电梯PLC控制系统设计

此次设计的课题是电梯PLC控制系统的设计，在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，其中电梯的硬件电路由曳引电动机，门电机，CC14543驱动译码器，西门子S7-200CPU226型PLC等组成。研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，通过PLC编程实现了电梯的自动开关门，自动平层，强迫换速，防夹人自动开门等功能。最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。

关键词 ： 电梯 PLC控制 曳引电动机 CC14543驱动译码器

Abstract

This issue is the design of PLC control system for elevators in the elevator design, on the basis of the basic structure, in-depth analysis of the working principle of the elevator, on the merits and characteristics of PLC, focuses on the analysis of the lift hardware design and software design, including hardware circuit consists of a traction motor of elevator door motor, drive, CC14543 decoder, Siemens S7-200CPU226 type PLC. Research and PLC based elevator control system design scheme, PLC programming through the elevator automatic door, automatic leveling, forcing for speed, clamp-proof automatic opening function. Finally, the research contents of this paper are summarized and prospects.

Key words: Elevator PLC control of traction motor drive CC14543 decoder

第1章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

电梯作为一种公共交通工具，安全性能显得尤为重要，因为只有安全运行才能够使乘客对电梯产生信任感。事实上，电梯的设计方面已采用了多种安全保护措施，据美国一家保险公司对电梯安全性的一项调查和计算显示，乘电梯要比走楼梯安全5倍。随着高层建筑的不断出现，人们对电梯系统的性能要求也越来越高，不单单是安全性，还包括舒适度方面。从研究电梯交通系统的统计特性到研究电梯交通系统的动态特性，人们在电梯控制系统中利用了各种技术来提高系统的运行效率。

社会生产力的不断发展带动了人类文明的高速发展，特别是20世纪70年代以后，高层建筑在世界范围内得到的迅猛发展，极大地促进了电梯技术的改良和革新。近半个世纪以来，电梯技术从原始的模型升降机发展到能满足人类需要的高智能化电梯。最初的电梯是由司机操作控制的，然而这样不但浪费人力还很浪费财力。于是，为了解决这个问题，便在旅馆和住宅里采用了简易的自动控制方式来控制电梯。它的优点是可以不利用人力便可以记住呼叫电梯信号以响应最先呼叫的乘客的需求，不过这种控制方式却无法同时记住多个呼叫电梯信号，这就造成电梯的使用不方便、效率低于人力操作效率的缺点。为了解决这个问题，后来便出现了可集选控制，该控制很好的解决了原先那种简易的自动控制不能记住多个呼梯信号的问题并且还具有能在运行方向上依次进行响应的特点。

电梯的拖动技术经历了从直流电动机驱动到交流单速电动机驱动、交流双速电动机驱动、交流调速调压控制及后来的交流调速调频调压控制的几个阶段，这几个阶段的发展使电梯控制技术得以不断成熟。70年代，尤其是从1973年开始，电梯控制柜的控制电路逐步从模拟电路向数字电路发展，数字技术的运用明显地提高了电梯运行的可靠性和精准度。80年代，随着大功率晶体管模块的问世及微机和数字调节模块的逐渐成熟，人们利用脉宽调节（PWM）技术来控制换流器以实现对电梯中交流电动机进行调压调频并达到线性调速的目的。自80年代中期，调压调频控制的电梯相继由美国奥的斯、日本三菱等公司开发出来并逐步推向市场。到了90年代，调压调频拖动技术得到较快发展，其许多技术、经济指标明显优于其他电梯控制系统。

1.2国内外研究现状

电梯是垂直运行的电梯（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。据悉，中国的电梯数量由2001年底的28.5万台增至2009年底的120万台，8年内翻两番，中国已成为世界上电梯拥有量最大的国家。可见，电梯已成为现代生活中人们广泛使用的运输工具，而人们对电梯舒适性、安全性、高效性的不断追求也推动了电梯技术的提高。

