电梯控制系统毕业论文

本科生毕业设计（论文） I 摘 要 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，交流变频调速技术也已经进入一个新的时代，其应用越来越广。而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具，与人们的生活日益紧密相关。随着人们对其要求的提高，电梯技术得到了快速发展，其拖动技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由 替了原来的继电器控制。 电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰。 目前 电梯设计使用可编程控制器 (要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。 本文用 控制器，完成对 7 层变频调速电梯的自动控制，从而提高了电梯控制的自动化程度。在采用 通用变频器实现电梯常规控制的基础上，利用旋转编码器发出的脉冲信号构成位置反馈，实现电梯的精确位移控制。通过 层信号自动检测、楼层选择、运行方向选择、开关门控制、运行控制及运行指示等功能。通过合理的选择与设计，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。 关键词： 制；变频调速；电梯；舒适感 本科生毕业设计（论文） of C in a Its is as an in it of Its C C its is by so on is is is is is LC to of of It is on LC a to to LC of is of is so of is of 本科生毕业设计（论文） 录 第 1 章 绪 论 . 1 第 2 章 方案论证 . 2 本方案概述 . 2 电梯变频调速控制的特点 . 3 制电梯的特点 . 3 频器的选择 . 4 川 变频器特点 . 4 川 变频器配置 . 5 编程控制器（ 择 . 5 第 3 章 系统硬件设计 . 7 述 . 7 梯 制系统基本结构 . 7 梯信号控制系统组成 . 7 梯控制系统原理框图 . 8 梯控制系统功能及速度曲线 . 9 梯控制系统功能 . 9 梯速度给定曲线 . 9 入输出信号及系统选型 . 10 入输出信号 . 10 统选型 . 12 制系统 I/O 地址分配 . 13 扩展模块外部接线设计 . 14 机外部接线设计 . 14 展模块外部接线设计 . 16 梯 统控制电气设计 . 17 第 4 章 系统软件设计 . 18 序中使用的通用继电器及功能 . 18 数脉冲的确定 . 19 于高速计数器 的相关设计 . 19 本科生毕业设计（论文） 高速计数器初始化 . 19 厢所处楼层位置的确定 . 22 厅及轿厢处楼层显示 . 23 速信号的确定 . 23 关门控制 . 26 门控制 . 26 门 控制 . 28 呼外唤及定向信号的获取 . 29 指令信号处理 . 29 召唤信号处理 . 29 呼外唤及定向信号获取梯形图 . 29 层定向及反向截梯 . 32 梯铃控制与故障报警 . 35 第 5 章 结 论 . 37 参考文献 . 38 致 谢 . 40 附 录 . 41 附 录 . 46 本科生毕业设计（论文） 1 第 1章 绪 论 自 1889年美国奥梯斯升降机公司推出世界第一部以电动机为动力的升降机以来，电梯在驱动方式上经历了卷筒式驱动、牵引式驱动等历程，逐渐形成了直流电机拖动和交流电机拖动两种不同的拖动方式。如今电梯已成为人们进 出高层建筑不可或缺的代步工具；而且作为载人工具，人们在运行的平滑性、高速性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面对它提出了更高的要求。由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接收完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。可编程控制器（ 保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。因此， 可编程序控制器 (早是根据顺序逻辑控制的需 要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的 一种 数字运算操作的电子 系统 。 为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，从而使电梯控制由传统的继电器控制方式发展成为计算机控制的一个重要方向，成为当今电梯控制和技术改造的热点之一。通过 制电梯，大大提高了电梯控制的自动化程度，给人们的生活带来 便利 。 鉴于其种种优点，目前电梯的继电器控制方式已逐渐被 制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此， 制 技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。本设计就是选用 制技术加变频调速技术实现电梯的全集选控制的。 本科生毕业设计（论文） 2 第 2章 方案论证 本方案概述 电气控制系统决定着电梯的性能，自动化程度和运行可靠性。随着科学技术的发展和技术引进工作的进一步开展，电气控制系统发展换代迅速。在国产电梯中，在拖动方面，除速度 Vs 的低速电梯仍有部分产品采用交流双速电动机变极调速外，对于速度 V已采用交流调压调速和交流变频调速拖动系统。在中间逻辑控制方面，已淘汰继电器控制，采用 微机控制。 新 电气控制系统和拖动系统的出现，不但改善了电梯的性能，而且提高了电梯的运行可靠性，使我国电梯工业提高到一个新的水平，基本实现乘用安全、可靠、舒适的愿望。 