基于PLC和变频器的电梯控制系统设计

1 绪论1.1 电梯的起源与发展随着科学技术和社会经济的发展，高层建筑已成为现代城市的标志。

电梯作为垂直运输工具，承担着大量的人流和物流的输送，其作用在建筑物中至关重要。

是现代城市生活中必不可少，且应用最广泛的垂直交通运输工具。

它起源于公元前236年的古希腊。

当时阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在宫殿里。

人们把这三台卷扬机看作是现代电梯的鼻祖。

事实上，早在公元前，我们的祖先和古埃及也都曾经使用了这种人力卷扬机。

在瓦特发明了蒸汽机之后，于1850年，在美国纽约市出现了世界第一台由亨利·沃特曼制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。

1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明一历史上第一部安全升降梯。

从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。

在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。

随着水压梯的发展，蒸汽梯也就被淘汰了。

后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯。

直到今天，液压梯仍在使用。

1889年，美国奥的斯公司制造的由直流电动机通过蜗杆蜗轮减速器带动卷筒卷绕绳索悬挂并升降轿厢的电动升降机，构成了现代电梯的鼻祖。

为了解决乘客乘坐电梯的安全性和舒适感方面的问题，1892年，美国亨利·华特·列昂那得发明了用调节电动机励磁场来调速的电动机一发电机电力驱动系统，使直流升降机的电力拖动构造有了重大发展。

1900年，交流感应电动机被使用到电梯驱动以后，进一步简化了电梯的传动设备。

以后由交流单速电动机发展到交流双速感应电动机。

1903年，美国奥的斯在电梯传动机构中采用了曳引驱动代替卷筒方式，提高了电梯传动机械的通用性，同时也制造了有齿轮曳引高速电梯。

这种电梯减少了传动设备，增强了安全性能，成为目前电梯曳引传动的基本构造形式。

在电梯控制技术方面，1949年开始应用电子技术，以后出现了电子器件与信息处理的分区控制系统，以后发展到大规模集成电路。

由于电梯拖动技术从直流电动机驱动，到交流单速、交流双速电动机驱动，到交流调压调速(ACVV)控制，交流调压调频调速(VVVF)控制，使得电梯控制技术不断成熟，加上电子技术、电子计算机技术、自动控制技术在电梯中的广泛应用，使电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、减少噪声等方面都有了极大改善。

70年代，特别是1973年以来，电梯控制柜的控制电路逐渐从模拟电路向数字化电路发展，数字技术显著提高了电梯的可靠性和运性精度。

70年代末到80年代初，高速无齿轮和有齿轮快速电梯都应用微机作为控制的主要部件，而且每部电梯使用的微机不止一部。

80年代，大功率晶体管模块的问世以及微机和数字调节技术的不断成熟，人们利用PWM(脉宽调节)技术来控制换流器，实现对电梯中交流电动机进行调压调频(VVVF)，达到线性调速的目的。

自80年代中期，VVVF控制的电梯先后由美国奥的斯、日本三菱等电梯公司相继开发并逐步推向市场。

90年代，VVVF拖动系统得到较快发展，其许多技术、经济指标，明显优于其它电梯控制系统。

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、高功率因素和节电效果，广泛的适应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。

在研究电梯基本结构的基础上，阐述了交流变压变频调速电梯的调速和控制原理，分析了如何用变频器和PLC来完善电梯控制系统，研究并提出了基于PLC和变频器的电梯控制系统的实现方案，通过合理分析所得速度控制曲线既可以满足快速性的要求又避免了重力加速效应，旋转编码器的使用，使PLC的内部资源和功能得到了充分的利用采用PLC对电梯信号系统进行控制，开发出了完整的电梯控制软件，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

该系统具有先进、可靠、经济的特色。

VVVF电梯融入先进的微机技术，使其更趋于高性能、高精度、大容量、微型化、数字化、智能化，所控制的电梯以其舒适、高效、节能而与直流电梯相媲美、相竞争，最终取而代之。

