目 录
目 录 .......................................................................................................... 1 前言 ............................................................................................................. 3 1 绪论 .......................................................................................................... 5
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题 ...................................... 5
1.1.1 电梯继电器控制系统的特点 ............................................. 5 1.1.2 电梯继电器控制系统存在的问题 ..................................... 5 1.2 可编程控制器(PLC)及其在电梯控制中的应用 ............................ 6
1.2.1 可编程控制器(PLC)的特点 ............................................... 6 1.2.2 可编程控制器(PLC)控制电梯的优点 ................................ 7 1.3 变频调速控制电梯的特点 ............................................................ 8 2 变频器选择及其参数设计 ....................................................................... 9
2.1 变频器的分类 ................................................................................ 9 2.2 变频器的选择 ................................................................................ 9
2.2.1 选择变频器品牌型号 .......................................................... 9 2.2.2 选择变频器规格 ................................................................ 10 2.2.3 选择的变频器应满足的条件 ............................................. 10 2.3 通用变频器 .................................................................................. 10
2.3.1 通用变频器概况 ................................................................ 11 2.3.2 VS—616G5型通用变频器 ................................................. 11 2.4 变频器结构及参数设计 ............................................................... 14
2.4.1 VS一616G5变频器的参数 ............................................... 14 2.4.2 参数设置 ........................................................................... 15 2.4.3 变频器容量计算 ................................................................ 16
3 PLC的选择及其控制系统的硬件开发 ................................................ 18
3.1 可编程序控制器(PLC)的选择 ..................................................... 18
3.1.1 轿厢位置检测 ................................................................... 18 3.1.2 可编程控制器(PLC)的选型 .............................................. 18 3.2 PLC控制系统硬件开发 ............................................................. 19
3.2.1 设计思路 ........................................................................... 19
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目录
3.2.2 I/0点数的分配及机型的选择 ......................................... 21
4 系统软件设计 ........................................................................................ 24
