【正文】 度持續(xù)增長，城市化水平不斷提高。上世紀 80 年代以來，隨著經(jīng)濟建設的持續(xù)高速發(fā)展，我國電梯需求量越來越大。從1949 年建國以來全國共生產(chǎn)安裝了 6l 萬多臺電梯。全世界平均 1000 人有 l 臺電梯，我國如果要達到這個水準，還需要增加 70 萬臺。到 2021 年，中國電梯的年產(chǎn)量達到 13． 5 萬臺，與 1980 年相比， 25 年增長了 59 倍，產(chǎn)量每年平均增長 17． 8％。如此龐大的市場需求為我國電梯行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的舞臺 ! 我國電梯行業(yè)已經(jīng)具備了很強的生產(chǎn)能力。先進技術(shù)和先進管理的引進對國內(nèi)電梯企業(yè)產(chǎn)生了強大的推動作用。目前國內(nèi)市場需要的電梯產(chǎn)品，我國電梯行業(yè)幾乎全部可以生產(chǎn)，不但大量替代了進口，而且有一定的出口。自 1985 年我國參加了國際標準化組織 ISO/TCl78 以來，先后等同或等效采用了一批國際標 準和先進國家的標準。許多新技術(shù)和新產(chǎn)品，如無機房電梯、無齒輪曳引機、永磁同步拖動技術(shù)、遠程監(jiān)控技術(shù)等，國際上也是剛剛出現(xiàn)，我國就有許多企業(yè)可以生產(chǎn)了。當今世界，電梯的生產(chǎn)情況與使用數(shù)量已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化程度的標志之一。 課題的研究背景及意義 電梯是集機電一體的復雜系 統(tǒng)，不僅涉及機械傳動、電氣控制和土建等工程領域，還要考慮可靠性、舒適感和美學等問題。事實上，在電梯上已經(jīng)采用了多項安全保護措施。然而，只有電梯的制造，安裝調(diào)試、售后服務和維修保養(yǎng)都達到高質(zhì)量，才能全面保證電梯的最終高質(zhì)量。因此，可以說乘坐電梯更安全。掘資料統(tǒng)計，在美國乘其他交通工具的人數(shù)每年約為 80 億人次，而乘電梯的人數(shù)每年卻有 540 億人次之多。采用 PLC 控制的電梯可靠性高、維護方便、開發(fā)周期短，這種電梯運行更加可靠，并具有很大的靈活性，可以完成更為復雜的控制任務，己成為電梯控制的發(fā)展方向。自 1969年針對工業(yè)自動控制的特點和需要而丌發(fā)的第一臺 PLC問世以來，迄今己 30多年，它的發(fā)展雖然包含了前期控制技術(shù)的繼承和演變，但又不同于順序控制器和通用的微機控制裝置。而且用戶程序的編制、修改和調(diào)試不需要具有專門的計算機編程語言知識?？删幊绦蚩刂破?PLC在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制中是最值得重視的先進控制技術(shù)。 PLC的應用深度和廣度已經(jīng)成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志之一。 PLC是專門為工業(yè)過程控制而設計的控制設備，隨著 PLC應用技術(shù)的不斷發(fā)展，將使得它的體積大大減小，功能不斷完善，過程的控制更平穩(wěn)、可靠，抗干擾性能增強、機械與電氣部件有機地結(jié)合在一個設備內(nèi)，把儀表、電子和計算機的功能綜合在一起 [3]。 圖 11通力專利摘要附圖 PLC 在電梯控制中的應用以及發(fā)展前景 目前，在電梯的控制方式上，主要有繼電器控制、 PLC 控制和微型計算機控制三種。 PLC 控制是三種控制方式 中最具有可靠性、實用性和靈活性的控制方式，它更適合于用在電梯的技術(shù)改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，是電梯控制系統(tǒng)中理想的控制新技術(shù)。然而，人們的追求并沒有就此停止下來，仍在不斷地進行研究改進。電梯是載人的機電設備，要實現(xiàn)“綠色”，也就是強調(diào)電梯更舒適、更安全地為人類的生產(chǎn)和生活服務，強調(diào)電梯與環(huán)境的協(xié)調(diào)與和諧。