机电基于plc的电梯控制系统改造设计--学位论文.doc

浙江广厦建设职业技术学院
机电一体化技术专业毕业设计说明书

设计题目 基于PLC的电梯控制系统
改造设计

学生姓名
学 号 0210110121
指导教师
专 业 机电一体化技术
年 级 2013级

浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书
摘 要
现今世界，电梯的生产情况和使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。随着城市人口的不断提高，人们物质文化生活水平的提高，建筑业不断的发展，已是高楼林立，电梯在人们的生产、生活、工作中日益重要。因此电梯的研究也显得愈来愈重要。
本设计主要分析了电梯的主要结构以及其控制要求，以四层电梯为设计对象，从电梯控制系统的构成及工作原理对电梯控制的硬件进行相应选择，另外通过对电梯的PLC软件进行设计，以此完成了基于PLC的电梯控制系统改造设计。
关键词：电梯控制；通用变频器；可编程控制器（PLC）；三相异步交流电机

目 录
1引言 1
1.1 设计的研究背景及意义 2
1.2 PLC及在电梯控制中的应用特点 3
1.2.1 PLC简介、特点及其应用领域 3
1.2.2 PLC控制电梯的优点 4
1.3 电梯变频调速控制的特点 4
1.4 设计的主要内容 5
2电梯的概述 6
2.1 分析控制对象和确定控制范围 6
2.1.1本电梯控制系统实现的主要功能 6
2.1.2 电梯的控制功能 7
2.1.3 电梯的控制要求 8
2.2 电梯的工作原理 8
2.3 电梯的组成 9
2.4电梯硬件分析 11
2.4.1 电梯曳引机部分 11
2.4.2 限位器和传感器部分 11
2.4.3 轿厢和开关门电动机部分 12
2.4.4 变频器部分 12
2.5 电梯的硬件工作原理 13
3 PLC控制系统硬件设计 15
3.1 四层电梯主电路 15
3.1.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图 15
3.1.2 PLC外部接线图 15
3.2 I/O点数的分配及机型的选择 17
3.2.1 I/O点数的估算 17
3.2.2 输入/输出的分配 17
3.2.3机型的选择 18
3.2.4 STEP 7概述 19
4系统软件设计 21
4.1 四层电梯梯形图设计 21
4.1.1 PLC的编程语言 21
4.1.2 电梯各程序的说明 21
5结束语 32
6致 谢 33
7附录 34
8参考文献 35

1引言
电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。追溯电梯这种升降设备的历史,据说最早可追溯到公元前236年的古希腊。而1858年在美国出现了以蒸汽机为动力的客梯,继而英国又出现了水压梯。1889年美国奥的斯电梯公司率先使用电动机作为电梯的传动动力,这才出现了世界上第一部名副其实的电梯,并使电梯开始趋于实用化。1900年，出现了第一台自动扶梯。1949年又出现了群控电梯,首批4～6台群控电梯在美国纽约的联合国大厦被投入使用。1955年出现了小型计算机(真空管)控制的电梯。1962年美国甚至还出现了速度高达8米/秒的超高速电梯。1963年，世界上一些先进工业国制成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统化，性能也随之提高。1971年集成电路首次被应用于电梯，次年又出现了数控电梯。1976年微处理机开始应用到电梯中，这使电梯的电气控制系统进入到了一个新的发展时期 [1] 。
电梯控制系统应采用随机逻辑控制方式控制。目前电梯的控制普遍采用两种控制方式：一种是采用微机作为信号控制单元，完成电梯的信号采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式是用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。国内厂家大多数采用第二种方式，原因在于用PLC控制有很多优点：可靠性高，由于采取了一系类的PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间（MTBF）一般可达3～5万小时。另外PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠的工作；编程简单，PLC最常用的编程语言是梯形图语言。这种编程语言形象直观，简单易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员使用和掌握。当工作流程需要改变时，又可以现场改变程序，使用方便、灵活；体积小、结构紧凑、安装、维修方便。PLC的体积小，重量轻，便于安装。而且一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能 [2] 。

