电梯速度控制

目录
第一章设计背景及电梯的定义 (5)
1.1 设计背景 (5)
1.2 电梯的定义 (5)
第二章 PLC控制系统的发展趋势 (6)
3.1 PLC的定义 (6)
3.2 PLC在电梯控制中的应用和发展 (6)
第三章总体方案设计 (7)
3.1 电梯的理想运行曲线 (7)
3.2 系统设计方案及其选择 (7)
3.3系统总体结构框图 (7)
第四章梯形图及其注释 (8)
4.1 电梯初始控制 (8)
4.2 电梯运行过程 (8)
第五章系统仿真与调试 (9)
第六章总结 (10)
致谢 (11)
参考文献 (12)
第一章设计背景及功能
1.1设计背景
近年来，可编程控制器技术的发展非常迅速，各生产厂家也推出了强大的通信联网器件、各种特殊功能模块和许多功能强大的新型PLC，使可编程控制器成为集通讯技术、微机技术、和自动化技术于一身的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具，在工业控制的各个领域得到了广泛应用。

随着高层建筑不断增多，城市建设的不断发展，电梯在生活和国民经济中有着广泛的应用。

作为高层建筑中垂直运行的交通工具，电梯已与人们的日常生活密不可分。

实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统。

所以，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。

目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成运行状态、电梯信号的采集和功能的设定，实现电梯的集选运行和自动调度功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用PLC（可编程控制器）取代微机实现信号集选控制。

从性能和控制方式上来说，这两种方法并没有太大的区别。

国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于自己设计和制造微机控制装置成本较高，生产规模较小；而PLC程序设计方便灵活、可靠性高、运行稳定可靠、抗干扰能力强等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。

文中分析了电梯的负载特性，阐述了采用梯形加速曲线的电梯理想速度曲线，结合PLC和变频器的性能，论述了电梯控制系统的构成和工作特性。

阐述了电梯速度曲线产生的方法，归纳了由PLC
构成的控制系统软件设计的特点。

1.2电梯的定义与简介
电梯是一种垂直升降机，以电动机为动力，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的装置。

固定式升降设备具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间服务于规定楼层的。

为了便于乘客出入或装卸货物,轿厢尺寸与结构形式应符合要求。

通常来说，不管电梯的运行驱动方式怎样，都将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。

电梯分类按运行速度可分为：低速电梯（1米/秒以下）、快速电梯(1～2米/秒)和高速电梯(2米/秒以上)。

19世纪中期，开始出现液压电梯，至今仍在低层建筑物上应用。

美国的E.G.奥蒂斯在1852年研制出钢丝绳提升的安全升降机。

驱动装置在80年代具有着进
一步的改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒、采用平衡重等。

19世纪末，人们在电梯上添加了摩擦轮，采用了摩擦轮传动，大大增加电梯的提升高度。

20世纪末，电梯引用永磁同步曳引机作为运行动力，不仅大大缩小了机房占地，并且具有能耗低、提升速度、节能高效快等优点，快速地推动了房地产向超高层方向的发展。

1.3 电梯的结构
电梯的结构如图1所示：
图1 电梯的基本结构
1-控制柜(屏);2-拽引机;3-拽引钢丝绳;4-限速器;5-限速器钢绳;6-限速器张紧装置;7-轿厢;8-安全钳;9-轿厢门安全触板;10-导轨;11-对重;12-厅门；13-缓冲器。

电梯的结构包括：四大空间，八大系统
四大空间：机房部分、井道及地坑部分、轿厢部分、层站部分
八大系统：曳引系统、轿厢、门系统、导向系统、电力拖动系统、电气控制系统、重量平衡系统、安全保护系统
现代电梯主要由导轨、对重装置、曳引机（绞车）、信号操纵系统、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、轿厢与厅门等组成。

