电梯桥箱与控制系统设计.doc

图书分类号：TG5TB密 级：毕业设计(论文)电梯桥箱与控制系统设计DESIGN OF ELEVATOR BRIDGE BOX AND CONTROL SYSTEM学生姓名班 级学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师2013年5月22日 徐州工程学院毕业设计(论文)徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 2013 年 5月 22 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 2013 年 5 月 22日 日期： 2013 年 5月22 日II摘要本文主要对电梯轿厢及PLC控制系统进行设计。认真分析了电梯轿厢要求实现的功能和PLC控制系统所要求达到的标准，并了解了电梯轿厢及PLC控制系统的基本工作原理，基本机械结构，系统组成及功能。本次研究主要针对客用电梯轿厢的设计及对PLC控制系统的研究。电梯是一个简单的机电一体化产品，把红外技术，单片机，继电器，电机等相关技术融为一体。其主要技术路线是通过PLC系统控制，触发电机工作，通过控制电机的行程从而来控制电梯的上下运动。设计主要包括了电梯轿厢结构，PLC控制系统设计。本文对设计中，轿厢的结构图，装配图，零件图等都有详细的说明。关键词 轿厢；PLC控制系统；继电器；单片机AbstractIn this paper, I introduce the design of elevator car box and PLC control systems. Analysis of the elevator demands of the functional requirements and the PLC control system requirements of the standard, understanding of the elevator car box and PLC control system works, the basic structure of the system components and functions. The study of the passenger elevator car box on the design and PLC control system.Elevator is a simple mechanical and electrical integration products and integration of infrared technology, SCM, relays, electrical and other related technologies. The main routes through the technology PLC control system, triggering the electrical work, by controlling the motor trip to control the lift up and down movement.Design includes the structure of the elevator car box, PLC control system design. In this paper, the design of the structure of the Cabin, assembly, parts map, there have been detailed instructions.Keywords Elevator car box PLC control system Relay control SCM徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII目 录I1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外发展状况21.3 设计质与任务32电梯轿厢设计42.1基本概念42.1.1轿厢42.1.2轿底42.1.3轿壁52.1.4轿顶52.2轿厢称重装置62.3轿厢面积的有关规定63电梯的电气自动控制系统93.1电梯控制系统概述93.1.1继电器接触器控制系统93.1.2半导体逻辑控制系统93.1.3微机控制系统104 PLC控制电梯系统方案设计114.1 PLC在电梯中的发展前景114.2 PLC控制系统与计算机控制系统比较134.3 PLC控制电梯系统方案设计135电梯控制系统框图设计145.1 电梯控制系统原理框图设计145.2 电梯控制系统硬件结构框图145.3电梯控制PLC系统的基本结构图156电梯控制系统的硬件设计166.1电梯控制系统实现的功能166.2速度给定曲线166.3减速及平层控制176.4电梯控制系统结构组成176.5 PLC的选型186.6电梯升降主电路186.7电梯的主要电气设备186.7.1曳引电动机的选择186.7.2旋转编码器的选择196.8其他元器件的选择206.8.1空气电磁式交流接触器206.8.2机械连锁（可逆）交流接触器206.8.3真空接触器206.9电梯的整体装置示意图216.10楼层位置显示功能226.11设计流程图237电梯控制系统的软件设计247.1电梯的三个工作状态247.1.1电梯的自检状态247.1.2电梯的正常工作状态247.1.3电梯强制工作状态247.2 PLC输入/输出分配表257.3 PLC的外部电气控制接线图277.4 PLC程序梯形图设计28结论39致谢40参考文献41附录42附录142附录243 441 绪论1.1 课题研究背景及意义现代社会，经济技术飞速发展，各种高层建筑物拔地而起，由于楼层数越来越高，传统的楼梯以无法适应这种高层建筑，一种方便快捷的楼道交通系统电梯就孕育而生，并随技术的不断发展，对电梯的要求不在只限于单一的能到到目的即可，而是对电梯的各类调速精度及调速范围等的静、动态特性提出了更高的要求。