基于西门子PLC电梯控制系统设计

中图分类号： 密级： UDC： 编号：

毕业设计

设计题目名称：基于PLC的电梯控制系统设计

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指导教师： 评 阅 人： 机电一体化 机电10-1 3年 专科

论文（设计）提交日期： 2013 年 6 月 15 日

论文（设计）答辩日期： 2013 年 6 月 19 日

江

苏建筑职业技术 学院 二○一 三 年 六月 十九日

摘要

电梯是高层建筑不可缺少的运输工具，用于垂直运送乘客和货物，传统的电梯控制系统主要采用继电器—接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用 PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。目前在电梯行业已得到广泛应用。采用PLC对电梯进行控制，通过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文在介绍电梯基本结构的基础上，阐述了电梯的拖动原理和控制原理及可编程控制器PLC在电梯控制中的应用。设计出电梯控制系统总体运行方案，并选定西门子S7-200PLC，并根据控制要求列出了具体的硬件电路及I/O分配表，绘制出了硬件接线图。在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，最后设计出系统运行流程图，结合软件，编制梯形图，调试后实现了指层、厅召唤、选层选向等功能。

关键词：电梯控制 PLC 梯形图

目录

第1章绪论 ........................................................... 1

1.1电梯的国内外发展状况 .......................................... 1

1.2课题的研究背景及意义 .......................................... 2

1.3 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景 ............................ 3

1.4课题研究的内容 ................................................ 5

第2章电梯的机械部分设计 ............................................. 6

2.1电梯的主要参数及性能指标 ...................................... 6

2.2电梯的种类 .................................................... 8

2.3电梯的原理 .................................................... 8

2.3.1电梯的结构原理 ........................................... 8

2.3.2电梯的工作原理 .......................................... 11

第3章电梯运行总体设计 .............................................. 12

3.1 PLC控制系统方案设计 ......................................... 12

3.1.1电梯控制系统结构设计 .................................... 12

3.1.2电梯信号控制系统设计 .................................... 13

3.1.3电梯控制系统实现的功能 .................................. 13

3.2电梯曳引方案及门电机电路图 ................................... 14

3.3可编程控制器(PLC)的选择 ...................................... 14

3.3.1可编程控制器(PLC)的特点 ................................. 14

3.3.2 PLC的选型 .............................................. 15

第4章电梯的硬件设计 ................................................ 19

4.1电梯的控制要求 ............................................... 19

4.2输入/输出点分配 .............................................. 20

4.3 PLC外部接线图 ............................................... 21

第5章电梯软件设计 .................................................. 23

5.1 PLC的编程语言 ............................................... 23

5.2系统运行流程图 ............................................... 24

5.3梯形图 ....................................................... 25

5.3.1外指令信号登记及消除 .................................... 25

5.3.2内指令信号登记及消除 .................................... 26

5.3.3电梯的平层信号处理 ...................................... 28

5.3.4选层定向及反向截梯 ...................................... 28

5.3.5各楼层停车信号 .......................................... 35

5.3.6自动开关门 .............................................. 36

第6章结论与展望 .................................................... 39

6.1结论 ......................................................... 39

6.2展望电梯发展方向 ............................................. 39

参考文献 ............................................................ 40

致谢 ................................................................ 41

第1章绪论

1.1电梯的国内外发展状况

在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。总趋势是上升的，目自口进入了“第三次浪潮”，2004年总产量超过了8万台，而且目前还没有减速的迹象。全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。到2005年，中国电梯的年产量达到13．5万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长17．8％。2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台。如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!

我国电梯行业已经具备了很强的生产能力。兴旺的电梯市场吸引了全世界所有的知名电梯公司，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13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74％。先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。苏州江南、山东百斯特、浙江巨人、上海华立、昌华、东莞飞鹏、宁波宏大、苏州申龙和东南液压电梯等一批优秀的电梯品牌看清了自己的定位与出路。目前国内市场需要的电梯产品，我国电梯行业几乎全部可以生产，不但大量替代了进口，而且有一定的出口。国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。自1985年我国参加了国际标准化组织ISO/TCl78以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点使我国电梯行业在技术上居于有利地位。许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的1/50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。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[1]。

1.2课题的研究背景及意义

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，迄今己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。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，同益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，在机械、化工、石油、冶会、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业德到广泛应用。PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业[2]

