2021年度控制电梯设计初

摘要

在现代社会及经济活动中,电梯已成为城市物质文明标志。电梯性能好坏对大家生活影响越来越显著,所以必需努力提升电梯系统性能,确保电梯运行既高效节能又安全可靠。

计算机技术和自动控制技术得到了快速发展,交流变频调速技术已进入一个崭新时代,其应用越来越广。

现在电梯拖动技术已经发展到了变压变频调速,
新技术产生发展同时也促进了电梯行业快速发展。

经过对变频器和PLC芯片合理选择和设计大大提升了电梯控制水平,
使电梯达成了较为理想控制和运行效果。

关键词:电梯,PLC, 变频器,变频调速

ABSTRACT
Inthe modern social and economic activities, the elevator has become asymbol of urban material civilization.Elevator performance good orbad influence on people's lives more and more significant, so musttry to improve the performance of the elevator system, to ensureenergy-efficient operation of the lift both safe and reliable. Alongwith our country economy, the rapid development of microelectronicstechnology, computer technology and

entered a new era, its application more widely. The generation of new
automatic control technology obtained fast development, VVVFtechnology has

is also controlled by the PLC logic to replace the original relaycontrol.

Inthis paper, to achieve lift conventional PLC and inverter control,based on the frequency converter and the PLC chip through therational selection and design greatly improves the level of controlof the elevator, the elevator reached the ideal control and operatingresults.

Keyword:Elevator,PLC, Inverter,VVVF

目录

摘要.....................................................................................................................1

1绪论..................................................................................................................1

1.1研究目标及意义.........................................................................................11.2中国外研究现实状况.................................................................................21.3本课题研究内容.........................................................................................4

2电梯概述.........................................................................................................5

2.1电梯产生.....................................................................................................5 2.2电梯设备.....................................................................................................5
2.2.3电梯关键参数........................................................................................8
2.2.4电梯安全保护装置................................................................................9

3变频器选择及参数设计............................................................................11

3.1变频器概述...............................................................................................113.1.1变频器介绍..........................................................................................113.1.2变频器发展方向..................................................................................13
3.1.3变频器调速原理..................................................................................14

3.1.4变频器分类..........................................................................................153.1.5变频器关键功效..................................................................................153.2变频器选择................................................................................................173.2.1变频器品牌型号..................................................................................183.2.2选择变频器规格..................................................................................183.2.3选择变频器应满足条件......................................................................193.3通用变频器................................................................................................193.3.1通用变频器介绍..................................................................................20

3.3.3变频器关键参数设置..........................................................................24
3.3.2西门子M440变频器介绍....................................................................21

4.1.1PLC定义及特点..................................................................................27
4.1.2PLC基础结构和工作原理..................................................................31
4.2.1 S7-200 PLC系统配置.......................................................................34

5系统硬件设计.............................................................................................36

5.1电机调速系统设计....................................................................................365.2电梯控制要求............................................................................................36

5.3电梯工作过程分析....................................................................................38

5.4系统步骤图................................................................................................385.5I/O点数分配.............................................................................................395.5.1I/O分配表............................................................................................395.5.2PLC外部接线图....................................................................................40

6系统软件设计.............................................................................................42

6.1西门子可编程序控制器介绍....................................................................42
6.2控制系统程序设计....................................................................................43
6.2.1开关门控制..........................................................................................43
6.2.2轿厢内呼叫..........................................................................................45
6.2.3轿厢外呼梯..........................................................................................47
总结...................................................................................................................53

参考文件..........................................................................................................

