基于PLC的变频调速电梯控制系统设计

摘 要 近些年来电梯的拖动技术已发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC（可编程控制器）代替原来的继电器控制。本次设计通过分析电梯控制系统的要求，采用PLC对电梯进行控制，在分析、处理随机信号逻辑关系的基础上，设计主控电路和梯形图。在变频器和PLC的类型选择时，通过性能指标等综合考虑，选用了安川VS一616G5型全数字变频器和日本三菱公司生产的FX2N可编程控制器。通过对变频器参数进行合理设置，使电梯达到较理想的运行状态，提高电梯运行的舒适度，且变频能针对负荷的变化，让负载工作在较好的工作状态，可节约能源，降低能耗；利用旋转编码器检测轿厢位置从而提高楼层平层精度；通过编程，直接由PLC驱动七段数码管，显示楼层数。此次设计的电梯控制系统，摈弃了继电器电梯系统接触器触点多、线路复杂、可靠性低、安装调试繁杂且耗时长、维修工作量大等缺点，提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制和运行效果。

关键词 电梯控制，可编程控制器（PLC），变频调速，梯形图

ABSTRACT

In recent years, The elevator drive technology has developed to the FM speed regulator, and the original relay control is replaced by PLC. On the basis of analyzing the requirements of the elevator system, how to use

PLC to control the elevator, it’s control circuit, and ladder diagram has been studied mainly in this paper. In choosing the type of PLC and inverter, take performance indicators into account, the type of AnChuan VS616G5-digital converter and mitsubishi Japan production FX2N programmable controller is choused finally. Setting a reasonable parameter can make the elevator achieve a ideal operating condition, and improve the comfort of the elevator. Besides, it can reduce energy consumption. In addition, using rotary encoder to detect the car’s position can improve the floor’s level accuracy. Then by programming, seven digital tube directly driven by PLC can show the number of floors. All in all, the design of the elevator control system improve the control level of the elevator and the comfort when the elevator is operating. So it makes the elevator reach a satisfying control and ideal operation effect. Key Words:Elevator system, PLC, Frequency control of motor speed, Ladder

diagram

目录

1.绪论 ................................................ 1 1.1课题背景及意义 .................................. 1 1.2本课题的研究现状................................. 2 1.2.1本课题的国外研究现状 ........................ 2 1.2.2本课题的国内研究现状 ........................ 3 1.3本课题研究内容 .................................. 4

1.4本章小结 ........................................ 4 2.电梯控制系统的简介 ................................... 5 2.1电梯的组成 ...................................... 5 2.3电梯的相关技术指标 ............................... 7 2.4电梯继电器控制系统的特点 ......................... 8 2.5本章小结 ........................................ 9 3.PLC和变频器简介 .................................... 10 3.1 PLC简介 ....................................... 10 3.2变频器简介 ..................................... 12 3.3本章小结 ....................................... 14 4系统硬件设计 ........................................ 15 4.1变频器的选择和设置 .............................. 15 4.1.1变频器的选择 ............................... 15 4.1.2变频器参数 ................................ 16 4.2 PLC控制系统的设计 .............................. 18 4.2.1 主电路设计 ................................ 18 4.2.2输入输出点数分配 ........................... 19 4.2.3 PLC型号选择 ............................... 20 4.2.4 PLC的I\\O接线图 ........................... 21 4.3本章小结 ....................................... 21 5.电梯系统的软件设计 .................................. 22 5.1电梯系统软件设计流程图 .......................... 22

5.2电梯系统各功能实现 .............................. 22 5.2.1设计思路 .................................. 22 5.2.2平层控制 .................................. 23 5.2.3楼层显示 .................................. 23 5.2.4电梯舒适度 ................................ 24 5.2.5梯形图设计 ................................ 26 5.3本章小结 ....................................... 29 6. 总结与展望 ........................................ 29 6.1总结 ........................................... 29 6.2展望 ........................................... 30 参考文献 .............................. 错误！未定义书签。 致 谢 ............................... 错误！未定义书签。 附 录 .............................................. 31

1.绪论

1.1课题背景及意义

电梯的发展历史也挺悠久，在中国的发展史也有百余年了。随着楼层的不断增高，电梯成了生活中不可或缺的代步工具。它们负责把生活、工作在建筑里的或来访的乘客舒适地高效地运送到他们的目的地。因此，电梯系统的控制对于每个电梯顺利、安全的运行是必不可少的。电梯在什么命令下平层，什么时候打开或关闭轿门以及是否存在关键的安全问题都依靠系统的控制和监视。

