电梯控制系统
Theelevatorcontrolsystem
毕业设计（论文）的题目为：电梯监控系统的研制，其中包含控制程序 PLC 实现的部分。
毕业设计（论文）的内容及要求包含诸多方面，其中包括原始数据、技术要求、需要达到的指标以及应当进行的实验等，主要内容如下：
1．熟悉电梯的基本概况；
2．学习和掌握PLC编程的基本原理和方法；
3．理清电梯系统业务流程的逻辑关系；
4．软件编制、仿真分析、总体调试。
设计要求：
1．控制对象：电梯；
2．控制策略：采用西门子PLC。
编程仿真工具：
STEP7（V5.4）
二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）
毕业设计论文；
英文翻译；
程序代码。
自 2010 年 03 月 08 日开始，到 2010 年 06 月 25 日截止，这期间的进度安排如下：
2010 年 3 月 8 日至 3 月 19 日期间，进行资料的收集工作，同时对收集到的资料进行消化处理，在此过程中了解系统设计的相关要求。
03.20－04.10:系统总体方案设计，软件设计；
04.11－05.08:编制控制软件、局部调试；
05.09－05.24:总体调试、系统优化；
05.25－06.15:撰写毕业设计论文；
06.16－06.19:毕业设计答辩。
四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:
邱道尹所著的《S7 - 300/400PLC 入门和应用分析》由中国电力出版社于 2008 年 01 月出版。
柴瑞娟等人所著的《西门子 PLC 编程技术及工程应用》由机械工业出版社于 2007 年 07 月出版。
廖映华的 PLC 在电梯模型控制系统中得到了应用。该应用发表于《电气技术与自动化》2007 年第 9 卷第 1 期，页码为 114 至 116 页。
系(教研室)主任：（签章）年月日
学院主管领导：（签章）年月日
论文摘要
本文将介绍一种电梯 PLC 控制系统。电梯属于垂直方向的运输设备，在高层建筑中是不可或缺的交通运输设备。它借助电力，拖动一个能够载人或载物的轿厢，在建筑的井道内导轨上进行垂直升降运动，在人们的生活中有着极为重要的作用。同时，控制电梯运行的 PLC 系统也对其性能提出了越来越高的要求，需要实现电梯运行的“稳、准、快”的运行目标。该系统主要包含 PLC 和逻辑控制电路。其中有交流异步电动机，还有继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器等，它们组合成了一个控制系统，并且包含变频器。本机的控制单元使用以西门子的可编程控制器 PLC 来对机器进行整个过程的控制。
整个系统利用 PLC 和逻辑控制电路来对电梯进行升降控制；对电梯的加、减速进行控制；对电梯的平层进行控制；对电梯的起动、制动进行控制。该系统结构较为简单，运行效率较高，平层精度也较高，并且易于被理解和掌握。
关键词：
PLC控制系统电梯逻辑控制电路变频器
Abstract
KeyWords:
目录
TOC\o"1-3"\u第一章绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2电梯控制系统研究的现状2
1.3论文的主要内容3
第二章电梯的基本结构及控制原理4
2.1电梯土建的基本结构4
2.2电梯的机械基本结构4
2.3电梯电气系统的基本结构6
2.3.1、电梯的拖动系统6
2.3.2电梯的控制系统8
2.4电梯控制系统的原理与要求8
第三章PLC的结构及基本指令11
3.1PLC的结构原理11
3.1.1、PLC的硬件系统结构11
3.1.2、可编程控制13
3.2 PLC的工作原理14
