无齿同步曳引电梯的监控系统设计_毕业论文

摘要随着城市人口的增加和人们物质文化生活水平的提高，高层建筑的数量在快速增加，电梯的使用量也随之急剧增加。为满足高校实验教学对电梯技术的需要，本文研究了六层电梯模型的设计方法。电梯监控系统同样是电梯技术的热点。它为电梯维修保养单位和电梯使用单位对电梯的集中管理提供了一种强有力的手段。它能提供电梯运行状态，及时获得对电梯日常运行的记录和监测资料，实现故障的早期预告、诊断及处理，确保电梯的运行、维护和管理。因此，本文在电梯模型的基础上设计了电梯的监控系统。在分析现代常用电梯拖动方案和控制方案的基础上，本文采用了一种先进的无齿曳引变频驱动方案和可靠的PLC控制方案。无齿轮电梯用低速大转矩永磁同步电动机在电梯的应用是目前的热点研究之一，其研究具有重要的科学意义和实用价值。国内在这方面的应用尚处于起步阶段。而在我国实际工程设计中，PLC由于具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、可扩展性强、成本低等优点被广泛应用。在进行控制系统的硬件实现时，本文分析比较了控制系统各主要组成环节的硬件实现方式和特点，从而完成了整个控制系统的硬件选型与设计。在电梯的使用中最被人们重视的就是安全问题，所以对电梯的各种保护环节重点进行了设计。本课题控制系统软件的设计分两部分进行。一方面是下位机PLC用户程序的设计，它包括了十个环节，重点是保护程序的设计和测取减速点程序的设计。另一方面是上位机组态软件的设计，本文采用组态王652完成了各种动画画面的制作，完成了控制系统的组态数据采集和监视软件设计。组态软件的画面运行效果良好。关键词电梯；PLC；组态软件；监控ABSTRACTWITHTHEINCREASEINURBANPOPULATIONANDPEOPLESMATERIALANDCULTURALIMPROVEMENTOFLIVINGSTANDARDS,THENUMBEROFHIGHRISEBUILDINGSRAPIDINCREASESOTHATTHEUSEOFELEVATORSALSOWILLBEINCREASEDDRAMATICALLYTOMEETTHENEEDSOFELEVATORTECHNOLOGYOFEXPERIMENTALTEACHING,THESIXSTORYELEVATORMODELHASBEENDESIGNEDELEVATORMONITORSYSTEMISALSOAHOTSPOTOFELEVATORTECHNIQUE,WHICHISASTRONGCONCENTRATEDMANAGEMENTMEANSFORTHOSEPEOPLEWHOMAINTAINANDUSEELEVATORWECANGETTHEELEVATORDAILYRUNNINGRECORDANDINFORMATIONTHROUGHMONITORITSRUNNINGCONDITIONBYTHISTECHNIQUETHATCANHELPPEOPLEKNOWTHEELEVATORFAILUREINADVANCETHENMAKEJUDGMENTANDTAKEACTIONACCORDINGLY,WHICHBENEFITTOELEVATORMANAGEMENTTHEREFORE,THISPAPERDESIGNEDTHEELEVATORMONITORINGSYSTEMBASEDONTHEMODELOFELEVATORBASEDONTHEANALYSISOFDRAGGINGSYSTEMANDCONTROLSYSTEM,ANADVANCEDGEARLESSDRIVEANDRELIABLEPLCCONTROLAREUESDINTHISPAPERNOWADAYS，THERESEARCHONLOWSPEEDANDHIGHTORQUEPERMANENTMAGNETICSYNCHRONOUSMACHINEWHICHUSINGINGEARLESSELEVATORAREGETTINGMOREANDMOREATTENTIONINTHEFLELDSOFMOTORS，ANDHASGREATSCIENCESIGNIFICANCEANDAPPLICATIONVALUEHOWEVER，THESTUDYOFTHISKINDOFMOTORINOURCOUNTRYJUSTSTARTSINACTUALENGINEERINGDESIGNINOURCOUNTRY,PLCISPOPULARAPPLIEDINVIRTUEOFITSADVANTAGESUCHASHIGHRELIABILITY,EXCELLENTANTIJAMMINGABILITY,STRONGFUNCTION,WONDERFULEXPANSIBILITYANDLOWCOSTETCWHENWEUSETHEHARDWARETOCONSTRUCTTHECONTROLSYSTEM,THISARTICANALYZESANDCOMPARESTHEHARDWAREREALIZATIONWAYANDTHECHARACTERISTICOFMAINCOMPOSITIONLINKOFCONTROLSYSTEM,THUSITCOMPLETESHARDWARESHAPINGANDDESIGNINGOFTHEENTIRECONTROLSYSTEMINTHEUSINGOFELEVATOR,SAFETYISTHEMOSTIMPORTANTTOPIC,MANYPROTECTIONSABOUTELEVATORAREDESIGNEDCAREFULLYTHECONTROLSYSTEMSOFTWAREDESIGNOFTHISARTICLEHASTWOPARTSONEISTHELOWERPOSITIONMACHINEPLCSOFTWAREDESIGN,ITINCLUDES10PARTSTHEPROGRAMMEOFDECELERATIONPOINTANDPROTECTIONHASDESIGNEDCAREFULLYTHEOTHERISTHETOPMACHINECONFIGURATIONSOFTWAREDESIGNITCOMPLETESTHEDATACOLLECTIONANDTHEMONITORINGSOFTWAREDESIGNUSINGKINGVIEWSOFTWARE652ANDTHEMAKINGOFVARIOUSANIMATIONPICTURESCONFIGURATIONSOFTWARESCREENISRUNNINGWELLKEYWORDSELEVATORMODELPLCCONFIGURATIONSOFTWAREMONITOR目录摘要1ABSTRACT2第1章绪论1第2章电梯电气方案设计221主拖动方式的选择设计2211交流调压调速电力拖动方式2212变频调速电力拖动方式2213永磁同步电动机拖动方式322控制系统的选择设计4221微机控制系统423可编程控制器（PLC）控制系统5第3章电梯硬件系统设计631主要器件的选择6311曳引电动机6312PLC的选择7313变频器的选择8314旋转编码器的选择932主电路及辅助电路的设计11321PLC接口电路设计11322主拖动电路及反馈电路设计11323电梯保护环节的硬件综合设计15324开放及关闭电梯和照明电路1833本章小结18第4章软件系统设计1941下位机控制软件设计19411电梯超载和防夹人控制程序19412测取每层减速点的程序21413电梯上下行控制程序24414制动等其它相关程序2542上位机监控软件设计28421组态软件简介28422电梯监控系统工程的建立28423组态界面的设计29424采集历史数据、显示趋势曲线和报表输出30425报警系统31参考文献33致谢34第1章绪论随着人口的增加、科学技术日新月异地发展和人们物质文化生活的逐步提高，导致了现代化城市的高速发展。城市化的急剧扩张，致使土地资源日益紧张，从而建筑业得以迅速发展，一幢幢的高楼拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼鳞次栉比。在这些高层建筑中每天有大量的人和物需要由电梯来进行垂直输送，电梯产品在人们物质生活中的地位已经和汽车一样，成为重要的运输设备之一。电梯是一种相当复杂的机电综合产品，具有零碎、分散、垂直运行、频繁启制动、总装配和调试需要在远离制造厂的使用现场进行等特点。由于电梯不是一目了然的机电综合产品，在技术上较难全面掌握。随着微机技术、变频技术和PLC技术导入电梯行业，对电梯的从业技术人员要求越来越高，导致了我国电梯专业人员人才异常缺乏。为了满足市场的需求，适应社会对电梯行业技术人才的需求，使一批专业的电梯技术人才脱颖而出，许多高校设置了建筑电气及其智能化本科专业。在该专业的培养计划中，都将电梯控制技术有关的教学内容作为重要的教学内容。如何能够安全且直观地了解电梯的机械结构，并且了解当前电梯的主要拖动方式和控制方式及其主要发展方向，以便更好地为电梯的教学服务，一直是许多高校当前研究的热点话题之一。电梯作为垂直运输的升降设备，其特点是在高层建筑物中所占的面积很小，同时通过电气或其他的控制方式可以将乘客或货物安全、合理、有效地运送到不同的楼层。目前，由于我国城市化的快速发展，我国已经成为全球电梯需求量最大的国家，也是电梯产量最大的国家。