致谢...................................................................................................................55

附录...................................................................................................................56

附录A外文文件..............................................................................................56附录B汉字翻译..............................................................................................61

1绪论

1.1研究目标及意义

是为了满足大家对于垂直运输需要而建立。在现代社会电梯就如同汽车、
轮船通常不可或缺。相关资料显示,在美国,
每十二个月乘坐其它交通工具人数约为80亿人次而乘坐电梯人数达成0
亿人次之多。现在,电梯使用情况已成为衡量现代化发展程度一个标志,
从某种意义上说,电梯也成为研究一个城市中居民生活状态最完美空间。
新"近半个世纪以来,电梯技术从原始模型升降机发展到能满足人类需要高
级智能化电梯。

最初电梯是由司机操作控制,然而这么不仅浪费人力还很浪费财力"于是,为了处理这个问题,便在旅馆和住宅楼里采取了简易自动控制方法来控制电梯"它优点是能够不利用人力便可自动记住呼梯信号以响应最先呼叫乘客需求,不过这种控制方法却无法同时一记住多个呼梯信号,这就造成电梯使用不方便、效率低于人力操作效率缺点。
为了处理这一问题,以后便出现了集选控制,该控制很好地处理了原先那种

简易自动控制不能记住多个呼梯信号问题而且还含有能在运行方向上依次

进行响应特点。

电梯拖动技术经历了直流电动机驱动到交流单速电动机驱动、

交流调速调压控制及以后交流调速调频调压控制多个阶段,

这多个阶段发展使电

梯控制技术得以不停成熟。

可编程序控制器（PLC）最早是依据次序逻辑控制需要而发展起来,

可 靠 等 优所 以,是专门为工业环境应用而设计数字运算操作电子装置。含有安全、

1.2 中国外研究现实状况

电梯最初是以升降机为模型。公元前年,

古希腊阿基米德设计了第一台升降机。在中国,

使用水井辘轳也是一个人力卷扬机。伴随蒸汽机产生,1835年,

世界上出现第一台以蒸汽机为动力载货升降机。1853年,

美国人奥斯研究出一个用于升降机安全装置,使得轿厢能够正常运行,

确保了乘载人员安全。它是现代电梯安全钳胚体,为电梯发展奠定基础。

1858年,世界上第一台以蒸汽机为动力并带有安全装置载人升降机诞生。

18年,直流电动机作为动力率先被奥斯企业使用,因为电动机优点,电梯真正趋于实用化。因为是以电力带动轿厢升降,所以大家称之为“电梯”。19,电梯安全性和传动机构能有了重大改善,摩擦拽引形式替换了传统鼓轮绕绳式。以后,电梯在动力发展比较成熟后,电气控制和速度调整问题得到了更大关注。19,

信号控制系统发展使电梯操纵大大简化。1928年,开发了集选控制电梯。第二次世界大战以后,新技术尤其是电子技术发展,

首次使用了群控电梯。 1955年,出现了小型计算机控制电梯。1967年,
电梯发展得到了极大推进。1949年, 纽约联合国大厦,

电梯开始采取电脑进行电气控制,使其进入了一个崭新发展时期。
八十年代,出现了调压调频交流电梯,从而又开拓了电梯电力拖动新领域。

奥斯企业在日本东京Narita机场安装了水平穿梭人员运输系统。1993年,三菱企业在日本横滨地域12.50m/s速度超高速乘客电梯,

轿厢在计算机导航系统控制下,能够在轨道网络内交换各自运行路线。,深圳市旺龙智能科技在中行苑安装了第一套IC卡电梯控制器,以后深圳开始出现IC卡电梯控制系统。因为大家对节能、安全、智能要求越来越高,IC卡电梯控制产品广泛安装在多种大厦中电梯。

从以上能够看出,每当处理了相关电梯安全性能重大问题后,电梯发展就会进入一个新发展阶段。而在今天,在大力提倡节能今天,电梯将往节能方向不停发展,同时,也要兼顾舒适度、快速性、安全性等问题。

其性能也对大家生活产生了越来越大影响。

所以必需确保电梯运行既高效节能又安全可靠。

传统电梯采取继电器来实现电机工作状态改变,继电器存在电器元件多、

功效弱、故障频繁、 可靠性差和寿命短等问题。

采取可编程控制器（PLC）和变频器改造现有电梯控制系统。首先,
先介绍一下电梯基础概况,然后选择所能用到变频器,
然后再介绍PLC选择及硬件设计,完成在介绍软件设计,

