1、 第三章 電梯控制系統硬件設計3.1 電梯控制系統設計思路電梯控制系統總體設計流程圖如圖3.1 N Y 圖3.1 電梯控制系統總體設計流程圖 本設計以PLC為工具對五層電梯的各種操作進行控制。PLC控制系統的設計一般可以分為以下幾個步驟：熟悉被控對象，制定控制方案確定所設計系統的I/O點數選擇PLC機型選擇輸入、輸出設備，分配PLC的I/O地址系統調試編寫相關技術文件3.2 可編程控制器的選型3.2.1 I/O點的估算： 裝置共有33點輸入指令信號，32點輸出控制信號，輸入信號包括：樓層內、外選擇信號、轎廂運行時樓層檢測信號、檢修控制系統信號、消防模擬信號、極限限位保護信號等，輸出信號包括：變

2、頻驅動信號、樓層顯示控制系統信號、樓層內外呼指示信號、上下行指示信號、到站鐘信號、電梯開門、關門信號以及安全保護信號等。可編程控制器S7- 200 的CPU226輸入，輸出點數為24/16 。需要擴展一塊EM223,DI16/DO16. 3.2.2 存儲容量的估算 用戶程序占用內存的多少與多種因素有關。例如:輸入/ 輸出點的數量、類型、輸入/ 輸出之間的關系的復雜程度、需要進行運算處理的難易程度、程序結構等都與內存容量有關。因此,在用戶程序調試好之前很難估算內存容量。一般只能根據I/ O點數與類型、控制的繁簡程度加以估算。考慮備用與計算機接口通訊所占用的內存容量,估算本系統要有1K 字節以上的

3、內存容量。3.2.3 各種PLC的比較和選型現在知名的PLC品牌有很多種，如美國AB、ABB、松下、西門子、匯川、三菱、歐姆龍、臺達、富士、施耐德、信捷和利時等。三菱公司的PLC是較早進入中國市場的產品。其小型機F1/F2系列是F系列的升級產品 早起在我國的銷量很多，使得許多大專院校講解PLC編程的教材都以三菱公司的 PLC 為例。國內的一些PLC生產廠家為了迅速獲得用戶，其PLC編程語言的指令集都與三菱公司的PLC兼容。三菱PLC以其高性能、低價格迎合了中國工控行業的需要，在國內得到了廣泛的應用，但三菱的模擬量模塊價格昂貴，程序復雜，不適合用來研究此系統。OMRON C 系列PLC產品門類齊

4、、型號多、功能強、適應面廣。大致可以分為微型、小型、中型和大型四大類。整體式結構的微型 PLC機是以C20P為代表的機型。疊裝式 或稱緊湊式 結構的微型機以CJ型機最為典型。它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC機以P型機和CPM型機最為典型，這兩種部屬堅固整體型結構，具有體積更小、指令更豐富、性能更優越。通過I/O擴展可實現10-140點輸入輸出點數的靈活配置，并可連接可編程終端直接從屏幕上進行編程。中型機以C200H系列最為典型，主要有 C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型號產品。在程序容量、掃描速度和指令功能上優于小型機 同時可以配置更完善的接口單元模塊

5、。可以與上位機、下位PLC機及各種外部設備組成具有各種用途的計算機控制系統和工業自動化網絡。但是歐姆龍系列PLC硬件可靠性不如西門子PLC且價格也很貴，并不適合此次研究。 SIMATIC S7-200 系列PLC是西門子最著名的PLC品牌。它適用于各行各業、各種場合中的檢測、監測及控制。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。S7-200系列出色表現在以下幾個方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內置集成功能、實時特性、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊等。S7-200系列在集散自動化系統中充分發揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼

6、電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛， 覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境護設備等等。設計PLC控制系統時，首要的控制目標就是：確保生產的安全可靠，能長期穩定運行，保證產品高質量，提高生產效率，改善信息管理等。如果要求以極高的可靠性為控制目標，構成PLC冗余控制系統，這時要從能夠完成冗余控制的PLC型號中進行選擇；如果以改善信息管理為控制目標，要首先考慮通信能力。另一個方面就是要對PLC的硬件配置的考慮，可以從CPU的能力、I/O系統、指令系統、響應速度或其它考慮。綜合考慮后，本設計選擇了西門子公司生產的S7-200