4.1 软件设计流程图 .......................................................................... 24 4.2 电梯开门环节 .............................................................................. 24 4.3 电梯的关门环节 .......................................................................... 24 4.4 开关门保护及故障显示电路 ....................................................... 25 4.5 层楼信号的产生与清除环节 ....................................................... 25 4.6 内选信号的登记、消除和显示环节 ............................................ 26 4.7 外呼信号的登记、消除和显示环节 ............................................ 26 4.8电梯的定向环节 ........................................................................... 26 4.9 停层信号的产生和消除环节 ....................................................... 27 4.10 停车制动环节 ............................................................................ 27 4.11 自动运行时启动加速和稳定运行环节 ...................................... 28 结论 ........................................................................................................... 29 参 考 文 献 .............................................................................................. 30
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前言
前言
随着社会的发展，高层建筑的增多，对电梯的需求也随之增大。高层宾馆、住宅、多层厂房都可以看到电梯的身影。电梯的用处不断增加，人们开始对电梯的要求也越来越高，在电梯的实用性基础上，人们还考虑电梯的可靠性、安全性、舒适感和美学等问题。对现代电梯而言，具备最基本的安全性是必须的。设计者在电梯上采用了多项安全保护措施，以防止意外的发生。电梯的机械零部件和电器元件必须具备很高的安全系数和保险系数。要保证电梯的安全质量，首先必须在电梯制造、安装、调试上有很高的安全保障。
目前，基本上电梯的行控制系统由PLC和微机组成，它的技术快速地发展，技术也逐渐成熟。可编程控制器电梯具有可靠性高、开发周期短、维护方便等优点，这种具有高灵活性的电梯能完成复杂控制，而且这种技术已成为控制技术的发展趋势。
PLC是微机与继电器控制技术相结合的产物，它是以微机控制器和顺序控制器为基础而发展的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。它除了能满足各种工业领域的实时控制同时具备有能简单安装调试的优点，使用的并不是常用计算机的编程语言，而是一套以梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，能更容易的调试和检查错误。用户只需要根据所买的PLC产品的说明书和提示，在程序稍微修改自己所想要到达的功能，调试成功后就能使用，完全不需要具备计算机专门的编程语言。可编程控制器在现代工业自动化控制中是重要的一种控制技术。它以其可靠性、体积小、可在线修改控制程序、逻辑功能强、具有远程通信联网功能，易与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，同益取代由大量中间继电器、时间继电器、记数继电器等传统继电器组成的接触控制系统，在各种工业领域中得到广泛的应用。
可编程控制器的出现为复杂的电梯控制技术提供了更加广阔的发展空间。PLC也成为专门的工业控制设计中的控制控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，使它的体积不断减小，功能不断完善，使其的控制更加平稳、可靠，抗干扰性能的不断增强，能够和各种机械、电气设备部件有机地结合在一个设备内，把各种功能综合在一起。因此，它已成为自动控制技术中的关键技
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前言
术。
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绪论
1 绪论
可编程控制系统（Programmable Logic Controller PLC）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。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。而PLC控制技术和变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。
1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题 1.1.1 电梯继电器控制系统的特点
（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于技术人员和技术工人所掌握。
（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。 （3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。
（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉掌握的人员较多[1]。
1.1.2 电梯继电器控制系统存在的问题
（1）系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。
（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精
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绪论
度难以提局。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高;而且检查故障困难，费时费工。
（6）电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故[2]。
1.2 可编程控制器(PLC)及其在电梯控制中的应用 1.2.1 可编程控制器(PLC)的特点
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，实现字运算和数据存储，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、灵活性强等特点[1]。