交流变压变频调速(VVVF, Variable Voltage Variable Frequency)控制。

其许多技术、经济指标，明显优于其它电梯控制系统。

由于变压变频调速(VVVF)的良好特点，目前新制造的电梯都实现了调压调频调速控制。

2 电梯的硬件分析设计2.1 电梯的主要结构分析电梯是机、电一体化产品。

其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。

各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。

尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。

电梯的基本结构如图2-1所示.1、减速箱2、曳引轮3、曳引机底座4、导向轮5、限速器6、机座7、导轨支架8、曳引钢丝绳9、开关磁铁 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、补偿链 19、补偿链导轮20、张紧装置 21、缓冲器 22、底坑 23、层门 24、呼梯盒（箱） 25、层楼指示灯26、随行电缆 27、轿壁 28、轿内操纵箱 29、开门机 30、井道电缆 31、电源开关32、控制柜 33、引电机 34、制动器（抱闸）图2-1电梯的基本结构(1) 拽引系统电梯拽系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。

主要由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。

拽引机为电梯的运行提供动力，由电动机，拽引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。

拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。

导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加拽引力。

(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，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。

(3) 门系统门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。

轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在层站入口处。

开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。

(4) 轿厢轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。

它是有轿厢架和轿厢体组成的。

轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。

轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。

轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定(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。

对重由对重架和对重块组成。

对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。

重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。

(6) 电力拖动系统电力拖动系统由拽引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。

拽引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。

供电系统是为电机提供电源的装置。

速度反馈系统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。

调速装置对拽引电机进行速度控制。

(7) 电气控制系统电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。

其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。

操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。

平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。

所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到用──平面的操作。

位置显示装置是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯还用尖头指示电梯的运行方向。

(8) 安全保护系统安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。

机械方面的有：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，还有切断总电源的极限保护装置。

电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。

2.2 电梯的工作原理分析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，供人员和货物出入。

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。

安全装置保证电梯运行安全。

2.3 电梯的拖动电路主控制系统图设计2.3.1 电梯拖动电机电路与门拖动电机电路设计与说明本设计采用三相异步电机作为电梯的牵引电机，并且电机采用星-三角起动方式。

异步电机从静止状态过渡到稳定运行状态的过程称为异步电机的启动过程。

如果在额定电压下直接起动，由于最初起动瞬间主磁通约减小到额定值的1/2，转子功率因数又很低，造成了起动时堵转电流相当大而堵转转矩并不大（不像直流电机那样，起动转矩与起动电流成正比）的结果，所以要采用星-三角降压起动方法。

起动时，电机定子绕组接成星形联结，起动后改接成三角形联结，如图2-2所示。

起动时，接触器KM3、KM5触点闭合，电机定子绕组接成星形联结，待转速升高到一定程度后，接触器KM5触点断开，接触器KM6触点闭合，定子绕组改成三角形联结，电机进入正常运行。

制动时采用能耗制动，接触器KM3触点断开、KM7闭合，电机在断开交流电源的同时，在定子两相上通入直流电流，直流电流通过定子绕组，便在电机内建立一个位置固定、大小不变的恒定磁场。

电机转子由于惯性继续旋转，转子导体切割恒定磁场而产生感应电动势和电流，该电流和恒定磁场相互作用产生相互作用产生电磁转矩，转矩的方向与转子实际旋转方向相反，起到了制动的作用。

在制动过程中，电机的转速不断下降，电机不断吸收系统存储的机械能，并把它转换成电能消耗在转子电路的电阻上。

图2-2电梯拖动电机电路M3～ L 1 L L 3FUKM 3KM 4 FRKM 6KM 5 U 1 V 1W 1U 2V 2 W 2+—KM 7R Z DC2.3.2 门电机电路的设计门电机的驱动也采用三相异步电机，而起动时采用直接起动的方式，因为门电机的功率不大，直接起动对电源的影响不大，门电机电路如图4所示。