由于电梯是机电一体化的典型产品，涉及到的行业多，产业关联度比较大，所以是发展国民经济的强大推动力之一。因此，电梯工业代表了一个国家工业发展领域的发展水平，涉及到新材料，新工艺，新技术的利用。第2章电梯电气方案设计21主拖动方式的选择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。电梯的电力拖动系统对电梯的启动加速、稳定运行和制动减速等起着控制作用。拖动系统的优劣直接影响电梯的启动加速、制动减速、平层精度和乘坐舒适性等指标。在电梯中有两个运动轿厢的升降运动和轿门及厅门的开关运动。本节主要为轿厢的升降运动选择拖动方案。下面对电梯常用的几种拖动方案进行具体分析，逐一比较，最终选择适合本电梯的拖动方案。211交流调压调速电力拖动方式用改变异步电动机定子电压来实现调节电动机转速的系统称为调压调速系统。交流双速电梯采用串电阻或电抗启动，其启动、减速舒适感较差，速度不平稳。而闭环控制的交流变压调速则用可控硅取代了启、制动电阻或电抗，使调速效果有了明显提高。调压调速的调速性能也不是很高，在加减速阶段要进行严格的速度闭环控制，这也就增加了电梯控制的难度。由于调压装置输出电压的改变是通过控制晶闸管的导通角来实现的，因此加到电机上的电压是非正弦的，尤其是低速时，定子电压要求较低，晶闸管导通角增大，加到定子上的电压严重变形，致使消耗于转子电路的功率很大，电机发热严重，寿命减短，效率较低。所以，大部分使用调压调速的电梯，在电机上都安装有风扇制冷装置。另外，同样载重量、梯速的电梯，交流调压调速电梯相对于变压变频VVVF调速电梯，其电动机容量要求相对较大。随着电力电子器件及控制技术的飞速发展，调压调速已被变压变频调速VVVF所取代。与调压调速相比，变频调速有其不可比拟的优越性。对此，下面会进行详细介绍。212变频调速电力拖动方式由于异步电动机的变压变频调速系统在调速时转差率不变，因此在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能也最好。异步电动机的转速NNO1S60F11S/P，当转差率S变化不大且S1时，N基本上正比于NO。所以，要改变交流电动机转速，只需改变定子频率F1即可。但是，在改变转速的同时，希望励磁电流和功率因数基本保持不变。磁通太弱，则没有充分利用铁芯，电机容许的输出转速下降，电机的功率得不到充分利用而浪费；若增大磁通，将引起磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低，严重时会因绕组过热而损坏电机。总之，变频时还需变压来保持磁通不变。但异步电动机设计成低速时，电动机的温升将会升高、效率会降低，性能不佳。而设计成高速则务必使用齿轮减速机构，从而会导致环境污染等诸多缺点。总之，变频调速电力拖动方式是目前流行的电梯拖动方式，但还不是最理想的拖动方式。213永磁同步电动机拖动方式1、永磁同步电动机拖动概述及特点三相永磁同步电动机THEPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTOR,PMSM变频调速系统，基于先进的DSP嵌入式处理器，采用矢量控制原理，实现了电流、速度双闭环控制，较好的实现了同步电机的低速控制，有良好的抗干扰性能，满足了无齿轮电梯电气拖动系统的要求。永磁同步电动机由电压源逆变器供电，选择最优开关矢量来控制定子磁链和定子转矩，从而获得最快的转矩响应。永磁同步电动机拖动方式具有如下的优点（1）永磁同步电动机的结构简单紧凑、少维护。（2）能够提高电梯曳引系统的安全性、可靠性。（3）降低了对环境的污染。永磁同步电动机正常工作不产生谐波干扰，而当过励时能补偿电网感性负载所需的无功功率，提高电网的功率因数。（4）易于实现低转速、大转矩，特别适合无齿轮曳引。永磁同步电动机不需要励磁电流，采用金属粘贴技术可使转子制造变得非常容易，可以轻松地制成高极数，配合以低频变频器，很容易实现低转速。正由于这个优点，永磁同步电动机驱动的电梯拖动系统就不需要减速机构，非常适合无齿轮曳引电梯。（5）提高传动效率、节能、经济、具有较高的性能价格比。永磁同步无齿曳引技术具有优越的低速转矩特性和精确平稳的运转特性，有优越的调速性能，能真正实现“零速抱闸”和“直接停靠”。永磁同步电动机采用了永磁材料，电动机不需要励磁电流，定子电流的无功分量极低，功率因数可达到近似于1。（6）优于直流无齿轮电动机驱动系统。