電梯屬于純粹的工業(yè)產(chǎn)品，其天然性應表現(xiàn)為對環(huán)境影響的盡可 能小，與郭學忠：基于 PLC 的電梯控制系統(tǒng)設計 4 環(huán)境的協(xié)調(diào)與平衡，以及電梯本身的人性化。 (1)智能化。傳統(tǒng)的智能控制是一種技術(shù)的事先安排，說到底是一種程序控制，是一種周期性的系統(tǒng)自動控制，實際上還算不上智能。智能化要求電梯有自動安全檢測功能，讓電梯自己能夠檢測到電梯的故障所在，并及時報警予以排除 [5]。運行安全是電梯的根本和關鍵。運行安全不僅要消除電梯啟動時較強的電磁輻射，使用安全材料和運行穩(wěn)定，而且要有一種良好的視覺效果，讓每一位乘客在寬敞、明亮轎廂內(nèi)有安全、舒適的好心情。有人曾經(jīng)做過環(huán)境色彩是否對人有影響的研究。色彩宜人，格調(diào)高雅，制作精良的電梯，乘客自然會有一種安全的感覺，有一種視覺上的舒適。如前所述，由于電梯是大樓里頻繁起制動的大容量電器是電磁干擾的元兇，所以綠色電梯必須是一個達到自身對大樓電磁干擾最小，而又不被其他電磁干擾影響的建筑機電設備。③舒適感 。以 CPU 控制電壓及頻率的連續(xù)變換方式，按人體生理適應要求，利用計華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 5 算機優(yōu)化設計而成的理想運行曲線，實現(xiàn)更穩(wěn)定、更舒適的運行 [6]。因此，提倡對電梯進行豪華性裝修 。由于大部分老式電梯的電控系統(tǒng)可靠性欠佳，用戶尋求對電梯的電控系統(tǒng)進行改造，以節(jié) 約資金。 針對老式電梯采用的繼電器邏輯控制方式存在功能弱、故障多、可靠性差和工作壽命短等缺陷，提出采用功能強、故障率低、可靠性高的可編程控 制器（ PLC）來控制電梯。接著闡述了電梯控制系統(tǒng)的分類及特點，電梯的控制系統(tǒng)分為調(diào)速和信號控制兩大部分。然后是系統(tǒng)硬件開發(fā)，完成了 PLC 的選型、 I/O 點數(shù)分配 與 PLC 的連接。 郭學忠：基于 PLC 的電梯控制系統(tǒng)設計 6 第二章 電梯的綜述 電梯的結(jié)構(gòu)及組成部件 電梯是機 電一體化產(chǎn)品。盡管電梯的品種繁多，但目前使用的電梯絕大多數(shù)為電力拖動、鋼絲繩拽引式結(jié)構(gòu)，其機械部分由拽引系統(tǒng)， 轎廂和門系統(tǒng)，平衡系統(tǒng)，導向系統(tǒng)以及機械安全保護裝置組成；而電氣控制部分由電力拖動系統(tǒng)，運行邏輯功能控制系統(tǒng)和電氣安全保護等系統(tǒng)組成 [7]。 1— 控制柜 (屏 ) 2 一拽引機 3— 拽引鋼絲繩 4— 限速器 5— 限速器鋼繩 6— 限速器張緊裝置 7— 轎廂 8— 安全鉗 9— 轎廂門安全觸板 10— 導軌 11— 對重 12— 廳門 13— 緩沖器 圖 21 電梯的基本結(jié)構(gòu) 華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 7 電梯的種類 2021 年 2 月 19 日 國務院頒布了《特種設備安全監(jiān)察 條例》，明確規(guī)定電梯是特種設備，并對電梯的含義做了敘 述：“電梯 是指動力驅(qū)動，利用沿剛性導軌運行的箱體或者沿固定線路運行的梯級 (踏板 )進行升降或者平行運送人、貨物的機電設備”。 現(xiàn)代電梯主要由 曳 引機 （絞車）、導軌、 對重 裝置、安全裝置 (如限速器、安全鉗和 緩沖器 等 )、信號操縱系統(tǒng)、轎廂與廳門等組成。通常采用鋼絲繩摩擦傳動，鋼絲繩繞過 曳引輪，兩端分別連接轎廂和平衡重，電動機驅(qū)動曳引輪使轎廂升降。電梯的基本參數(shù)主要有額定載重量、可乘人數(shù)、額定速度、轎廂外廓尺寸和井道型式等 [8]。 (2)按額定速度分 ： 低速梯，常指低于 ；中速梯，常指速度 ～ 。超高速梯，速度超過 。 (4)按控制方式分 ： 手柄操縱控制電梯、按鈕控制電梯、信號控制電梯、集選控制電梯、向下集選控制電梯、并聯(lián)控制電梯、群控電梯、智能控制電梯。 電梯的主要參數(shù)及性能指標 ： （ 1） 安全性 電梯時運送乘客的，即使載貨電梯通常也有人相伴隨，因此對電梯的第一要求就是安全。 （ 2） 可靠性 郭學忠：基于 PLC 的電梯控制系統(tǒng)設計 8 電梯的可靠性很重要，如果一部電梯工作起來經(jīng)常出故障，就會影響人們正常的生產(chǎn)與生活，給人們造成很大的不便，不可靠也是事故的隱患，常常是不安全的起因。 （ 3） 停站的準確性 停站準確性又稱平層準確度，平層精度。15 或 ≤177。15 交直流高速電梯 ≥ ≤177。負載重，則慣性大，提速高慣性也大。 （ 4） 振動、噪聲及電磁干擾 現(xiàn)代電梯是為乘客創(chuàng)造舒適的生活和工作環(huán)境。 （ 5） 舒 適感和快速感 電梯作為一種交通工具，對于快速性的要求是必不可少的，快速可以節(jié)省時間，這對于快節(jié)奏的現(xiàn)代生活中的乘客是很重要的。因此在電梯設計時就要兼顧快速性和舒適感這兩個互相矛盾的因素。 2）轎廂尺寸（ mm） ：寬深高。 4）轎門形式：有柵欄門、封閉式中分門、封閉式雙拆門、封閉式雙拆中分門等。 華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 9 6）開門方向：人在廳外面對廳門，門向左方向的為左開門，門向右方向開啟的為右開門，兩扇門分別向左右兩邊開啟者為中開門，也稱為中分門。半繞 2： 1 吊索法，轎廂的運行速度等于鋼絲運行速度的一半。 8）額定速度（ m/s）：制造 和設計所規(guī)定的電梯運行速度。如交流電機拖動或直流電機拖動，轎內(nèi)按鈕控制或集選控制等。 11）提升高度（ mm）：由底層端站樓面至層頂端站樓面之間的垂直距離。電梯的運行速度越快，頂層高度一般越高。電梯的運行速度越快，底坑一般越深。 15）井道尺寸（ mm）：寬深 [10]。圖 31 電梯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要硬件由轎廂、開 門機構(gòu)、曳引機構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成 。圖 41 為電梯 PLC 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖， 主要硬件包括 PLC 主機及擴展、機械系統(tǒng)、轎廂操縱盤、廳外呼梯盤、指層器、門機、調(diào)速裝置與主拖動系統(tǒng)等 [11]。 圖 32 電梯 PLC 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 電梯的控制系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能： 1)行車 方向由內(nèi)選信號決定 ,順向優(yōu)先執(zhí)行 。 3)內(nèi)選信號、呼梯信號具有記憶功能 ,執(zhí)行后解除。 6)延時自動關門 ,關門后延時等待內(nèi)選，自動行車 。 電梯曳引方案 曳引電梯是當今世界應用最為廣泛的梯型，具有安全可靠、提升高度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點 【 】 。 本設計出于 降低對電機的要求 的考慮，采用了 2： 1 的 曳 引 方案 [13]。圖中M1， M2 為曳引電機和門電機，交流接觸器 KM1~KM4 通過控制兩臺電動機的運行來控制轎廂和廳門，從而進行對電梯的控制。 FU1 為熔斷器，起過電 流保護作用。 華東交通大學畢業(yè)設計（論文） 13 （ 2）編程直觀、簡單 考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員熟悉電氣控制線路的特點， PLC 沒有采用微機控制中常用的匯編語言，而是采用了一種面向控制過程的 梯形圖語言。因此，許多國家生產(chǎn)的 PLC 都把梯形圖語言作為第一用戶語言，此外，還可采用指令表進行編程控制。當控制要求發(fā)生改變時，只要修改程序即可。其適應能力非常強，既可控制一臺機器，一條生產(chǎn)線 ，也可控制一個復雜的群控系統(tǒng)；既可以現(xiàn)場控制，又可以遠距離控制。其常用的數(shù)字量輸入輸出接口，就電源而言有 110 V、220 V交流和 5V、 48 V直流等多種，負載能力可在 ～ 5 A 的范圍內(nèi)變化，模擬量的輸入輸出有 177。