很久之前，人们便开始使用一些原始的升降工具运送人和物。公元前1100年至1150年期间，我国古人发明了辘轳，它的原理是利用卷筒的回转运动以完

成升降动作，从而增加物品提升的高度。公元奇案236年，希腊数学家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。英国科学家瓦特发明蒸汽机后，起重机装置便开始采用蒸汽为动力，紧随其后，威廉·汤姆逊研制出用液压驱动的升降梯，液压的介质是水。在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。在这些升降的基础上,一代又一代富有创新精神的工程师们在不断改进升降梯的技术。尽管如此，一个关键的安全问题却一直没有得以解决，因此被工业界普遍认可的升降机仍未出现，直到1854年，纽约举行的世界博览会上，一位名为伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯的美国人首次向人们展示了他的发明:世界上第一台安全升降机由此诞生. 随着经济的不断发展,我国生产的电梯在亚洲的年销售量已达1万台,约占亚洲市场的1/50,同时国产电梯的技术水平以及产品质量也在稳步提高.自1985年参加了国际标准化组织ISO/TCI78以来,我国先后等同或等效地采用了一批国际标准以及先进国家标准.标准的高起点促使我国电梯业在技术上处于有利位置,许多诸如无齿轮曳引机、无机房电梯、永磁同步拖动技术、远程监控技术等在国际上也是刚刚出现的新技术和新产品，在我国，已有许多企业可以生产了。国产电梯以其低成本，高质量的优势赢取了大量的国内外客户，为进军国际市场创造了有利的条件。

实际上，电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上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是不能满足要求的，因此，电梯控制系统应采用随机逻辑控制方式。目前电梯普遍采用两种控制方式：一种是以微机作为信号控制单元来完成电梯的信号采集、运行状态及其功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行等功能，其中拖动控制由变频器完成；第二种则是可编程控制器取代微机以实现信号集选控制的一种控制方式。不过国内厂家大部分都是采用第二种方式，主要原因是采用plc控制具有可靠性高、编程简单、体积小、结构紧凑等优点，并且PLC一般都具有自诊断、故障种类现实、故障报警等功能。

可编程控制器是集自动控制技术、计算机技术与通信技术一体的一种新型工业控制装置，先在已经成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠、体积小、逻辑功能强、远程通信联网、在线修改控制程序、易与计算机接口、具备高速记数余位控、能对模拟量进行控制等高性能模块的一系列优异性能，逐渐取代由大量计数继电器、时间继电器、中间继电器等组成的继电—接触控制系统，在机械、化工、轻工、电子、纺织、石油、冶金、食品、交通等行业均得到广泛应用。

总之，对电梯的控制是一种较复杂的工程，在计算机诞生前，为电梯控制的发展起到巨大的作用的主要是继电器控制系统。然而随着电梯技术的逐步改良，其控制性能与自身功能已无法满足和适应电梯控制的要求和发展，利用它已很难设计出质量上乘的电梯控制系统，不过可编程控制器的使用则为电梯的控制提供了更为广阔的空间。PLC是专门为工业控制而设计的一种控制设备，因此它已成为电梯控制中的一项关键技术。

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。而实际上PLC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等实际上是PLC系统内存工作单元，即无线圈又无触电，使用次数不受限制，属于触点运行，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。是电梯控制系统中理想的控制新技术。

对现代化电梯性能的衡量，主要着重与可靠性、安全性和乘坐的舒适性。此外，对经济性、能耗、噪声等级和电磁干扰程度等方面也有相应要求。随着时代的发展，对人在外界隔离封闭式的电梯轿厢内，心理上的压抑感和恐惧也有所考虑，因此，提倡对电梯进行装饰。

第2章 电梯PLC控制系统方案及选型

2.1 电梯PLC控制系统的方案确定

首先，电梯的载重为1T，速度为1m/s,楼层的层数为四层。得出结论，该电梯是低速电梯，电梯容量小。又规定该系统采用变极调速，则选用鼠笼式电机为主电机。

其次，电梯的控制系统为PLC控制系统，则由于S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块等。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使其范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。得出结论，选用西门子公司的S7-200系列PLC，具体型号根据输入输出点数决定。 再次，电梯PLC系统的结构框图如图2-1所示。 轿厢操作盘厅外呼叫安全保护装置指层器井道装置输入接口PC主机CPU存储器输出接口调整拖动控制门机控制 图2-1 电梯控制系统框图 2.2电梯PLC控制系统的选型