（1）可靠性：对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。 ①PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
②PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。
③PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
④PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
⑤在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
（2）易操作性
PLC的易操作性表现在下列几个方面： ○1操作方便
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绪论
PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。 2编程方便 ○
PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原件接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。
3维修方便 ○
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
（3）灵活性
PLC的灵活性表现在以下几个方面： 1编程的灵活性 ○
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助一记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语一言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
2扩展的灵活性 ○
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
3操作的灵活性 ○
操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
1.2.2 可编程控制器(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[2]。
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绪论
1.3 变频调速控制电梯的特点
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、高功率因数，广泛的适用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。
（1）变频调速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）变频调速电源使用了先进的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，已逐渐取代直流电机调速。
（3）变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。
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第二章
2 变频器选择及其参数设计
本设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中变频器的选择。
2.1 变频器的分类
变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类[3]。
表1 变频器的分类
分类方法
按变换频率的方法
变频器的种类 交—直—交变频器 交—交变频器
按主电路工作方式
电压型变频器 电流型变频器
按变频器调压方法的不同
PAM变频器 PWM变频器
按工作原理分类
U/f控制变频器 VC控制变频器 SF控制变频器
按照用途分类
通用变频器 高性能专用变频器 高频变频器
2.2 变频器的选择
确定变频器的品牌和型号，以及确定变频器的规格，就完成了变频器的选择。先对变频器进行分类，然后分别讨论品牌和型号、规格。
2.2.1 选择变频器品牌型号
变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对于系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质，显然是
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第二章
选择时的重要考虑方面。同时，设备的平均寿命的长短是一个重要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验和口碑仍然是主要依据。在同一品牌中选择具体型号时，则主要依据已经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定。
2.2.2 选择变频器规格
变频器产品说明书都提高标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。根据具体工程的情况，可以有以下几种不同的变频器规格选择方式[4]。
（1）按照标称功率选择：一般作初步投资估算依据。
（2）按照电动机额定电流选择：多用于恒转矩负载的新设计项目。 （3）按照电动机实际运行电流选择：多用于改造工程。 （4）按照转矩过载能力选择。
综上所述，根据实际工程情况，以适当的方法选择变频器规格很重要。选择结果多数情况下变频器标称功率与电动机匹配，少数情况需要放大。
2.2.3 选择的变频器应满足的条件
（1）根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。
（2）所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。 （3）为降低电梯成本，首选通用变频器。 （4）电梯的启动和停车都要平稳。 （5）变频器带有防止失速功能。 （6）变频器具有优良的转矩特性。
2.3 通用变频器
为了满足以上的条件，本设计选择通用变频器。采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的如下：
（1）为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求。
（2）为了节约能源、降低生产成本。
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第二章
2.3.1 通用变频器概况
上个世纪80年代初，通用变频实现了商品化。在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程[5]。