永磁同步电动机由于转子采用了高磁能积的稀土材料，控制装置都由大功率晶体管组成，电动机的力矩惯性比大，动态性能好，具有更高的低速性能、调速精度、快速响应性能等优点。与异步电动机变频调速系统相比，当负载变化时，异步电动机通过调整转差来适应，而同步电动机则只是调节功角，因此同步电动机响应速度更快，也因此其控制系统需要有精确的转子位置检测装置和电压电流检测装置，以便随时确定磁场的大小、方向。转子位置的精确控制是永磁同步无齿轮曳引技术重要部分之一，它将直接关系到电梯启动、制动的舒适性和平层精确度。2、永磁同步电动机的控制方式永磁同步电动机变频调速系统的控制方式可分为两大类一类是他控式变频调速系统；另一类是自控式变频调速系统。他控式变频调速系统中所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属于速度开环控制系统。他控式变频调速虽然能够解决永磁同步电机的起动问题，但仍存在失步、振荡等问题，因此永磁同步电机变频调速系统一般采用自控式运行。根据逆变器组成器件和工作方式的不同，可将自控式永磁同步电机作如下简单分类一类电机为晶闸管无换向器电机，又称为负载换向同步电机调速系统。另一类电机称为自控式永磁同步电动机或者永磁无刷直流电动机。根据电动机反电势的波形形状又可分为无刷直流电动机简称BLDCM调速系统和三相永磁同步电动机简称PMSM调速系统两种，它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为正弦波。3、拖动方式的选择具有低速大转矩特性的无齿轮永磁同步曳引机以其节省能源、体积小、低速运行平稳、噪声低、免维护等优点，越来越引起电梯行业的广泛关注，本课题选用此种拖动方式。电梯永磁同步无齿曳引拖动系统原理见图2所示22控制系统的选择设计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忧。如果电梯一旦发生冲顶或蹲底之类的严重故障，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。所以，本课题不使用这种控制方式。221微机控制系统微机具有体积小、成本低、自动化程度高、通用性强、节省能源的特点。微机应用于电梯控制，可以实现复杂的功能控制，并可以对电梯实施群控调度管理图21永磁同步电动机拖动系统原理图1永磁同步电动机2传感器3曳引轮4对重5轿厢以提高运行效率。基于上述原因，现在微机控制在电梯的并联控制和群控方面得到广泛应用。由于目前使用微机的控制方式只在群控场合或高速场合使用，而本电梯模型模拟的是单个的中低档的低速乘客电梯，所以本课题不适合这种控制方式。23可编程控制器（PLC）控制系统PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，它是把计算机技术和自动化技术融为一体，是一种数字运算操作的电子系统。它充分利用了微型计算机的原理与技术，既可以用来完成逻辑控制，也可以实现模拟控制；既可以用来控制工业现场的各种设备及自动生产线，也可以同计算机联网，构成集散控制系统，已在很多领域取得了成功的应用。可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有了极其重要的地位，最重要的原因是它与现有的各种控制方式相比较，具有如下独一无二的特点1、可靠性高PLC开发时在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离及模块结构等措施来增加PLC的可靠性；在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟WDT、信息保护和恢复等措施。它具有了极高的可靠性和很强的抗干扰能力，被誉为“不会损坏的仪表”。2、控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或设备更新时，如果需要改变控制功能，往往不必改变硬设备，只需改变一下应用程序就可以达到目的。所以，从这个意义上说，它具有很突出的柔性控制能力。3、编程方法简单易学目前，大多数PLC编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图，PLC还针对具体问题，开发了顺序功能图语言，简化了复杂控制系统的编程。4、功能强，性能价格比高现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量输入输出处理功能、通信联网功能等。