2.2.1 电梯主电机型号的选择

电梯曳引机是电梯的动力设备，又称电梯主机。功能是输送与传递动力使电梯运行。它由电动机、制动器、联轴器、减速箱、曳引轮、机架和导向轮及附属盘车手轮等组成。导向轮一般装在机架或机架下的承重梁上。盘车手轮有的固定在电机轴上，也有平时挂在附近墙上.有齿轮曳引机，拖动装置的动力，通过中间减速器传递到曳引轮上的曳引机，其中的减速箱通常采用蜗轮蜗杆传动（也有用斜齿轮传动），这种曳引机用的电动机有交流的，也有直流的，一般用于低速电梯和高速电梯上。曳引比通常为35：2。如果曳引机的电动机动力是通过减速箱传到曳引轮上的，称为有齿轮曳引机，一般用于2．5 m／s以下的低中速电梯。 曳引电机(交流双速电机) 型号YDDL 160L-6/8；额定功率P=11（KW）；额定 电压U=380（V）；额定电流I=23（A）；功率因数n=0.83。

交流接触器（曳引电机）型号TYC4-25；熔断器（曳引电机）型号BLR1-63/3P；热继电器（曳引电机）型号JR20-25。

2.2.2 电梯门电机的选型

门电机的选型在考虑到经济实惠方面上，运用串电阻调速电动机。 门电机 型号Y100L-2；额定功率P=3（KW）；额定电压U=380（V）；额定电流I=7（A）；功率因数n=0.87。

交流接触器（门机）型号TYC2-12-9；熔断器（门机）型BLR1-63/3P-14；热继电器（门机）型号JR20-25-10； 熔断式刀开关（门机）型号HH3-15/2-10。

2.2.3 CC14543 驱动译码器的选择

14543——七段译码器（驱动液晶显示器）其为BCD—七段译码/驱动电路，具有4位二进制锁存。ＰＨ输入用来控制Ｓ输出状态的正反相，BI输入用来消隐显示，LD输入用来储存BCD码。当采用液晶显示时，应在液晶的公共端施加方波脉冲，电路的输出端直接连接到液晶的各笔画段，也可采用发光二级管，荧光数码管和白炽灯显示。14543——七段译码器的工作条件如下表所示。

表2-1 14543——七段译码器的动态工作条件

2.2.4 LED 7段数码管的显示选择

7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。

当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，7段数码管结构图如图2-2所示。

共阴极

图2-2 7段数码管结构图

在该系统中选择发光二级管共阴极接法且静态显示的七段码

2.2.5 PLC的选型及其扩展模块的选择

（1）电梯控制系统的输入：轿内指令、选层按钮、上下行厅召唤指令按钮、上下行换速开关、检修开关、开关门按钮、以及信号输入等。

电梯控制系统的输出：上下方向指示灯、楼层指令灯，上下行召唤灯、上下行接触器、快慢车接触器，开关门继电器等。

根据以上分析和估算，大概需要27个输入点，29个输出点，其中前8个输出点为一组，选用交流220V电压的接触器，其他的输出点为一组，选用交流24V电压电源，而且均为数字量。因此应该选择CPU226,并加上EM223扩展模块和EM222扩展模块。

（2）EM223 扩展模块： 型号 6ES7 223-1BF22-OXA8 ；EM 223 CN 24V DC 输入/继电器输出；额定值 24V DC，4mA，(通常)。

（3）EM222 扩展模块： 型号 6ES7 222-1BF22-0XA0 ；EM 222 CN 24V DC， 8点输出，24V DC。

第3章 电梯的基本结构

3.1 电梯的定义

电梯是以电动机为驱动的一种垂直升降机，主要用于多层建筑的乘人或载

物。电梯有装有箱状吊舱式的也有台阶式的，台阶式的踏步板装在履带上连续传送，也称自动电梯，电梯是服务于楼层的固定式的升降设备，其具有一个轿厢，运行与至少两列垂直的或者是倾斜角小于15度的刚性导轨之间。不过习惯上不论电梯的驱动方式如何，都将其作为建筑物内的垂直交通运输工具的总称