（1）容量不断扩大
80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA，400KVA以下的已经系列化，前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。
（2）结构的小型化
变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”（Intelligent Module，IPM）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。
（3）多功能和智能化
电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。
（4）应用领域不断扩大
通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展[3]。
2.3.2 VS—616G5型通用变频器
（1）VS-616G5型通用变频器
电梯的调度要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。本设计中拖动调速系统的关键在于保证电
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第二章
梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感；另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。
考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器。 它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度提高电机功率因数和电机效率，同时降低电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。另外，VS-616G5变频器的启动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01-0.02%，使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。
VS-616G5型变频器是安川电机公司面向世界推出的 21世纪通用型变频器。这种变频器不仅考虑了V/f控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围[4]。
VS—616G5型变频器的标准规格如表2。 VS-616G5变频器的特点如下：
①包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化 ②有丰富的内藏与选择功能。
③由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。 ④保护功能完善、维修性能好。
（2）VS—616G5型通用变频器电梯调速系统
通用变频器VS-616G5可直接控制交流异步电动机的电流，使电动机保持较高的输出转矩；它适合用于各种应用场合，可以低速下实现平稳起动并且极其精确地运行，其自动调整功能可使各种电动机达到高性能的控制。VS-616G5将U/f控制、矢量控制、闭环U/f控制、闭环矢量控制四种控制方式融为一体，其中闭环矢量控制是最适合电梯控制要求的。
VS-616G5变频器用在电梯调速系统中时，必须配PG卡及旋转编码器，以供电动机测速及反馈。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，当A相脉冲超前B相脉冲90°时，可认为
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第二章
电动机处于正转。
表2 VS—616G5型变频器的标准规格 电压 容量范围
电 源
电压允许变动 频率允许变动
控 制 特 性
控制方式 电压频率
200V 1.2~110KVA
400V 1.4~460KVA
200V：三相 200/208/220V 400V：三相 380/400/415/440/460V
-15%~ +10% -5%~ +5% 正弦波PWM控制： 无传感器矢量控制（无PG） 带传感器矢量控制（有PG）
V/f控制 带传感器V/f控制
速度控制范围 速度控制精度 速度响应 转矩极限 转矩精度 转矩响应 频率控制范围 输出频率分辨率
过载量 频率设定信号 加减速时间 制动转矩 主要控制功能
1：100（无PG） 1：1000（带PG） ±0.2%（无PG） ±0.02%（带PG） 5HZ（无PG） 30HZ（带PG）
有 ±5%
20HZ（无PG）150HZ（带PG）
0.1~400HZ 0.01HZ
额定输出电流的150%/min -10~10V 0~10V 4~20mA
0.01~6000.0s 约20%
瞬停再启动，下降控制，转矩控制，零点伺
服控制
操作装置
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16字×2线日语液晶显示器
第二章
接通插件板可选择
保护功能
16种（最多可装3块） 电机保护，变频器过载，瞬间过电流，电压下降，过电压，输入缺相
当A相脉冲滞后于B相脉冲90°时可认为电动机处于反转状态，旋转编码器根AB相脉冲的相序，可判断电动机旋转方向，并根据AB脉冲的频率（或周期）测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给616G5内部，以便进行运算调节。A 、B两相脉冲波形图如图1所示。
VS-616G5用在电梯调速系统中时，还必须配置制动电阻。当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。这时同步转速下降，交-直-交变频器的直流部分电压升高，制动电阻的作用就是消耗回馈电能，抑制直流电压升高。
除PG卡和制动电阻外。VS-616G5还需要配置600脉冲旋转编码器和电梯运行曲线输入板（可选配）。其容量可选1∶1配置，即电动机容量和变频器容量相等。最好采用大一数量级选配，即11kW电动机选15kW的变频器、15kW电动机选18kW的变频器[5]。
2.4 变频器结构及参数设计
由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。由于616G5是通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多。
2.4.1 VS一616G5变频器的参数
VS-616G5变频器共有8组参数，每一组参数的设计都具有特定的含义。常用参数如表3所示。
表3 变频器常用参数
参数 A组 B组