目前电梯的控制普遍采用两种方式 ： 一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和 集选运行 功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程 序 控制器（ 代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，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，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置 成本较高 。 虽然在智能控制方面微机控制系统有较强大的功能，但 其 存在抗干扰 性 差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷 。 而用维修方便，抗干扰性强等优点，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。 本设计便是选用第二种方式实现电梯控制的。最终完成了电梯控制系统中变频器和可编程序控制器的选择。 电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分两部分组成。电力拖动部分（即主电路） 由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。 通过合理设计完成电梯的拖动任务。电气控制部分 又称为控制电路，它是电梯控制系统的核心。本设计中由 成电梯的逻辑控制。 用 调速 ， 应信号、现行位置及其他相关信号，经运算后向变频器送去上行、下行、换速、平层等控制信号。最终实现电梯的信号全集选控制。 本科生毕业设计（论文） 3 电梯变频调速控制的特点 随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的高速发展，交流变频调速技术也有了十分迅速的发展。其已成为当今节电 , 改善工艺流程以及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 凭借着优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率 、高功率因数和节电效果、广泛的适用范围及其它许多优势，而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。 近年来，电梯调速系统很多采用变频调速 控 制。 主要原因在于变频器不但可以提供良好的调速性能，并能节约大量电能。 电梯属位能负载，并且要求频繁起停。随着载客量多少的变化、上下行的变换，要求电动机在四象限内运行。更重要的是要满足乘客的舒适感和保证平层精度 (即准确停车 )。这些要求是变频器在电梯中应用的特殊之处。 变频调速电梯的特点如下 : （ 1） 变频调速电梯使用的是 交流电动机 ，与同容量的直流电动机相比具有体积小、占空间小 、 结 构简单 、 维护方便、可靠性高、价格低等优点。 （ 2） 变频调速电源采用先进的 术，使电梯运行质量和性能有了明显的改善； 由于变频调速为无极调速，调速范围宽 ， 因此电梯乘坐的舒适感也有了大大提高。 （ 3）变频调速电梯控制精度高，且具有 良好的动态响应 、 动态品质和抗负荷干扰能力 ，已逐渐取代直流电机调速。 （ 4） 变频调速电梯使用先进的 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。 制电梯的特点 为 工业环境而设计。实质上属于计算机控制方式。 通用或专用 现通道 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。它采用了可编程的存储器，用来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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种机械的生产过程。 可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便易于使用；功能完善；设计、施工、调试周期短；体积小，维护操作方便等特点。其在电梯控制中更具有如下特点： （ 1） 采用 软件实现对电梯运行的自动控制，使系统的可靠性大大提高。 本科生毕业设计（论文） 4 （ 2）去掉了选层器及大部分继电器，使得控制系统结构简单，外部线路简化。 （ 3） 采用 活性，系统可方便地增加或改变控制功能，实现各种复杂的控制要求。 （ 4） 运行安全性得以提高，并易于检修。 （ 5）可用于群控调配和管理，提高了电梯的运行效率。 （ 6）更改控制方案时系统硬件接线可不改动。 频器的选择 随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速 已 应用到许多领域，由于变频调速 的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到了广泛应用。 1987年，上海三菱电梯有限公司首先从日本三菱引进技术，在国内电梯行业率先推出了全计算机控制交流变频变压（ 速电梯 (专用变频器控制 )，在电梯行业引起轰动。十几年来， 得到了普遍运用。 目前国内 用变频器控制和通用变频器+编程序控制器 )控制。 专用变频器控制电梯，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用安川 用 变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。这是本设计的特点之一。 