这些装置分别安装在建筑物的井道和机房中。

这些装置一般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。

电梯的首要条件就是：安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适。

电梯的主要参数是：额定载重量、额定速度、可乘人数、轿厢外廓尺寸和井道型式等。

电梯的组成：
曳引系统
曳引系统主要组成部分是曳引机、导向轮、曳引钢丝绳和反绳轮。

曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

桥厢
轿厢主要组成部分是轿厢架和轿厢体。

运送乘客和货物的电梯组件便是桥厢，是电梯的工作部分。

门系统
门系统主要组成部分是轿厢门、开门机、层门、门锁装置。

门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

导向系统
导向系统主要组成部分是导轨、导靴和导轨架。

导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

电力拖动系统
电力拖动系统主要组成部分是曳引电动机、速度反馈装置、供电系统、电动机调速装置等。

电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

电气控制系统
电气控制系统主要组成部分是操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等。

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

重量平衡系统
重量平衡系统主要组成部分是对重和重量补偿装置。

重量平衡系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

安全保护系统
安全保护系统主要组成部分是安全钳、缓冲器、电梯限速器、安全触板、电梯安全窗、电梯超载限制装置、层门门锁、限位开关装置。

安全保护系统的主要功能是保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

1.4电梯的工作原理
曳引绳两个端头分别连接着轿厢和对重，它们分别绕在在曳引轮和导向轮上，减速器变速后曳引电动机带动曳引轮转动，通过曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力来达到轿厢和对重的升降往返运动，从而实现运输的目的。

另一方面，固定在轿厢上的导靴可以在建筑物井道墙体上的固定导轨进行往复升降运动，让轿厢不可以在运行中偏斜或摆动。

在电动机工作时松闸，常闭块式制动器使电梯运转，在没有电的情况下制动，轿厢升降的停止，使其并在指定层站上维持静止状态，供人员和货物出入。

轿厢是用来运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重是用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率的部件。

通常引用补偿装置来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使得曳引电动机的负载更加稳定，轿厢得以准确地停靠。

电气系统达到对电梯运动的控制，并且完成选层、平层、测速、照明工作等。

指示呼叫系统可以随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。

安全装置（各方面的安全，比如电梯门的关闭与否）的作用则是保证电梯运行安全。

第二章 PLC控制系统的定义及发展趋势
2.1 PLC的定义
在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看承由输入电路，控制电路，输出电路和生产现场这4个部分组成的。

其中输入电路也是由按钮，行程开关，限位开关，传感器等构成。

用已向系统送入控制信号。

输出电路部分是由接触器，电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机，电炉，阀门等。

继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。

它通过导线将各个分立的继电器，电子元器件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象（如电动机等）或生产过程。

可编程控制器简称PC。

个人计算机也称PC。

为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（Programmble Logic Controller）。

国际电工委员会（International Electrical Committee）在1987年颁布的PLC标准草案中队PLC做了如下定义：“PLC是一种专门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顺序运算、逻辑运算、计数、定时和算术运算等操作的指令，并能通过模拟式或数字式的输入和输出，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按照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。

”
定义中有以下几点应值得注意。

（1）可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，其中带有“可以编制程序的存储器”，可以进行“顺序运算、逻辑运算、定时、计数和算术运算”工作，可以认为可编程控制器具有计算机的基本特征。

事实上，可编程控制器无论从内部构造、工作原理及功能上看都是不折不扣的计算机。

（2）可编程控制器是“为工业环境下应用”而设计的计算机。

功能工业环境和一般办公环境有较大的区别，PLC的特殊构造让它可以在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。

为了能控制“机械或生产过程”，它满足“易于与工业控制系统形成一个整体”这些条件是个人计算机满足不了的。

所以可编程控制器不是普通的计算机，它是一种工业现场使用的计算机。

（3）可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。

它的特性“易于扩展其功能”，它的程序能根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”。

换句话而言，可编程控制器跟以前的单片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合，是一种通用的工业控制计算机。

通过以上定义还可以了解到，可编程控制器是一种工业控制计算机，通过二次开发（编制符合控制要求的程序）能够控制“各种类型”的工业设备及生产过程，是各个领域实现自动化的主要设备之一。

2.2 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强 PLC具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。

在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统就具有了极高的可靠性。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现在大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技
术，具有很高的可靠性。

（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。

加上PLC通讯能力的增强及人机见面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电接触器电路的功能，PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。