1.1 设计的研究背景及意义
在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了快速发展，不断满足社会经济快速发展和人民生活水平日益提高的需要，电梯作为一种重要的交通运输工具，已成为城市物质文明的一种标志。电梯在办公大楼、公司、高层住宅、宾馆酒店等场所得到了广泛应用。尤其是在高层建筑中，电梯更是不可缺少的垂直运输设备。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了它新的发展时期，载人电梯控制技术已经发展到了调频调压调速控制阶段，具有乘坐安全、运行可靠、舒适度较高等特点，其主流控制技术采用PLC控制，并拥有许多智能化控制功能。
150多年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新----开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节约了行人的时间；如今，以美国奥的斯电梯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维保服务系统。现在，电梯已经完全融入我们的生产、生活当中，满足我们的生活、学习及工作的需要。据统计，我国在用电梯已达100多万台，每年还将以约5万至6万台的速度增长。电梯的作用越来越大，需求也越来越多。而我国现阶段使用的先进电梯系统基本上是国外研发设计和制造的，其核心技术并不对外公开。而中国国内具有自主知识产权的控制方法和技术在实际的应用较少，与国外先进技术相比还有较大的差距。因此，尽快研究和掌握先进的控制技术，对国内电梯工业的发展将会有很大的促进作用。
本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器(PLC)应用于4层电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时也延长了电梯的使用寿命，缩短了其开发周期，并提高了它的控制水平，改善了电梯运行的舒适度，使电梯达到了较为理想的控制效果。本文所设计的电梯与传统的电梯相比，由于在核心控制部分采用软件程序控制，从而在保证电梯正常运行的情况下，大大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，在运行上具有良好的舒适感，在实际使用中还可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了预期的效果。
1.2 PLC及在电梯控制中的应用特点
1.2.1 PLC简介、特点及其应用领域
PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
它是一种基于数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。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。其特点如下：
（1）使用可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性[5]。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代PLC系统大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、速度控制、温湿度控制、CNC等各种工业控制中。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。再加上PLC通信能力的增强，以及人机交互界面技术的不断发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员的欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向广大工矿企业的工控设备。它的接口简单容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，易于改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时系统维护也变得容易起来。更重要的是这使得同一设备经过改变程序从而改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗只有数瓦。由于体积小，因此很容易装入到机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业和领域，使用情况大致可归纳为如下几类[6]：
（1）开关量的逻辑控制。
（2）模拟量控制。
（3）运动控制。
（4）过程控制。
（5）数据处理。
（6）通信及联网。
1.2.2 PLC控制电梯的优点
PLC在电梯控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。在电梯控制过程中，各种逻辑开关控制与PLC能够很好的结合，很好的实现了对电梯的控制。本文主要讨论和研究利用西门子公司的可编程控制器对一部四层电梯的控制，形成电梯控制系统[7]。
电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等众多缺点，正在逐渐被淘汰。目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障率少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下所要去的楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
1.3 电梯变频调速控制的特点
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[8]。
变频调速电梯的优点:
(1)变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。
(2)变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速[9]。
(3)变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，大大提高了运行效率和功率因数，节能明显。
1.4 设计的主要内容
本设计的主要任务是在电梯机械模型和PLC控制装置基础上，完成4层电梯控制器的电路设计、元器件选型、PLC外部接口电路设计、控制器装配图与接线图设计、列出元器件清单、完成PLC程序设计等内容。
电梯控制系统可分为电力拖动电路和电气控制电路两个主要部分。电力拖动电路主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿厢开关电路。二者均采用易于控制的三相交流异步电动机作为拖动动力源。电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯和控制部分的核心器件（PLC）等组成。PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。电梯控制系统的硬件组成控制电路主要包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。
系统控制软件设计由初始化、指令接收处理、电梯位置检测与处理、同行截车和反向不截车处理、开关门控制处理、电梯升降控制等模块组成，利用西门子（SIEMENS）公司生产的S7-200型PLC及其扩展模块，使用丰富和功能强大的指令设计梯形图，调试并最终完成电梯控制。