10 V和 0～ 10 mA、 4～ 20 mA 等多種規(guī)格，可以很方便地將 PLC 與各種不同的現(xiàn)場控制設備順序連接，組成應用系統(tǒng)。近年來， PLC 在處理速度、控制功能、通信能力及控制領域等方面都不斷有新的突破，正向著電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化 (EIC)方向發(fā)展， PLC 裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置，是構(gòu)成 FMS、 COMC、 FA 的主控單元 [14]。 (2) 利用穩(wěn)態(tài)磁保開關 :這種方法需對磁保開關的不同狀態(tài)進行編碼，在各種編碼方式中適合電梯控制的只有格雷變形碼，但它是無權(quán)代碼，進行運算時需采用 PLC 指令譯碼，比較麻煩，軟件譯碼也使程序變的龐大 [9]。 由以上分析可見，用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測轎廂位置優(yōu)于其他方法，故本設計采用此法。又因為電梯是雙向運行的，所以 PLC 還需具有可逆計數(shù)器 [15]。各種機型均可采用相同配置，簡化設備采購和倉庫庫存管理。用戶可根據(jù)不同機型的流程要求編制程序，程序調(diào)試和修改都非常簡便，能根據(jù)客戶需求進行變化；程序可采用密碼保護，保護自己的勞動成果。 (3)系統(tǒng)能非常方便地連接到 PC 機監(jiān)控系統(tǒng)或其他系統(tǒng)如樓宇自控系統(tǒng)中，根據(jù)應用情況，有時可無須增加額外硬件就能實現(xiàn)；增加適當硬件可連接到互聯(lián)網(wǎng)上。 綜上所述，在本次設計中選用西門子 PLC 進行過程 控制。 S7200CN 針對低性能要求的小型 PLC，它能夠控制各種設備以滿足自動化控制需求 ， 緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強大的指令集使 S7200成為各種控制應用的理想解決方案。它 集成 24輸入 /16輸出 ， 共 40 個數(shù)字量 I/O 點； 可連接 7個擴展模塊，最大擴展 168 路數(shù)字量 I/O 點或 35路模擬量 I/O點 ；具有 12K字節(jié)程序和8K 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間和 6 個獨立的 30KHZ 高速計數(shù)器，兩路獨立的 20KHZ 高速脈沖輸出， 1 個 RS485 通訊 /編程口。 輸入輸出分布如下表。目前，有為電梯控制而設計的專用變頻器早已問世，其功能較強， 使用靈活，但其價格相對較郭學忠：基于 PLC 的電梯控制系統(tǒng)設計 16 貴。這是本設計的特點之一。 變頻器的原理 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形 [16]。如圖 42 所示。變頻器調(diào)速的主要工作原理是將供給電機定子的三相交流工頻電經(jīng)大功率整流元件整流變成直流，再將直流電用正弦波脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)逆變?yōu)轭l率可調(diào)、幅度也隨之改變的三相交流電。 如圖 43 所示。本設計中拖動調(diào)速系統(tǒng)的關鍵在于保證電梯按理想的給定速度曲線運行，以改善電梯運行的舒適感；另外，由于電梯在建筑物內(nèi)的耗電量占建筑物總用電量的相當比例，因此，電梯節(jié)約用電日益受到重視。 VS616G5 型變頻器的特點 VS616G5 型變頻器是安川電機公司面向世界推出的 21 世紀通用型變頻器。 VS616G5 變頻器的特點如下 : (1) 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實現(xiàn)了標準化。 (3) 由于采用 了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。 郭學忠：基于 PLC 的電梯控制系統(tǒng)設計