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功用 确定控制模式 选择运行功能
第二章
C组 D组 E组 F组 H组
确定加减速时间和转矩补偿时间
选择频率 确定运行压频曲线
保护设置 确定偏差标准
2.4.2 参数设置
参数设计的原则如下：
（1）减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；
（2）提高了运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击；
（3）零速一般设计为0Hz，速抱闸功能将影响舒适感；
变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置见表4。
表4 安川616G5变频器主要参数设置表
参数
设定值
A1-01 A1-02 B1-01 C1-01 C1-02 C2-01 C2-02 C2-03 C2-04 C5-01 C5-02 D1-02
4 3 0 3S 3S 0.8S 0.8S 0.8S 0.8S 5 1S 50HZ
存取级别为：ADVANCED 带PG的矢量控制 主速来自D1-01 加速时间为3S 减速时间为3S
加速开始时的S曲线特性时间 加速完成时的S曲线特性时间 减速开始时的S曲线特性时间 减速完成时的S曲线特性时间
速度环比例，舒适感不好时在5～40间调整 速度环积分，舒适感不好时在0.5～5S间调整
快车速度 说明
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第二章
D1-03 D1-09 E1-01 E1-04 E1-05 E2-01 E2-04 H2-01 H3-05 L3-04 L6-01 L6-03 L6-04 L6-05 L6-06 L8-01 L8-05 L8-07 F1-01 F1-05
6HZ 10HZ 380V 50HZ 380V 24.4A 6 37 1F 0 4 10S 4 200 2S 1 1 1 600 I/0
爬行速度 慢车速度 输入电压 最高输出频率 最大电压输出
电动机额定电流(按电动机铭牌输入)
电极极数(按电动机名牌输入) 变频器输出端子9-10为运转中2 选D1-02不选端子16输入
失速防止无效 过转矩检出动作选择 过转矩检出时间 过转矩检出动作选择2 过转矩检出标准2 过转矩检出时间2 制动电阻过热 输入缺相 输出缺相 PG脉冲数 编码器方向错时更改
2.4.3 变频器容量计算
变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为V，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3，重力加速度为g，变频器功率为P。则
P1K2V(W1+W2+W3)g(1+K1)
K1为摩擦系数，可忽略不计，K2为可靠系数。
变频器功率P相对于P1留有安全裕量，可取P=1.5P1， K2=2,
W1 =2000Kg，W2 =1000Kg， W3=2400Kg， g=9.8m/s， V=1.5m/s 所以： P1=2(2000+1000+2400)1.516.2KW 又所以：P11.5P124.3KW。
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第二章
由于采用变频调速，效率高。依照计算结果选1.5倍裕量，取变频器容量为24KW。
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第章
3 PLC的选择及其控制系统的硬件开发
电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成。控制系结构图如图2所示。
图中变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLC完成的。PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系。系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。
3.1 可编程序控制器(PLC)的选择
电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。电梯运行程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定的输入信号及运行条件判断或算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的前提。
3.1.1 轿厢位置检测
轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向：当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢前位置。检测轿厢的运行速度及轿厢所处位置，用作速度反馈信号和位置指示信号。旋转编码器的转轴直接与曳引电动机转轴相连接，当电动机转动时，编码器输出与转角对应的脉冲数，通过累计脉冲数量可直接算出轿厢相应的位置行程，算出电梯运行过程中轿厢所处层楼位置，确定换速点、提前开门区、平层停车点等。以上分析可见，用旋转编码器检测轿厢位置优于其他方法，故系统采用此法。
3.1.2 可编程控制器(PLC)的选型
根据选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，综合考虑后系统选择了日本三菱公司生产的FX2N系统PLC。
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第章
FX2N系统PLC具有以下几方面的优点：
（1）FX2N配置灵活，除主机单元外，还可扩展1/0模块，A/D模块，D/A模块和其它特殊功能模块。
（2）FX2N指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。 （3）FX2N可用内部辅助继电器M，状态继电器S，定时器T，寄存器D，计数器的功能和数量满足了系统控制要求的需要，尤其是高速计数器(C251等)能接受脉冲编码器脉冲。
（4）FX2N的编程可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE MEDOC来进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用PC机对系统实时进行监控为调试和维护提供了极大的方便[6]。
3.2 PLC控制系统硬件开发
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、调速装置与拖动系统等。
系统控制核心为PC主机、轿厢操纵盘、呼梯盘、井道装置等。各种信号通过PLC输入接口送入PLC，存储在CPU存储器中。召唤指示灯发出显示信号，向拖动控制和门机控制系统发出控制信号。