电梯是集机电一体化产品的复杂系统，它涉及到的领域包含机械、电气、土建等各方面。同时可靠性、舒适感和美学等问题也应在设计中加以考虑。安全性是现代电梯设计的第一要义。事实上，各项保护措施已被运用于电梯，目的就是能在电梯运行过程中尽量减少故障率，确保人们生命财产安全。在电梯工程师在构思设计电梯之初，就已经严格把关对机械零部件和电器元件的选择，因而选择了拥有较高的安全系数和保险系数的零部件来确保电梯使用时的安全。为了能充分保证最终生产出的是高品质电梯，就必须对电梯制造、安装、调试、售后服务和维护加以严格控制。在国外，对电梯制造、安装和维修等一体化服务国家已通过立法形式来监管。这就能从源头上把关以此来保证电梯的各项安全指标。因此，在电梯行业已经成熟且技术比较完善的今天，乘坐电梯其实是相当有安全保障的，无须过多担心电梯在使用期内的安全性能。美国一家保险公司曾就对电梯的安全性展开做过一系列严谨的调查，并分析各种数据来得出其结论：乘电梯的安全系数是相当高的，与人们常规思维不同的是，它甚至可比走楼梯安全高5倍以上。当前，可编程序控制器(PLC)和微机技术相结合而组成的电梯运行逻辑控制系统，正处于快速发展阶段，并在市场上占有很大份额。采用PLC控制系统的电梯与传统电气逻辑电路相比具有可靠性高、维护方便、开发周期短等优点。因此，在运行时该电梯可以表现处更加可靠的安全性，并且具有非常大的灵活性和操控性，因此用它来完成各种复杂的电梯运行控制任务已成为现实，它现已逐渐成为电梯控制领域的一股新潮，代表着未来电梯行业的发展方向。把微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术等一系列先进技术应用于传统的顺序控制器上而形成的新一代工业控制装置就是可编程控制器，其目的是用它来取代继电器线路来执行逻辑、计算、技术等顺序控制功能，建立柔性程控系统。1978年，国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。”因此，可编程控制器及其相关的应用设备，都应该要按照以下原则，即方便与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能来进行设计。可编程控制器与继电器相比具有通用性强、灵活性好、接线简单等特点。PLC是针对普遍的工业环境设计的，可以通过选配不同的控制模块，以适用于各种不同的工业系统。由于PLC是用逻辑控制的，当生产工艺和设备改变时，不用改变PLC的硬件，只需改变程序即可。PLC程序既有生产厂家的控制系统程序，又有用户自己开发的应用程序。系统程序用以来提供运行平台，同时，还能为PLC程序的可靠运行及信息与信息之间的转换进行必要的公共处理；用户程序是根据用户按照控制的要求来进行设计的。可编程控制器的优势在于不需要使用处于分离状态的继电器、计数器和步进开关等低压开关设备，而是利用编好的程序来进行定时、计数、顺序及步进等控制路径，所以他的可靠非常高；并且它还具有AD和DA转换模块、数据处理和运算、运动控制等功能，因此，既可以用于对开关量进行有效控制，又可以应用于对模拟量进行有效控制；同时，它不仅具有通信联网功能，另一方面还可以实现对一个机群亦或是多条生产线进行同步控制。这种便利在于它既可以实现现场领域控制，也可以通过计算机来实现远距离控制。它不仅可以充分借用微处理器所独具的强大运算处理的功能的优势以此来满足符合各类工业领域内的所需的实时控制要求，同时也可以充分考虑到现场电气设备技术维护人员的传统的技能和已经形成的各种习惯。它的编程语言简单、非常容易掌握，同时，采用了与实际电气原理图非常接近的图形编程方式，并不需要专门的计算机知识和语言，只需要一定的电工和工艺知识就可很快的掌握它。因此，可编程序控制器（PLC）在现代工业自动化控制中是一股新兴力量，已成为非常具备潜能的先进控制技术。当前，PLC现已成为现代工业控制三大支柱(PLC、CADCAM、ROBOT)之一。 1.2 国内外发展状况电梯是一种被运用于各类高层建筑中的不可缺少的新型交通工具。它的主体结构就是由轿厢组成，并且必须在倾斜角小于十五度的刚性导轨之间来执行升降垂直运行任务。无论是轿厢设计尺寸还是其结构形式，其唯一的设计目的就是为了能使乘客出入或装卸货物方便来服务的。在多层的各类公共建筑大楼内就能见到电梯的身影，它是输送人员或货物的垂直提升设备的一种交通工具，可见电梯在人们日常生活中已扮演着无法替代的角色。电梯这种提升设备所拥有的历史相当悠久。追溯过去，我们伟大的祖先就已经懂得制造且利用人力做动力的简单提升设备的案列，透过我国北方部分农村的手摇轴辘提取井水的升降提水装置，就能清晰的看到电梯的历史年轮。所以说，我国也是世界上最早出现电梯雏形的国家之一。