2电梯的概述
2.1 分析控制对象和确定控制范围
现代电梯主要是由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等部分组成。这些部分分别安装于建筑物的专用井道和机房中。它通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确及乘坐舒适等。电梯的基本参数主要有额定载重量、轿厢外廓尺寸、可乘人数、额定速度和井道型式等。
2.1.1本电梯控制系统实现的主要功能
1.电梯的基本功能
首要工作是确定电梯本身所具有的功能和电梯在乘客进行某种操作后应具有的状态。
2.电梯内部功能简介
在电梯内部，应该有四个楼层（1～4层）按钮、开门和关门按钮以及楼层显示器、上升和下行显示器。当进入电梯后，电梯里应该有能让乘客按下的代表其要去目的地的楼层按钮，称为内呼叫按钮。
电梯停下时，应具有开门、关门的功能，即电梯门可以自动打开，经过一定的延时后有可自动关闭。而且，在电梯内部也应有控制电梯开门、关门的按钮，是乘客可以在电梯停下时随时的控制电梯的开门与关门。
电梯内部还应配有指示灯，用来显示电梯现在所处的状态，即电梯是上升还是下降以及电梯所处在楼层的第几层，这样可以使电梯里的乘客清楚的知道自己所处的位置，离自己要到的楼层还有多远，电梯是上升还是下降等。
3.电梯外部功能简介
电梯的外部共分四层，每层都应该有呼叫按钮、呼叫指示灯、上升和下降指示灯，以及楼层显示器呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具，呼叫指示灯在完成相应的呼叫请求之前应一直保持为亮，直到电梯响应为止。另外上升指示灯、下降指示灯、楼层显示器一样，都是用来显示电梯所处的状态的。
四层楼电梯中，一层只有上呼叫按钮，四层只有下呼叫按钮，其余两层都同时具有上呼叫和下呼叫按钮。而上升、下降指示灯以及楼层显示器应相同。
4.电梯的初始状态、运行中状态和运行后状态分析
电梯的初始状态，设电梯位于一层待命，各层显示器都被初始化，电梯处于以下状态：
（1）各层呼叫灯均不亮；
（2）电梯内部及其外部的各楼层显示器显示均为“1”；
（3）电梯内部及外部各层电梯门均关。
电梯在运行过程中，按下某层呼叫按钮（1～4层）后，该层呼叫灯亮，电梯响应该层呼叫：
（1）电梯上升或下降至该层；
（2）各楼层显示随电梯移动而改变，各层指示灯也随之而变；
（3）运行中电梯门始终关闭，到达指定门时，门才打开；
（4）在电梯运行过程中，支持其它呼叫；
电梯在运行后状态：
（1）电梯在到达指定楼层后,电梯会自动打开,经过一段延时自动关闭,在此过程中,支持手动开门或关门；
（2）各楼层显示值为该层所在位置,且上升与下降指示灯均灭；
（3）到达指定楼层后,电梯会继续待命（2分钟后返回1层）,直至新命令产生。
2.1.2 电梯的控制功能
电梯可实现的功能如下所示，这些功能是根据生产厂家或用户的要求制定的安全和功能的事项而制定的。这里只根据本电梯主要的操作进行说明，其他例如故障检测、自救功能、火灾提示、语音提示、满载控制等具体功能在此不作陈述，主要功能如下[10]。
(1)集选控制：集选控制是将轿厢内指令与厅外召唤指令等各种信号集中进行综合分析处理的高度自动化的控制功能。它能对轿厢指令、厅外召唤登记，停靠站延时自动关门启动运行，同向逐一应答，自动平层自动开门，顺向截梯，自动换向反向应答，能自动应招服务。集选控制包括上行集选和下行集选。
(2)停梯操作：在夜间、周末或假日，通过停梯开关使电梯停靠在指定楼层。停梯时，轿门关闭，照明、风扇断电，以利节电、安全。
(3)开门按键：用于延长开门时间，使乘客顺利进出轿厢。
(4)关门按键：用于立刻关门操作，使乘客顺利登上电梯。
(5)厢内操作箱：在轿厢内左边设置操作箱，上面设置有各楼层轿内指令按键，便于乘客按下想要到达的各楼层。
(6)厢外操作按键：在各楼层的乘客只要按下想要上行或下行的按键即可得到电梯的响应。
(7)灯光响应：在乘客按下相应按键或到达相应楼层时会得到电梯的灯光状态相应，以便提醒乘客相应的提示作用。
2.1.3 电梯的控制要求
四层电梯控制系统的控制要求如下：
(1)由于电梯对控制系统的可靠性和安全性要求极高，主要以逻辑控制为主，通常采用PLC作为控制系统的核心，所以，应用PLC来设计一个4层电梯控制器具有一定的现实意义。
(2)上行与下行选择由上电梯的人选择信号决定。顺向优先执行，顺向执行完毕后再反向执行。
(3)行车途中如果收到呼梯信号时，顺向截车，反向不截车。
(4)内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除。
(5)内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层均有指示灯。
(6)停层时延时2秒后自动开门或手动开门。
(7)有内选信号时，延时2秒自动关门或手动直接关门。
(8)无内选信号时可以手动关门，但不会自动关门。
(9)行车时不能手动开门，开门时不能行车。
2.2 电梯的工作原理
一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。 服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间，轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物[11]。
习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。近几年来，随着国际社会对环保认识的关注，各大电梯公司目前在其电梯表面基本都采用了粉末涂料进行喷涂，这是一种新型环保无溶剂涂料，并且各种性能皆优于油漆。
电梯的工作图如图2.1所示。电梯上升时，电梯顺时针转动，通过曳引轮和曳引绳来带动轿厢上升；下降时电机逆时针旋转，通过曳引轮和曳引绳带动轿厢下降。电梯运行时有启动、加速、满速运行、减速和电梯停层等过程，因此电梯控制的核心是控制工作电机。
曳引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，以便人员和货物出入。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。安全装置可保证电梯运行安全。
电梯以曳引电机为核心，通过电机的正反转控制电梯的上下运行，在此基础上增加了电梯门的开关，也同样用电机的正反转来控制电梯门的开关；具体到电梯的上下运行和停留时，会用到很多的传感器和接触器等附加的器件，这样才能保证电梯在楼层之间正确平稳的运行，更多的也会考虑到乘客的安全、舒适等各种问题，这些问题和解决方案将会在电梯硬件和软件的选择、安装和控制中详细说明。