本设计选用 的 安川 用 变频器，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，可以最大限度地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， 频器的起动、制动具有可任意调节的 50%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达 使得电梯运行舒适感 更 好， 零速抱闸 、 平层精度 更 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。采用高性能 波频率20而使变频器输出一个不失真的正弦 波 波形，使电机始终运行于静噪音状态。 川 变频器特点 1世纪通用型变频器。 是一种“多控制方式”的通用变频器。具有：无 度传感器 )U/ ；无 这种变频器不仅考虑了 U/f 本科生毕业设计（论文） 5 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 。 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 存 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。 （ 5）通过 提高操作性能。 川 变频器配置 须配 供电动机测速及反馈。 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。这时，同步转速下降，交 交变额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。其基本配置如下： （ 1） 616 （ 2） （ 3）旋转编码器。 （ 4）制动电阻。 （ 5）电梯运行曲线输入板（可选配）。 编程控制器（ 择 本设计轿厢位置检测利用旋转编码器实现。目前， 数准确，使用方便，因此在电梯 用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码 器可直接与 源也可利用 4件连接简单方便。 用旋转编码器检测轿厢位置，要求可编程序控制器必须具有高数计数器。又因为电梯是双向运行的，所以 合考虑后，本设计选择了 德国西门子（ 司 7列。 德国西门子（ 司是欧洲最大的电气、电子制造商，一直以品质精良的电气、电子产品闻名于世，也是国际上较早研制和生产 厂家 本科生毕业设计（论文） 6 之一。西门子最早的 3系列， 1975年投放市场。 1979年西门子推出5系列取代了 后一直主推 20世纪 90年代初，西门子公司开始组织力量研制出了新一代 7系列 比 西门子公司的自动化产品在各个领域都得到广泛应用是因为它的 具有的各种功能，各种尺寸，各种结构适用于许多应用场合。有适用于起重机械或各种气候条件的坚固型；有适用于狭小空间具有高速 处理性能的密集型；有运行速度极快且具有优异的扩展能力的机型，可配置种类繁多的输入 /输出模块 、 智能模块 、 编程软件 、 过程通信和显示部件等，所以在逻辑控制 、运动控制过程控制以及工厂全自动化系统中均得到广泛的应用。 微型 列 可编程序控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程序控制器。 7列 用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。 列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 列具有极高的性能 、 价格比。 用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测 、 自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。 （ 1）极高的可靠性。 （ 2）极丰富的指令集。 （ 3）易于掌握。 （ 4）便捷的操作。 （ 5）丰富的内置集成功能。 （ 6）实时特性。 （ 7）强劲的通讯能力。 （ 8）丰富的扩展模块。 本科生毕业设计（论文） 7 第 3章 系统硬件设计 述 梯 制系统基本结构 电梯 主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图 图 。 主要硬件包括元 、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 梯 系统控制核心为 操纵盘、 呼梯盘 、井道及安全保护信号通过 储在存储器 ，向 召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统 等 发出控制信号。 梯 信号控制系统组成 电梯 入到 运行方式选择 (如自动、有司机、检修等 )、运行控制、安全保护信号、轿内指令、厅外召唤、旋转编码器光电脉冲信号、开关门及限位信号、门区或平层信号等。 输入接口 输出接口 机 存储器 井道装置 安全装置 指层器 调速装置 拖动装置 轿厢操纵盘 厅外呼梯盘 门机系统 本科生毕业设计（论文） 8 图 梯 号控制系统 梯控制系统原理框图 电梯控制系统原理框图如图 示，主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、 起动运行线路、开关门控制线路 、楼层检测与平层检测传感器及 路 等组成的。 图 梯控制系统原理框图 输入接口 出接口 安全保护信号 运行方式选择 运行控制信号 内指令信号 外召唤信号 光电脉冲信号 开关门信号 门区或平层信号 拖动控制系统 呼梯信号指示 楼层指示 运 行方向指示 开关门控制 呼梯报警铃 平层 拖动 减速 减速点信号 楼层信号 位置信号 指层 起动 平层感应器 定向平层 轿内指令厅门召唤 本科生毕业设计（论文） 9 梯控制系统功能及速度曲线 梯控制系统功能 电梯控制系统功能较多，根据实际要求的不同控制系统需实现的功能略有差异。