔ)償功能，能使甩梯乘坐更加舒適。驅(qū)動感應(yīng)電機(jī)或同步電機(jī)都能進(jìn)行停止型自

學(xué)習(xí)，內(nèi)置電梯專用時序，可拆卸式端子盤，使得調(diào)試、維護(hù)更加簡單方便。同

時具rr自動轉(zhuǎn)矩提升功能，滿足電梯各種過負(fù)載試驗，多種安全功能及長壽命的

設(shè)計，使產(chǎn)品更具安全、高可靠性。

5.4.3旋轉(zhuǎn)編碼器

通過編碼潛與變頻器連接可以準(zhǔn)確的獲得電梯實際運動的速度以提高控制

精度。

旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將

輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出。編碼器可

分為:增量脈沖編碼器（1SPC）,