3.2.1 PLC的等效工作电路14
3.2.2、PLC的工作原理15
3.3 PLC的软件系统16
3.4 STEP 7编程软件的编程语言及基本指令17
3.4.1 STEP 7编程软件的编程语言17
3.4.2 STEP 7编程软件的基本指令18
第四章 PLC在交流调速电梯上的应用19
4.1 电梯控制系统构成19
4.2 电梯控制硬件设计19
4.3电梯设计流程图22
4.4 控制系统软件设计23
4.4.1创建项目24
4.4.2硬件组态（配置机架）26
4.4.3符号表编辑27
4.5 电梯仿真调试过程27
4.5.1电梯开关门27
4.5.2 层楼信号的产生于消除30
4.5.3 内选指令的登记与消除31
4.5.4 外呼信号的登记与消除32
4.5.5 电梯上下行定向33
4.5.6 电梯启制动调速运行36
结 束 语37
参考文献39
附录40
第一章 绪论
1.1课题研究的背景
电梯是将多种学科和技术集于一体的机电设备，包括机械原理应用、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。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体化设备，由许多机械构件以及由电子、电气、大规模集成电路组成的微型计算系统和声、光控制部件组成。那么电梯到底具备哪些功能呢？我们从按下电梯按钮开始，接着电梯完成运行，然后走出电梯轿厢。在这个过程中，实际上包含了电梯的诸多功能，比如电梯会进行定向选层，会起动并加速，会稳速运行，会到站减速，会平层停车，还会开关门。此外，还有检修功能、安全保护功能、消防功能以及楼层显示等功能。
从电梯控制系统的实现方法来看，电梯的控制系统曾有过继电器控制这种形式，也有可编程序控制（PLC）这种形式，还有单片微机控制这种形式，以及多微机控制这种形式。继电器控制系统在 80 年代应用广泛，是一种电梯控制方式。它具有控制逻辑线路简单、直接且易于理解和掌握的优点。然而，这类系统由众多继电器、接触器构成，使用一段时间后，其接触点常出现接触不良的情况。正因如此，电梯故障发生率高，众多的继电器、接触器动作时噪声较大，整个控制柜的体积也比较大。多微机系统在电梯控制系统中得到应用后，电梯控制发生了很大变化。微机在电梯中的应用，取代了大部分继电器和选层器，使整个系统更可靠，灵活性更高，功能也大大增强。然而，微机集成度高，功能项目固化，一般的维修人员和工程人员无法修改或增加其功能。若要修改或增加其功能，就需要找生产厂家或使用专用工具。可编程序控制器能够取代由继电器构成的电梯控制系统。它可以实现由继电器所能够实现的逻辑控制功能。同时，它具有触点少、可靠性高、故障率低以及维修方便、噪声小等优点。最为重要的是，可编程序控制系统的“可编程”功能使得在改变电梯控制功能时，只需更改程序就可以了。PLC 的编程语言各不相同，然而它们都具有通俗易懂且便于自学的优点，一般的维修及工程人员都能够掌握。PLC 电梯控制系统比较适合用于小高层的楼房。
1.2电梯控制系统研究的现状
电梯的出现给人们的生活带来了很大的便利。城市建设持续发展，高层建筑的数量不断增加。电梯在国民经济和生活中的应用越来越广泛，它作为高层建筑中垂直运行的交通工具，已经和人们的日常生活紧密相连。经济高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术随之迅速发展，这促使交流变频调速电梯控制系统迈入崭新时代。电梯的运行依据外部呼叫信号以及自身控制规律等。呼叫具有随机性。电梯是一个人机交互式的控制系统。单纯用顺序控制或逻辑控制无法满足控制要求。所以，电梯控制系统采用随机逻辑方式进行控制。目前电梯的控制通常采用两种方式。