图2.1电梯工作原理图
2.3 电梯的组成
电梯是机电合一的大型复杂产品，机械部分相当于人的躯体，电气部分相当于人的神经。机与电的高度合一,使电梯成了现代科学技术的综合产品。对于电梯的结构而言,传统的方法是分为机械部分和电气部分,但以功能系统来描述,则更能反映电梯的特点。电梯的结构包括：四大空间，八大系统。四大空间即机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分。八大系统即曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统。下面简单介绍电梯机械部分的结构。
(1)曳引系统
曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮和反向轮组成。
(2)导向系统
导向系统由导轨、导靴和导轨架组成，它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重智能沿着导轨作升降运动。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁连接。导靴安装装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。
(3)门系统
门系统是由轿厢门、层门、开门机、连动机构、门锁等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴。门锁装置以及应急开锁装置组成。开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。
(4)轿厢
轿厢是运送乘客或货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内按键组成。轿厢的大小由额定载重量或额定载客人数决定。
(5)重量平衡系统
重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分房的额定的载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。
(6)电力拖动装置
电力拖动装置由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，它的作用是对电梯实行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电动机或直流电机。供电装置是为电机提供电源的装置。速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置用于对曳引电机实行调速控制。
(7)电气控制系统
电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层装置等组成，它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶盒及房中的检修或应急操纵箱。
(8)安全保护系统
安全保系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯的安全使用。机械方面：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断电源的极限保护装置。而电气的保护在电梯的各个环节都有。
2.4电梯硬件分析
电梯系统由电梯机械部分和控制部分组成。为了能够简洁明了的介绍电梯的各个功能实现，需要对各硬件部分进行分析。电梯的基本框架是每一层门厅都要有门厅按钮，除了底楼和顶楼只需要一个门厅按钮外，其余各层要安装两个门厅按钮。还需要安装控制电梯平层和减速的传感器感应片，除了底楼和顶楼只各安装一片减速感应片和平层感应片外，其余各层都要安装两片减速感应片和平层感应片，而与这些感应片相对应的4个传感器安装在轿厢的顶端。在底楼和顶楼需要安装机械式的限位器，保证电梯在失控的时候不会超过顶楼和底楼。曳引机载整个电梯的顶楼，按照一般的设置，整个机房在楼层顶部。
控制设备由PLC、变频器、电脑主机、等组成，其主要作用是通过PLC接受从电梯传来的信号设置变频器控制电梯的上下运作，设定电梯的运行模式[12]。
2.4.1 电梯曳引机部分
电梯的曳引机通常是由曳引电动机、制动器、减速箱及座底组成。
电梯曳引电动机并不是通常的工业用交流感应电动机，电梯是典型的位能负载，根据电梯的工作性质，电梯曳引电动机应具有如下特点。
(1)能频繁的启动和制动；
(2)启动电流小；
(3)电动机运行噪声；
(4)对电动机的散热要做周密考虑；
(5)电梯曳引电动机为双绕组双速电动机。
除了上述特点外，电梯交流调速用曳引电动机往往备有两个轴伸端：其中一段为传动端，与减速耦合；另一段为非传动端，通常装有飞轮，用以增加运动系统的转动惯量，改善乘客的舒适感。
2.4.2 限位器和传感器部分
在整个装置中使用了四个限位器和四个传感器。四个限位器是机械的，上行减速限位器和上行平层限位器，下行于上行类似。限位器和铜片相对应，传感器与铜片配合使用，只有当传感器与相应的铜片对齐时，传感器上的红灯才会亮，因此铜片的位置十分关键，它的位置调整也十分麻烦。
2.4.3 轿厢和开关门电动机部分
轿厢上除了上一节介绍的四个传感器以外还有开关门电动机也是十分重要的，其开关门装置由电动机控制，在其齿轮带上有两个绑定的机械限位器，用来确定轿门的状态是开还是关。当开关门电动机转动时，就会带动两根金属丝，改变限位器的状态，并以开关量的形式传送给PLC。
2.4.4 变频器部分
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它能实现对交流异步电动机的启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。我们现代使用的变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源提供给电动机，变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形。中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
变频器是利用输出功率可改变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电。以此为电源再供给电机使用。而变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型和电流型。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变化为直流功率的“整流器”，吸收在变流其和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容,为使乘客拥有良好的舒适感，电梯采用S型速度曲线，转换成频率曲线如图2.2所示，以改善电梯运行的舒适感。另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。