最原始的电梯是依靠继电器来进行控制的，继电器控制的系统由按钮和接触器组成，该系统结构简单价格便宜，但是灵活性差，可靠性低。随着社会的整体发展，继电器控制的电梯系统已经无法满足人们更高的要求。PLC是由于逻辑顺序控制的需要而发展起来的，它是专门为工业环境的应用而设计的一种数字运算操作电子装置[1]。PLC具备了继电器所没有的优点，而且PLC优于继电器，所以在很多行业中人们用PLC替代了继电器方式的控制，电梯行业也不例外。

随着电机的交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式也由原来直流调速渐渐被过渡到了交流变频调速，故PLC控制技术和变频调速技术己经成为现代电梯行业的热点[2]。电动机交流变频调速技术在当今改善工艺流程、改善环境、推动技术进步及节电的一种主要手段。变频调速电梯使用了SPWM技术，不仅改善了电梯的性能，速范围广、控制精度高，舒适、噪音小、快捷，还明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能显著，几乎可与直

1

流电机相媲美[3]。

越来越多的高楼大厦矗立在我们眼前，电梯由最初的可有可无变成了生活中的必不可少的特殊的交通工具，既然它的作用上升至必不可少，更说明人们对它的性能要求不低，在已有的电梯控制系统上，我对PLC控制的的变频调速电梯系统做了研究和设计。

目前国内外的大部分电梯调速采用的是专用变频器，本次设计采用的是PLC和普通变频器，考虑到了专用变频器昂贵的价格和电梯的成本，本人采用了通用变频器对系统调速，相信电梯的性价比会大大提高。通过PLC编程,实现电梯的运行控制、楼层显示等功能。PLC控制的电梯系统外不仅部线路简单，系统的可靠性高，而且可方便的进行系统功能的增删、检修。

1.2本课题的研究现状

1.2.1本课题的国外研究现状

国内外电梯的拖动技发展到了利用变频器进行调压调频调速，由PLC来控制系统。采用PLC控制的电梯，可以满足繁杂的控制要求，PLC控制己成为现代电梯的发展方向，PLC和变频器组合的电梯产业是很有前景的。以下列出了未来电梯的几个发展方向：

(1)绿色电梯产业是向着节能和环保方向定义的，在这个以环保为时尚的时代，绿色电梯很有发展前景。

(2)电梯产业的网络化是很有必要的，在这个计算机的时代，

2

电梯的管理及交易等都可在网络中进行。

(3)未来电梯更人性化，一般的电梯通常是密闭狭小的空间，电梯内安装液晶显示频，可缓解乘员在轿厢内的尴尬和不安情绪。 (4)高速电梯在21世纪将向着多用途、全功能塔式建筑发展。曳引式超高速电梯继续在超大容量电动机、高性能的处理器、减振技术、滚轮导靴、安全钳、永磁同步电动机、轿厢噪声抑制和气压缓解系统等方面推进[4]。

(5)电梯智能群控系统基于强大的计算机软、硬件资源，如基于模糊逻辑的群控、专家系统的群控、遗传基因法则的群控、神经网络控制的群控、计算机图像监控的群控等，这些群控系统都能适应电梯交通的非线性、控制目标多样化、不确定性表现等特性[4]。随着社会和科学的进步，智能建筑顺应时代发展，大楼的自动化设备与电梯系统结合成一体指日可待。

(6)蓝牙（Bluetooth）技术是一种短距无线通讯技术，它可短距离无线通讯，把电梯的各种电子设备连接在一起，不需要纵横交错的电缆线，便可实现无线组网[5]。蓝牙技术如果被应用到电梯行业不仅能降低电梯的成本，还能解决电气设备的兼容性。

电梯在运行的舒适性、安全性、等其他方面的发展就不详细列出。

1.2.2本课题的国内研究现状

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”措施影响，原有的国企电梯品牌全军覆没，外资品牌垄

3

断的市场份额曾经高达95%以上。近年来，一批民族电梯企业苦练内功，绝地反击，出现四分天下有其一的局面。目前，中国已成为全球电梯劲旅竞争的主战场，中国电梯业目前面临行业的重新“洗牌”，民族自主品牌应利用国家支持、资本市场支持等多方面有利因素，逐鹿天下，加快赢得更多市场。国内电梯的发展现状和国外相差无几，也逐渐由PLC代替继电器控制，变频器调速提高电梯舒适度。