首次应用于美国纽约市的一台客梯是在1765年瓦特发明蒸汽机并经过改进作为提升设备动力基础上形成的。随着阿姆斯特朗发明了水压梯，蒸汽机梯被慢慢的取代了他的地位。伴随着经济社会科技的飞速发展，新的动力设备不断出现，其优良性能是以前的动力设备无法比拟的，因而旧的设备被渐渐取代了。如液压泵和液压控制阀是当时典型的新设备。电机的发明是人类历史上的重大转折，它为现代工业动力设备的解决作出了重大贡献。法拉第是电机的始祖，在1831年发明发电机。经过半个世纪的发展，美国率先把直流电机应用于电梯升降的驱动单元，开创了电梯发展的新局面并为今天的电梯发展奠定了基础。二十世纪初，不带减速器的无齿轮高速电梯在美国孕育而生。卷筒式传动被改进为曳引槽轮式传动，这项改进对今天仍有不可忽视的重要作用。它为今天高层的大行程电梯的运行理论奠定了深厚的基础。随着动力问题被解决后，电气控制及速度调节等研究又成为一项新课题。因此，美国又投入巨大人力财力加以研究并获成功。终于在1915年，世界上第一个自动平层控制系统以及高速电梯（6m/s）诞生了。我国电梯事业起步较晚，但发展较快。1952至1954年随着第一个五年计划的开展，国家先后在各工业发达地区建立了三家电梯制造厂，并先后成立相关科研单位，独立自主的研制出具有自主知识产权的各类电梯产品，如交流货梯、客梯，直流快速、高速客梯等。在党和政府的领导下，我国电梯业呈现一派欣欣向荣的景象。人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆都是运用我国自主研制的电梯产品装备，打破了这一行业由国外的技术垄断。60年代开始这些企业又开始研制自动扶梯和自动人行道，并获得了成功。典型案例是北京地铁车站的自动扶梯设备；北京首都国际机场的自动人行道。这些集中再现展示了我国自主创新能力的。随着我国对外开放程度的加深及对内搞活经济政策深入贯彻执行。在通过不断引进和吸收来自国外先进的电梯技术、先进的电梯制造工艺与设备、先进的科学管理等手段，在消化吸收加以整合成自己的技术，又把我国电梯工业又推向一个新台阶。产量不仅连续多年飞速增长，而且产品质量和整机性能也明显提高。同时为了进一步推动和发展电梯工业，增强国内企业的竞争力，在北京、广州、天津、上海等地先后成立了中外合资电梯制造公司。通过引进、消化、吸收策略使国产电梯的控制和驱动技术能达到国际领先水平标准。并且产生了一大批能耗较小、效率较高、速度较快、平层和舒适感好的交流调速电梯、直流高速电梯被大力向市场推广，因此取得了良好的收益。国家为了严控产品质量，提升国产电梯竞争力，近年来通过立法形式发布了一批跟进国际标准水平的电梯制造标准。规范了我国电梯行业出现的各种乱象。必须采用新的标准来去更新、设计电梯产品才能入主市场，此举使我国电梯工业平稳有序快速的发展。1.3 设计性质与任务该设计课题为五层客乘楼房所用电梯，所设计的主要内容为：电梯系统图的设计、电梯桥箱的设计、和控制系统的设计。主要参数：载重量：1000kg 行顶高度(OH)：1600mm速度：60m/min 井底深度(PP)：4450mm最大加速度：2m/s2 井道尺寸(A*B)：2150mm*2200mm2电梯轿厢设计2.1基本概念2.1.1轿厢一般电梯的轿厢是由轿底，轿壁，轿顶，轿门等几大机件组成，轿厢出入口及内部净高度至少为2M，轿厢的面积应按GB75882003的8.2条规定进行有效控制。 图2-12.1.2轿底轿底通常是一种水平的金属框架，一般我们在该框架沿着轿厢宽度方向来设置横梁，而轿厢的木质地板或金属地板就被放置在水平框架上。水平框架及地板的设计，按两倍额定载荷计算。图2-2为轿底与龙门轿架的一种连接形式。图2-2轿架示意图 1上梁 2立梁 3拉条 4轿底 5下梁2.1.3轿壁轿壁一般采用为1.21.5mm厚的薄钢板制来制成槽钢形式，同时堵头采用的是在壁板的两头分别焊接一根角钢。对于安装在一个井道内的两台电梯，有的要求在邻近的轿壁上开设安全门，以便疏散发生事故的电梯内的乘客。开设安全门的条件是，两轿厢的水平距离不超过0.75m，安全门的尺寸至少应为1.8m高、0.35m宽。观光电梯可使用不小于10mm厚度的夹层玻璃作为轿壁，玻璃上应具有商家名称和商标，玻璃形式及厚度等永久性标志。若使用玻璃做轿壁，则在距离轿底0.91.1m的高度处设置一个扶手，这个扶手应牢固固定在轿壁上。2.1.4轿顶轿顶应能支撑两个人，记载叫定的任何位置上，均能承受2000N的垂直力而无永久变形。轿顶应具有一块至少0.12站人用的净面积，其小边至少应为0.25m。如果有轿顶轮固定在轿架上，应设置有效的防护装置，目的是为避免以下事故发生：1、损害人体；2、杂物进入绳与绳槽间；3、在悬挂钢丝绳松弛时脱离绳槽位置。在对轿顶轮进行检查和维护时，防护装置的结构应不妨碍该行为的进行，检修箱和电源插座应被设置于轿厢顶上。大多数电梯在轿顶上一般并不用考虑设置轿顶的安全窗，但也会时常根据实际情况和客户要求来设置安全窗，安全窗的设计尺寸为0.35m*0.5m。考虑到发生故障情况下，撤出乘客需要一定的时间，在具有封闭门的轿厢，应把通风问题加以考虑。在位于轿厢上部的通风孔，应保证其有效面积至少为轿厢有效面积的1%，在位于轿厢下部任何孔洞，其面积也不应少于轿厢有效面积的1%，这样才能发挥通风孔的实际功用。2.2轿厢称重装置当轿厢载荷超过预设值的时后，电梯应确保无法启动运行，并同时要发出警报。只有在轿厢中载荷等于或小于额定载荷的情况下电梯才能开始启动运行。