电梯控制系统设计

提供完整版的各专业毕业设计，

（2011届）

专科毕业设计（论文）资料

题目名称：电梯控制系统设计

学院（部）：电气与信息工程学院

专业：自动化技术

学生姓名：

班级：学号

指导教师姓名：职称

最终评定成绩：

湖南工业大学教务处

（2011届）

专科毕业设计（论文）资料

电梯控制系统设计

学 院（部）

：

电气与信息工程学院

专 业： 电气自动化

学 生 姓 名：

班 级： 学号

指导教师姓名： 职称

最终评定成绩：

2011 年 6 月

摘要

随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多。电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。传统的电梯控制系统采用的是继电器逻辑控制电路，这种控制易出故障，维护不便，运行寿命短，占地空间大，正逐步被淘汰。

为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计了一套以PLC和变频器为核心控制器的电梯自动控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器—接触器控制。系统的核心部分（控制部分）使用了西门子公司生产的S7—200型PLC，因为在核心控制部分采用的是软件程序控制，从而在保证电梯正常运行这个要求的情况下，大大的提高了电梯故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作所带来的一些人为干扰因素，取得了良好的经济效益和社会效益。以变频器来控制电梯在升降启停过程中的速度，大大满足了人们的舒适感。关于PLC 控制系统的基本结构及电梯控制系统的安装与调试重点介绍如下。

关键词：电梯，变频调速， PG卡，接触器，梯形图，闭环系统，旋转编码器，变频器，SWOPC-FXGP/WIN-C，VVVF，PC，LED

ABSTRACT

With the continuous development of city construction, increasing high-rise buildings. Elevator as high-rise buildings of transportation vertically operation already and People's Daily life are inseparable. The traditional elevator control system adopts is relay logic control circuit, this control easy malfunction, maintenance, operation, short life inconvenience covers a large space, is gradually be eliminated. In order to improve the reliability of the automatic control system equipment and work efficiency, designed a set of PLC and inverter in the elevator for core controller of automatic control system that replaced previous complex relays - contactor controlling. The core of the system part (control section) USES the Siemens company produces the S7-200 type PLC, because in the core control part adopts is software program control, in order to guarantee the normal operation of the elevator requirements of the situation, greatly improve the elevator breakdown checking and maintenance convenience and ease, also overcome the manual brings some human interference factors, and have achieved good economic and social benefits. To control the elevator inverter in the speed of lifting start-stop process, greatly satisfy the people intimacy. About PLC control system the basic structure and the elevator control system installation and commissioning introduced below.

Keyword s: The elevator, frequency control, PG card, contactor, ladder diagram, closed-loop system, revolving encoder, frequency converter, SWOPC - FXGP/WIN - C, VVVF, PC, LED

目录

第1章绪论 (1)

1.1 设计背景 (1)

1.2 设计内容 (2)

1.3 设计的目的和意义 (2)

第2章方案设计 (3)

2.1 课题的提出 (3)

2.2 电梯的功能要求 (3)

2.3 电梯控制系统的几种可行方案 (3)

2.4 PLC控制系统与其它控制方式的比较 (3)

2.4.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较 (3)

2.4.2 PLC控制系统与计算机控制系统的比较 (4)

2.4.3 PLC控制系统与单片机控制系统的比较 (4)

2.5 PLC控制电梯的优点 (5)

2.5 电梯的控制系统 (5)

2.6 电梯PLC控制系统总框图 (5)

第3章硬件电路设计 (7)

3.1 电梯的的主要电气设备 (7)

3.1.1 曳引电动机 (7)

3.1.2 自动门机 (7)

3.1.3 层楼指示 (7)

3.1.4 呼梯盒 (7)

3.1.5 操纵箱 (7)

3.1.6 平层及开门装置 (7)

3.1.7 停车装置 (8)

3.1.8 开关装置 (8)

3.1.9 旋转编码器与PLC的连接 (8)

3.2 PLC芯片介绍 (9)

3.3 工作原理介绍 (10)

3.3.1 变频调速电梯系统的控制技术 (10)

3.3.2 开门控制及安全保护 (11)

3.3.3 电梯的关门环节 (11)

3.3.4 外召唤/内指令信号处理 (11)

3.3.6 自动选向控制 (12)

3.3.7 层楼位置指示 (12)

3.3.8 消防和锁梯控制 (12)

3.5 外部接线图 (15)

第4章软件设计 (17)

4.1 电梯控制系统软件主程序框图设计 (17)

4.2 梯形图设计及状态分析 (18)

第5章电梯系统模拟调试及其安装 (35)

5.1电梯系统模拟调试 (35)

5.2 电梯系统安装调试 (36)

总结 (37)

参考文献 (38)

致谢 (39)

附录 (40)