3.2 曳引电梯的基本结构

电梯是机电合一的一种大型的复杂的产品。它的机械部分相当于人的躯体，电气部分好比人的神经，而控制部分可比人的大脑。机电高度合一，使电梯成为现代科学技术的综合产品。电梯的结构包括四大空间和八大系统。其基本结构剖视图如图3-1电梯的基本剖视图所示。

图 2-1 电梯的基本剖视图

1—控制柜(屏)；2一拽引机；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

3.3 电梯的四大空间

2.3.1 机房部分

电梯控制，一般置在电梯井道的顶部。包括曳引机、导向轮、控制柜、限速器、总电源控制盒等设备。

2.3.2 井道部分

包括导轨、导轨支架、对重、缓冲器、限速器张紧装置、补偿链、随行电缆、地坑、井道照明等设备。

2.3.3 层站部分

位于电梯的各层厅外，该部分包括电梯层门（厅门）、呼梯装置（召唤盒）、楼层显示装置、门锁装置、层站开关门装置及消防按钮等。

2.3.4 轿厢部分

该部分主要由轿厢、轿厢门、平层装置、安全钳装置、开门机、轿内操纵箱、指示灯以及通讯报警装置等组成。

3.4 电梯的八大系统

3.4.1 曳引系统

曳引系统的主要功能是输出与传递动力，以驱动电梯运行，主要由曳引机、曳引钢丝绳：采用电梯专用西鲁式钢丝绳（6X19S+NF或8X19S+NF）、导向轮、反绳轮组成，是电梯中的核心部分之一。

3.4.2 导向系统

主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着各自的导轨作升降运动而不发生摆动和振动。无论是轿厢还是对重导向均有导轨、导靴以及导轨支架构成。2.4.3 轿厢

轿厢是运送乘客或货物的电梯组件，主要由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是固定和悬吊轿厢的框架，是轿厢的主要承重机构；轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶、轿厢门等部分组成。

3.4.4 门系统

门系统可分为两种，分别是装在井道入口层站处的层门以及装在轿厢入口处的轿厢门。无论轿厢门还是层门都由门、导轨架、门框、滑轨、滑块、地坑等部分构成。

2.4.5 重量平衡系统

该系统具有使对重与轿厢能达到相对平衡的作用，即电梯在运行中即使载重量不断变化，两者间的重量差仍保持在较小限额之内，以保证曳引传动平稳正常。重量平衡系统通常由对重装置和重量补偿装置组成。

2.4.6 电力拖动系统

该系统的功能是为电梯提供动力，并控制着电梯的启动加速、稳速运行和制动减速。目前，电梯的电力拖动系统分为直流电动机拖动、交流电动机拖动以及永磁同步电动机拖动。电力拖动系统是电梯的核心,电梯的运行是由拖动系统完成的.

电力拖动系统组成:曳引电动机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置。

2.4.7 电气控制系统

电气控制系统主要是指对电梯主曳引机和门机的启动、运行方向、减速、停止的控制，同时管理着每层站显示、层站叫唤、轿内指令、安全保护等指令信号。该系统主要由控制装置、操纵装置、平层装置等部分组成。控制系统的功能及性能直接决定了电梯的自动化程度及运行性能。

2.4.8 安全保护系统

电梯的安全保护系统包括了机械的和电子的各类保护系统，例如缓冲装置、机械限速装置、终端保护装置，以确保电梯的安全使用，防止危险事故的发生。缓冲装置起冲顶和撞底保护的作用，限速装置起到超速保护的作用，而保护则在电梯运行的各个方面都有体现。

3.5 电梯的工作原理

曳引钢丝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。

3.6 电梯的主参数

（一）额定载荷Q（kg）: 制造电梯所依据的载荷或卖方保证正常运行的载荷。

（二）额定速度V（m/s）: 制造电梯所依据的并有卖方保证正常运行的轿厢速度。

现如今，随着电梯的运用和电梯技术的革新，电梯已成为人们日常生活不可或缺的工具。在电梯的安全保护方面也是值得重视的。

第4章 电梯的硬件设计