1.3本课题研究内容

本次设计以四层电梯为对象，查阅资料,运用分析法、比较法等进行研究，结合自己所学的专业知识，采用PLC对变频调速电梯控制系统进行设计，本次设计的重点内容：

(1)变频器和PLC的选择； (2)系统硬件设计；

(3)实现电梯楼层计数、转换信号、层信号的数字控制； (4)提高电梯运行的舒适度； (5)提高系统的可靠性和平层精度。

1.4本章小结

本章主要介绍了课题研究的背景和意义，电梯的国内外发展现状和未来发展方向，最后讲述了本次设计的内容，下面将对电梯进行详细的介绍。

4

2.电梯控制系统的简介

2.1电梯的组成[6]

电梯系统由曳引系统、重量平衡系统、导向系统、电力拖动系统、轿厢、电气控制系统、门系统、安全保护系统等构成,它的组成是一个很复杂的整体。

曳引系统：曳引系统由曳引钢丝绳，反绳轮，导向轮组成。曳引系统的主要功能是传递动力和输出，促使电梯运行。 重量平衡系统：主要由对重和重量补偿装构成成。系统的主要功能是相对平衡轿厢的重量，在电梯工作中，能使对重间与轿厢的重量差保持在限额之内，保证电梯的正常曳引传动。

导向系统：主要由导靴，导轨和导轨架组成。系统的主要功能是对重和轿厢的活动自由度，使对重和轿厢只能顺着导轨作升降运动。

轿厢：由轿厢体和轿厢架组成。轿厢是运送货物和乘客的电梯组件，是电梯的重要工作部分。

电力拖动系统：由曳引电动机，速度反馈装置，供电系统，电动机调速装置等组成。电力拖动系统的功能是为电梯运行提供动力，控制电梯的速度。

电气控制系统：主要由控制屏（柜），位置显示装置，操纵装置，平层装置，选层器等组成。电气控制系统的功能是对电梯的运行实行操纵控制。

5

图1 电梯的组成结构[6]

门系统：由轿厢门，开门机，层门，门锁装置组成。门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

安全保护系统：由限速器，缓冲器，安全钳，端站保护装置组成。功能是保证电梯安全使用，杜绝一切危及人身安全的事件发生。

2.2电梯的工作原理

电梯有很多种分类方式，以曳引电梯为例，叙述电梯的工作原理：

6

钢缆悬于曳引轮上，两侧分别挂着轿厢和对重，对重的重量一般为轿箱加上50%负载时的重量。对重的移动方向与轿厢相反，目的是平衡轿厢所在钢缆一边的重力。当钢缆或曳引轮使用时间一定时，必须更换新的，以防滑，因为轿厢的移动是靠钢缆与轮子之间强大的摩擦力来实现的。电动机带动曳引轮转动使轿厢能够轻松自如的上升或下降，旧的电动机使用齿轮带动曳引轮，新的电梯采用无齿轮带动。电梯少不了各种安全装置，安全装置可以防止轿箱由于各种原因造成坠毁，保障乘客的人身安全。电梯的保护主要有：安全保护电路，电梯自动门保护系统，端站保护装置及超载保护装置等。必不可少的保护装置是相序继电器，它可以保证在相序出错时不发生事故。

2.3电梯的相关技术指标

(1)可靠性

电梯的可靠性非常重要，直接或间接地影响着人们生产、生活，电梯的故障主要表现在电力拖动控制系统中，因此要提高可靠性也主要从电力拖动控制系统入手，所以，电梯的拖动应尽量采用鼠笼型异步电动机。 (2)安全性

保护功能用于限载、限速、限流以及行车与开关门互锁。限速保护主要由安全钳和限速器组成。还应设置厅门、轿厢电气连锁装置。 轿厢超越上、下限工作时，切断控制电路的装置。电梯因中途停电或电气系统故障不能正常运行时，应有轿厢慢速移动措施。

7

(3)舒适度与快速性

当电梯在减速下降或加速上升时，人体内脏的质量会向下压在骨盘上，身体有超重感;当电梯加速下降或减速上升时，支撑内脏的腹部肌肉就会失掉一部分重量，又产生失重感，因而会给乘客造成了身体的不适，甚至头晕目眩。实验证明，乘客感觉与电梯速度无关，而与加速度和减速度有关，所以考虑生理系数片p=da/dt的影响，电梯行业一般平p<1.3米/秒³，又要使电梯运行中尽可能减少起动，制动过程中的加减速所用时间。才能使电梯的运行速度（主要是起动和制动过程中的速度）符合人体的要求.