先进水平的重要标志之一。

总之，电梯的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，将使得它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件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，它已经成为电梯运行中的关键技术。 [3]

1.3 PLC在电梯控制中的应用以及发展前景

目前，在电梯的控制方式上，主要有继电器控制、PLC控制和微型计算机控制三种。而PLC实际上是一种专用计算机，它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，而且依靠程序运行，这就保证只有正确的程序才能运行，否则电梯不会工作。又由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC系统内存工作单元，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。PLC控制是三种控制方式中最具有可靠性、实用性和灵活性的控制方式，它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统的更新换代，是电梯控制系统中理想的控制新技术。

随着科技的进步，电梯也更加安全、舒适。然而，人们的追求并没有就此停止下来，仍在不断地进行研究改进。绿色是和平，绿色是天然，绿色是和谐。电梯是载人的机电设备，要实现“绿色”，也就是强调电梯更舒适、更安全地为人类的生产和生活服务，强调电梯与环境的协调与和谐。

目前意义上的“绿色”，一般是强调“天然”的一面，强调与环境的协调与和谐。电梯属于纯粹的工业产品，其天然性应表现为对环境影响的尽可能小，与环境的协调与平衡，以及电梯本身的人性化。这也应是绿色电梯的发展方向。

(1)智能化。我们这里所说的智能化电梯是传统的人工智能是无法胜任的。传统的智能控制是一种技术的事先安排，说到底是一种程序控制，是一种周期性的系统自动控制，实际上还算不上智能。而真正的智能电梯应更具人性化特点，不仅具有传统的人工智能的所有优点，而且还有传统的人工智能无法比拟的东西，具有动念和随机处理各种问题的能力。诸如能根据轿厢内的情况和各层的候梯信息，自动地制定每次最优的运动速度和停车政策；自动选择运动方面；双向语音交流；到达目的层的语音提示等，让乘客有更多的主动性，使大楼交通运输实现真正的人机对话。智能化要求电梯有自动安全检测功能，让电梯自己能够检测到电梯的故障所在，并及时报警予以排除。

[5][4]

(2)安全。运行安全是电梯的根本和关键。可以说，电梯的全部其他工作都是以此为中心展开的，使电梯安全运行更有保障。运行安全不仅要消除电梯启动时较强的电磁辐射，使用安全材料和运行稳定，而且要有一种良好的视觉效果，让每一位乘客在宽敞、明亮轿厢内有安全、舒适的好心情。

(3)与环境的协调和平衡，包括以下几个方面：

①视觉协调。有人曾经做过环境色彩是否对人有影响的研究。该研究发展：视觉不协调的环境色彩对人的情绪、精神影响非常大。色彩宜人，格调高雅，制作精良的电梯，乘客自然会有一种安全的感觉，有一种视觉上的舒适。②消除电磁辐射。如前所述，由于电梯是大楼里频繁起制动的大容量电器是电磁干扰的元凶，所以绿色电梯必须是一个达到自身对大楼电磁干扰最小，而又不被其他电磁干扰影响的建筑机电设备。这样不仅可以保证乘客的身心健康，而且也可以保证大楼、大厦中的大楼的办公自动化(0A)、楼宇自动化(BA)、通讯自动化(CA)的正常运转。③舒适感。通过采用高载频波矢量静音变频器，可降低噪声变换频率及电压。以CPU控制电压及频率的连续变换方式，按人体生理适应要求，利用计算机优化设计而成的理想运行曲线，实现更稳定、更舒适的运行。

[6]

图1-1电梯运行速度曲线

随着时代的发展，对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内，心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。因此，提倡对电梯进行豪华性装修。

1.4课题研究的内容

课题所研究的内容主要是用可编程控制器（PLC）改造在用电梯自动控制系统。由于大部分老式电梯的电控系统可靠性欠佳，用户寻求对电梯的电控系统进行改造，以节约资金。因此，对电梯控制技术进行研究，找出一条适合国产老式电梯的改造之路，并进而提高国产电梯的技术水平和质量，具有十分重要的意义。

