智能电梯控制系统设计

湖南文理学院

课程设计报告

课程名称：自动化系统课程设计专业班级：自动化11班学号

学生姓名：

指导教师：

完成时间：2014年11月20日报告成绩：

目录

一、设计题目

智能电梯控制系统设计

二、设计要求

利用PLC与变频器实现电梯的变频调速控制，该电梯控制系统具有同时呼梯控制、各楼层单独呼梯控制、上升、下降运行控制、轿厢位置显示等功能，电梯至少五层以上。

三、电梯控制系统控制系统设计作用与目的

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，电梯也已成为人类现代生活中广泛使用的运输工具。随着人们对电梯运行的安全性、舒适性等要求的提高，电梯得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。

可编程控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。电梯控制要求接入设备使用简便，对应系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯的电梯运行的舒适感。本文争对以上优点，对电梯运行进行了改进，使其达到了比较理想的控制效果。

四、所用设备及软件

本设计除了需要计算机,实验设备THPFSL-1/2还会用到两款软件：作图软件Altim Desinger、编程软件GX-developer。简介如表1所示。

表1 软件简介

系统总体结构原理图

主控制器是整个电梯的核心。不但要保证整个系统的稳定运行，而且要在极短的时间内对系统所有的任务进行响应。

其任务包括：接收、处理电梯的各种状态，并做出相应的动作，控制电梯的总体运行，实施对电梯驱动部分的控制，包括抱闸的松放、门机的开关、变频器低、中、高速的给出等控制。接收轿厢控制器送来的内选信号，执行内选外呼指令，向轿厢控制器、呼梯控制器发送楼层指示信号，实施安全保护等。为了实现电梯状态监控的需要，主控制器还加入了基于LCD显示的电梯参数设置、监控系统。

程序流程图

模块式PLC包括CPU模块，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些

图 PLC结构框图

2.系统工作原理

采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形

图所规定的特殊功能指令。

输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

向，而且遵守或一直向上，或一直向下的原则。并且在每次平层的时候都能够换速。

楼层位置的指示：选用发光二极管作为指示灯显示的方法。

当电梯平层的时候，电梯门自动打开，经过2秒钟后电梯门自动关上。如果遇到有人在门中间的情况，电梯会因为机械安全触板开关的作用而自动开门，也可以手动控制开门和关门。

为了避免乘客被正在关闭的门扇伤害，在门系统中大都设置安全检测系统，以检测关门时是否还有乘客从电梯门上通过。当轿厢门正在关闭时，如果此时有乘客欲进、出入电梯轿厢(包括乘客位于轿厢门前某段距离或乘客阻挡轿厢门关闭)，则轿厢门应该停止关闭，且重新打开。轿厢门打开则不必有此过程。目前

的安全系统主要大都采用光电式装置(如光敏元件)，也有的采用电磁式装置。在一些高性能的电梯系统中，都设置了大厅内乘客检测装置，确定乘客是否全部进入电梯。当乘客或物体仍在门检测区域内时，电梯的门系统能自动延时关门，确保乘客全部进入电梯。目前主要采用光电装置和红外光幕保护装置来检测乘客或物体。有的门机系统还采用热敏电磁装置和图像采集系统检测乘客或物体，由于受到性能和成本的限制，应用的并不多。

主电路的设计

电力拖动系统是电梯的动力来源，它驱动电梯部件完成相应的运动。在电梯中主要有如下两个运动：轿厢的升降运动，轿门及厅门的开关运动。轿厢的运动由曳引电动机产生动力，经曳引传动系统进行减速、改变运动形式（将旋转运动改变为直线运动）来实现驱动，其功率在几千瓦到几十千瓦，是电梯的主驱动。轿门及厅门的开与关则由开门电动机产生动力，经开门机构进行减速、改变运动形式来实现驱动，其驱动功率较小（通常在200W以下），是电梯的辅助驱动。

电梯的电力拖动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着控制作用。拖动系统的优势直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘坐的舒适性等指标。

电梯的拖动系统经历了由简单到复杂的过程。到目前为止应用于电梯的拖动系统主要有：(1)单、双速交流电动机拖动系统；(2)交流电动机定子调压调速拖动系统；(3)直流发电机-电动机可控硅励磁拖动系统；(4)可控硅直接供电拖动系统；(5)VVVF变频变压调速拖动系统。

交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。单、双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制，线路简单，价格较低，因此在电梯上广泛应用。交流双速电梯拖动电机控制主电路如图6-2所示。电梯启动时，首先接通上行或下行的接触器（KMs或KMx），同时也接通快速接触器KMk，这样就接通了快速绕组，电梯快速启动。为了减小电梯启动的加速度，提高乘坐的舒适感，接触器KM2断开，将电抗接入电路，当电动机的转速达到一定数值后，闭合接触器KM2将电抗短路，电动机逐步加速至额定转速，电梯最后稳定运行。当电梯需要减速时，先断开快速接触器KMK，闭合慢速接触器KMM，此时接通了慢速绕组，电动机开始减速。为了降低在减速过程中的加速度，接触器KM1断开，电路中接入了电抗器，在电