最终总结此次毕业设计。

2电梯概述

2.1电梯产生

美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥斯第一次展示了她发明——升降机,这是历史上第一部安全升降机。以后以后,升降机得到了广泛应用。

而中国,从改革开放以来,全国各地高层建筑不停出现,而电梯需求量也日益增加,多种电梯也不停被开发出来并投入运行。

为确保电梯正常运行、安全使用,必需要了解电梯、熟悉电梯、

2.2.1电梯结构

电梯是机电合一一个大型复杂产品,是现代科学技术综合产品。电梯结构包含四大空间和系统。其中,四大空间包含:机房部分、井道部分、层站部分和轿厢部分。系统包含:曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力控制系统、电气控制系统、
和安全保护系统。其结构图2-1:

图2-1电梯基础结构
1——减速箱;2——曳引轮; 3——曳引机底垫;4——导向轮; 5——限速器;
;6——机座; 7——导轨支架;8——曳引钢丝绳; 9——开关碰铁;10——
紧急终端开关;11——导靴; 12——轿架;13——轿门; 14——安全钳;15—
—导轨; 16——绳头组合;17——对重; 18——赔偿链;19——赔偿链导轮;
20——张紧装置;21——缓冲器; 22——底坑;23——层门;24——
呼梯盒v25——层楼指示灯;26——随行电缆; 27——轿壁;28——
轿内操纵箱;29——开门机; 30——井道传感器;31——电源开关; 32——

控制柜;33——引电机;34——制动器(抱闸)

2.2.2电梯种类

电梯有很多个分类方法,而不一样分类方法之间又是相互交叉。

1、根据用途分类:客梯,代号K;货梯,代号H;客货梯,代号L;病床电梯,代号B;住宅电梯,代号Z;杂物电梯,代号W;船舶电梯,代号C;观光电梯,代号G;还有其它部分专用电梯在这里就不一一赘述了。

2、根据速度分类:

m/s、 1 m/s。
（1）低速电梯:速度小于1m/s电梯,规格有0.25 m/s、0.5 m/s、 0.75

甚至有超高速电梯速度能够达成6m/s、 10 m/s。

3、根据拖动方法分类:
（1）直流电梯:曳引电机是直流电动机,分直流有齿和直流无齿两类。

（2）交流电梯:曳引电机是交流电动机,分为交流单速电梯、交流双速电梯、交流调速电梯和变频调速电梯四类。

（3）液压电梯:靠液压传动电梯,分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。

4、根据控制方法分类:手动操作控制、按钮控制、信号控制、

层间控制、简易集选控制、集选控制有没有司机控制、群控、

并联控制等。

其实电梯分类方法多个多样,就不一一详述了。

2.2.3电梯关键参数

（1）载重量(kg)制造和设计要求,电梯额定载重量。

（2）轿厢形式:单或双面开门及其它特殊要求等,和对轿顶、轿底、轿壁处理,颜色选择,对电话要求等等。

（4）轿门形式:栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、
（3）轿厢尺寸(mm)宽*深*高。

（6）开门方向:人在轿外面对轿厢门向左方向开启为左开门,
门向右向开启为右开门,两扇门分别向左右两边开启者为中开门,
也称中分门。

（7）曳引方法:常见有半绕 1: 1 吊索法,轿厢运行速度等于钢丝绳运行速度;半绕 2: 1 吊索法,轿厢运行速度等于钢丝绳运行速度二分之一;全绕 1: 1 吊索法,轿厢运行速度等于钢丝绳运行速度。

（8）电气控制系统包含控制方法、拖动系统形式等。

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。

（9）额定速度(m/s):制造和设计所要求电梯运行速度。

凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢地点均称为站。

由底层端站楼面至顶层端站楼面之间垂直距离。

由底层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间垂直距离。

（13）底坑深度(mm):由底层端站楼面至井道底面之间垂直距离。
电梯运行速度越快,顶层高度通常越高。

（ 15） 井 道 高 度 (mm):