能完成载荷称重功能的装置称为轿厢称重装置，如果按照工作原理来分一般可分三类：1：机械式；2：橡胶块式；3：压力传感式。它又可以分类为设在轿底下的机械称重装置和设在轿顶和机房的机械称重装置。它的原理是磅秤原理，即当轿厢在受到载荷后，连接块就会在重力作用下向下移动，当角内重量达到预设值时，此时在轿底的下移过程会使得连接块上的开关碰块碰触到微动开关，从而使电梯的控制线路被切断。此时电梯就无法再被启动，催动警报器发出声响，然后超载灯亮。而我们可以通过移动秤砣或副砣来调节称量值。轿顶及机房中机械式的称重装置都利用的是杠杆原理，称重装置与轿顶或机房中绳头悬挂板需结合在一起，这样维修和保养起来就比较方便，但随着钢丝绳和补偿绳的长度会在使用过程中发生变化，此时必须通过修正称重值来达到要求。2.3轿厢面积的有关规定轿厢的有效面积是指通过测量在轿厢地板以上1.0m高度处所得的轿厢的面积，排除供乘客用的扶手所占面积。为了防止乘客人数超过电梯规定的额定载重量根据GB758895第8.2条，轿厢的有效面积应予以限制。电梯额定载重量与轿厢最大有效面积之间的关系应符合表2-1规定。表2-1 额定载重量与轿厢最大有效面积的关系额定载重量/kg轿厢最大有效面积/m2最多乘客人数3000.9044001.1756301.6687501.90108002.001010002.401312502.901615003.402016003.562118003.882121004.362825005.0031超过2500kg后，每增加100kg载重量，则面积会增加0.16m2。对于中间载重量的衡量，面积可以通过线性插入法来计算得出结果。乘客电梯额定载重量与轿厢有效面积之间的关系，也可由图2-2决定。图中 AK-轿厢有效面积（m2）; GO-额定载重量（kg）。最多乘客人数用下式求得GO/75=乘客数计算轿厢实际有效面积时，图2-3中阴影部分面积应包括在内。图2-2 额定载重量与轿厢最大有效面积关系图2-3 中分门、旁开门的轿厢的有效面积一般乘客电梯的载重量、乘客人数、轿厢尺寸与电梯井道尺寸之间的关系如图2-4图2-4轿厢大小与载客数的关系图3电梯的电气自动控制系统3.1电梯控制系统概述对于一般普通的集选控制系统来说，大致可以由以下几部分组成。1：轿内指令登记与消号；2：厅外召唤登记与消号；3：安全保护电路；4：定向选层线路；5：启动线路；6：减速平层线路；7：楼层指示线路；8：开关门控制线路；9：驱动回路控制线路；10：检修运行线路；11：消防运行线路；12：主控回路等。这几部分的互相配合共同以构成电梯的控制系统且能够实现电梯的登记，开关门，启动，运行，减速，平层等各种所需的功能。在电梯的电气自动控制系统中，最重要的功用是逻辑判断，而在逻辑判定过程中，逻辑运算的支配功能又占有非常举足轻重的地位。电梯的电气自动控制系统通过启动各种控制信号元件，如：接触器，继电器，发光指示器，电动机等来实现各种所需的功能。从系统的实现方法来看，电梯的控制系统经历了很大变革。从最初的继电器控制，继而发展为可编程控制（PLC）及单片机控制，之后的多微机控制等多种形式，能实现的功能越来越强大。这些控制方式代表着在不同时期各电梯控制系统的主流，并且伴随着大规模集成电路和计算机技术的发展而逐步推陈出新。3.1.1继电器接触器控制系统这种控制系统是在当前国内许多中小电梯企业还在普遍使用的一种电梯电气自动控制系统。该系统和其他控制系统相比，优势在于结构相比而言简单，且易于技术人员理解和掌握。但如果从使用观点看，该系统也有以下缺点。1：接点容易磨损，电接触不太好；2：接点闭合比较缓慢，会产生延迟效应；3：体积庞大，控制屏（柜）所占用机房的面积较大；4：控制系统所消耗的能量比较大；5：维修保养的工作量大、耗费成本费用高。鉴于该系统有上述诸多劣势，继电器接触器系统现在仅仅被应用于电梯速度不高（v1.0m/s）且要求不十分高的场合。3.1.2半导体逻辑控制系统20世纪60年代末，伴随着半导体技术及其器件的发展和广泛应用，晶体二极管，三极管等电子器件相继替代了继电器接触器有触点系统的地位，并开始在电梯控制领域独树一帜。这种控制技术克服了上述传统的继电器接触器系统存在的缺点，因为其没有触点的磨损或接触不良等问题，从其可靠性来评判可以冠以“半永久性的”系统的称号，因此不存在接点使用的寿命问题。特别是随着计算机技术在工业控制系统中的广泛应用，由可编程控制器（PLC）取代继电器而工作的电梯控制系统开始大量涌现。通过可编程控制器不但可以实现原本由传统继电器可以实现的逻辑控制功能，而且最重要的优势是可编程控制器的“可编程功能”的运用。如果要改变电梯的运行控制功能时，只需通过更改程序就可以达到要求，而无需像继电器控制系统那样大范围的接线。可编程控制器组成的电梯控制系统与继电器电梯控制系统相比，可靠性大幅提高，而故障率却急剧下降，维修非常方便，同时噪声也大为降低。3.1.3微机控制系统随着大规模集成器的出现，尤其是20世纪70年代末和20世纪80年代初开始，微机在各个领域内的广泛应用，国外电梯制造商已成功把微机技术应用于电梯控制系统，并取得了相当惊人的成就。国内的几家电梯合资企业也相继推出了一些不同的微机控制系统。电梯的微机控制系统实质上是使控制算法不再由“硬件”逻辑所固定，而是通过一种所谓“程序存储器”中的程序“软件”而固定下来的控制系统。因此对于有不同功能要求的电梯控制系统，只要修改“程序存储器”中的指令程序-“软件”即可，而无需变更或减少“硬件”系统的布线。