7、型機。S7-200系列PLC具有以下優點： A/D、D/A轉換精度及轉換速度高，一個模擬量模塊帶3路A/D，1路D/A，A/D、D/A轉換速度高為125us，為保證系統的采樣、控制精度及調節速度提供了基本的物理條件；其他廠家PLC的模擬量模塊的A/D、D/A轉換速度均為ms級，不具備必要條件，而且S7-200PLC的模擬量模塊單價為同類最低，因此具有很好的性能價格比。 CPU運算速度快，0.37us/位，指令豐富：具有浮點運算、指針運算、中斷、通訊響應、PID運算、PWM脈沖輸出等功能，存儲容量大，充分適應現代控制技術，如最優控制、自適應控制、變結構控制等控制算法的要求； 輸入/輸出點多、響應

8、快，24輸入/16，每點可設置濾波參數，4個20KHz高速計數器，2個高速輸出口，適應實時控制的要求； 通訊組網能力強，配有2個232/485通訊口，可方便連接232/485/422等通訊接口，適應監控系統的要求； 可靠性高，將CPU模塊，輸入/輸出I/O模塊，通訊模塊高度集成一體，簡化結構，使用方便。3.3 電梯控制系統各環節的設計3.3.1 電梯轎廂樓層位置檢測環節 電梯PLC控制不再使用繼電器控制系統中模擬轎廂運動的機械選層器，因而電梯運行過程中，轎廂所處樓層位置如何檢測PLC軟件、如何根據給定輸入信號及運行條件判斷或計算樓層數，是電梯正常運行的重要問題，是正確定向和選層換速的必備前提。

9、 轎廂樓層位置檢測的方法很多，如磁感應器信號直接輸人、雙穩態磁保護開關狀態編碼輸入和光電開關脈沖輸入、接近開關輸入等，但最為常用的當屬旋轉編碼器輸入。旋轉編碼器可用于測量轉角、轉速及位移。當轉動旋轉編碼器的轉軸時，輸出端發送出與轉角對應的脈沖數。通過累計脈沖數量可直接算出轉角和相應的位置行程。PLC一般都有高速脈沖輸入端或專用計數單元，因而在電梯PLC控制系統中，可使用旋轉編碼器檢測電梯運行過程中轎廂所處樓層位置。 電梯PLC控制系統中旋轉編碼器一般采用集電極開路輸出方式，直接與PLC高速脈沖輸人端相連，電源可利用PLC內置24V直流電源。箱式結構PLC具有高速脈沖輸入端和硬件復位輸入端，可使

10、用一相或兩相輸出的編碼器。一相為脈沖輸出，接PLC的0000端，另一相為復位輸出，接PLC的0001端。 圖3-2 旋轉編碼器與 PLC 高速脈沖輸入端接口電路 3.3.2電梯轎內指令和廳外召喚信號的處理環節 轎內指令與廳外召喚信號均需全部輸入PLC，主要方法有直接輸入、按鈕矩陣輸人、按鈕信號組合輸入、按鈕信號編碼輸入等。后三種輸入方法的特點是減少了PLC的輸入點數，但外部接線較麻煩，輸入信號的狀態以及維護檢修不直觀。 內指令信號處理包括信號登記、顯示及本層停車消號。信號的登記采用自鎖原理，軟件上采用邏輯與運算指令實現，不論電梯上行還是下行，當轎廂運行至有內指令要求的樓層時，均需換速停車，并消

11、除登記信號，不需反向保號。廳外召喚信號同樣需要進行登記，顯示本層停車信號，此外還應具有反向運行保號和直駛保號功能。 轎廂指令電路是由轎廂內人員通過指令按鈕發出指令并保持這一指令，待這一指令完成后并消除該指令的電路。廳外召喚電路，是由廳外乘梯人員通過廳外召喚按鈕發出呼梯信號，并登記和記憶 ，完成召喚指令后消除這一呼梯信號。2.3.3 電梯自動開關門的控制環節電梯的自動開關門控制要求一般如下：(1)自動門機構必須隨電梯轎廂移動，即要求把自動門機構安裝于轎廂頂上，除了能帶動轎廂門啟閉外，還應能通過機械方法使電梯轎廂在各個層樓門區安全范圍內能方便地使各層的外層門也能隨著轎廂門的啟閉而同步啟閉。(2)當