由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间垂直距离。

电梯关键参数是电梯制造和设计依据。用户在选择时,

必需依据电梯使用地点、运载对象等,根据标准正确选择,

不然会影响电梯使用效果。

开启时通电松闸,停层后断电制动。

（2）强迫减速开关:分别装于井道顶部和底部,当轿厢驶过端站换速未减速时,轿厢上撞块就触动此开关,经过电器传动控制装置,使电动机强迫减速。

（3）限位开关:当轿厢经过端站平层位置后仍未停车,此限位开关立即动作,切断电源并制动,强迫停车。

（4）行程极限保护开关:当限位开关不起作用,轿厢经过端站时,此开关动作。

按此按钮切断电源, 电磁制动器制动,电梯紧急停车。
（5）急停按钮:装于轿厢司机操纵盘上,发生异常情况时,

电梯立即停车。

（7）关门安全开关:常见是装于轿厢门边安全触板,在关门过程中如安全触板碰到乘客时,发出信号,门电机停止关门,反向开门,延时重新开门,另外还有红外线开关等。

（8）超载开关:当超载时轿底下降开关动作,电梯不能关门和运行。（9）其它开关:安全窗开关,钢带轮断带开关等。

3变频器选择及参数设计

本文经过多个方案比较对照,完成了电梯控制系统变频器选择。

3.1变频器概述

3.1.1变频器介绍

变频器是由电力电子器件组成静止式功率变换器,

将工频电源变成另一个频率电源控制系统。变频器结构图3-1所表示,

按变流方法可分为交——直——交变频器和交——交变频器两种。交——

交变频器将恒压恒频交流电直接变换为电压和频率均为可调交流电,

无需中间步骤,称做直流变频。

早期变频器由晶闸管（SCR）组成,SCR属于半控型器件,

不能经过门极关断SCR,需要强迫换流装置才能实现换相,

故主电路结构复杂。另外,晶闸管开关速度慢,变频器开关频率低,

输 出电 压谐 波分量 大 。

全控型器件经过门极控制既可使其开通又可使其关断,

该类器 件开 关 速度普 遍 闸 管 ,

用全控型器件组成变频器含有主回路结构简单、输出电压质量好优点。常见全控器件有电力场效应管（Power-MOSFET）、绝缘栅极双机型晶体管（IGBT）。

现代变频器中用得最多控制技术是脉冲宽度调制（PulseWidth

控制逆变器中电力电子器件开通或关断,输出电压为幅值相等、宽度按一定规律改变脉冲序列,用这么高频脉冲序列替换期望输出电压。

b)
图3-1变频器结构示意图
a)交-直-交变频器b)交-交变频器
现在,我们所使用变频器关键采取交-直-交方法,它通常由整流、

中间直流步骤、逆变和控制4个部分组成,图3-2所表示。整流由整流桥实现,将方向不停改变交流电变成方向单一直流电,中间直流步骤起滤波、储能、缓冲无功功率作用,逆变器为IGBT三相桥式逆变器,输出PWM波形。

变频器广泛应用于电机调速,以可靠性高、精度高、功效强、
医药、电梯、城市供水、空调、污水处理等各领域。

现在,中国变频器生产关键集中在沿海地域,伴随对国外优异变频技术学习及中国巨大市场需求,国产变频器在21实际进入大发展时期。

3.1.2变频器发展方向

以后, 变频调速技术将向以下多个方面发展:

1、实现高水平控制。对于各个领域控制,

采取多种理论实现高水平控制。诸如,电动机和机械模型控制,采取矢量控制、磁场控制等,智能控制思想控制,采取模糊控制、神经元网络控制等。

2、开发清洁能源变频器。降低负载侧谐波分量,降低对电网和电动机转矩脉动。对中小容量变流器,提升开关频率PWM控制,对大容量变流器,可改变电路结构和控制方法,实现清洁电能变换。