因而十分便于使用、管理和改变功能要求。另一方面也减少了控制系统体积，降低能耗和降级维修保养费用。4 PLC控制电梯系统方案设计4.1 PLC在电梯中的发展前景继电器组成的顺序控制系统是最早的一种被人掌握来实现电梯控制的一种方法。但是，伴随着科学技术和计算机技术的飞速发展，人们对于电梯的选择不再仅限于单纯的满足基本功能要求。安全、可靠成为电梯行业能否立足市场的首要前提，此时继电器控制的在安全可靠性上的劣势成为它发展的瓶颈。 可编程序控制器(PLC)最早是以顺序逻辑控制为基础而逐步发展并突飞猛进的，设计之设想就是专门针对恶劣的工业环境。从这个角度，由于 PLC控制系统具有无可比拟的抗恶劣环境的优势，已渐渐取代了原先的电梯的继电器控制方式在市场上的地位，成为这一行业的领军者。同时，伴随着电机交流变频调速技术的飞速发展，电梯的拖动系统也已从原来直流调速过渡到了交流变频调速系统。因此，这两大技术的出现运用使得其已成为现在电梯行业能否立稳脚跟的关键。电梯继电器控制系统的优点：1、由硬件就可以实现一切的控制功能及信号的处理，连接的线路比较直观易懂，不需高深专业化理论做基础铺垫，便于普通技术人员能快速牢固掌握；2、在后期系统的保养、维修及故障检查方面无需较高的技术和特殊的昂贵的设备检测仪器；3、大部分电器均为常用控制电器，因此，更换方便，价格较便宜，所耗费成本较低；4、技术发展历史相对久远并已成熟，己形成了系列化，各种技术资料图纸齐全，便于设计查找。但是，电梯继电器控制系统存在很多的问题：1、接点易磨损，电接触不好；2、接点闭合缓慢；3、体积大，控制屏（柜）占机房面积大；4、控制系统的能量消耗大；5、维修保养工作量大、费用高。5、故障率高也大大降低了电梯的可靠性和安全性，给给乘用人员带来不便和惊忧，严重时还会导致人身财产安全。PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，在实质上它属于微机控制方式。PLC控制一般具有以下优势。即可靠性高、易于操作、维修方便、编程简单、灵活性强等。第一，可靠性：即指产品的有效性和可维修性。1、由于PLC不需要大量的触点和接线等现实电子元件，这将使得它的接线量大幅缩减。同时，对系统进行维护时简单便利，且所需维护时间短。2、一系列可靠性设计的方法被运用于设计，使其可靠性大大提高，安全有保障。3、PLC具有编程简单，操作方便，维修容易，只要一般的技术人员就能胜任，可以节约企业的人力成本。4、PLC是专门针对恶劣工况的工业生产过程控制控制装置，无论在编程语言还是硬件方面，其性能都比普通计算机更加可靠。5、在PLC的硬件方面，采用可靠性电子元件；通过先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；设置断电保护，存储器内容的保护等，各种措施都能保证其安全性能。 第二，易操作性：1、操作简便。对PLC的编程操作包括程序输入和程序更改。大多数PLC都会采用编程器进行输入和更改的操作。编程器均提供了输入信息的显示屏，如果对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序可以显示出来，非常直观。2、编程方便。 多种程序设计语言可供PLC使用。由于梯形图是一种图形化的语言，沿用了传统的电气控制图中的继电器触点、线圈、串联和并联等术语和一些图形符号，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握的；3、维修方便。由于PLC具有自诊断功能，这可以大大降低对维修人员维修技能要求。一旦系统发生故障时，维修人员可以根据PLC自带的自诊断功能来很快的找到故障的部位，进行维修。 第三，灵活性。 1、编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、指令表、顺序功能图，功能模块和结构化文本。编程方法的多样性使编程更加方便、应用面可拓展性加强。2、扩展的灵活性。它可根据实际应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。3、操作的灵活性。操作PLC控制柜十分灵活方便，监视和控制其运行情况将变得十分容易。PLC控制电梯的优点：1、PLC通过软件编程程序实现对电梯运行的自动控制，可靠性较传统继电器控制大为提高。2、没有现实触点，接线形式简单，控制系统实际结构简单。3、PLC只需通过输入程序的改变即可来实现各种复杂的控制要求。 4、PLC可自动完成故障检测并予以报警加以显示，从而来提高其运行的安全性，以便于保养检修。5、可用于群控调配和多机管理，以此来提高电梯运行效率。为便于比较PLC控制系统与继电器控制系统优缺点现列表如下，详见表4-1。从表4-1可以看出，PLC控制系统具有继电器控制系统无法比拟的优点，因此传统的继电器控制系统将逐渐淘汰，并且PLC控制系统将代替其占据市场是大势所趋。