（4）系统设计周期短，改造容易，维护方便 PLC的完善自诊断、履历情报存储和监视显示功能，使得维护变得十分容易，便于故障的迅速查找和处理。

PLC 使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，使控制系统设计周期大大缩短。

（5）体积小，重量轻，能耗少超小型的PLC，其体积和重量只有通用的接触器大小，功耗很低，易于安装在机械内部控制运动物体，是实现机电一体化的理想控制设备。

当前的可编程控制器在产品规模上，正在向超大型和超小型连个方向发展。

可编程控制器的各种控制模块和品种十分丰富，规格齐全，控制更加多样化、人性化，并在向更快、更高智能化方向发展。

可编程控制器由中央处理器、存储器、输入/输出接口、外设和电源等部分组成，它的工作过程是串行分时扫描方式。

可编程控制器的结构有单元（箱体）式、模块式和叠装式三种。

可编程控制器的软件有用户应用软件和系统软件两部分。

最常用的应用软件编程语言是梯形图。

2.3 PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、化工、电力、石油、建材、汽车、轻纺、机械制造、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况基本上可以
归纳为以下几类：
（1）开关量的逻辑控制既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。

如电梯控制、印刷机、注塑机、高炉上料、磨床、组合机床、包装生产线、电镀流水线等。

开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制。

（2）模拟量控制模拟量有温度、压力、流量、液位和速度等许多连续变化的量，为了让可编程控制器可用处理模拟量信号，PLC厂家生产有配套的A/D 和D/A转换模块，是可编程控制器可用于模拟量控制。

（3）运动控制就控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可使用专用的运动控制模块，PLC可用于圆周运动或直线运动的控制。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

在世界上广泛应用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量的模拟量的闭环控制。

PLC作为工业控制计算机，能够编制各种各样的控制算法程序来完成闭环控制。

闭环控制系统中常用的控制方法是PID控制。

一般运行专用的PID子程序是PID 处理。

十分广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。

（5）数据处理现代PLC具有数学运算（含逻辑运算、矩阵运算）、排序、
查表、位操作、数据传送、数据转换等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

通过与储存在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通讯功能传送到别的智能装置上面，或者将它们打印制表。

数据一般用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统；也可用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统。

（6）随着计算机控制的发展，加快了工厂自动化网络发展，各个PLC厂商都非常重视PLC的通讯功能，纷纷推出了各自的网络系统。

PLC通信包含了PLC 之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。

最新生产的PLC都具有通讯接口，实现通讯非常方便。

可编程控制系统（Programmable Logic Controller），是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。

它通常采用一种可编程的存储器，通过模拟式或数字式的输入输出来控制各种类型的生产过程或机械设备。

由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、可靠性高、组装维护方便、抗干扰能力强、编程简单等特点，已广泛应用于工业自动化控制控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。

目前PLC在电梯行业已得到广泛应用。

电梯用于垂直运送乘客和货物，是高层建筑不可缺少的运输工具，传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多、可靠性差、故障率高、维修工作量大等，而采用PLC
组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适。

PLC控制的采用使得在层数和控制功能较少的场合更为方便。

2.4 PLC的发展前景
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。

20
世纪70年代初出现了微处理器，引入了微处理器的可编程控制器增加了运算。

数据传送及处理等功能，成为了真正具有计算机特征的工业控制装置。

为了让继电接触控制系统的电气工程技术人员的方便使用，人们在可编程控制器中采用了和继电接触器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算的计算机存储元件都以继电器命名。

所以可编程控制器被人们称为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已经全面应用可编程控制器中，使它的功能发生了质的飞跃。

它的优点体现在：超小型的体积、更高的运算速度、更可靠的工业抗干扰设计、PID功能、模拟量运算以及极高的性价比。

这些实用功能奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已经获得了广泛的应用。

可编程控制器的应用数量已位于绝大多数的工业自控设备之首。

大规模、高速度、高性能、产品系列化是这个时期可编程控制器发展的特点。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

许多可编程控制器的生产厂家以闻名于全世界。

如日本的三菱公司和立石公司，美国Rock-well自动化公司所属的A-B（Allen-Bradley）公司，GE-Fanuc公司，德国的西门子（Siemens）公司等。

20世界末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的
应用都得到了长足的发展。

预计21世纪可编程控制器将会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高的品种出现。

从市场上看，各国生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国金通用的编程语言，这将是有利于可编程技术的发展及可编程产品普及的。