3.2.1 设计思路
（1）信号控制系统
电梯信号控制基本由PLC软件实现。电梯信号控制系统如图4，输入到PLC的控制信号有：运行方式选择、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。
（2）电梯控制系统实现的功能
①一台电机控制上升和下降，各层设上/下呼叫开关(最顶层与起始层只设一只)。
②电梯到位后，具有手动或自动开门关门功能。
③电梯内设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯及层楼指令键，警铃风扇及照明键。
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④待客自动开门，当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客。自动关门待客，当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时，电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。
⑤自动关门与提早关门，在一般情况下，电梯停站4~6s应能自动关门；在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作。
⑥按钮开门。在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。
⑦内指令记忆。当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。
⑧自动定向，当轿厢内操纵盘选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。自动换向，当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。
⑨呼梯记忆与顺向截停。电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。
10自动返基站。当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回○
基站，停机待客。
（3）电梯操作方式
单台电梯的操作方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。在乘客电梯中几乎全部采用集选控制方式。
①单轿厢下集选控制：登记所有轿厢和厅门下行召唤；轿厢上行时，只答应轿厢召唤，直至最高层；自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。
②单轿厢全集选：登记所有厅门和轿厢召唤；上行时顺应答轿厢和厅门上召唤，直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。
（4）速度给定曲线
为了满足舒适感，提高运输效率及正确平层要求，电梯的速度给定曲线是一个关键环节。为了获得良好的舒适感，将电梯的起制动速度曲线设计成由两段抛物线(S曲线)及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及S曲线变化率决定的。加速斜率是以速度给定从0加速到1000转/分所需要的时间来定义的。其意义为加速度由0加速到1000转/分所需要的时间。因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线斜率。增大
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第章
加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。同理，增加S曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之，起动曲线弯曲部分变急。而S曲线变化率的变化，也可通过改变S曲线起始、终了加速时间来实现，系统采用的616G5变频器就具有S曲线加速时间设定功能，故将加速时间和S曲线加速时间配合调整，即可获得理想的起动曲线。同理，制动曲线也可按此方法调整。理想的电梯速度给定曲线如图5所示，图中a为加速度，v为速度。
在0~t3时间内加速启动阶段，其中0~t1和t2~t3时间内为抛物线速度曲线，t1~t2时间内为直线速度曲线，t3~t4时间内为稳速运行阶段，t4~T时间内为减速制动阶段。减速制动阶段速度曲线与加速起动阶段相对称[7]。
3.2.2 I/0点数的分配及机型的选择
系统按五层的电梯为例，根据需要控制的开关，设备大约有32个输入点，29个输出点，需进行控制，考虑10%的裕量，故选择FX一80MR的PLC，I/O分配如表5、6、7、8所示。
表5 输入部分
X0 X2 X4 X6 X10
安全运行按钮 自动开门按钮 开门按钮 上行启动按钮 底层钥匙开关
X1 X3 X5 X7 X11/X12
X13/X14 X20 X22 X24 X26 X30 X32 X36 X40
门锁按钮 检修按钮 关门按钮 下行启动按钮 开/关门到位按钮
上/下行限位开关 X15~X17
1~3楼内选按钮
4楼内选按钮 1楼上行按钮 2楼下行按钮 3楼下行按钮 4楼下行按钮 上减速/下平层 超载按钮 上强迫开关
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X21 X23 X25 X27 X31 X33 X37 X41
5楼内选按钮 2楼上行按钮 3楼上行按钮 4楼上行按钮 5楼下行按钮 下减速/上平层 防夹按钮 下强迫开关
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表6 输出部分
Y0 Y2
上行接触器 高速运行接触器行
接触器
Y4~Y7 Y11 Y13
关门继电器 下行指示的灯
Y12 Y14~Y17
Y20
5层内选记忆指示灯
Y21
上行指示的灯 1~4层内选记忆指
示灯 1楼外呼记忆指示
灯
Y22
2楼上呼记忆指示灯
Y23
2楼下呼记忆指示
灯
Y24
3楼上呼记忆指示灯
Y25
3楼下呼记忆指示
灯
Y26
4楼上呼记忆指示灯
Y27
4楼下呼记忆指示
灯
Y30
表7 中间继电器
M20 M22 M100 M102
超载或防夹 重新开门信号 手动开门辅助信号 电梯运行时禁止开
门信号
M104 M106 M110
Y1 Y3
下行接触器 低速运行接触器行
接触器
启动加速接触器 Y10 开门继电器
5楼下呼记忆指示灯 Y31~Y34
BCD码转化输出
M21 M30 M101 M103
自动开门信号 安全运行信号 手动关门辅助信号
定上行信号
定下行信号 减速制动信号 1~5楼楼层辅助信号
