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
M
3～ L 1 L L 3
FU
KM 3
KM 4 FR
KM 6
KM 5 U 1 V 1
W 1
U 2
V 2 W 2
+
—
KM 7
R Z DC
2.3.2 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。接触器KM1闭合，门电机正转，电梯门打开。接触器KM2闭合，门电机反转，电梯门关闭。
L1 L2 L3
FU
KM1 KM2
FR
M
3～
图2-3电梯门拖动电机
如图2-3所示，为实现交流电动机变压变频调速电梯的原理图。由数字控制器、PWM变换器、SPWM变频器、基极驱动电路、电流检测器组成。
2.3.3电梯结构系统图设计与特点介绍
图2-4电梯系统结构图
2.3.4 该电梯的特点
(1)该电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积小、占空间小、结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。
(2)该电源使用了先进的SPWM技术、SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能;调速范围宽，控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，己逐渐取代直流电机调速。
(3)该电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。
2.3.5该电梯的优点
该电梯采用交流单速电动机，通过对交流电动机调节供电电压、供电频率来调节电动机的转速达到线性化，将交流电动机转速运行曲线线性段区域扩大。由于系统采用高精度电光码盘，微机全数字化控制，使电梯平层精度达到毫米级，并且绝对保证电动机零速下闸，舒适感非常好。
电梯相对于交流双速电梯、交流调压调速电梯都有十分突出的优点。
(1) 安全可靠。先进的电脑控制技术，完善的检测、自诊断、自保护功能最大限度地考虑了电梯在任何情况下出现故障的可能性，设置了各种防故障和应急装置;倘若井道内某个安全装置出现故障，电脑将保护不冲顶、不蹲底、不关人。
(2) 舒适感好。理想的电梯运行速度曲线，根据人体生理适应能力由高性能的微电脑设计而成，采用矢量控制技术对交流电动机进行精确调节，使电梯运行极其平衡、舒适。
(3) 高速高性能。高速运行，最佳召唤应答处理和分配方式，根据乘客人流情况快速反应自动调节，使电梯运行迅速、合理，最大限度地缩短乘客候梯时间，使电梯运行效率得到充分发挥。
(4) 节约电能。全电脑控制的调压调频调速统，不仅性能优异、功能齐全、质量可靠，而且具有优异的节能效果，电源容量也小。
(5) 节省机房空间。超小型的机房全电脑控制系统与传统的机房控制系统相比，体积减少一百一十二以上，重量大大减轻。因此，节省机房空间，减轻机房承重，提高建筑利用率，从而可节约建筑费用。
(6) 利用率高。全电脑控制可以方便地使两台、三台、四台以上的电梯进行群控，合理安排，合理分配，提高电梯的运行效率。
(7) 准确的平层精度。经过电脑的高速、大量运算，采用高精度光电码盘，将速度-
一转矩—位置全闭环，停车时零速抱闸，平层精度在±2mm以内。
(8) 自学习井道信息功能。自动学习电梯的提升高度、楼层间距，自动根据停靠距离选择运行曲线。
(9) 维护方便。现代化高科技设计，全电脑控制，大规模集成电路和半导体大功率模块在电梯控制中的应用，使现代电梯控制部份的可靠性、免维护性大大提高;新技术、新材料的应用，加强了电梯机械部件的耐磨损程度，提高了机械可靠性;自诊断能力和远程报警功能的实现，使得电梯维修保养工作越来越简单，越来越有针对性，越来越快速。
(10) 无噪声机房和小噪声运行，大大降低了对环境的影响。
3 电梯的软件设计
3.1 设计选择PLC简单介绍
PLC是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，具有可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用。PLC是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。因此在工业控制方面得到了广泛应用。电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。调速部分的性能对电梯运行是乘客的舒适感有着重要影响，而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键。为了改善电梯的舒适感和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制电梯的运行，这样大大提高了电梯的性能。可编程控制器是以微处理器为基础，它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点。
3.2 PLC 的工作原理
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特
3.3 PLC控制电梯的优点
1、在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。
2、去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。
3、PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