2.4电梯继电器控制系统的特点

在计算机技术没被广泛应用之前继电器控制系统对电梯控制的发展起到不可估量的作用，具体如下： (1)系统功能由硬件控制，直观易懂。 (2)故障器件更换方便，价格便宜。 继电器电梯控制系统存在以下缺点：

(1)可靠性低：触点多且触电动作频率很高，容易烧坏或磨损，故故障率较高。

(2)灵活性差：硬件控制的系统功能增删是一件不小的工程，原有的技术水平受限难以提高。

(3)精度低：触电频繁动作的耗时和电磁机构的电磁惯性和机械惯性使系统的控制精度大打折扣。

(4)维修不便：继电器控制的系统线路繁杂，由于可靠性本低，

8

故障不可避免，系统的庞大使维修和保养耗时耗工。

继电器控制的电梯系统在慢慢被时代淘汰，它已无法满足人们对控制系统更高的要求，于是PLC应运而生。人们对电梯舒适度的要求也越来越高，合理使用变频器可以提高舒适度。

2.5本章小结

本章详细介绍了电梯的组成部分和各部分的功能，电梯的工作原理，还有继电器控制的电梯系统的优缺点，电梯的性能指标，下一章

将针对继电器控制的电梯系统所存在的问题，提出解决方案。

9

3.PLC和变频器简介

3.1 PLC简介

可编程控制器是继电器常规控制技术与微机技术相结合的产物，

它是在微机控制器和顺序控制器的基础上发展起来的新型控制器，它是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机[7]。

由于继电器系统存在一些问题，1969年可编程控制器应运而生，它的发展是对继电器控制技术的继承和演变。可编程控制器不同于通用的微机控制和顺序控制器装置，它的结构和计算机类似，可远程通信。它不仅合理利用微处理器的优势来满足各个工业领域的控制要求，同时也摈弃了微机常用的机器编程方式，梯形图是它的第一编程语言，梯形图直观的将设计人员的设计思路呈现在图纸上，识读简单，查错方便。可编程控制器具备继电器已有的优点且兼顾了继电器没有的优点，如今它已经成为现代工业控制的三大支柱之一，在化工、石油、机械、冶金、纺织、食品、电子、交通等各行业里都得到广泛的应用。

可编程控制器的组成：处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、 电源和编程器等几部分组成，其结构框图如下所示：

(1)处理单元(CPU)

PLC的核心是CPU，由运算器和控制器组成，它通过存储器和内部总线及输入／输出接口电路相连接[8]。其主要作用是：程序执行，从程序存储器中逐条读取用户程序，先解释程序，后逐条执行，完成程

10

序所规定的逻辑运算和算术运算，并且产生对应的控制信号送到控制输出电路，达到程序所规定的各种操作效果。 (2)存储器

存储器是用来存放系统的程序和用户程序及运算数据的单元，和一般计算机一样，PLC的存储器有随机读写存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类[9]。存储器的存储区域按其用途的不同，可分为程序区及数据区。

(3)输入输出接口电路(简称I／O)

CPU和工业控制现场各种信号进行连接的连接部分是输入输出接口，它是PLC的重要组成部分[9]。输出口是用来送出PLC运算后得到的控制信息。输入口用来接收生产过程的各种参数的。

图2 可编程控制器的组成 (4)编程器

编程器是PLC中不可或缺的一部分，有CRT智能式和便携式两大类，前者可联机编程，也可脱机编程，而后者只能联机编程[10]。便携

11

[9]式编程器的外观小巧便于携带，生产现场中使用很方便。

3.2变频器简介

变频器的作用是将工频电源转换为另一个频率的电能控制装置。

它是利用电力半导体器件的通断来达到作用的，能实现对交流异步电动机的变频调速、软启动、改变功率因数、提高运转精度、过流/过压/过载保护等多种功能[11]。

变频器由三部分组成，将工频电源转换成直流功率的整流器，吸收在逆变器和变流器产生的电压脉动的“平波回路”，及将直流功率变换为交流功率的逆变器[12]。 (1)整流器