针对老式电梯采用的继电器逻辑控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯。

论文的主要内容如下：

首先对电梯系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。接着阐述了电梯控制系统的分类及特点，电梯的控制系统分为调速和信号控制两大部分。确定了系统的总体结构，由 PLC 来实现电梯信号控制，完成了电机和可编程控制器（PLC）的选择。然后是系统硬件开发，完成了 PLC 的选型、I/O 点数分配与 PLC 的连接。最后是系统软件设计，设计出电梯运行流程图，利用编程软件，编制梯形图。

第2章电梯的机械部分设计

2.1电梯的主要参数及性能指标

1.性能指标：

(1)安全性

电梯时运送乘客的，即使载货电梯通常也有人相伴随，因此对电梯的第一要求就是安全。电梯的安全与设计、制造、安装调试及检修各环节都有密切联系，任何一个环节出了问题，都可能造成不安全的隐患，以致造成事故。

(2)可靠性

电梯的可靠性很重要，如果一部电梯工作起来经常出故障，就会影响人们正常的生产与生活，给人们造成很大的不便，不可靠也是事故的隐患，常常是不安全的起因。要想提高可靠性，首先应提高构成电梯的各个零部件的可靠性，只有每个零部件都是可靠的，整个电梯才能使可靠的。

(3)停站的准确性

停站准确性又称平层准确度，平层精度。GB/T10058-1997《电梯技术条件》对轿厢的平层准确度规定如下：

电梯轿厢的平层准确度与电梯的额定速度，电梯的负载情况有密切关系。负载重，则惯性大，提速高惯性也大。因此检查平层准确度时，分别以空载，满载，上下运行，到达同一层站停测量平衡误差，取其最大值做平层站的平层准确度。

(4)振动、噪声及电磁干扰

现代电梯是为乘客创造舒适的生活和工作环境。因侧要求电梯运行平稳，安静，无电磁干扰。

(5)舒适感和快速感

电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的，快速可以节省时间，这对于快节奏的现代生活中的乘客是很重要的。但是加速度和减速度的过分增大的不合理变化又会造成乘客的不适感。因此在电梯设计时就要兼顾快速性和舒适感这两个互相矛盾的因素。

(6)节能

现代电梯应该合理的选择拖动方式，以达到节能的目的

2.主要参数：

(1)额定载重量（kg）：制造和设计规定的电梯载重量。

(2)轿厢尺寸（mm）：宽×深×高。

(3)轿厢形式：有单或双面开门及其它特殊要求等，以及对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电风扇、电话的要求等。

(4)轿门形式：有栅栏门、封闭式中分门、封闭式双拆门、封闭式双拆中分门等。

(5)开门宽度（mm）：轿厢门和厅门完全开启的净宽度。

(6)开门方向：人在厅外面对厅门，门向左方向的为左开门，门向右方向开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称为中分门。

(7)曳引方式：常用的有半绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。半绕2：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半。全绕1：1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度。

(8)额定速度（m/s）：制造和设计所规定的电梯运行速度。

(9)电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等。如交流电机拖动或直流电机拖动，轿内按钮控制或集选控制等。

(10)停层站数（站）：凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站。

(11)提升高度（mm）：由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离。

(12)顶层高度（mm）:由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的垂直距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。

(13)底坑深度（mm）：由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。

(14)井道深度（mm）：由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间的垂直距离。

(15)井道尺寸（mm）：宽×深。 [7]

2.2电梯的种类

2003年2月19日国务院颁布了《特种设备安全监察条例》，明确规定电梯是特种设备，并对电梯的含义做了叙述：“电梯是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级(踏板)进行升降或者平行运送人、货物的机电设备”。这种对电梯的论述，被称作广义电梯概念，既包括上下运送人、货物的升降式电梯，也包括用于水平或倾斜输送乘客的自动人行道(英语Passenger Conveyor)和自动扶梯(英语Escalator)。

现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等。

目前，电梯行业及社会上对电梯的分类大致有以下几种：

(1)按用途分： 乘客电梯、载货电梯、客货电梯、病床电梯、住宅电梯、杂物电梯、观光电梯、其他专用电梯。

(2)按额定速度分： 低速梯，常指低于1.00m/s速度的电梯；中速梯，常指速度1.00～2.00m/s的电梯。高速梯，常指速度大于2.00m/s的电梯。超高速梯，速度超过5.00m/s的电梯。

(3)按拖动方式分：交流电梯、直流电梯、液压电梯、齿轮齿条式电梯、螺旋式电梯。

(4)按控制方式分：手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、向下集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、智能控制电梯。