其一，运用微机当作信号控制单元，负责完成电梯信号的采集，以及对运行状态和功能进行设定，以此实现电梯的自动调度与集选运行功能，而拖动控制则由变频器来完成。其二，采用可编程控制器（PLC）来取代微机，进而实现信号集选控制。从控制方式以及性能方面来看，这两种方法不存在太大的差异。国内厂家大多倾向于第二种方式。原因是其生产规模相对较小，若自己设计和制造微机控制装置，成本会比较高。而 PLC 具有可靠性高、程序设计便捷灵活、抗干扰能力强以及运行稳定可靠等特性。正因如此，如今的电梯控制系统普遍采用可编程控制器来达成。人们生活水平不断提升，对电梯的要求也随之提升。为达成提升人们生活质量的目的，电梯的智能化与自动化技术得以迅速发展。尤其在技术、微电子以及电力电子技术飞速进步的情况下，现代电梯的技术含量持续提高。在提升电梯性能的同时，也对电梯的设计、管理以及维护人员提出了更严格的要求。
1.3 论文的主要内容
电梯的控制具有控制量多、逻辑性强、随机性大这些主要特点。对于 PLC 控制设计而言，电梯控制系统实用性很强且具有典型性。研究和分析电梯的逻辑关系，然后实现控制，对于理解和学习 PLC 都有很好的意义。
控制电梯运行的 PLC 系统需达成电梯运行“稳、准、快”的目的。该系统主要由两部分构成，一是 PLC，二是逻辑控制电路。此系统包含交流异步电动机、继电器、接触器、行程开关、按钮、发光指示器以及变频器等，它们共同组成了一个控制系统。本机的控制单元运用西门子公司的可编程控制器 PLC 对机器进行全流程控制。整个系统利用 PLC 和逻辑控制电路来对电梯的开关门进行控制，对电梯的升降进行控制，对电梯的加、减速进行控制，对电梯的平层进行控制，对电梯的起动、制动进行控制。要求系统具备结构简单的特点，具备运行效率高的特点，具备平层精度高的特点，并且要能够易于被理解和掌握。最后通过西门子 PLC 调试软件来进行调速，以满足设计所需要的要求。
第二章 电梯的基本结构及控制原理
电梯是一种机电一体化的设备，较为复杂。一台完整的电梯主要由土建部分、机械部分和电气部分构成。
2.1 电梯土建的基本结构
土建部分大致由机房，井道，底坑组成。
电梯机房通常设在建筑物的顶楼。机房内有轿厢控制柜、电梯曳引主机、导向轮、防止电梯超速的限速器以及电梯的总电源盒等部件。
电梯井道位于机房曳引机的上方，它是贯穿建筑物通体高度的方形直通道空间。在井道的侧壁上安装有竖直的导轨，这些导轨的作用是引导轿厢和对重运动，为它们提供运动的空间。
底坑是井道的底部平面，它低于建筑物的最低层地面。主要用于安装电梯轿厢和对重缓冲器，这样在轿厢冲顶或蹲底时，就有缓冲的空间来起到减速缓冲的作用。
2.2 电梯的机械基本结构
机械部分主要包含以下部件：曳引主机；导向轮；曳引钢丝绳以及绳头；限速器和安全钳；导轨以及导靴；电梯轿厢；开关门连杆装置；层门以及门锁；缓冲器。
一、曳引机：
电梯轿厢升降的主拖动机械是它，它由电动机、制动器、减速箱（无齿轮曳引机没有减速箱）、曳引轮以及底座等部分组成。
二、曳引钢丝绳：
电梯的曳引钢丝绳通常会选用电梯专用的西鲁式钢丝绳，这种钢丝绳有 6X19S+NF 或者 8X19S+NF 这两种类型。
三、导向轮：
导向轮在半绕时，通俗地被称为过桥轮。导向轮在全绕式时，被称作抗绳轮。导向轮的作用是调整钢丝绳与曳引轮之间的包角大小，同时也能调整轿厢与对重的相对位置。
四、限速器-安全钳：
限速器 - 安全钳装置包含限速器、限速钢丝绳、安全钳、底坑张紧轮这四个部分。在电梯中，限速器与安全钳是成对出现并被使用的，它们是电梯中极为重要的一道安全保护装置。其作用在于，当电梯出现超速、打滑、断绳、控制失控等情况时，能够发挥安全保护的作用。
五、导轨-导靴