3、

缩

小

变

频

器

体

积

。

经过提升功率和控制元件集成度和改变功率器件冷却方法,

4、高速度数字控制。采取愈加好微处理器充当控制中心,
使变流装置变得紧凑。

3.1.3变频器调速原理

三相异步电动机转速公式为:
n=n0(1-s)=60f(1-s)/p
式中:n0——同时转速;

所以,从上面公式可知,改变电源频率、电动机极对数或电动机转差率即可实现调速。而变频器就是经过改变电源频率实现调速。

异步电动机调速时,期望主磁通保持不变,原因是,主磁通太弱,铁芯利用不充足,一样转子电流下,电动机负载能力下降;若主磁通太强,铁芯发烧,波形变坏。

由公式
E1=4.44f1N1Фm

f1——电动机定子频率;式中, E1——电动机定子每相电动势;

可知, 要使Фm保持基础不变,必需保持E1和f1百分比不变或微小
改变。所以, 异步电动机变频调速必需根据一定规律,

即必需经过变频器取得电压和频率均可调整供电电源。

3.1.4变频器分类

变频器种类很多,依据不一样分类方法有以下多个分类:

1、根据变换频率方法分:交——直——交变频器、交——

交变频器交——交变频器
2、按主电路工作方法分:电压型变频器、电流型变频器
3、按变频器调压方法不一样分:PAM变频器、PWM变频器
4、按工作原理分:U/f控制变频器、VC控制变频器、SF控制变频器5、按用途分类:通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器

3.1.5变频器关键功效

变频器关键含有以下功效:【7】

给定信号能够是模拟量信号,也能够是数字量信号。
1、频率给定功效。变频器能够依据给定信号,输出对应频率。

变频器外部有若干个输入端,用以控制多段速度,输入端子通断（1/0）,
根据二进制组合形成一个值,使变频器输出一个对应频率。

2、加减速时间设置功效。变频器起动时,起动频率能够很低,

这么有效处理了起动电动机电流大和机械冲击问题。当处于减速过程中,假如拖动系统惯性大,频率下降又很快,电动机将处于强烈再生制动状态,从而产生过电流和过电压,使变频器跳闸。为避免上述情况,

可进行减速时间合理选择。

3、加减速模式选择功效。有些机械装置,对于速度要求是不一样,如运输皮带类控制对象,被输送物体惯性力和加速度成正比,加速度太大,被输送物体很轻易滑落或跌落,又如电梯,起动、停止速度太快,会使乘客感到不舒适。变频器依据负载不一样,能够提供不一样加减速曲线,常见有三种:线性方法、S形方法、半S形方法。线性加速时,频率和时间成正比,能够用在大多数负载中;S 形方法初始速度较缓慢,中间阶跃为线性加速,尾段又逐步减为零,可适适用于带式运输机一类负载;半S形二分之一为S形,

4、节能功效。大多数变频器全部提供了自动节能功效,
另二分之一为线性,使用于低速时负载较轻,加速时能够快一点负载。

当电流、电压超出一定值或因为负载过重造成发烧超出一定值时,
变频器会跳闸保护。

3.2变频器选择

当确定了变频器品牌和型号,和确定变频器规格后,也就完成了变频器选择。

变频器选择关键考虑其额定值和频率指标,关键有:

1、输入侧额定值,关键是电压和相数,在中国中小容量变频器中,

输入电压额定值有以下多个:380/50Hz, 220~230V/50Hz 或60Hz。

2、输出侧额定值,关键由输出电压UN、输出电流IN、

输出容量SN、配用电动机容量PN、过载能力。

3、频率指标,关键考虑频率范围、频率分辨率、

频率精度等指标。频率范围、

指变频器能够输出最高频率fmax和最低频率fmin。

3.2.1变频器品牌型号

它质量品质对于系统可靠性影响很大,选择品牌时, 质量品质,
变 频 器 是变 键 设 备,

经验和口碑仍然是关键依据。在同一品牌中选择具体型号时,

负载类型和应用所需要部分附加功效来决定。

3.2.2选择变频器规格

变频器产品说明书全部提升标称功率数据,

但实际上变频器使用功率是定子电流参数。所以,

直接根据变频器标称功率进行选择,在实际中常常可能会行不通。

依据具体工程情况,能够有以下多个不一样变频器规格选择方法:

（1）根据标称功率选择:通常作初步投资估算依据。

（2）根据电动机额定电流选择;多用于恒转矩负载新设计项目。

（3）根据电动机实际运行电流选择:多用于改造工程。

（4）根据转矩过载能力选择
总而言之,依据实际工程情况,以合适方法选择变频器规格很关键。选择结果多数情况下变频器标称功率和电动机匹配,少数情况需要放大。所以,笼统认为放大一级功率选择变频器是没有错想法,但会造成浪费。总来说从生产成原来作适宜选择。

3.2.3选择变频器应满足条件
（2）所选择通用变频器类型和被控制异步电动机参数匹配。

（3）为降低电梯成本,首选通用变频器。

（4）电梯开启和停车全部要平稳。

（5）变频器带有预防失速功效。

（6）变频器含有优良转矩特征。

因为变频调速很多优点,使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。现在,有为电梯控制而设计专用变频器早已问世,其功效较强,使用灵活,但其价格相对较贵。所以此次设计采取了通用变频器。

采取通用变频器组成变频调速传动系统关键目标是:
（1）为了满足提升劳动生产率、改善产品质量、提升设备自动化程度、提升生活质量及改善生活环境等要求。

（2）为了节省能源、降低生产成本。

3.3.1通用变频器介绍

上个世纪 80 年代初,通用变频实现了商品化。在近 20
（1）容量不停扩大
80年代初采取 BJT PWM变频器实现了通用化。到了 90年代初, BJT
通用变频器容量达成了600KVA, 400KVA 以下已经系列化,
前几年主开关器件开始采取IGBT, 仅三、四年时间,IGBT
变频器单机容量已达1800KVA, 伴随 IGBT 容量扩大,

控制电路采取大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术,结构设计上采取“平面安装技术” 等一系列方法,促进了变频电源装置小型化。另外,一个混合式功率集成器件,采取厚薄膜混合集成技术,把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起,组成了一个“智能电力模块”（IntelligentModule, IPM）这种器件属于绝缘金属基底结构,所以防电磁干扰能力强,保护电路和检测电路和功率开关间距离尽可能小,所以保护快速且可靠,传感信号也十分快速。

电力电子 器不 停 进步,（3）多功效和智能化

（4）应用领域不停扩大
通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制,
直到全数字控制演变,逐步地实现了多功效化和高性能化,
进而使之对各类生产机械、各类生产工艺适应性不停增强。

泵类负载节能调速和化纤工业中高速缠绕多机协调运行等,到现在为止,
其应用领域得到了相当扩展。如搬运机械,从反抗性负载搬运车辆、
带式运输机到位能负载起重机、提升机、立体仓库、

立体停车厂等全部已采取了通用变频器;金属加工机械,

从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床,

加工中心超高速伺机正确位置控制全部已应用通用变频器;在其它方面,

如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、

各类家用电器甚至街心公元喷水池,能够说其应用范围相当宽广,

而且还将继续扩大。

3.3.2西门子M440变频器介绍

还 要 着 重 适 度 。 电梯调度要求除了通常工业控制要求动、静态性能外,

%3s过载能力。M440矢量控制和可编程S曲线功效,

使轿厢在任何情况下全部能平稳运行且保持乘客舒适感,

尤其在轿厢忽然停止或起动时。M440变频器内置了制动单元,

用户只需选择制动电阻即可实现再生发电制动,所以可节省系统成本。

所以此次设计选择了西门子M440型变频器。

MICROMASTER440 是用于控制三相交流电动机速度变频器系列。

本系列 有多 个 型 号 ,额 定功率 范 围 从 120W

到200kW（恒定转矩（CT）控制方法）, 或可达250 kW（可变转

矩（VT）控制方法）,供用户选择。它含有矢量控制、V/f控制等功效,