其他分类方式还有：按电梯有无司机分类等。 [9][8]

2.3电梯的原理

2.3.1电梯的结构原理

电梯是机、电一体产品,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，图2-1所示是电梯的基本结构图。

1—控制柜(屏) 2一曳引机 3—曳引钢丝绳 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

图2-1 电梯的基本结构

1.四大空间

从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：依附建筑物的机房、井道；运载乘客或货物的空间——轿厢；乘客或货物出入轿厢的地点——层站。即机房、井道、轿厢、层站。

2.八大系统

(1)曳引系统

电梯曳引系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。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，采用复绕型还可以增加曳引力。

(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，轿厢顶以及照明通风装置，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。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是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。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置对曳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。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，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同一平面的操作。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，厅门指示灯还用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。

2.3.2电梯的工作原理

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。

第3章电梯运行总体设计

3.1 PLC控制系统方案设计

3.1.1电梯控制系统结构设计

电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图3-1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等[11]。系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号[12]。

图3-1电梯PLC控制系统的基本结构图

电梯的安全保护装置用于电梯的启停控制；轿厢操作盘用于轿厢门的关闭、轿厢需要到达的楼层等的控制；厅外呼叫的主要作用是当有人员进行呼叫时，电梯能够准确达到呼叫位置；指层器用于显示电梯达到的具体位置；拖动控制用于控制电梯的起停、加速、减速等功能；门机控制主要用于控制当电梯达到一定位置后，电梯门应该能够自动打开，或者门外有乘电梯人员要求乘梯时，电梯门应该能够自动打开。

3.1.2电梯信号控制系统设计

电梯信号控制基本由PLC软件实现。输入到PLC的控制信号有运行方式选择（如自动、有司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信号、开关门及限位信号、门区和平层信号等[13]。

3.1.3电梯控制系统实现的功能

电梯的控制系统实现如下功能：

(1)行车方向由内选信号决定,顺向优先执行。

(2)行车途中如遇呼梯信号时,顺向截车,反向不截车。

(3)内选信号、呼梯信号具有记忆功能,执行后解除。

(4)内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示。

(5)停层时可延时自动开门、手动开门、(关门过程中)本层顺向呼梯开门。

(6)延时自动关门,关门后延时等待内选，自动行车。

(7)行车时不能手动开门或本层呼梯开门,开门不能行车。

3.2电梯曳引方案及门电机电路图

曳引电梯是当今世界应用最为广泛的梯型，具有安全可靠、提升高度大、结构紧凑等优点。曳引电梯最常用的曳引比有1：1和2：1两种，本设计出于降低对电机的要求的考虑，采用了2：1的曳引方案[14]。

根据设计要求，本次设计的电梯控制系统主回路原理图如图3-3所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1~KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流保护作用。

图3-3 电气控制系统主回路原理图

3.3可编程控制器(PLC)的选择

3.3.1可编程控制器(PLC)的特点

1.可靠性高，抗干扰能力强

PLC是为工业控制而设计的，除了对器件的严格筛选外，在硬件和软件两个方面还采用可屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到(3～5)×104h以上

2.编程直观、简单

考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，PLC没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用了一种面向控制过程的梯形图语言。梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂，电气工程师和具有一定知识的电气技术人员都可在短时间内学会，计算机技术和传统的继电器控制技术间的隔阂在PLC上完全不存在。因此，许多国家生产的PLC都把梯形图语言作为第一用户语言，此外，还可采用指令表进行编程控制。

3.适应性好

PLC是通过程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可。由于PLC产品已标准化，系列化，模块化，因此能灵活方便地进行系统配置，组成规模不同、功能不同的控制系统。其适应能力非常强，既可控制一台机器，一条生产线，也可控制一个复杂的群控系统；既可以现场控制，又可以远距离控制。