导轨是电梯轿厢和对重的导向部分，导靴也是电梯轿厢和对重的导向部分。电梯导轨的材料大多采用普通碳素钢 A3F 轧钢，这种材料需要具备足够的强度和韧性，以确保在受到强烈冲击时不会发生断裂。
导靴是轿厢与对重沿着导轨上下移动的导向装置。
六、电梯轿厢
其宽度和深度根据电梯的实际载重量来确定。
七、开门机及开关门机构
自动开门安装在轿顶且靠近轿门的位置。它是由电动机通过减速装置来带动的，这个减速装置可以是齿轮传动，也可以是蜗轮传动，还可以是带齿胶带传动。电动机带动曲柄杆机构，从而实现开门和关门的动作。
八、层门
层门是电梯在各楼层的停站之处，也是供乘客或货物进出电梯轿厢并通向各层大厅出入口的门，它又被称为厅门。层门由门框、门板、门头架、吊门滚轮、层门地坎和门联锁等部分构成。门框由门楣（门导轨或门上坎）以及左右立柱组成。
九、对重装置
重装置的作用在于，利用自身的重量来平衡轿厢侧所悬挂的重量。其作用具体包含：
（1） 减少电梯曳引机的输出功率；
减少曳引轮与钢丝绳之间的摩擦，从而增加曳引力；使钢丝绳的寿命得以延长。
如果电梯处于“冲顶”状态或者处于“蹲底”状态，那么会使电梯失去曳引条件，这样就能避免冲击到井道顶部。
（4） 使电梯的提升高度不像强制式驱动那样受到限制。
2.3 电梯电气系统的基本结构
电梯电气系统有两大系统组成：电梯的拖动系统和控制系统组成。
2.3.1、电梯的拖动系统
目前，常用的电梯拖动方式大多是交流拖动。在交流调速方面，方法有很多。在大电梯领域中，应用较为广泛的有交流变极调速、交流调压调速以及交流变压变频调速。
（1）交流变极调速
异步电动机的同步转速就是旋转磁场的转速，为：。当对定子绕组的极对数进行改变时，能够改变同步转速，进而可以使电机转速得到调节。
为了实现变极调节调速，一种方式是在定子上安装两组独立的绕组，每组绕组构成不同的极对数；另一种方式是通过改变绕组接法来实现调速。变极调速适用于载货电梯，因为载货电梯不需要平滑调速。
（2）交流调压调速
异步电动机的轴转速是 n 。当对转差率进行改变时，能够达到调节电动机转速的目的。这些转差功率会消耗在转子电路上，这不仅会使转子发热，还会降低工作效率。
目前电梯上较多使用改变转差率调速的方法是变压调速。这种方法是通过改变定子电压来实现调速目的。变压调速的调速范围较窄，电动机的线性调速范围小。所以电梯上的变压调速会采用闭环控制，以此来提高调速范围。
（3）变频调速
可知，转差率变化不大时，异步电动机的转速基本与某因素成正比。所以，若供电电源的频率能平滑改变，异步电动机的转速就能得到平滑调节。通过改变电源频率来实现调速的这种方法，能得到很大的调速范围以及很好的机械性能，目前电梯上应用最多的调速方式就是这种调速方法。
变频调速主回路由三相交流输入、变频调速驱动、曳引机和制动单元组成。三相电源的 R、S、T 经接线端子进入变频器，从而为其主回路和控制回路提供电力。变频器的输出端为两相电，该两相电连接电动机的快速绕组。外接制动单元，这样就减少了制动时间，并且加快了制动过程。旋转编码器的作用是检测电梯的运行速度和运行方向。变频器会把实际速度和变频器内部的给定速度进行比较。通过这种比较，变频器能够调节自身的输出频率及电压。这样一来，电梯的实际速度就能跟随变频器内部的给定速度，进而达到调节电梯速度的目的。
图一 变频调速曲线图
2.3.2 电梯的控制系统
电梯的控制系统由以下几部分构成：有开关门的控制；有轿内指令的登记与消号；有厅外召唤的登记与消号；有定向选层的线路；有启动的线路；有减速平层的线路；有检修运行的线路；有消防运行的线路；还有主控回路等。这些部分一起构成电梯的控制系统，从而实现电梯的登记、开关门、启动、运行、减速、平层等各种功能。
2.4 电梯控制系统的原理与要求
（1）电梯位置的确定与显示