从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型两个方向发展。

从网络的发展状况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的集散控制系统（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。

从产品的配套性能上看，产品的品种会更丰富、规格会更齐备。

完美的人机界面、完美的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要组成部分，将在众多领域发挥越来越大的作用。

第三章总体方案设计
3.1电梯运行的理想曲线
运行线路是电梯控制系统的核心，电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度a和加速度变化率p的大小。

过大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。

同时，为保证电梯的运行效率a、p的值不宜过小，根据大量的研究和实验表明：人可接受的最大加速度为am≤1．5m／s2，最大加速度变化率pm＜3m／s3，电梯的理想运行曲线梯形加速度曲线如图3所示，电梯是由曳引电动机拖动（主回路），主回路的工作受运行线路的控制，为保证电梯运行曲线中最佳的a、p取值，以形成图3所示的速度曲线，决定了电梯何时启动加速，何时运行，何时减速，何时平层停车。

所以电梯的主要性能指标（额定速度、舒适感、平层精度等）由运行线路决定。

启动：电梯的启动，方向是首要条件，门锁（厅门轿门是否关好）等安全因素也是必要的。

减速：当电梯选中某层，意味着将在该层停车，达到换速点就应减速，为平层停车做准备。

平层停车;当减速运行到平层点时,说明轿门门槛与厅门门槛基本平齐,可以停车.即将主回路曳引电动机电源断开,并实施电磁抱闸.一般在轿厢侧面装有3只永磁感应器分别为上平层感应器SPG、门区感应器MQG、下平层感应器XPG，在井道中每层都装有一块隔磁铁板，在平层位置时，这三只感应器应正好全部插入隔磁铁板中，表示已到平层点了。

图2 电梯运行速度曲线
3.2 电梯的基本工作原理
当曳引机组的曳引轮旋转时，依靠嵌在曳引轮槽中的钢丝绳与曳引槽之间的摩擦力，驱动钢丝绳来升降轿厢，曳引钢丝绳一端挂着轿厢，另一端悬挂对重，产生拉力分别为S1和S2。

当S1和S2的差值等于或小于绳槽之间摩擦力时，电梯正常运行，绳槽之间无打滑现象。

具体图形见图 3 。

图3电梯的传动方式原理示意图
3.3 电梯控制主回路
井道中安装有导轨，轿厢和对重由曳引钢丝绳连接，如图 1所示，曳引钢丝绳挂在曳引轮上，曳引轮由曳引电动机拖动。

轿厢和对重都装有各自的导靴，导靴卡在导轨上。

曳引轮运转带动轿厢和对重沿各自导轨做上下相对运动，轿厢上升，对重下降。

这样可通过控制曳引电动机来控制轿厢的启动、加速、运行、减速、平层停车，实现对电梯运行的控制。

曳引电动机选交流双速电动机，其控制主回路如图 2 所示。

当电梯下运行，JXK、XC、KC 吸合，380V 交流电源通过电抗器 DZ、电阻 MQR 接通电动机快车绕阻，使电动机降压起动运行。

经过 1．5s，KJC 吸合，短接 DZ 和MQR，电梯全压快速稳定运行。

当电梯接近某层，需停车时也就是到了换速点，需减速，此时 KC、KJC 断开，MC 吸合，电机进入发电制动状态。

为了提高舒适性，使制动力矩逐级增大，我们采用了分级减速，第一级线路为 380V－XC－DZ－MQR－MC；第二级线路 380V－XC－DZ －1MJC－MC（短接了部分 MQR 电阻）；第三级线路 380V－XC－DZ－2MJC－MC （短接 MQR 电阻）；第四级线路 380V－XC－3MJC－MC（短接电抗 DZ 和 MQR 电阻）。

通过这样四级减速，使电梯平稳地过渡到慢车运行状态。

当减速运行到平层点时，XC、MC、1MJC、2MJC、3MJC 同时释放，电动机失电，制动器抱闸，使电梯停止运行。

图4 电梯控制主回路
3.4 电梯运行线路控制系统设计
（1）PLC机型的选择
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类，按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或。