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M105 M107 M120~
停车制动信号
停车信号 1~5楼轿内选辅助信
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~M114 M130
1楼外呼上行辅助信
号
M133/M134 M137
3楼外呼上/下行辅助
信号
5楼外呼下行辅助信
号
M141 M144/M146
上行减速信号 上/下行辅助信号
M124 M131/M132 M135/M136 M140
号
2楼外呼上/下行辅助
信号
4楼外呼上/下行辅助
信号
电梯停层到位信号
M142 M150/M154
下行减速信号 1~5楼停层信号
表8 其 他
时 间 继 电 器
名称 T0 T1 T2~T4 T5 T6 T10、T11 T12、T13
特殊功能继电器 计数器 M8000 M8002 C0
功能 自动开门定时 高速行驶延时 制动定时 自动开门计时 重开门计时
故障显示0、1交替出现定时 故障显示0、2交替出现定时
监控PLC运行 初始脉冲 高速计数 23
4 系统软件设计
在电梯控制中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，系统软件根据运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑控制。
4.1 软件设计流程图 4.2 电梯开门环节
电梯的开门存在以下几种情况。
（1）电梯投入运行前的开门：此时电梯位于基站，将开门电梯钥匙插入SA2（程序中X10）内，旋转至开电梯位置，此时PLC电源接通，程序开始运行，电梯自动开门，乘客或司机进入轿厢，选层后电梯自动运行。
（2）电梯检修时开门：检修状态下（X3接通），开门均为手动状态，由开关门按钮SB1(X4)、SB2(X5)实施开门与关门[6]。
（3）电梯自动运行停层时的开门：电梯在停层时，至平层位置，M140接通，电梯开门。
（4）电梯关门过程中的重新开门：在电梯关门的过程中，当需要重新开门时，可以通过开门按钮X4实施重新开门。大多数电梯现采用光幕或机械安全触板进行检测，自动发送重新开门信号，以达到重新开门的目的。
（5）呼梯开门：电梯到达某层站后，若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。电梯在运行的过程中，当有外呼梯信号时，若顺向运行，则电梯停层开门；若逆向运行，则电梯不停层。
（6）防夹或超载开门：当电梯在关门的过程中，如有东西夹在们上，则电梯在关门的过程中关不上，会使X37接通；或电梯超载，轿厢底下的称重开关X36接通，使程序中的M20接通，则电梯重新开门。
（7）电梯在运行中禁止开门 开门环节的梯形图如图6所示。
4.3 电梯的关门环节
（1）电梯停用后的关门。此时电梯到达基站，司机或乘客离开轿厢，电梯自动关门，司机将开、关梯钥匙插入SA2，旋转到关梯位置，电梯的安全回路被切断，PLC停止运行，电梯被关闭。
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（2）自动关门。电梯开门时开始计时，时间到后，电梯自动关门。 （3）提前关门。停战时间未到时，可以用按钮X5实现提前关门。 （4）检修关门。考虑检修状态时的关门，检修关门不自锁。 （5）梯超载时禁止关门。 关门环节的梯形图如7所示。
4.4 开关门保护及故障显示电路
电梯在关门的过程中因各种原因不能关门到位，电梯会重新开门，开门时间到后又会自动关门，关门不到位又要开门。如此开、关门反复动作，如现场没人及时处理，门很容易被损坏，应此要求在出现这种情况时，开、关门动作超过5次，电梯停止运行。其程序梯形图如图8所示[7]。关门时，M101接通，如正常关门到位时，X001接通，程序中常闭触点是断开的，M22不能接通，T6不接通，不会重新开门。如经过一段时间（3S）关门不能到位，X001的常闭点是接通的，M22得电，T6的触点接通，电梯重新开门，开门计时时间到，T5接通，又要关门，关门又不到位，T6又接通，如此循环，当连续关门达到5次时，C0的触点接通，利用C0的触点，使电梯停止运行。且故障显示0、2交替出现。当电梯关门到位时，对C0复位。当电梯的安全继电器KA2断开时，也即X0为OFF时，电梯停止运行，且故障显示0、1交替出现。其控制程序梯形图如图9所示和图10所示。利用主控和主控复位控制了程序的运行。
4.5 层楼信号的产生与清除环节
当电梯位于某一层时，应产生位于该楼层信号，以控制楼层显示器显示楼层所处的位置，离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号所取代。其梯形图如图11所示。D200为电梯的楼层数，通过译码器管显示出来。X040是上强迫行程开关，装在5楼，当电梯运行到5楼时，使D200为5。X041是下强迫楼层显示开关，装在1楼，当电梯运行到1楼时，使D200为1。在中间的某些楼层中，电梯上行时，每上一层时，D200加1；当电梯下行时，每下一层，D200减1。另外电梯在1楼~5楼时，分别使M110~M114置ON。如果电梯楼层显示有误，只要将电梯开到顶层或一层，马上就能显示正常[8]。
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4.6 内选信号的登记、消除和显示环节
乘客或司机通过对轿厢内操纵盘上1楼~5楼选层按钮的操作，可以选择欲去的楼层。选层信号被登记后，选层按钮下的指示灯亮。当电梯到达所选的楼层后，停层信号应被消除，指示灯也应熄灭。其程序梯形图如图12所示。
4.7 外呼信号的登记、消除和显示环节
乘客在厅门外呼梯时，呼梯信号应被接收和记忆。当电梯到达该楼层时，且电梯运行方向和呼梯目的地方向一致时，呼梯要求满足，呼梯信号应被消除。其程序梯形图如图13所示。图中，按下外呼按钮时，相对应的外呼辅助继电器接通，外呼按钮下的指示灯亮，表示呼梯要求已被电梯接收并记忆。电梯运行方向与呼梯目的地方向一致时，至呼梯楼层时，电梯将停止并开门，呼梯要求满足，呼梯信号被消除。电梯运行方向与呼梯目的地方向相反时，如电梯从1楼向上运行，而呼梯要求从2楼向下，若有去3楼以上的内选层要求及外呼梯要求，电梯到达2楼时不停梯，呼梯要求没有满足，呼梯信号不能消除；若3楼以上无用梯要求，电梯将停在2楼，但呼梯信号楼不能立即消除，待乘客进入轿厢，选层后，电梯定下向，则2楼下呼梯信号已满足，呼梯信号被消除。电梯停在该楼层时，按下外呼按钮，此时呼梯指示灯应该亮。
4.8电梯的定向环节