轿厢中的乘客需要知道电梯的位置，门厅中等待乘坐电梯的人也需要知道电梯的位置。所以轿厢设有显示楼层标志的电梯位置显示装置，门厅也设有显示楼层标志的电梯位置显示装置。另外，电梯的运行需要更加准确的电梯位置信号，这样才能满足制动停车等控制的需要。传统电梯的位置信号通常是由设置在井道里的位置开关来提供的，比如磁感应器。当轿厢上安装的隔磁板插入到感应器当中时，就会发出位置信号，同时也会启动楼层指示。
（2） 轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号
司机及乘客能够按下轿厢内操作盘上的选层按钮，以此选定电梯运行的目的楼层，这就是内选信号。当按钮被按下后，该信号会被记忆起来，并且会使相应的指示灯点亮。在门厅等待电梯的乘客可以按下门厅的上行召唤信号或者下行召唤信号，这便是外唤信号。该信号需要被记忆，并且要点亮门厅的上行指示灯或者下行指示灯。按照电梯集选控制原则，当电梯上行时，应当响应层站的上呼叫信号；当电梯下行时，应当响应层站的下呼叫信号。在电梯上行时，要保留层站的下呼信号；在电梯下行时，要保留层站的上呼信号。这些被保留的信号，在其要求得到满足时，能够自动消号。
（3）电梯自动运行时的信号响应
电梯自动运行时，会依据内选信号以及外唤信号，来决定电梯运行的方向。电梯会按照这些信号所指示的情况，确定其运行的方向。电梯的运行方向由内选和外唤信号所决定，在自动运行状态下亦是如此。在定向过程中，要将电梯轿厢内乘客想要前往的层楼位置信号与电梯所处层楼的位置信号进行比较。同时，各层楼大厅乘客的召唤信号位置也需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被当作输入信号，与电梯位置信号进行比较。如果是在电梯位置信号上方方向的轿内召唤信号或者层楼厅外召唤信号，那么电梯就处于上行状态；如果是在电梯位置信号下方方向的召唤信号，那么就确定为下行状态。规定在运行方向确定后，只有同方向的才能截梯，不同方向不能截梯，也不响应中途的方向呼唤要求，要到达本反方向的最远战点才开始返程。需保持最远层楼召唤信号所要求的电梯运行方向，不能轻易更改，以此保证最高层楼（或最低层楼）乘客乘用电梯，只有在电梯完成最远层楼乘客的要求后，才能改变电梯运行方向。同时轿内指令信号具有优先性，会优先于各层楼厅外召唤信号来进行定向。也就是说，当空轿厢电梯被某层厅外乘客召唤并到达该层后，该层的乘客就可以进入电梯轿厢，然后按下指令按钮，让电梯确定上行方向（或下行方向）。如果该乘客已经进入轿厢，并且电梯门还未关闭，在还没有按下指令按钮之前（也就是电梯还没有确定方向的时候），出现了其他层楼的厅外召唤信号。如果这个召唤信号指令电梯的运行方向与已经进入轿厢内的乘客要求指令电梯的运行方向不同，那么电梯的运行方向应该由已经进入轿厢内的乘客的要求来定向，而不是根据其他层楼厅外乘客的要求来定向。
（4）轿厢的启动与平层
轿厢在确定了运行方向且门已关好后启动运行。其运行分为两个阶段，初始阶段是加速运行阶段，之后是稳定运行阶段。
（5）轿厢的平层与停车
轿厢运行后要确定在某一层站停车。平层就是在停车时，轿厢的平层停车过程要在轿厢底面与停车楼面平齐之前开始。这个过程先是减速，接着是制动，目的是满足平层的准确性和乘客的舒适感。传统电梯的平层开始信号是由平层感应器发出的。平层感应器分为上平层感应器和下平层感应器，它们安装在轿厢顶部，隔磁板则安装在井道壁上。上行时，上平层感应器先插入隔磁铁板，接着发出减速信号，电梯随之开始减速。到下平层感应器插入隔磁铁板时，会发出开门及停车信号，电动机停转且抱闸抱死。下行时，下平层感应器先插入隔磁铁板，发出减速信号后，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。
第三章 PLC的结构及基本指令
3.1 PLC的结构原理