目前使用较多的是二极管的变流器，把工频电源变换成直流电源。整流器顾名思义是将交流电整为直流电的装置。 (2)平波回路

整流后，逆变器产生的脉动电流会使直流电压变动，直流电压有电源6倍频率的脉动电压，为了抑制电压的波动，采用电容和电感吸收脉动电流（电压）[13]。当装置容量小的时候，如果主电路和电源构成的器件有余量，可以省去电感，采用简单的平波回路。 (3)逆变器

逆变器是将直流功率变换成要求频率的交流功率，它与整流器相反。在确定的时间内使6个开关器件导通、关断就能得到3相交流的输出。

如果控制系统不采用变频器调速，直接在工业用电交流频率下启

12

动电机，启动电流和启动转矩如式(1)与(2)：

Is=KIIN=(4——7)IN （1） Ts=KTTN=(0.9——1.3)TN （2） 上式中 Is和Ts分别为启动电流和启动转矩，IN和TN分别为额定电流和额定转矩。由上可知，直接启动时的启动电流过高，造成了电能的不必要浪费，直接启动不可行。

在任何设计中，电机的选型会考虑到实际问题，留有一定的余量，因为电机的速度要以系统要求为准，有时要以较低或较高的速度运行，对系统进行变频改造是必要的。变频器可实现补偿功率因素、电机软启动、节能调速（通过改变设备输入电压频率达到）的目的，且能给设备提供过载、过压、过流等保护功能，起动转矩为100%以上，可全负载起动[14]。

如果系统采用变频器进行，启动电流和启动转矩如式(3)与(4)：

Is=KIIN=(1.2——1.3)IN （3） Ts=KTTN=(0.7——1.2)TN （4） 同理可得，变频器调速启动时启动电流小，可实现软启动，使电机能够平滑启动，不仅增加了电机的使用寿命还提高了电梯的舒适度。

电梯一般采用电压型变频器进行调频，通过改变电机定子的电源频率，来改变其同步转速，便可实现对异步电动机的调速[15]。启动到平层的整个过程中，电梯在不同时段速度也不一样，变频调速控制让

13

乘员对于电梯的启、制动没有不适感。变频电梯的启动采用降频软启动，启动电流低于额定电流，变频电梯制动时，不需要从供电网中获取电能，可降低电能的损耗，而且避免了电动机的过热情况。电梯的性能和质量在很大程度上取决于其控制性能的优劣。变频调速电梯系统主要优点：

(1)变频调速电梯使用的是异步电机，异步电机具有体积小、结构简单、占空间小、可靠性高、维护方便、价格低等优点。 (2)变频调速电梯改善了电动机供电电源的质量，提高了效率，减少谐波，节约电能。

(3)变频调速电源使用了先进的SPWV技术SVPWM技术，控制精度高、调速范围宽、动态性能好，舒适、安静、快捷。

(4)适用于调速性能较好、要求精度高的场合。

3.3本章小结

本章主要介绍了PLC和变频器的组成，列举了系统采用变频器调速的优点以及变频器在电梯行业中的应用，了解了PLC和变频器之后，下一章便是本次设计的核心部分。

14

4系统硬件设计

4.1变频器的选择和设置

4.1.1变频器的选择

本设计选用了通用变频器，虽然通用变频器的参数设置比专用变频器的复杂得多，但是通过合理的编程、设计，一样可达到专用变频器的控制效果。而且专用变频器的价格太贵，选用通用型的可以降低电梯成本。

本设计中调速系统的关键在于尽可能使电梯按理想的速度曲线运行，改善电梯运行时的舒适感。而且电梯的耗电量在建筑物耗电量占用相当部分的比例，故电梯节约用电渐渐受到人们的关注。综上考虑各种因素，本次设计选择VS-616G5安川变频器。它具有磁通转差补偿、矢量控制、负载转矩自适应等功能，特别适用于电梯类负载频繁的变化场合，可最大限地提高电机效率和电机功率因数，降低电机的运行损耗。VS-616G5变频器的启动、制动可随意调节的S曲线，零频仍可输出150％力矩，如果再配上高精度的旋转编码器，系统的控制精度可高达达0．01～O．02％，电梯运行舒适感提高，零速度抱闸，平层精度高，不需要配专用电机。VS-616G5安川变频器的特点如下： (1)采用了最新式的硬件，功能齐全、体积小； (2)有丰富的选择功能； (3)保护功能完善、维修简单； (4)通过LCD操作装置，操作性能； (5)四种控制方式都实现了标准化。