12、轎廂門和某層樓的層門閉合后，應由電氣機械設備的機械鉤子和電氣接點予以表現和考核。(3)開關門動作平穩，不得有劇烈的抖動和異常響聲。(4)關門時間一般為3-5s，而開門時間一般為2.5-4s。(5)自動門系統調整簡單方便,便于維修。(6)門電機要具有一定的堵轉能力。為實現這些要求,現設計如下: 電梯運行中的開門是待電梯平層后自動開啟的。這一自動控制是由干簧感應器實現的。干簧感應器被裝在轎廂頂部,隨轎廂上下運動，隔磁板由支架固定在電梯導軌上，當電梯欲平層時，隔磁板插入KR2開門區域干簧感應器的缺口內，使干簧管的動斷觸頭復位，接通開門區域繼電器K47線圈電路，KA7動合觸頭閉合。電梯平層結束時，運行

13、繼電器KA11線圈斷電，其動斷觸頭復位，于是開門繼電器KA2線圈通過以閉合的門鎖繼電器KA11動合觸頭、停層時間繼電器KT8斷電延時斷開觸頭而通電吸合并自保，KA2觸頭轉換時，M(直流激勵電動機)向開門方向旋轉將門自動開啟。 電梯門從敞開到關閉的時間，一般整定為4-6s，由KT8控制。電阻電容串聯支路并聯后接入110V直流電壓。在KA2動合觸頭閉合后KT8線圈通電吸合，電容器C8兩極板電壓充至110V，當電梯門開啟到位時，壓下SQ24開關，KA2線圈斷電釋放開始，時間繼電器 KT8 線圈外加直流電源切斷，但C8通過電阻R12、R13和KT8線圈放電，使KT8仍不釋放。隨著放電進行，C8極板電壓

14、降低,放電電流減少，KT8線圈電壓降低到小于等于其釋放電壓時，KT8釋放,關門動作開始，KT8延時結束。所以KT8延時時間是從門開啟到位，KT8線圈斷開直流電源到KT8線圈依靠C8放電維持吸合,直到KT8釋放,關門動作開始為止,這也是門敞開的時間,即乘客上下電梯的時間。若在延時即將結束時,尚未開啟關門動作之前還有乘客進入。此時可按下廳外召喚按鈕SB1S-SB4S、SB2X-SB5X中的一個，使廳外開門繼電器KA41線圈通電吸合KA41動合觸頭閉合，使KT8線圈又通電吸合；C8又充電。當松開廳召喚按鈕后，KA41直流電源切除，但有C8對其放電來獲得又一次延遲，便于乘客繼續出入。同理，按下轎內開門

15、按鈕SB8時，也使KT8線圈重新通電閉合，電容C8充電。當松開SB8時，由于C8對KT8線圈放電，獲得再次延遲。若不等KT8延遲結束，就提前關門，則可按下轎內指令按鈕SB1-SB5，使 C8放電加快KT8維持吸合時間縮短。關門動作提前進行。電梯停靠樓層開門后，經4-6s延時KT8線圈斷電釋放。這時起動關門繼電器KA5線圈經KA9動斷觸頭KT8動斷觸頭過載繼電器KA14動斷觸頭停站繼電器KT6動斷觸頭慢速第一延時繼電器KT2動斷觸頭KA2動斷觸頭而通電吸合。KA5動合觸頭閉合KA3線圈通電吸合KA3觸頭轉換電動機M向關門方向旋轉，拖動電梯門關閉。在關閉過程中由于行程開關SQ20、SQ21作用 實