可编程序控制器，简称 PLC。它是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的产品。它逐渐发展，以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融合在一起，成为一种新型的工业自动装置。它具有可编程的特性，编程方式灵活且简单。它具备在恶劣环境中工作的能力，抗干扰性强，适应性也强。它的体积较小，重量较轻，价格较为低廉等。这些特点使得它在工业控制应用方面越来越广泛，在电梯控制系统中的应用也不例外。
不同生产厂家生产的可编程逻辑控制器，其结构各不相同。然而，它们的基本组成原理却是相同的。
3.1.1、 PLC的硬件系统结构
从硬件方面来讲，PLC主要包含的部分有：CPU，它在其中起着重要作用；还有存储器，用于存储相关数据；以及 I/O 接口，负责与外界进行输入输出交互；另外还有电源，为整个系统提供电力支持；以及编程器，用于编写和调试程序。
图二 PLC硬件的基本结构
（1）CPU板
CPU 板是 PLC 的核心部件，其中包含微处理器 CPU、存储器（包括 ROM 和 RAM）、并行接口 PIO、串行接口 SIO 以及时钟控制电路等。时钟及控制电路的功能是产生脉冲以及各种控制信号。
（2）输入/输出电路
输入电路一般有两种形式，分别是直流输入电路和交流输入电路。输入电路的作用在于接收现场输入设备送来的控制信号，接着通过光电耦合器进行隔离，将其转换成 PLC 内部的标准电平信号，随后由 CPU 读入并传送到输入映象寄存器中，以便供程序执行使用。
输出电路的作用在于把 PLC 的输出控制信号给予外部输出设备，凭借输出设备来对被控制对象进行工作控制。输出电路有三种形式。一种是继电器形式，通过控制继电器的线圈，让其触点通断，以此来控制输出设备，从而实现电气隔离。另一种是晶体管输出型，借助光电耦合器使输出开关晶体管通断，进而对输出设备进行控制。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）存储器扩展接口
存储器扩展接口的作用是连接用户程序存储器以及数据存储器的扩展卡盒。第三种是 EEPROM 卡盒，它是电可擦除存储器，其写入和擦写只需专用编程器。
（4）I/O扩展接口
从而使 PLC 的功能得到大大增强。
（5）编程器及其接口
编程器的作用是进行程序及数据的输入、编辑、调试和检测。当 PLC 处于正常运行状态时，通常不需要编程器。所以，编程器被设计为独立的部件。为了能够对 PLC 进行编程和调试，在 PLC 上特意设置了一个编程接口，借助这个接口可以连接各种类型的编程器。编程器的种类较为繁多。其中较为常见的有便携式手持编程器。还有专用智能编程器。另外，通过计算机以及专用接口，能够实现对 PLC 的编程。
（6）电源
PLC通常采用 220V 的交流电源。电源部件的作用是把交流电进行转换，转换成能供 PLC 的中央处理器以及存储器等电子电路工作所需要的直流电源，这样就能让 PLC 正常工作。
3.1.2、可编程控制
任何一个控制系统要达成目的控制功能，都需要通过特定的控制程序来予以实现。一般来说，控制程序可以分为两大类别：一类是固定布线程序，另一类是可编程序。
（1）固定布线程序
在传统的继电器控制系统和电子器件系统里，若要实现各种控制功能，其控制程序是由各种电气元件通过特定的联接方式即布线来构成的。输入设备有按钮开关、限位开关、传感器等，这些设备是用来向控制系统输入信号的。输出设备包含接触器、电磁阀等，它们是用以控制被控制对象动作的。它的输入对输出的控制依靠接线来达成。当接线工作完毕后，控制程序也就随之确定了。要是想改变控制程序，那就必须改变接线方式并重新布线。对于一个复杂的系统而言，这是极为困难的。