表4-1 PLC控制系统与继电器控制系统比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能实现继电器数量大，接线方式比较复杂只需通过预先编制的程序来实现各种控制功能对控制要求变更适应性适应性较差，需重新设计，改变继电器种类和接线适应性强，只需针对程序进行必要修改控制速度 低，靠机械动作实现目的极快，靠微处理器进行运算处理特殊功能一般没有有安装，施工 连线多，施工繁锁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多高，元器件的筛选和抗老化等可靠性措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小4.2 PLC控制系统与计算机控制系统比较微机控制系统在工业控制领域中，它的主机一般需采用能够抵抗恶劣工业环境并能可靠运行的工控机来实现。工控机的发展以通用计算机为基础，因此在硬件结构方面，总线标准化的程度较高，品种的兼容性比较强，软件资源非常丰富，能为操作系统提供实时技术支持。因此，在要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象要求的控制上凸显其优点。然而，它的使用和维护比较复杂，要求的工作人员必须有一定的专业知识为基础，并且要求其技术水平优异。另一方面，工控机的另一劣势在于它的整机水平还无法完全适应恶劣工作环境。在此背景下，可编程控制器对此不足之处进行了全方位的改进，变通用为专用，更有利于降低成本，来缩小体积，从而提高可靠性等特性，更可以适应过程控制的要求。PLC控制系统与计算机系统比较见表4-2。从表4-2可见，在控制功能方面，PLC与通用计算机相比，工作更稳定可靠，而且编程简单，使用方便，应用设计和调试周期可大大缩短，加之又能在恶劣的工业环境下和强电一起工作，容易实现机电一体化。表4-2 PLC控制系统与通用计算机系统的比较比较项目通用计算机系统PLC控制系统工作目的进行科学计算，运行实现完全工业自动化控制工作环境对工作环境要求高可适应恶劣的工业现场工作方式中断处理方式循环扫描方式系统软件需配备功能较强的系统软件只需简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修编程语言汇编语言，高级语言梯形图，指令表，顺序功能图，功能块图对操作人员的要求 需专门培训，需一定的计算机基础的专业人才一般的技术人员，稍加培训即可对内存的要求容量大容量小价格价格高价格低其他若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成系统4.3 PLC控制电梯系统方案设计本设计通过多种方案的比较和参照，可看出PLC控制具有显著的优点：在电梯控制中运用PLC进行控制，用编程软件通过预设的程序实现对电梯运行的自动控制，其运行的可靠性和安全性能较传统继电器控制系统大幅提高。同时，它还可实现只需增加或修改软件中的程序来实现各种复杂的控制系统的所要求的控制功能，方便性大为提高；除此之外，可进行故障自动检测并根据具体情况加以报警来显示，从而提高电梯的运行安全性和可靠性，并便于检修。综上所述，本设计采用PLC控制。5电梯控制系统框图设计5.1 电梯控制系统原理框图设计电梯控制系统原理框图如图3-1所示，主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、档层显示电路、按钮记忆灯电路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。平层感应器平层拖动减速减速点信号定向平层楼层信号位置信号起动指层轿内指令、厅内召唤图5-1 电梯控制系统原理框图5.2 电梯控制系统硬件结构框图系统由曳引机构、开关门机构、轿厢、控制系统等组成，如图3-2所示。曳引系统的主要功能是输出和传递动力，使电梯运行。门系统的功能是封住层站入口和轿厢人口。而轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的主要工作部分。曳引机门机显示现场信号PLC变频器电源PGggGgGGFGGG图5-2 电梯控制系统硬件结构框图5.3电梯控制PLC系统的基本结构图轿厢操作盘厅外呼叫厅安全装置井道装置指挥层调整器拖动控制门机控制输入接口PLC主机CPU存储器输出接口图5-3电梯控制PLC系统的基本结构图6电梯控制系统的硬件设计6.1电梯控制系统实现的功能电梯PLC控制系统有如下要求:1、电梯在运行过程中,到达停层位置时能够实现自动开关门或手动开关门操作。2、 利用LED显示电梯厢外的呼唤信号，电梯厢内的指令信号和电梯到达信号；3、能自动判断电梯的运行方向，并发出相应的指示信号；4、 电梯上行下行由一台电动机牵引。电动机正转，电梯上升；电动机反转，电梯下降；5、 电梯轿箱门由另一台小功率电动机驱动。电动机正转，轿箱门打开；电动机反转，轿箱门关闭；6、每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内开门按钮，关门按钮；轿厢内设有楼层选择指令按钮。6.2速度给定曲线电梯的速度给定曲线在设计电梯过程中是要被考虑的一个关键环节，不仅是为了满足乘客舒适感，而且是为了提高运输效率及满足正确平层要求。人们对于速度变化的敏感度主要是在电梯运行过程中产生的各种超重和失重感，即电梯运行中加速度的大小变化。因此，平滑的加速和减速以减小运行过程中的超失重感是人们获得舒适感的重要保证。为了减少超失重反应，将电梯的起动过程，运行过程及制动过程的速度曲线是由两段抛物线（S曲线）和一段直线连接构成，如果需要改变加速度只需改变斜率即可。加速斜率是用速度给定从0加速到1000转与所需要的时间的比值来定义。其意义为加速度由0加速到1000转与所需要的时间的比值。