16、現兩次減速關門。直至門關閉后，壓下行程開關SQ25使KA3線圈斷電釋放M行能耗制動。 圖3-3 電梯門控制電路3.3.4 電梯的方向控制環節 任何類別的電梯，其運行的充分與必要條件之一“要有確定的電梯運行方向”，因此所有電梯的確定運行方向的控制環節簡稱“定向環節”，在所有電梯的整體控制系統中也與電梯的自動開關門控制環節一樣，是一個至關重要的控制環節。 所謂電梯的方向控制環節，是根據電梯轎廂內乘客欲往層樓的位置信號或各層樓大廳乘客的召喚信號位置與電梯所處層樓的位置信號進行比較:凡是在電梯位置信號上方向的轎內或層樓廳外召喚信號，則電梯定上行方向；凡在其下方向的，則定下行方向。 在方向控制環節中 一

17、般集選電梯必須滿足下列幾點要求。 (1)、轎內指令信號優先于各層樓廳外召喚信號而定向，即當空轎廂電梯被某層廳外乘客召喚到達該層后，某層的乘客即可進入電梯轎廂內而撳按指令按鈕令電梯定上行方向(或下行方向)；若該乘客雖進入轎廂內且電梯門未關閉而尚未撳按指令按鈕前(即電梯尚未定出方向)出現其他層樓的廳外召喚信號時，如此召喚信號指令電梯的運行方向有別于已進入轎廂內的乘客要求指令電梯的運行方向，則電梯的運行方向應由已進入轎廂內的乘客要求而定向，而不是根據其他層樓廳外乘客的要求而定向。這就是所謂的“轎內優先于廳外”。號的要求而定出電梯運行方向，但一旦定出電梯運行方向后，再有其他層樓的召喚信號就不能 只有當

18、電梯門延時關閉后，而轎內又無指令定向的情況下，才能按各層樓的召喚信更改已定的運行方向了。 (2)、要保持最遠層樓召喚信號所要求的電梯運行方向，而不能輕易地更改，這樣以保證最高層樓(或最低層樓)乘客的乘用電梯，而只有在電梯完成最遠層樓乘客的要求后 方能改變電梯運行方向。 (3)、在有司機操縱電梯時，當電梯尚未啟動運行的情況下，應讓司機有強行改變電梯運行方向的可能性。這種在我國電梯尚未廣泛普及又以“有司機”操縱為主的使用情況下，這一“強行換向”也是必要的。(4) 、而在電梯檢修狀況下，電梯的方向控制應由檢修人員直接撳按轎廂內操縱箱上或轎廂頂的檢修箱上的方向按鈕即令電梯定向上(或向下)運行；而當松開

19、方向按鈕即令電梯消失運行方向并使電梯立即停車。 圖3-4 電梯運行方向控制電路 電梯的方向控制電路由各樓層的換位繼電器KA26KA30提供兩對動斷觸頭，并且按樓層順序連接起來，兩頭分別與上行和下行方向繼電器線圈KA24、KA19相接，組成一個定向鏈。而在每層樓換位繼電器兩對動斷觸頭的中間連接處與各樓層的轎內指令繼電器KA36KA40的動合觸頭相連，組成指令鏈。電梯只有上行和下行兩個方向 而選著運行反方向的依據也只有兩個:一是你要去哪層；二是電梯轎廂現在在那層樓。3.3.5 電梯的啟動加速和減速平層控制環節 電梯從某站啟動運行，到某站停站。其運行過程是，電梯電動機M1松閘起動、加速、快速穩定運行

20、，進入停站樓層區域時減速，進入平層區域時制動停車、抱閘、停層。這一連串的動作我們稱為電梯的啟動加速和減速平層控制。 電梯的啟動加速主要有電梯電動機M1及相應的動斷、動合開關控制，控制原理比較簡單，在此不在贅述。電梯的運動環節中，最主要的是電梯的減速平層控制環節，現介紹如下: 電梯的減速控制，按指令信號分為:按下轎內指令按鈕，電梯停在乘客前往樓層的減速控制；按下廳外召喚按鈕 電梯停在乘客登樓梯層的減速控制。平層與停層時使上行或下行接觸器KM1或KM2斷電釋放M1和電磁制動器YB線圈失電，實現制動抱閘， 電梯停于某層站。平層是使電梯停層時，轎廂底與層站地面在同一水平面上，這樣便于乘客或物品的出入。為了保證電梯的平層準確度 通常