15

4.1.2变频器参数 1.变频器的参数：

变频器有9组参数，具体如下： 表1 变频器参数

参数 功能 A B C D E F H

2.变频器容量计算

变频器的功率根据电梯载重与配重、运行速度、曳引机电机的功率进行选取。假设P1是电梯曳引机电机的功率,V是电梯运行速度，电梯自重为W1，配重为W3，电梯载重为W2，变频器功率是P，重力加速度为g。最大载重时，电梯上升需要的曳引功率用P2表示：

P2=[(W1+W2-W3)g+F1]v （5） 式(5)中F1=K (W1+W2-W3) g+F2是摩擦力，F2可忽略。变频器功率P应与电机功率P1相接近，相对于P2应该留有裕量，可取P≈l.5P2。 3.变频器制动电阻参数的计算

16

确定控制模式 选择运行功能 确定加减速时间及转矩补偿时间 选择频率 确定运行压频曲线 保护设置 确定偏差标准 电梯在下降过程中能量肯定会增加，将这些再生电能回馈给电网固然很好，但是考虑到要通过逆变器才能达到目的，成本有点高。所以本次设计采用能耗制动方式，将再生电能消耗在制动电阻上，这样即达到了消耗再生电能的目的，又降低了成本。能耗制动电阻与制动电流的关系如式(6)：

I1=U0/R1≤I/2 （6） 其中U0为额定情况下变频器的直流母线电压，能耗制动电阻为R1，制动电流为I1，由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。 4.参数设置原则

频率给定功能：变频器常见的频率给定方式主要有操作面板给定，外界信号给定，模拟信号给定和通信方式给定等。面板给定实际上就是键盘给定，变频器的面板通常可以取下，通过延长线安置在用户操作方便的地方，采用哪一种给定方式必须事先通过功能预设；外接给定是通过外接输入端口输出频率给定信号，来调节变频器输出频率的大小；通信接口给定由PLC或者计算机通过通信接口进行频率给定[16]。 基本频率和最高频率：电动机的额定频率称为变频器的基本功率。当频率给定信号为最大时，变频器的给定频率称为最高频率。 上限频率和下限频率：上线频率与下限频率是调速系统所要求的变频器工作范围，根据调速系统的工作需要进行设定。

加速时间的设定：异步电动机在额定频率和电压下直接启动时，

17

启动电流很大。使用变频器后，由于其输出功率可以从很低开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以有效地将启动电流在一定范围内[17]。从减小电动机启动电流的角度来讲，加速时间应该设定的长一点，但若加速时间过长会影响系统的效率[17]。加速度时间设定基本原则：在电动机启动电流不超过允许值得前提下尽可能地缩短加速时间。

减速时间的设定：变频器减速时间有两种,一种是工作频率从基本频率降到0Hz所需要的时间；另一种是工作频率从最高频率降到0Hz所需时间[18]。所有变频器中减速时间的设定范围和升速时间相同。减速时间设定原则：主要考虑拖动系统惯性，一般情况下，惯性越大，减速时间设定越长。

4.2 PLC控制系统的设计

4.2.1 主电路设计

图3 三层电梯主电路图

18

图3中U、V、W为三相电源， M2为电梯轿厢上行和下行的三相交流电动机（曳引机），由KM3和KM4分别控制电动机正反转从而控制轿厢的上行和下行；M1为电梯开关门控制的三相交流电动机（门机），由KM1和KM2分别控制电动机正反转从而控制轿厢的开门和关门；QS1为总开关，起隔离电源作用；FU为熔断器，起短路和严重过载保护；FR为热继电器，起过载和断相保护作用。变频器（VF）通过在外部参数的设定，就可达到电梯调速的效果。 4.2.2输入输出点数分配

表2 输入接口分配表

X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 一层内呼 二层内呼 三层内呼 四层内呼 一层外呼上 二层外呼下 二层外呼上 三层外呼下 三层外呼上 四层外呼下 X012 开门开关 X013 关门开关 X014 一层平层 X015 二层平层 X016 三层平层 X017 四层平层 X020 开门限位 X021 关门限位 X022 上极限位 X023 下极限位

19

表3 输出接口分配表

Y000 一层内呼指示 Y012 Y001 二层内呼指示 Y002 三层内呼指示 Y003 四层内呼指示 Y013 Y014 Y015 电梯上行 电梯下行 门电机开 门电机关 电梯上行指示 电梯下行指示 楼层指示 Y004 一层外呼上指示 Y016 Y005 二层外呼下指示 Y017 Y006 二层外呼上指示 Y020 Y007 三层外呼下指示 —— Y010 三层外呼上指示 —— Y011 四层外呼下指示 Y026