图2.2电梯运行曲线
MM440 是西门子公司生产的通用型矢量变频器，它性能稳定，质量可靠，功能齐全，在电梯行业首次使用。
可编程序控制器PLC和MM440 变频器之间的通讯可有两种方式，一种是串行通讯,采用串行通讯只需一根双芯屏蔽电缆西门子专用，它大大减少了布线的数量，无须重新布线即可更改控制功能，可以通过串行接口设置和修改变频器的参数，还能连续对变频器的特性进行监视和控制另一种并行通讯。使PLC通过逻辑分析后发出控制信号给变频器，变频器接受指令并且按照预先设定好的曲线拖动轿厢正常运行。另外变频器还发出信息如零速变频器是否故障抱闸等信号给PLC使其参加PLC的逻辑运算以保证电梯的安全运行
另外变频器上还安装了编码器模板这使得这种通用型MM440 可以接成闭环速度反馈控制方式与无传感器矢量控制SLVC和变压/变频V/F 相比这种控制方式具有以下优点：
（1）零速时仍然具有额定转矩的负载能力。
（2）速度控制的精度。
（3）速度控制和转矩控制的动态性能得到改善。
通过有关人员的系统测试，这种变频器完全可以用到电梯控制系统中且运行良好，而且它还有一个其它变频器所没有的优点，那就是进行电机参数自学习时电机的轴不转动，这样曳引机可在带负载的情况下也能进行自学习而不必像其它变频器那样必须把轿厢吊起使曳引机脱离负载后才能自学习。给电梯的安装改造带来很大方便。
2.5 电梯的硬件工作原理
电梯的硬件工作是软件的基础，其工作原理如图2.3所示，以PLC核心，左侧为输入电路部分，右侧为输出相应部分。在输入部分电梯会相应的响应用户的呼叫，电梯在运行过程中会不停得到传感器的回应以及其他输入信号，在PLC控制器部分会对各输入变量进行逻辑分析，将结果输出到PLC输出端，在外部有各种硬件相应输出信号，会使电梯正反转，达到上升下降的目的，开关闭电梯门以及各楼层的显示电路的提示作用都会发挥作用。