动机的转速降到一定程度后，将解除其KM1闭合，将电抗器短路使电动机逐步减速至停止。

图6-2拖动电机控制主电路图

电梯门机拖动系统作为一个子系统，相对整个电梯系统来说，是不容忽视的。它是电梯系统中动作最频繁，也是直接面对乘客的部分。因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机控制系统，其设计就显得尤为重要。

门机拖动系统从电流型式上分为直流调速拖动和交流调速拖动两大类，在交流调速拖动中，异步电动机门机调速拖动系统和同步电动机门机调速拖动系统已发展成为占有相当比例的两类调速拖动系统。门电机主电路如图6-3所示，通过电动机的正反转来实现门的开关。

图6-3 门电机主电路图

七、智能电梯控制系统设计软件设计 PLC 单台电梯控制系统的工作流程

电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制的，在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。电梯控制系统工作流程如图7-1所示。

图7-1 PLC 单台电梯控制系统工作流程图

电梯的控制系统实现如下功能：

1)行车方向由内选信号决定，顺向优先执行；

2)行车途中如遇呼梯信号时，顺向截车，反向不截车； 3)内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除；

4)内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均由信号灯指示； 5)停层时可延时自动开门、手动开门、(关门过程中)本层顺向呼梯开门； 6)有内选信号时延时自动关门，关门后延时自动行车； 7)无内选时延时2s 自动关门，但不能自动行车； 8)行车时不能手动开门或本层呼

梯开门，开门不能行车。 控制面板

在电梯控制系统的工作流程图中，控制面板包括两个部分：一部分安置于电梯厢内，用于乘客选择所要到的楼层；另一部分

清 除

清 除

置位 置位 来自轿

厢 控制面来自井道 行程开来自轿厢 控制面来自层面 控制按控制信号 层楼信号

指令信号 召唤信号 层楼定位 指令登记

召唤登记

显 示

显 示

显 示

自动定向

运行控制（开/关

门、

上/下行、停站） 运行显示 电动机驱动控制

置于每个楼层，用于呼叫电梯，如右图7-2所示。

在图7-2所示的面板示意图中，每个楼层的控制按钮只有两个按键，即上行键和下行键，以及相关的显示单元，在底楼只有一个上行键，在顶楼只有一个下行键；在电梯厢内有楼层按键和开关门按键，以及相关显示单元。

图7-2 电梯控制系统面板示意图超重报警

在电梯运行过程中，需要时刻测量电梯厢内的重量，以防止超过最大载重量，造成安全事故，为此使用了传感器。通过不断地调试将传感器安装在适当的位置，使其能准确地判断出厢内重量是否超标，从而达到保护电梯安全运行的目的。如果厢内重量超过标准，则无法关门，电梯无法上/下运行。超重报警采用声光报警，选用既可发出闪烁信号，又可发出蜂鸣声的指示灯。

PLC I/O地址分配

表7-2 模拟量输入部分

表7-3 数字量输出部分PLC的外部接线图如下图7-3所示。

图7-3 五层电梯控制的I/O接线图

总流程设计

根据控制系统的功能要求，交流双速电梯工作时主要可分为两个部分：一是维修状态；二是正常运行状态。

在旋钮置于维修状态时，不论电梯处于任何位置，都将直接运行到楼层底部，忽略用户的其它指令。其工作流程如图5-1所示。

至于正常运行状态时，可根据电梯内外及各个楼层之间的用户指令，以及电梯现在所处的位置，自动判断电梯的运行方向，根据PLC接收到的其它外围设备的控制信号，完成用户的控制要求运行至指定的楼层。交流双速电梯控制系统流程图如7-3-1所示

图7-3-1 维修状态流程图

图7-3-2 交流双速电梯控制系统流程图

各模块梯形图设计

根据上述流程图，采用模块化的程序设计，为了便于程序设计，以及程序修改和完善，简历如表7-4-1所示的元件设置表。

表7-4-1 元件设置

电梯运行状态选择程序

旋钮的默认开关状态为,在断开时中间继电器闭合，不论电梯处于什么位置，电梯都直接下行到底层，如果电梯就在底层，则闸门上的限位器传送信号到PLC 中，表示电梯已到达目标位置，延时一段时间后，闸门开启进行维修维护工作，其维修状态时的梯形图程序如图7-4-1所示。

图7-4-1 维修状态时梯形图程序

楼层指令输入

在正常运行状态时，接收每个楼层的上行/下行指令和厢内控制按钮的指令。在此程序中，先将收到的楼层指令存储到对应的寄存器中，然后电梯以此为目标在楼层间运行，如果在运行过程中，有其他楼层的按钮被按下，则经过PLC的运算，按照输入的指令停止在指定的楼层上，在楼层指令输入梯形图程序如图7-4-2所示。