第1章绪论

1.1 设计背景

1968年，美国最大的汽车制造商—通用汽车公司为满足市场需求，适应汽车生产工艺

不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、度品种。为此要解

决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继

电器更可靠、响应速度更快，功能更强大的通用工业控制器。于是可编程控制器应运而生，1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台可编程控制器，从此，PLC开始活跃于控

制领域。而且其影响也越来越大，应用也越来越广。

70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，是PLC从开关量的逻辑控制扩展

到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控

制器，简称PC（programmable controller）。但由于PC容易与个人计算机（programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

PLC的定义：

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的

工业控制器，它采用了可以编程的存储器，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，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型

机械的生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，

易于扩展其功能的原则而设计。

PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：(1)逻辑运算（2）弱点控制强电PLC是集自动控制技术，计算机技术个通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，以

跃居工业自动化散打支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它

在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。具有1、可靠性高、

抗干扰能力强2、设计、安装容易，维护工作量少3、功能强、通用性好4、开发周期短、

成功率高5、体积小、重量轻、能耗低等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用

方便以及体积小，重量轻等优点。已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现

工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触

器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序。便于使用、

维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构、中央

数据处理系统直接传输数据等。

1.2 设计内容

本次设计从一下几个方面对PLC电梯控制系统进行研究和论证：

（1）电梯类型的选择：综合电梯的类别和各类的特点和要求，在本次设计中，主要研究五层电梯的上下行控制，开、关控制、内外呼叫控制。

（2）电梯硬件系统的设计：本次设计的电梯要求运行迅速准确度高，在电梯的各层检测系统中许啊用用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对电梯的控制。在硬件系统的设计过程中主要考虑了电梯的经济实用、稳定的需要。

（3）电梯控制系统软件的设计：本次设计选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出机械手控制的要求，梯形图的编写运用SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，此软件支持全部三菱FX系列的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短了维修时间。

1.3 设计的目的和意义

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，电梯已成为人类现代生活广泛使用的人员运输工具。随着人们对电梯运行安全性、高效性、舒适性等要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。

可编程控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。电梯控制要求介入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感。因此PLC在电梯控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。

第2章方案设计

2.1 课题的提出

PLC以其优越的性能，在很多领域中得到了广泛的应用。在电梯业也是如此，目前国内 70～80 年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。应对这些电梯进行更新和改造。但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。利用 PLC 和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。

2.2 电梯的功能要求

（1）电梯运行到指定位置后应具有手动或自动开/关门的功能。

（2）利用指示灯显示电梯厢外的呼唤信号、电梯厢内的指令信号和电梯的到达信号。

（3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。

（4）电梯的上行下行有一台电机牵引。电机正传，电梯上升；电梯反转，电梯下降。

（5）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。电机正传，轿厢门打开；电机反转，轿厢门关闭。

（6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮；轿厢内的层面指令按。

2.3 电梯控制系统的几种可行方案

电梯控制系统是根据当地环境要求和人为要求转化为控制指令主要控制电梯上下运行和开门关门，面对这些指令需逻辑运算处理才能被输出信号，能满足处理这些指令逻辑关系的控制系统就能达到我们控制电梯运行的指定要求。根据这些要求我们提出继电器控制系统、单片机控制系统、计算机控制系统以及可编程控制器（PLC）控制等多种方式。这几种电梯控制系统都具有可行性。

2.4 PLC控制系统与其它控制方式的比较

2.4.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较

继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，

随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电气控制的弱点就越来越明显。

可编程控制器（PLC）最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制所代替。同时，由于机电交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术已成为现代电梯行业的一个热点。

电梯继电器控制系统的优点：所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握；系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器；大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；多年来我国一直生产这类电梯、技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉，掌握的人较多。

但是，电梯继电器控制系统存在很多的问题：系统触点繁多、接线线路复杂、且触点容易烧坏磨损，成接触不良，因而故障率较高；普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高，而且检查故障困难，费时费工。

电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰，且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。

2.4.2 PLC控制系统与计算机控制系统的比较

计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。工控机有通用微机应用发展而来，在硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，能提供实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势，但是，它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识，技术水平较高，且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣的工作环境。可编程控制器对此进行了改进，变通用为专用，有利于降低成本，缩小体积，提高可靠性等特性，更适应过程控制的要求。

2.4.3 PLC控制系统与单片机控制系统的比较

单片机控制具有成本低，通用性强等优点，但它不适于较复杂的控制算法和故障诊断等要求，所以我们暂时不考虑。

2.5 PLC控制电梯的优点

PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通过或专用PLC作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制，PLC控制一般具有可靠性高，易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。

PLC控制电梯的优点：（1）在电梯控制中采用了PLC、用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。（6）更改控制方案时不需要改动硬件接线。