PLC控制器
编码器
按钮电路
楼层传感器
检测电路
电梯其它输入信号
发光二极管记忆灯电路
PWM控制调整电路
轿厢开关门电路
楼层显示电路

图2.3 PLC硬件控制原理图

3 PLC控制系统硬件设计
3.1 四层电梯主电路
3.1.1 四层电梯曳引电机及门电机电路图
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如3.1图所示。图中M1，M2为曳引电机和门电机，交流接触器KM1～KM4通过控制两台电动机的运行来控制轿厢和厅门，从而进行对电梯的控制。FR1，FR2为起过载保护作用的热继电器，用于电梯运行过载时断开主电路。FU1为熔断器，起过电流的过电流保护作用。

图3.2 电气控制系统主回路原理图

3.1.2 PLC外部接线图
本设计的PLC外部接线图如图3.2所示。CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5～30V（DC）或5～250V（AC）。

图3.2 PLC外部接线图

3.2 I/O点数的分配及机型的选择
3.2.1 I/O点数的估算
采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。一至四层有到位行程开关SQ1～SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮K10～K7和指示灯H10～H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。
综上所述，输入点14个，外加6个额外触点共20个，输出点共有16个。
可编程控制器S7—200的CPU226输入，输出点数为24／16。足以满足要求。
3.2.2 输入/输出的分配
该系统占用PLC的36个I/O口，20个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如表3.1所示：

表3.1 I/O分配
序号
名 称
输入点
序号
名 称
输出点
0
一层平层
I0.0
0
电梯上行记忆
Q0.0
1
二层平层
I0.1
1
电梯下行记忆
Q0.1
2
三层平层
I0.2
2
电机正转
Q0.2
3
四层平层
I0.3
3
电机反转
Q0.3
4
内呼一楼
I0.4
4
内呼一楼指示
Q0.4
5
内呼二楼
I0.5
5
内呼二楼指示
Q0.5
6
内呼三楼
I0.6
6
内呼三楼指示
Q0.6
7
内呼四楼
I0.7
7
内呼四楼指示
Q0.7
8
一层外呼上行
I1.0
8
一层外呼上行指示
Q1.0
9
二层外呼上行
I1.1
9
二层外呼上行指示
Q1.1
10
三楼外呼上行
I1.2
10
三楼外呼上行指示
Q1.2
11
二楼外呼下行
I1.3
11
二楼外呼下行指示
Q1.3
12
三楼外呼下行
I1.4
12
三楼外呼下行指示
Q1.4
13
四楼外呼下行
I1.5
13
四楼外呼下行指示
Q1.5
14
手动开门
I2.0
14
门电机正转
Q1.6
15
手动关门
I2.1
15
门电机反转
Q1.7
16
开门限位
I2.2

17
关门限位
I2.3

18
电梯上升极限位
I2.4

19
电梯下降极限位
I2.5

3.2.3机型的选择
控制器使用了德国西门子的PLC，其型号为S7-200，它的外观图如图3.3所示，其输入输出端口如图3.4所示。
S7-200系列是一类可编程控制器（Micro PLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题是具有很强的适应性[13]。
SIMATIC小型S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
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。使用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，覆盖所有与自动检测，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。
STEP 7-Micro/WIN 32是西门子公司专门为S7-200系列PLC设计在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学，可用梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图三种编程语言编制程序，不同的编程语言编制的程序可以相互转换。STEP 7-Micro/WIN 32提供两套指令集，即SIMATIC指令集（S7-200方式）和国际标准指令集（IEC1131-3方式）。程序编制完成之后，利用PLC与计算机专用的PC/PPI电缆传送程序至PLC。

图3.1 S7-200型PLC外观图

图3.4 S7-200实物图
3.2.4 STEP 7概述
STEP 7编程软件是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC 管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。ST