4.2.3 PLC型号选择

由于轿厢楼层位置的检测，要求选取的可编程控制器必须具有高数计数器。并且电梯的运行是双向的，所以所选可编程控制器必须具有可逆计数器。综合各种因素后，本次设计选择了日本三菱公司的FX系列机。FX系列机体积小，价格便宜，功能较强，使用灵活。

本次设计的是四层电梯，20个输入点，23个输出点。PLC选型考虑应留有15%-20%的备用量用以调整和扩充，故选择了

FX2N-48MR-001,此型号合计输入输出点数共48个，输入输出各24点，DC24V,尺寸（mm）：182*87*90。

20

4.2.4 PLC的I\\O接线图

图4 PLC控制接线图

图4所示，COM1端接地，COM2端接电源，通过输入端的限位开关来控制输出端的数码管模拟显示电梯的各种运行状况。

4.3本章小结

本章是设计的核心，变频器选型和设置，选定PLC型号，分配输入输出口，绘制PLC接线图，硬件设计结束后，下一章便是软件设计。

21

5.电梯系统的软件设计

5.1电梯系统软件设计流程图

开始 呼叫信号输入D1-D10 轿厢位置检测D0 D1-D10中的数据与D0中的数据进行比较 D0大于D1-D10 Y N

轿厢下行 轿厢上行

轿厢停于目标层 结束 图5 电梯设计软件流程图

5.2电梯系统各功能实现

5.2.1设计思路

由于呼叫时间，呼叫地点，乘客目的地的随机性质，电梯控制系统是一个典型的实时，随机逻辑控制系统。此次设计梯形图的编制为：呼叫信号输入，呼叫信号存储，楼层显示，判断上下行，开关门，轿

22

厢上下行。

假设电梯停在一楼，此时按下三楼向上按钮，输入信号存储器里的数字和轿厢位置信号寄存器里的数字进行比较，前者大于后者则电梯上行，前者小于后者则电梯下行。如果在上行过程中按下二楼向上按钮，则电梯到达二楼载客，然后再上行到三楼载客。如果上行过程中二楼下呼，由于呼叫方向和电梯运行方向相反，电梯会先上行至三楼，再去二楼载客。电梯的基本功能实现见附录梯形图。 5.2.2平层控制

电梯工作的特点是频繁起制动，为了改善舒适感，提高工作效率，要求电梯能平滑减速至速度为零，准确平层（即“无速停车抱闸”），不允许出现低速抱闸或爬行现象（即直接停止），要达到这一点的关键是系统能准确地发出减速信号，在轿厢接近楼层面时，按距离精确的、自动矫正速度给定曲线[19]。本次设计采用旋转编码器检测轿厢位置，当电梯开始运行时，计算器便能精确地确定轿厢移动的距离，当到达与减速点相对应的设置数时，即会发出减速的命令。不管由哪种方式产生的减速命令，因为负载的变化、钢丝绳打滑、电网波动等外界因素，使减速过程很难符合平层技术要求，一般会在离层楼100mm到200mm处设置一个平层矫正器，用以确保平层的准确性。 5.2.3楼层显示

本次设计利用七段数码管显示楼层，由PLC编程，当相关动作发生时，驱动数码管显示。

23

5.2.4电梯舒适度

舒适感的标志就是平滑的加速和减速。将电梯的起、制动速度曲线设计成由一段直线和两段抛物线(S曲线)构成的，由S曲线变化率及加速度斜率决定S曲线形状的改变和组成[20]。加速斜率的意义是加速度由0加速至1000n/s所需要的时间，故可通过改变启动加速的时间，获得不同的启动曲线斜率。当加速时间值增大时，启动曲线变缓，反之，曲线变急。S曲线变化率增加，启动曲线弯曲部分趋缓，反之，启动曲线的弯曲部分变急。S曲线的变化率，可通过改变S曲线首、末加速时间来实现。本次设计采用的616G5变频器自身就有S曲线加速时间设定功能，只要将S曲线加速时间和加速时间配合调整，便能获得理想的启动曲线。制动曲线也可仿照此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图6所示：

图6 电梯理想速度曲线[20]

V代表电梯的运行速度，t表示电梯运行时间，其中0～t1时间内为加速启动速度曲线，t1～t2时间内为稳速运行阶段，t2～t3时间内为减速制动阶段，减速制动阶段速度曲线与加速起动阶段相对称。为了得到较理想的速度曲线，变频器的加速减速时间设置理论上应该一样，具体参数进行表4：