因此通过改变起动加速时间就可实现获得不同的起动曲线斜率，也即是产生加速过程中的超重感。增大加速时间值那么起动曲线变缓，加速度减小。反之，起动曲线变急，加速度增大。如果要实现曲线变化率的变化，那么可通过改变曲线起始、终了加速时间来实现。由于本设计系统采用了型号为VS-616G5变频器，包括了对曲线加速时间设定功能，因此可以通过调整加速时间来与曲线加速时间实现匹配，这样就可以获得较为理想的起动曲线。同理，按此方法制动曲线的调整也可有这样实现。如图6-1所示的电梯理想速度给定曲线，其中a代表电梯加速度，v代表电梯速度。图6-1速度运行曲线在0t3时间内为加速起动阶段，其中0t1和t2t3时间内为抛物线速度曲线，在t1t2时间内为直线速度曲线；t3t4时间内为稳速运行阶段；t4T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启动阶段在理想情况下对称。6.3减速及平层控制电梯的工作特点决定了它得频繁起动与制动。在工作过程中，为了获得舒适感以及提高工作效率，就必须使电梯能平滑减速逐渐过渡到速度为零，准确实现平层功能，也就是实现“无速停车抱闸”功能，使得电梯由于种种原因产生的爬行现象或低速抱闸等现象完全消失，也就是直接停止。要实现这一目标，最主要是能够准确发出并检测到减速信号，当接近层楼面时，根据距离检测信号能精确地使速度给定曲线得到矫正。由于本系统采用的是旋转编码器来检测轿厢位置，因此只要电梯一运行，计算机就可以精确地获取电梯走过的距离，在到达与减速点相匹配的预置数时即可自动发出减速命令而实现。由于现实工况的多样性，不管以何种方式产生的减速命令，由于负载会发生变化、电网随时间产生波动、钢丝绳由于磨损会打滑等原因，都会使减速过程产生较大误差而不能达到平层技术要求也就无法实现精确平层，要解决这个问题，我们一般采取在离层楼100200mm处安装一个平层矫正器，这样才能使电梯在这种工况下实现准确平层工作。6.4电梯控制系统结构组成电梯模具由变压稳压电源、PLC、轿厢、限位开关、呼梯按钮、交流电机、继电器、LED数码管、支架、导轨等组成。为了便于观察,对电梯所在的楼层进行显示,我们采用LED数码管显示,而对电梯的运行方向,楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示。6.5 PLC的选型根据所需的控制信号,输入点数24点,输出点数28点,选择三菱PLC FX2N-64MR构成基本控制单元。6.6电梯升降主电路电梯的上升和下降是由一台交流电机来完成的。如图所示，KM1、KM2为电机正反转接触器，用以实现电梯的上升和下降控制。KM3为电梯减速运行接触器，用以实现电梯的减速控制，当电梯收到停层指示后，KM3断电释放，串入阻抗，使电路的电流减小，实现电梯的上升与下降的减速运行。到达平层时，接触器全部断电释放，抱闸抱死使电机停止运行。图6-2电梯升降主电路6.7电梯的主要电气设备6.7.1曳引电动机的选择本设计电梯采用有齿曳引机，1:1绕法的曳引系统，额定梯速为60m/min，额定载重量1000kg，则电动机额定功率为： 式(6.1）其中k=1.11.6 Kp=0.45 Mn=1000Kg Vn=60 m/min=1 m/s 所以P=10.7815.69KW根据实际电动机额定功率系列，粗选13kW电动机即可满足要求，相当于系数k取1.4。由电动机选型参数表，选YPTD160L1-4。表6-1 电动机选型参数表型号功率/kW电压/V电流/A转速/r/min频率/Hz功率因数cos噪声dB(A)额定工作制YPTD160M1-4938018.51456500.8560S2/1hYPTD160M2-41138022.31456500.8660S2/1hYPTD160L1-41338025.91456500.86560S2/1h6.7.2旋转编码器的选择轿厢楼层位置检测方法主要方法有如下几种：1、干簧管磁感应器：采用这种方法的优点是直观、方便、简单，但由于需要在每一层设置一个磁感应器，因此，当楼层较高时，会使得PLC的输入点数不够使用。2、稳态磁保开关：该方法要对每一个磁保开关在其不同状态位置都进行相应的编码，而适合电梯控制的编码程序只有格雷变形码这一种程序，但由于它是没有权代码的，进行运算时必须通过采用PLC指令译码，比较麻烦，即使使用软件译码也会导致程序变的相当庞大复杂，占据内存。3、旋转编码器：目前，市场上的PLC一般都具有高速脉冲输入端或专用计数单元模块，因此计数准确，使用方便，所以在电梯PLC控制系统中，可通过编码器来测取并获得电梯运行在任意过程中的准确位置，编码器既可以与PLC高速脉冲输入端直接相连，也可利用内置的24V直流电源来与其相连，所以硬件的连接相当方便。综上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置要普遍优于其他方法，故本设计选择采用此法来作为检测轿厢位置。其旋转编码器与安川VS616-G5变频器构成闭环控制，电源可利用PLC内置24V直流电源。三菱PLC允许的脉冲输入频率通常为20KHz，记为fo，假设梯速为v，单位mm/s，电机转速n，单位r/s，每转脉冲数P，计数精度S，单位mm/脉冲，输出频率为f 。于是，有下列关系式： 式(4.2） 式(4.3）对本设计来说，v=1.0m/s，n=1456r/min，fo=20KHz，取P=800，带入上式得：f=8001456/60=19.4KHzfo根据以上计算，查旋转编码器选型手册，选用上海生产的HLE-600L-3F型轴套式旋转编码器。