在自动运行状态下，电梯首先应确定运行方向。电梯的定向只有两种情况，即上行和下行。电梯在处于待命状态下，接收到内选和外呼信号时，应将电梯所处的位置与内选信号和外呼信号进行比较，确定是上行还是下行，一旦电梯定向，内选信号和外呼信号对电梯顺向运行要求没有满足的情况下，定向信号不能消除。检修状态下运行方向直接由上行和下行启动按钮确定，不需定向[8]。其程序梯形图如图14所示。图中M121、M122、M123、M124分别是2、3、4、5楼的内旋辅助信号；M131、M132是2楼的外呼上行和下行辅助信号；M133、M134分别是3楼的外呼上行和下行辅助信号；M135、M136是4楼的外呼上行和下行辅助信号；M137是5楼的外呼下行辅助信号；M146是下行互锁；X3是检修选择开关；X2是自动选择开关；M111、M112、M113、M114分别是2、3、4、5的楼辅助信号；Y12是上行指示灯。图中
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M103及M104在电梯上行和下行的全过程中，存在不能全程接通的情况，如上行至5楼时，一旦5楼层继电器M114接通时，M103立即断开，而此时电梯仍处在上行状态，至5楼平层位置时才能停止。为解决这一问题，引入M143~M146，使上行与下行继电器接通时间延长至上行和下行的全过程。若不使用M143~M146，可能会发生下述情况：4楼向上的外呼信号使电梯上行，电梯至4楼位置，M113使M103断开，在电梯至4楼位置到电梯停层开门，乘客进入轿厢内选5楼之前的时间内，1、2、3楼的外呼信号可以使电梯在未完成4楼向上的运动之前定下行方向。
根据同样的道理，定下行环节的程序的梯形图如图15所示。图中M120是1楼的内选辅助；M130是1楼的外呼向上；M144是上行互锁；Y13是下行指示。
4.9 停层信号的产生和消除环节
电梯在停车制动前，应首先确定其停层信号，即确定要停靠的楼层，每一层产生一个停层辅助信号，1楼~5楼的停层辅助分别是M150~M154。1楼停层的条件是电梯下行到1楼，5楼的停层的条件是电梯上行到5楼；中间层产生的条件是根据电梯的运行方向与外呼信号的位置和轿厢内选层信号比较后得出。其程序梯形图如图16所示。外呼信号方向与运行方向一致时，产生外呼所在楼层的停车要求；内选信号产生欲去楼层的停车要求，满足停车要求时，停车信号应被取消。电梯运行过程中，所处的楼层若存在停车要求，则立即产生停车信号。图中M103、M104常闭触点的作用是为了解决呼梯方向与电梯运行方向相反时的停车问题。
4.10 停车制动环节
停层信号产生后，与上、下平层感应器配合，进行停车制动。停车制动前，应先产生停车制动信号M105，然后由停车制动信号控制接触器实现停车制动。为解决电梯进入平层区间后才出现的停车信号致使电梯过急停车的问题，采用微分指令将X32及X33变成短信号。其程序梯形图如图17所示。电梯上行时，先接通上行减速信号X32，则M106接通，使Y5、Y6、Y7依次接通，电梯开始减速，当达到上平层信号X33接通时，电梯制动，同时使M140接通，电梯自动开门，稍后，T0时间到，T0触点接通消除停层信号
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M105。电梯下行时，先接通下行减速信号X33，电梯开始减速，当接通X32时，电梯停止。
4.11 自动运行时启动加速和稳定运行环节
电梯启动的条件是运行方向已确定，门已关好。其程序梯形图如图18所示。上行时，定上行信号M144接通，当门关好后X1接通，则Y0、Y2置ON，电梯高速上行，通过1S延时，Y4接通，电梯加速上行。下行时，定下行信号M146接通，门关好后X1接通，则Y1、Y2接通，电梯高速下行通过1S延时，Y4接通，电梯加速下行。如果停车信号M107接通时，上行时，碰到上平层X33，则Y0为OFF，电梯制动。下行时，碰到下平层信号X32，Y1为OFF，电梯制动。当需要检修时，接通检修开关X3，通过按X6或X7，电梯直接上行或下行，门是否关好不影响电梯运行，此时Y3接通，即电梯只能低速运行[9]。
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结论
通过在图书馆查阅有关资料，了解了电梯的起源和发展过程，并且加深了对电梯运行过程、控制系统的认识，熟悉了可编程序控制器在电梯控制系统中的运用。并且在所学知识的基础上，利用已有的电梯控制系统的设计，尝试了对电梯控制系统的研究。并且，使我将原来所学的知识系统化、理论化、实用化，对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。通过这次设计，我还认识到无论做什么，都需要踏实，勤奋，严谨的工作态度，这对我以后的工作将会产生深远的影响。
本设计基本上达到了设计目的。利用交流变频调速(VVVF)控制技术改造旧电梯，充分利用了现代换流技术、矢量变换控制技术和全数字化电子控制技术，达到对旧电梯电动机转速实现线性控制。利用通用变频器和PLC实现了对电梯的控制，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了电梯运行的可靠性，改善了电梯运行的舒适感，并节约了电能。采用VVVF改造后的电梯，结构紧凑，噪声低，提高了运行效率，维修简单，故障率低，由于VVVF为无极调速，调速范围宽，因此大大提高了乘坐的舒适感，根据有关资料记载VVVF电梯与ACVV电梯相比节能达30%，同时可以最佳地利用电网的能量，提高功率因数。降低曳引电机容量20%以上。VVVF变频调速电梯有明显的节能特性。具有一定的经济效益和社会效益。
当然，本次设计还存在一些不足之处，例如：本设计是按楼层定高设计的，而实际每一楼层高度是不一定相等的，因此，设计时应考虑楼层间距自学习功能。但由于时间有限，本人没有考虑。当然，设计中肯定还有其他不足和纰漏之处，请各位专家和老师指正。
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参 考 文 献
[1] 王卫兵，高俊山，等. 可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2002
[2] 刘剑，朱德文，梁质林。电梯电气设计[M] .北京：机械工业出版社，1995，26-35
[3] 韩安荣. 通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，1995，26-35
[4] 高潮. 安川电机公司变频器的发展概况[J].电气传动，1997，412-415
[5] 王玉申. 通用变频器的选择与使用[J].电气传动，2001，1220-1224
[6] 朱德文，张涛.日本三菱电梯群控系统中的电子新技术[M].基础自动化，1996
[7] 唐勇奇等.电梯变频调速PLC控制的设计与实现[M].电机电气技术，2000，42-44
[8] Barney, G.C. and dos Santos, S.M. (1985) Elevator Traffic Analysis, Design and Control, peregrine, London.
[9] 陈子华. PLC原理与编程实例分析[M].北京：国防工业出版社，2006，275-300
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