本设计中电梯为 7层变频调 速全集选客梯设计，其可实现电梯控制系统的基本要求，具体实现的功能如下： （ 1）两台电机：一台作为拖动电机控制电梯上升和下降。另一台作为门机 实现开关门控制。 （ 2）电梯操作方式采用全集选，即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召唤和轿厢召唤。 （ 3）电梯具有自动运行、有司机运行、检修运行三种运行方式。 （ 4）电梯到位后具有手动和自动开关门功能。 （ 5）电梯对轿内指令信号、厅外呼梯信号具有记忆功能。并能及时对轿内和厅外召唤信号作出响应。 （ 6）电梯内、外设有运行方向指示灯及楼层信号指示灯，以显示电梯运行位置。 （ 7）电梯具有自动定向、自动换向等功能。 （ 8）电梯具有满载直驶；超载停驶；端站强迫换速及其它安 全保护等功能。 梯速度给定曲线 电梯的工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率、改善舒适感，要求电梯能平滑减速至速度为零时，准确平层，即 “无速停车抱闸 ”，不要出现爬行现象或低速抱闸，即直接停止。要做到这一点关键是准确发出减速信号，在接近层楼面时按距离精确的自动矫正速度给定曲线。 本设计采用旋转编码器检测轿厢位置，只要电梯运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。旋转编码器的转轴直接与拽引电动机转轴相连接 。 当电动机转动时，旋转编码器输出与转角对应的脉冲数。 利用变频器 脉冲信号引入 成位置反馈。 通过累计脉冲数可直接算出轿厢相应位置行程，进而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。 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。人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。 根据大量的研究和试验表明，人可接受的最大加速度 速度变 本科生毕业设计（论文） 10 化率 m3 m/梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正弦波形，由于 正弦波形加速度曲线实现较为困难，而三角形曲线的最大加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线，即 +很少采用。因梯形曲线容易实现并且具有良好加速度变化率频繁指标，故被广泛采用。本设计便是采用此种梯形加速度曲线。 采用梯形加速度曲线的电梯 理想运行 速度给定曲线 如图 中 图 梯理想运行速度给定曲线 入输出信号及系统选型 入输 出信号 由于采用 变频器和 为了 完成 先确定 输出点数。 。 本设计中电梯为 7层，按电梯各个功能部分分类统计， 变频器与 频器“运转”与“故障”信号共占 2个输入点。 旋转编码器与 转编码器向 、 A、0 a v T 本科生毕业设计（论文） 11 个输入点。 运行方式选择开关：有 /无司机操作方式转换开关；检修开关；急停按钮各占一个输入点。其中检修 运行又有检修向上运行与检修向下运行按钮。 轿内指令按钮：位于轿内的操纵箱上，每层各一个， 7层共占 7个输入点。 门厅召唤按钮：位于电梯的厅门口，除顶层 7层只有下召，底层 1层只有上召外，其余每层均有上、下呼梯两个按钮，这样门厅召唤共占 12个输入点。 开关门：有厅门、轿门电气触点开关（用于保证电梯厅、轿门都关好，开关接通时才能运行）、开门限位开关、关门限位开关、手动开关门按钮，共占 12个输入点。 其他：有超载、上 /下极限开关、上 /下强迫换速开关、警铃按钮、底层钥匙开关、红外线传感开关、直驶开关共占 9个输入点。 指示灯： 12内内选指示灯；轿内上 /下运行指示灯共占 21个输出点。 电梯运行位置指示：电梯运行位置指示采用七段码显示，由 7个输出点。 其他：上 /下行接触器；开 /关门继电器；检修继电器；换速信号继电器；平层停车继电器；蜂鸣器共占 8个输入点。 综上可知 ，系统所有输入 /输出均为开关量。共有开关量输入点 48个，开关量输出点 36个。 输入 /输出信号及对应的电气符号如表 表 入 /输出信号及对应的电气符号表 输入部分 信号名称 电气符号 信号名称 电气符号 号 底层钥匙开关 相高速脉冲输入 信号 红外线传感开关 频器“运转”信号 上极限开关 频器“故障”信号 下极限开关 /无司机操作方式 门按钮 门锁开关 门按钮 门限位开关 停按钮 门限位开关 行强迫换速开关 本科生毕业设计（论文） 12 超载触点 行强迫换速开关 驶开关 1修开关 2铃按钮 1修向上运行按钮 关 1修向下运行按钮 续表 输出部分 信号名称 电气符号 信号名称 电气符号 11门继电器 内上行指示灯 门继电器 2行接触器 内下行指示灯 行接触器 1速信号继电器 梯运行位置指示 层停车继电器 鸣器 动检修继电器 统选型 控制器 ， 发展至今经历了两代产品。其第二代产品的是在 21世纪初投放市场的。 它的运算 速度 很 快， 且 具有极强的通讯能力 。其 五种不同结构配置 的 （ 1） 本机集成 6输入 /4输出， I/0点。无 I/序和数据存储容量较少，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数控制系统。 （ 2） 本机集成 8输入 /6输出， I/4点。和 可以进行一定的模拟量控制和 2个模块的扩展，因此是应用更为广泛的全功能控制器。 （ 3） 本机集成 14输入 /10输出， I/4点。和前两者相比 ， 存储容量扩大了一倍，它可以连接 7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数处理能力，是使用最多的 本科生毕业设计（论文） 13 （ 4） 本机集成 24输入 /16输出， I/0点