图7-4-2 楼层指令输入梯形图程序

电梯上下行判断程序

如果电梯处于底层或者顶层，则运行时只有一个方向；上行或者下行。如果停留在中间任何一层，就需要通过PLC的运行将电梯现在所在的楼层和输入指令的楼层进行比较，然后输出上行还是下行的指令，电梯上下行判断程序如图7-4-3所示。

图7-4-3 电梯上下行判断程序（1）

图7-4-3 电梯上下行判断程序（2）

最近上行目标楼层确定程序

当电梯已经接收到目标楼层指令，且正在开始移动，还没到达到目标楼层之前，例如，正在1层开始运动，有人在2层按下了上行的按钮，则电梯的最近上行目标楼层应立刻更显为2，而如果此时1层按下上行按钮，则不会影响电梯上行的运动状态，最近上行目标楼层确定程序如图7-4-4所示。

图7-4-4 最近上行目标楼层确定程序

上行运行程序

在确定了最近的目标楼层后，由PLC输出的指令控制电梯向上运动，接近目标楼层后，通过目标楼层的下层限位器输入的信号，输入到PLC中，然后调用速度切换程序，上行运行程序如图7-4-5所示

图7-4-5上行运行定程序

最近下行目标楼层确定程序

当电梯接收目标楼层指令，且正在向下开始移动，在还没到达目标楼层之前，例如，正在从3层开始运动，有人在2层按下了下行的按钮，则电梯的最近下行目标楼层应立刻更改为2，而如果此时在3层按下行按钮，则不会影响电梯下行的运行状态，其程序如图7-4-6所示。每个扫描周期PLC都检测厢内和每个楼层的按钮状态，若有按钮被按下，且所在楼层低于之前的目标楼层，则更改目标楼层数。

图7-4-6最近下行目标楼层确定程序

下行运行程序

在确定了最近的目标楼层后，由PLC输出的指令控制电梯向下运动，接近目标楼层后，通过目标楼层的上层限位器输入的信号，输入到PLC中，然后调用速度切换程序，其程序如图7-4-7所示。

图7-4-7下行运行程序

开关门程序

在电梯运行过程中，即使按下开门的按钮，电梯也不会打开；同样如果电梯门没有完全关闭，电梯不进行上下运行，为此保证乘客的安全，其程序如图7-4-8和图7-4-9所示。

图7-4-8开门程序

图7-4-9关门程序

换速程序

为了保证电梯运行的快速稳定，而且能提供给乘客一个舒适的乘坐环境，该

控制系统采用双速运行方式。在电梯启动阶段，速度较低，然后增加到快速运行阶段，既能较快地到达目标楼层，也不会产生较强的不舒适感。电梯的切换程序如图7-4-10所示。

图7-4-10 换速程序

利用限位器对电梯门进行定位，并对所在楼层的寄存器进行复位处理，其程序如图7-4-11所示。

图7-4-11门定位程序

在电梯运行过程中，尤其是在乘客进入的时候，需要不断采集电梯厢内的重量，以防止超过最大重量，造成安全事故，其程序如图7-4-12所示。

图7-4-12 超重报警程序

八、心得体会

三周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次嵌入式课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次嵌入式课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次心电图检测与传输设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了嵌入式设计等课程所学的内容，掌握冷嵌入式设计的方法和步骤，掌握嵌入式设计的基本的模具技能懂得了怎样分析嵌入式的实用性，怎样确定工艺方案，了解了嵌入式的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计嵌入式的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考文献

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[18]刘敏, 可编程控制器技术. 北京: 机械工业出版社, 2001

[19]陈立定, 吴玉香, 苏开才. 电气控制与可编程控制器. 广州: 华南理工大学出版社

附录程序

Network 1

LD

= ；正常运行启动

Network 2

LDN

= ；维修状态运行

Network 3

LD

= ；电梯下行

Network 4

LDB= VB0, 1 ；判断楼层是否为一层

A ；电梯到达指定楼层

R , 1 ；下行状态被复位

= ；抱闸停车

TON T38, 10 ；电梯到达后延迟一秒

Network 5

LD

A T38

= ；延时时间到，开门启动

Network 6

LD ；正常运行状态下

LPS

A

MOVB 1, VB6 ；1楼上行按钮被按下后，相应的数字就存储到对应的寄存器

中

LRD

A

MOVB 2, VB7 ；2楼上行按钮被按下后，相应的数字就存储到对应的寄存器

中

LRD

A

MOVB 2, VB10 ；2楼下行按钮被按下后，相应的数字就存储到对应的寄存器

中

LRD

A

MOVB 3, VB11 ；3楼上行按钮被按下后，相应的数字就存储到对应的寄存器

中

LRD

A

MOVB 3, VB12 ；3楼下行按钮被按下后，相应的数字就存储到对应的寄存器

中

LRD

A