6.8其他元器件的选择6.8.1空气电磁式交流接触器在接触器中，空气电磁式交流接触器应用最为广泛，产品系列、种类最多。其结构和工作原理基本相同，但有些产品在功能、性能和技术含量等方面各有独到之处，选用时可根据需要择优选择，典型产品有CJ20、CJ21、CJ26、CJ35、NC、B、LC1-D系列交流接触器等。6.8.2机械连锁（可逆）交流接触器机械连锁（可逆）交流接触器实际上是由两个相同规格的交流接触器再加上连锁机构和电气连锁机构组成。它可以保证在任何情况下（如机械振动或错误操作而发出的指令）都不能使两台交流接触器同时吸合，而只能是当一台接触器断开后，另一台接触器才能闭合，能有效地防止电动机正、反转时出现相间短路的可能性，比单在电器控制回路中加电气连锁电路的应用更安全可靠。机械连锁交流接触器主要用于电动机可逆控制、双路交流电源的自动切换也可用于需要频繁地进行可逆换接的电气设备上。常用的机械连锁（可逆）交流接触器有LC2-D型、6C系列、3TD系列、B系列等。6.8.3真空接触器真空接触器以真空为灭弧介质，其主触头密封在真空开关管里。真空开关管以真空作为绝缘和灭弧介质，位于真空中的触头一旦分离，触头间将产生由金属蒸汽和其他带电粒子组成的真空电弧。真空电弧依靠触头上蒸发出来的金属蒸气来维持，因真空介质有很高的绝缘强度且介质恢复速度很快，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，在第一次过零时真空电弧就能熄灭。由于熄弧过程是在密封的真空容器中完成的，电弧和炽热的气体不会向外界喷溅，所以开断性能稳定可靠，不会污染环境，因此特别适用于条件恶劣的危险环境中。常用的真空接触器有CKJ、EVS系列等。基于以上比较，本设计采用机械连锁（可逆）交流接触器，具体型号：LC2-D型。曳引电动机6.9电梯的整体装置示意图轿门平层感应器磁铁板厅门下磁铁板上磁铁板楼层感应器对重引导轮图6-3电梯的平层、停层装置示意图6.10楼层位置显示功能在电梯运行过程中需要显示电梯运行的位置，还要满足对电梯进行相应的操作需求，如图6-4、图6-5所示：g图6-4 轿厢内控制屏示意图efdA段B段C段D段E段F段G段一楼0110000二楼1101101三楼1111001四楼1110001五楼1011011图6-5 LED数码管显示层楼示意图6.11设计流程图程序的基本控制流程如图6-6所示（其中不包括检修及司机开关电梯环节，只是电梯运行的基本流程图）：图6-6 PLC系统总体设计流程图7电梯控制系统的软件设计在电梯控制中，要由PLC来完成大量的逻辑信号处理。系统软件及运行要求和保护要求由PLC完成实现逻辑控制。7.1电梯的三个工作状态由呼叫电梯到电梯的响应为其工作的一个循环周期。因此，电梯的工作过程可以细致的分为自检、正常运行、强制运行等三种状态。电梯在运行的三种工作状态之间的来回切换过程，就构成了完整的电梯工作过程。7.1.1电梯的自检状态PLC通电后，PLC中的程序已开始运行，但此时任何数据未被电梯读入，因而也就无法使电梯在收到检测信号后作出响应。为了使响应呼叫就绪这一状态满足条件，必须提前知道楼层在哪及电梯门是否处于关闭或开启状态，即必须使电梯在处于平层之前得知。电梯自检过程的顺序是：1、首先启动按钮被按下;2、然后恢复正常工作按钮启动.整个环节是，首先是使电梯门始终处于关闭状态，其次让电梯在程序控制下自动向上运行，再者在检测到两个平层点后满足条件停止在那里。7.1.2电梯的正常工作状态电梯完成一个呼叫响应的详细步骤如下:1、在通过编码器检测到门厅或轿厢的呼叫信号后，电梯控制系统会将此楼层信号与轿厢所在的楼层信号进行比较分析，自动判断是否一致，然后通过调取选向模块来进行选向。2、电梯驱动直流电机拖动轿厢运动是通过选用调速模块实现的。轿厢运动速度的变化要经历三个阶段，即由低速到中速再到高速，再由高速运行直至减速点。3、当由编码器检测到目标层楼层监测点产生的减速点信号时，电梯立刻进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行到平层点停止。4、平层后，经过一定延时后关门，碰到关门行程开关，此时关门可靠止。轿厢所在楼层始终显示在电梯控制系统屏幕上。7.1.3电梯强制工作状态当电梯的初始位置需要进行调整或电梯需要检修时，应设置一种状态，此种状态使电梯在正常的呼叫下无法响应，并且能使电梯移动到导轨上、下行极限点间的任意位置。如果按下控制台上消防/检修按钮，那么电梯立刻停止原来的运行。并且假如按下强行上行（或下行）按钮，电梯就会根据命令上行（或下行）；一旦放开该按钮，电梯立刻停止，当处理完毕这种调整或检修工作后可按下恢复正常工作按钮来使电梯跳出强制工作状态。7.2 PLC输入/输出分配表输入点对应信号输出点对应信号X1外呼按钮1Y0KM1电动机正转X2外呼按钮2Y3X3外呼按钮2Y1KM2电动机反转X4外呼按钮3Y2X5外呼按钮3Y4上行指示X6外呼按钮4Y5下行指示X7外呼按钮4Y6开门指示X10外呼按钮5Y7关门指示X11内呼按钮去1楼Y101外呼指示X12内呼按钮去2楼Y112外呼指示X13内呼按钮去3楼Y122外呼指示X14内呼按钮去4楼Y133外呼指示X15内呼按钮去5楼Y143外呼指示X161楼平层信号Y154外呼指示X172楼平层信号Y1