4.功能完善，接口功能强

目前的PLC具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高。其接口功率驱动范围较大，不象普通的计算机输出信号需放大才能驱动负载，极大地方便了用户。其常用的数字量输入输出接口，就电源而言有110 V、220 V交流和5V、48 V直流等多种，负载能力可在0.5～5 A的范围内变化，模拟量的输入输出有±50 MV、±10 V和0～10 MA、4～20 MA等多种规格，可以很方便地将PLC与各种不同的现场控制设备顺序连接，组成应用系统。由于PLC具有以上特点，因此，与传统的继电器—接触器控制和现在流行的电脑控制相比较，在电梯这样的大型电气设备的控制系统中采用PLC实现控制应是最佳选择。近年来，PLC在处理速度、控制功能、通信能力及控制领域等方面都不断有新的突破，正向着电气控制、仪表控制、计算机控制一体化(EIC)方向发展，PLC装置已成为自动化系统的基本装置，是构成FMS、COMC、FA的主控单元[16][15]。 。

3.3.2 PLC的选型

根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器

[17]。本设计再考虑到以下几个方面，因

此选用西门子PLC来实现四层楼电梯的电气控制:

(1)配置简单。各种机型均可采用相同配置，简化设备采购和仓库库存管理。

(2)编程方便。用户可根据不同机型的流程要求编制程序，程序调试和修改都非常简便，能根据客户需求进行变化。程序可采用密码保护，保护自己的劳动成果。而且PLC采用的梯形图语言简单易学，容易上手，不像单片机控制系统那样复杂而且一旦定型不易修改，不能根据客户需求变化。

(3)系统能非常方便地连接到PC机监控系统或其他系统如楼宇自控系统中，根据应用情况，有时可无须增加额外硬件就能实现，增加适当硬件可连接到互联网上。

(4)系统外观高档，控制灵活，精确度高，故障率极低，节省维护成本。

综上所述，在本次设计中选用西门子PLC进行过程控制。S7-200CNCPU型号包括CPU222CN，CPU224CN,CPU226CN等。 S7-200CN针对低性能要求的小型PLC，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求，紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。

1.S7-200的特点

S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，属于整体式结构。其特点是：

(1)结构紧凑

(2)扩展性良好

(3)指令功能强大

(4)极高的可靠性

(5)实时特性

(6)强劲的通讯能力

2.S7-200的系统组成

图3-4 S7-200 PLC系统的基本构成

(1)基本单元

基本单元有时又称作CPU模块，也有的称之为主机或本机。它包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等，是PLC的主要部分。它实际上是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。

(2)扩展单元

主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连续的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共同构成的。

(3)特殊功能模块

当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可与S7-200主机相联，已完成某种特殊的控制任务而特制一种装置。

(4)相关设备

相关设备是为了充分和方便的利用S7-200系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面、和网络设备等。

(5)工业软件

工业软件是为了更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要是由标准工具、开发工具、运行软件和人机接口等几大类构成。

3.S7-200的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段

(1)输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(2)用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的[18]。

结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (3)输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

第4章电梯的硬件设计

4.1电梯的控制要求

上行要求：

1.当电梯停于1层或2层、或3层时，按S4按钮呼梯则电梯上升至LS4停。

2.当电梯停于1层，若按S2按钮呼梯，则电梯上升LS2停，若按S3按钮呼梯，则电梯轿箱上升至LS3停。

3.当电梯停于2层，若按S3按钮呼梯，则电梯上升到LS3停，

4.当电梯停于1层而S2、S3按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3停。

5.当电梯停于2层，而S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4暂停。

6.当电梯、停于1层，而S2、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后，继续上升到LS4停。

7.当电梯停于1层，而S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。

8.当电梯停于1层，而S2、S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。

下行要求：

9.当电梯在4层或3层或2层时，按S1呼梯，则电梯下降到LS1停。

10.当电梯停于4层，若按S3呼梯，则电梯下降到LS3停，若按S2呼梯，则电梯下降到LS2停。

11.当电梯停于3层，若按S2按钮呼梯，则电梯下降到LS2停止。

12.当电梯停于4层，而S2、S3按钮均有人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒后继续下降至LS2停。

13.当电梯停于4层，而S3、S1均有人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒，继续下降到LS1停止。

14.当电梯停于4层，而S3、S2、S1按钮均有人呼梯，则电梯下降到LS3暂停5秒继续下降到LS2暂停5秒后，继续下降到LS1停止。

15.当电梯停于3层，而S2、S1按钮均有人呼梯，则电梯下降到LS2暂停5秒后继续下降到LS1停止。

16.当电梯停于2层，而S1、S3、S4按钮均有人呼梯，则电梯先下降至LS1暂停5秒后，再上升。

17.当电梯停于3层，而S1、S2、S4按钮均有人呼梯，则电梯先下降至LS2暂停5秒后，继续下降到LS1暂停5秒，再上升至LS4停止。

注：选择方向与运行方向不一致时，呼叫无效，内选同上。

4.2输入/输出点分配

为了完成设定的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。本系统为四层楼的电梯,采用集选控制方式。所需输入/输出点数与内存容量估算如下:

1．输入/输出点的估算：

采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮SB1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮SB2和指示灯H2以及下降呼叫按钮SB4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮SB5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮SB6和指示灯H6。一至四层有到位行程开关SQ1～SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮SB10～SB7和指示灯H10～H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关SQ5检测，开门到位由行程开关SQ6检测。轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，上升到位由行程开关SQ7检测，下降到位由行程开关SQ8检测并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。输入点共有20个，输出点共有16个,总共36个。

2. 内存容量的估算

用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量I/O总点数有36个，模拟量I/O数为0个。利用估算PLC内存总容量的计算公式:

存字数=开关量I/O总点数×(10～15)+模拟量I/O总点数×(150～250)再按30%左右预留余量。估算本系统需要约1K字节的内存容量。

综合I/O点数以及内存容量，S7—200的CPU226输入，输出点数为24／16，足以满足要

求。

该系统占用PLC的36个I/O口，20个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如表4-1所示。

表4-1 I/O分配表

4.3 PLC外部接线图

本设计的PLC外部接线图如图4-2所示.CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5~30V（DC）或5~250V（AC）

图4-2 PLC外部接线图

第5章电梯软件设计

5.1 PLC的编程语言

PLC程序是PLC指令的有序集合，PLC运行程序就是按一定的顺序，执行这集合中的一条条指令。指令是指示PLC动作的文字代码或图形符号。使用的编程语言不同，这些文字代码和图形符号就不相同。但从本质上来讲，指令的实质都是二进制机器码。同普通的计算机一样，PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码。

PLC提供了功能较为完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用PLC的编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线，也就是所谓的“可编程序”。

[19]

PLC的编程语言一般有五种：顺序功能图(Sequential Function Chart)、梯形图(Ladder Diagram)、功能块图(Function Block Diagram)、指令表(Instruction List)和结构文本(Structured Text)。其中，顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)是图形编程语言，指令表(IL)和结构文本(ST)是文字语言。梯形图(LD)是目前使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图相似，比较易于掌握、程序表达清楚，本系统PLC程序的编制采用梯形图语言。

5.2系统运行流程图

5.3梯形图

5.3.1外指令信号登记及消除

5.3.2内指令信号登记及消除

点动内呼按钮，信号登记显示。到层信号取消。

本系统设一楼为基站，两分钟内无任何操作，电梯自动返回一楼。

5.3.3电梯的平层信号处理

5.3.4选层定向及反向截梯

1.轿厢上行

2.轿厢下行

3.内指令外召唤信号的保持

轿厢的内呼指令与外召唤指令保持信号，用于在有乘坐需要的楼层停车，并自动或手动

执行开关门操作。开关门执行一次之后，信号取消。使电梯能够继续响应其他乘坐信号。

5.3.5各楼层停车信号

5.3.6自动开关门

如梯形图所示，电梯到层停车后，延时2s开门，5s后自动关门。并设有手动开门按扭和关门

按钮。可实现即时开关门。

第6章结论与展望

6.1结论

此设计主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对四层升降电梯的控制。 利用梯形图可以很直观的看出电梯运行过程。利用可编程控制器控制升降电梯，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当建筑物的层楼增加时，硬件接线上只需增加楼层相应的输入信号。原来的接线不需改变，软件上只需增加相应楼层的功能，要改动的地方也较少。调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。

本次设计达到了预定的设计目的。利用可编程控制器以及双速交流电动机控制技术，通过合理的设别选型、软件设计，提高了电梯运行的可靠性和运行效率，使电梯结构紧凑、噪音降低、维修简单、故障率低，改善了电梯运行的舒适感，并节约了电能。具有一定的经济效益和社会效益。