4、PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
5、用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。
6、更改控制方案时不需改动硬件接线。
3.4 基于PLC和变频器的电梯控制系统设计
3.4.1 PLC控制系统设计
电梯PLC的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图3-1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、
机械系统、轿厢操纵盘厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。
图3-1 电梯PLC控制系统的基本结构图
系统控制核心为PLC主机、操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。
3.4.2 PLC和变频器接线图设计
三菱 FX2-80MR与德国MICO-340变频器接线图如下图3-2所示。
图3-2 PLC与变频器接线图
图中R.E为旋转编码器，X2为旋转编码器在PLC的输人端地址，FX2-80MR为日本三菱可编程序控制器，Y10-Y15为可编程序控制器输出地址，该信号输人到变频器相应输人
端;MICO-340为德国变压变频调速器，UP为向上使能信号，DOWN为向下使能信号，Vi为检修速度，Vn为反平层速度，V1为爬行速度，V2为中速度;
4 PLC单台电梯控制系统基本功能梯形图设计
4.1外呼信号的登记与消除
乘客在楼厅门外呼叫电梯时，呼梯信号应被接收和保持，并用指示灯显示出来。当电梯运行到呼梯楼层，而且外呼信号的方向与电梯运行方向一致时（基层和顶层不必考虑，因为它们的运行方向是确定的，即一楼只能选择上行，五楼只能选择下行），电梯将停靠在该楼层，同时外呼信号应被消除，相应的指示灯也被熄灭。
外呼信号登记与消除环节梯形图如图4-1所示。当按下某一外呼按钮时，相对应的外呼辅助继电器M0～M7接通并自锁，同时与外呼按钮对应的指示灯亮，表示该呼梯要求已被电梯接收并保持。比如，当二楼厅外有人按下上行按钮X01时，外呼信号辅助继电器M1得电并自锁，二楼上行的呼梯信号被接受并保持，同时二楼上行指示灯Y01得电显示。
外呼信号的消除环节是由楼层信号辅助继电器的常闭触点与电梯运行方向辅助继电器的常闭触点并联构成的（M8为上行辅助继电器，M9为下行辅助继电器）。当电梯运行方向与外呼信号的方向一致且电梯到达呼梯楼层时，电梯将停止在该楼层，同时楼层信号辅助继电器的常闭触点M10～M14与电梯运行方向辅助继电器的常闭触点都断开，导致外呼辅助继电器失电断开，呼梯信号被消除且指示灯熄灭。而当外呼信号的方向与电梯运行方向相反时，虽然电梯到达该楼层的时候，楼层信号辅助继电器的常闭触点断开，但电梯运行方向辅助继电器的常闭触点未断开，外呼辅助继电器仍得电，外呼信号仍有效不会被清除。比如，电梯从一楼向上运行（上行），而呼梯要求从二楼向下时，若有去三楼以上的箱内内选层要求及外呼要求，电梯到达二楼时（无二楼上行要求）不停梯，呼梯要求没有满足，呼梯信号不能消除，电梯要先运行到三楼或以上楼层，待电梯下行到二楼时，呼梯信号才能被消除；若三楼以上无用梯要求，电梯将停在二楼，但是呼梯信号（二楼下行）也不能立即被消除，而是待乘客进入轿厢并选层（去一楼）后，这时电梯定向为向下运行，则二楼下行呼梯信号已满足，呼梯信号被消除。
X10的常闭按钮是消防按钮，当消防按钮按下时，所有的外呼登记与显示信号都被清除。
M0 X00 M0
M10 X10
M1 X01 M1 M11 X10
M8
M2 X02 M2 M11 X10
M9
M3 X03 M3 M12 X10
M8
M4 X04 M4 M12 X10
M9
M5 X05 M5 M13 X10
M8
M6 X06 M6 M13 X10
M9
M7 X07 M7
M14 X10
Y00 M0
M1
Y01 M2
Y02
图4-1外呼信号登记与消除环节梯形图
4.2 开门控制
本设计考虑以下5种开门的条件，只要满足其中之一，那么电梯门就将自动或手动开启。
（1）电梯自动运行停层时的开门。电梯在运行到指定楼层时，电梯应开始开门。
（2）电梯关门过程中的重新开门。在电梯关门的过程中，若有人或物夹在两门的中间，需重新开门。目前大多数电梯采用光幕或机械安全触板进行检测，自动发出重新开门信号，以达到重新开门的目的。
（3）手动重新开门。有时电梯外乘客未进入电梯，而电梯却在关门过程中，这时箱内的人可以手动控制开门，让电梯外的乘客进入。
（4）呼梯开门。电梯到达某层站后，如果没有人继续使用电梯，电梯将停靠在该层站待命，若有人在该层站呼梯，电梯将首先开门，以满足用梯的要求。若其他层站有人呼梯，电梯将首先定向，并起动运行，到达呼梯楼层时再开门，此时的开门按停层开门处理。
（5）电梯消防时的开门。消防状态下，开门均为手动状态，由开门按钮实施开门。 开门环节梯形图如图4-2所示，其中Y46、Y47分别为电梯拖动电机正反转输出，只要电梯在运行过程中，那么电梯门就不能打开。本设计中用辅助继电器M102的常闭触点来实现该保护措施，只要Y46、Y47中的任何一个导通，辅助继电器M102就得电，M102的常闭触点断开，M100（开门辅助继电器）无法得电，电梯门就不能打开。X11是消防开门按钮，它与消防按钮X10串联组成消防开门环节，两者同时按下时电梯门打开。M200
是停
M3
Y03
M4
Y04
M5
Y05
M6
Y06
M7
Y07