24

表4 变频器参数设置 参数 A1-02 B1-01 B1-02 B2-01 B2-04 C1-03 C1-04 C2-01 C2-02 C2-03 E1-01 E1-04 E1-05 E1-06 E1-09 E2-01 E2-02 E2-03 E2-04

25

名称 控制方式选择 频率指令选择 运行指令选择 零速电平选择 停止时直流制动时间 加速时间 减速时间 加速开始时S型曲线时间 加速结束时S型曲线时间 减速开始时S型曲线时间 输入电压设置 最高输出频率 最大电压 额定电压频率 最低输出频率电压 电机额定电流 电机额定滑差 电机空载电流 电机极数 设定值 2 1 1 0.1Hz 1s 2s 2s 0.6s 0.6s 0.6s 380v 50Hz 380v 50Hz 0 按电机铭牌设置 按电机铭牌设置 按电机铭牌设置 按电机铭牌设置 5.2.5梯形图设计

(1)内呼信号输入及存储程序：一楼内呼为例，按下X000按钮，Y000被接通并保持，直到电梯到达一楼时,X014常闭触点断开Y000。在按下X000的同时D1赋值为1，从而实现存储功能。当Y000失电时，D1和M0、M1、M2被清零。梯形图如图7：

图7 内呼信号输入及存储梯形图

(2)外呼信号输入及存储程序 ：二楼向上外呼信号为例。如果电梯不在二楼，此时按下X006，D7赋值为2，M106得电并保持，电梯处于上行时，则M106、Y016常开闭合，Y006得电并保持，直到电梯上行到二楼时失电，电梯为下行时，则M106、Y017常开闭合，Y006得电并且在电梯下降过程中一直保持。Y006失电时，D7和M18、M19、M20被清零。梯形图如图8：

26

图8 外呼信号输入及存储

(3)楼层显示：轿厢停于某层时，该楼层平层开关被接通，为D0赋予形图如图9所示对应值，梯形图：

图9 楼层显示梯形图

(4)判断上下行程序：当D1到D10中任一数据寄存器中的值大于D0中的值，则轿厢上行；当D1到D10中任一数据寄存器中的值小于D0中的值，则轿厢下行。梯形图如图10：

27

28

图10 判断上下行梯形图

5.3本章小结

本章绘制了系统软件流程图，讲述了软件设计思路，根据要求逐一实现电梯功能。

6.总结与展望

6.1总结

自论文开题以来，我经常在图书馆查和网络上查阅资料，了解了电梯的发展史，加深了对电梯控制系统及运行过程的认识，熟悉了可编程序控制器和它在电梯控制系统中的运用。在已掌握的知识基础

29

上，参考已有的电梯控制系统完成了以下设计：

(1)查阅资料，依据设计要求和元件性价比合理选取变频器和PLC；

(2)根据设计要求确定硬件系统结构，选取元件，I\\O口合理分配；

(3)PLC编程实现楼层计数、信号转换、层信息的数字控制； (4)选取合适的变频器使电梯加速度呈s曲线，解决电梯舒适度的问题；

(5)采用了旋转编码器检测轿厢的位置，提高电梯的平层精度和可靠性。

本次设计还存在不足之处，比如：变频器的自学习功能在本次设计中没有用到；考虑到时间等各种因素，本次设计的电梯是四层的，而现实生活中楼层普遍较高，故本次设计只适用于医院之类的特殊场合；另外，设计中我选用的软件是三菱PLC编程软件GX Developer，它不仅可以绘制梯形图，还具有强大的监控、调试功能，可以方便地进行程序在线更改，可通过网络完成调试，但是在调试过程中，电脑和该软件无法进行通信，导致本设计未能进行调试，这也是本次设计的不足之处。本次设计不足之处很多，请各位专家和老师指正。

6.2展望

电梯群控技术是提高现代化智能大厦所配置多台电梯系统的服务质量和服务效率的有效手段，使大厦的日常运转和谐有序。电梯群控系统服务于乘客，必须满足乘客多方面的要求，因而它的实现是一

30

个复杂的调度问题。本次设计是针对单个楼宇设计的，若要实现多个楼宇智能和化和一体化，需要使各个楼宇间的电梯进行通信，合理编程即可

附 录

梯形图：

31

32

33

34

35

36

37

38

39