6.2展望电梯发展方向

（1）无机房电梯 无机房电梯不单单是电梯有无机房的简单局部改进，而是涉及到一系列技术问题，如曳引系统、控制柜、限速器等的安装位置以及轿厢、极限开关、缓冲器等部件，都要进行重新设计，变更部件的尺寸与安装位置也要重新考虑。它是电梯发展过程中的一次意义深远的变革，它所采用的一些关键技术将会被进一步推广用到其它电梯产品上，进而促进整个电梯行业技术的进步。

（2）智能网络化控制 电梯的智能网络化控制随着计算机和通信技术的发展，使得整个大厦实现智能化管理， 电梯被纳入管理范围之内。

（3）远程监控系统 远程监控系统的应用，使得电梯状态监控的智能可以在监控中心就可以监测到电梯的运行状态，监控中心随时可以监控电梯发生的故障，并且可以诊断出故障的类型和发生的位置，使电梯维护更加安全、方便。

除以上几方面外，诸如IC卡的智能管理系统，应用模糊理论和神经网络技术的群管理系统，以及数码技术、声控技术、载波技术等也将在电梯技术领域中得到推广和发展。

参考文献

[1] 李道霖.电气控制与PLC 原理及应用.电子工业出版社，2006

[2] 杨兴瑶.电动机调速的原理及系统[M].水利电力出版社出版，1979.8

[3] 陈伯时,陈敏逊编著.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社，1998.4

[4] 王子文.电梯PLC 控制策略及其程序设计起重运输机械,2006.7

[5] 叶安丽.电梯技术基础(第1版)[M].北京:中国电力出版社,2004

[6] 童梦菊,陈景和.浅谈电梯制动器电气控制及其检验[J].福建质量信息,2007

[7] 姚玉刚.电梯智能控制系统研究[D].长春理工大学硕士学位论文,2008

[8] 陈恒亮.电梯结构与原理[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2005

[9] 张福恩等编著.交流调速电梯原理、设计及安装维修[M].北京:机械工业出版社，1999

[10] 张汉达,朱学莉编著.现代电梯控制技术[M].哈尔宾工业大学出版社发行，2001.3

[11] 钱平.交直流传动系统[M].高等教育出版社，2001.7

[12] 吕宋元.半导体变流技术[M].天津大学出版社出版,2002.9

[13] 顾战松,陈铁年编著.可编程控制器原理与应用[M].北京:国防工业出版社，1996

[14] 杨宁.微机控制技术[M].北京:高等教育出版社，2001.8

[15] 周良全.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，1993.10

[16] 丁树模.机械工程学[M].北京:机械工业出版社,2005.8

[17] 吴中俊.可编程序控制器原理及应用.北京:机械工业出版社,2004

[18] 肖军,孟令军编著.可编程序控制器原理及应用.北京:清华大学出版社,2008

[19] 贺哲荣,曾龙飞编著.流行可编程序控制器梯形图识图入门.北京:机械工业出版社,2008

致谢

三年大学时光伴随着毕业答辩即将画上一个完整的句号。回首这三年的美好岁月，感觉自己收获颇多。在完成了大学最后一项任务后，突然发现不仅是对自己这三年的一个总结，同时也是对三年学习成果的一次考核，更是自己下一步学习的一次演习。

在设计项目的开始阶段，也是我最迷茫的阶段，黄老师给了我很多方向上的建议和指导，使我明确了设计目的。在论文编排阶段，他又给我指出了很多的内容组织上不足和错误之处。毕业设计是一个系统化的工程，在这个过程中我遇到了很多无法靠自己能力以及知识储备来解决的问题，尽管付出了很多努力，但是仍然无法没有明显的进展，这使我明白了协同工作的重要性。一个人的知识面永远都是有限的，在接触到一个全新的领域时，都会遇到很多棘手的问题，这是就要不断地向别人请教和咨询。这次的毕业设计不仅使我了解了很多新的知识，更重要的是我探索和获取知识的能力的到了很大的提高，这跟老师们给我的指导也是分不开的。

还要感谢江苏建筑职业技术学院所有老师在这大学期间给我的培养。不仅使我学到了很多新知识，更重要的是，使我建立起了一套完整的科学思考观，正是有了这样科学的分析和思考问题的方式，才能使我解决毕业设计中遇到的一系列问题，同时这在我以后的生活、学习和工作中也将起到举足轻重的作用。

最后，特别感谢各位老师在百忙中抽出时间评阅我的论文。

谢谢大家支持。