2.5 电梯的控制系统

控制系统主要由PLC、变频器及旋转编码器组成。可编程控制器(PLC)负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系,它是系统的核心。变频器实现电机的调速。本文所选用的西门子S7-200通用变频器可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出。为满足电梯的要求，变频器又要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据A、B脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡, PG卡再将此反馈信号送给变频器内部，以便进行运算调节。所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运。

2.6 电梯PLC控制系统总框图

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：在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高；可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性和可靠性，并便于检修；用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。电梯的PLC控制系统的组成结构如图2-6所示，控制系统的核心为PLC主机。来自操纵箱、呼叫盒、井到装置及安全装置的外部信号通过输入接口送入PLC内部进行逻辑运算与处理，再经过输出杰克分别向指示灯、呼梯信号灯发出显示信号，向主回路和门机电路发出控制信号，从而实现电梯运行状态的控制。由于PLC内部的运算和处理功能取代了继电器控制系统里中间继电器和时间继电器的逻辑运算功能，大大的减少了系统运行的使用数量，提高了系统可靠性，降低了故障率，减少了控制柜的体积。

2．1电梯PLC控制系统总框图

第3章硬件电路设计

3.1 电梯的的主要电气设备

3.1.1 曳引电动机

曳引电动机作为提升机构，主要由驱动电动机、电磁制动

器（也称电磁抱闸）、减速器及曳引轮组成。如3.1.1曳引电

动机示意图。1—轿厢 2—曳引轮 3—对重

3.1曳引电动机示意图

3.1.2 自动门机

用来完成电梯的开门与关门：电梯的门有厅门（每层站一个）和轿门（中有一个）只有当电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启（由门机拖动轿门，轿门带动厅门完成）；也只有当厅门、轿门全部关闭后才允许启动运行。

3.1.3 层楼指示

层楼指示也叫层显，过去常有低压灯泡构成，安装在每层站厅的上方和轿门的上方；现多由数码管或LED点阵结构组成，与呼梯盒、运行方向指示做成一体结构。

3.1.4 呼梯盒

呼梯盒用以在每层站召唤电梯。常安装在厅门外，离地面1米左右的墙面上。基站与顶站有一个按钮，中间层站由上呼与下呼两个按钮组成。按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯号已被接收并记忆；当电梯满足呼梯要求并停层开门时，呼梯记忆灯熄灭。基站的呼梯盒上，常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。

3.1.5 操纵箱

操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。操纵箱上没有与电梯经层站数相同的内选层按钮（带有标记），上下层启动按钮（带有上、下行指示灯，检修时用），开关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动运行还是检修状态）以及风扇，照明等控制开关。

3.1.6 平层及开门装置

平层及开门装置由磁铁板和上、下平层感应器1KR、2KR组成，上行时，1KR首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至2KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；下行时，2KR首先插入隔磁铁板，发出减速信号至1KR插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号。

3.1.7 停车装置

在电梯的井道内每层站装有一只磁铁板，当轿厢运行到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内，以此检测电梯所处位置和平层信号。

3.1.8 开关装置

安全窗及其开关，安全钳及其开关，上、下限位开关，上、下强迫停止开关，极限开关。

电梯的轿厢顶部开有安全窗，供紧急情况下疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不允许运行。安全钳是为防止电梯曳引钢绳断裂及超速运行的机械装置。用以在事故情况下，将轿厢夹持在轨道上。限速器是用以检测电梯运行速度的机械装置。当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。以上三种装置的动作，通过其相应开关来检测。当电梯运行至上、下限位置时仍不停车，上、下限位开关动作，发出停车信号，若不能停车，将压下上、下强迫停止开关，强制电梯停止运行；若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关动作，切断电梯曳引电动机的电源，以达到停车的目的，避免电梯出现冲顶与蹾底事故。

3.1.9 旋转编码器与PLC的连接

3.2旋转编码器与PLC的连接

如图3.2所示:脉冲信号输入到(160-P的0000端，OOOI端接硬件复位信号，用于当电梯运行至端站时高速计数器复位校正楼层计数及消除累计误差。当复位信号从oIN转为OFF时，高速计数器从零开始计数。

3.2 PLC芯片介绍

传统的控制方法是采用继电器-接触器控制。这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率。采用可编程控制器较好的解决了这一问题，可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。因此，将可编程控制器应用于电梯控制，完全能满足控制要求，且具有操作简单，运行可靠，工艺参数修改方便，自动化程度高等优点。

在本控制系统中，所需的开关量输入为28点，开关量输出为23点，考虑到系统的可扩展性和维修方便性，选择模块式PLC。由于本系统的控制是顺序控制，选用西门子S7-200CPU的PLC来控制整个系统，之所以选择这种PLC，主要考虑S7-200系列PLC有以下特点：

(1)可靠性:对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。

A.PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。

B.PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了ml TR使可靠性提高。

C.PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。

D. PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。

E.在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件:采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。

F.PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。

(2)易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:

A、操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。

B、编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编