此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功能的智能模块。与相同功能的继电器控制系统相比，它具有很高的性能价格比。5、体积小，重量轻，能耗低由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对很小。综合比较上述三种控制方式的优缺点以及各自的适用场合，结合本课题电梯模型模拟的实际对象，本课题采用的控制系统选用PLC控制方式。第3章电梯硬件系统设计本电梯设计为六层，各楼层外部面板都配有带指示灯的工业用按钮和用来显示轿厢楼层数的数码管。电梯上行和下行时，外部有上行下行箭头显示楼层走向。31主要器件的选择311曳引电动机1、曳引电动机额定功率的计算本电梯采用了有对重的无齿曳引系统，由力学关系不难推导出电动机额定功率（31）上式中平衡系数（或称对重系数）（32）电梯对重的质量（KG）；电梯轿厢的质量（KG）；电梯额定负载的重量（KG）；国家标准规定KP0405；系数K1116；电梯额定梯速175M/S电梯传动系统的效率，查电梯控制技术中的表34可以知道，对于无齿曳引且轿厢曳引方式为11绕法的电梯传动系统而言，085。电梯的额定（轿厢）速度设计成电梯的175M/S，否则，考虑启动及减速轿厢永远不可能达到额定速度。代入式子31可得332、三相永磁同步电动机型号的选择根据实际三相永磁同步电动机功率系列，综合考虑性能及价格等多方面因素，最终选用了苏州市威尔克电讯电机制造有限公司生产供应的TDW系列永磁低速同步电动机。TDW系列永磁低速同步电动机是一种无减速齿轮装置由电机直接得到低转的新型同步电动机。应用本产品可简化传动机构，免除齿轮减速机构的噪音。该产品为封闭式结构。该产品可作为低速传动系统中的驱动元件。凡需要低速直接传动的场合，均可采用本产品，若配以变频电源，则可变换电机转速以适合各种需102NPNVMKKNMNVNJPPJ102NPNVMK要。根据上述对电动机额定功率的计算并考虑到TDW系列永磁低速同步电动机的功率系列，最终选择TDW450型号的电机。该种电机为三相电动机，电压380V，频率334HZ，电流272A，功率117KW，转速167R/MIN，额定转矩670NM。312PLC的选择1、型号的粗选由于本设计打算采用旋转编码器反馈回的脉冲数来检测电梯运行时的减速点，所以要求所选用的可编程控制器具有高速计数功能。综合考虑性能价格比和可靠性后，本设计选择了整体式箱体结构的日本三菱公司生产的FX2N系列PLC。FX2N系列每条基本指令执行时间为008S。它不但具有27条基本指令、2条步进指令和128种功能指令，还具有3072点辅助继电器、1000点状态继电器、256点定时器、235点计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针和15点中断指针等。FX2N系列与FX2系列相比，面积、体积小50。总之，FX2N是FX系列家族中运行速度最快、功能最强、体积最小的小型可编程控制器。2、PLCI/O点数统计根据电梯的层站数、梯型、控制方式、应用场所及具体控制要求，计算出PLC的输入信号与输出信号的数量。（1）PLC输入信号统计。电梯作为一种多层站、长距离运行的大型运输设备，在厅外及轿厢内有大量的信号要通过输入接口送入PLC，现对本系统六层电梯模型的输入点进行分析并统计。1）对全集选方式的电梯而言，内外指令信号数量为3N2（N为层站数），所以本设计内外指令信号数量为16个。2）强迫减速开关和限位开关是防止电梯冲顶或蹲底的第一道防线和第二道防线，上下共4个数量。3）接收变频器输出的脉冲信号、运行信号、故障信号和零速信号，共4个。4）开关门信号2个。5）其它信号包括门连锁信号、直驶信号、制动器信号、工作方式信号、光电开关信号、上班信号、检修信号、自学习信号、超载信号、安全信号等10个。总之，初步估算需要36个输入信号。（2）PLC输出信号统计。PLC将执行结果通过输出接口控制以下输出设备。1）对全集选方式的电梯，内外选指示信号的数量为3N2，所以有16个指示灯信号。2）接触器及中间继电器有制动接触器、开门继电器、关门继电器、电源接触器、超载继电器、运行接触器和风扇共7个。3）和变频器连接的信号有上下运行2个、多段速指令3个及点动信号1个，共6个。4）其它信号包括楼层显示指示信号3个、上下行指示信号2个、蜂鸣器1个，共6个。总之，初步估算需要35个输出信号。由上述分析可知，现场输入信号共36个，输出信号共35个，共71个信号需要PLC进行处理。考虑到FX2N的点数序列，并考虑留有一定的余量，选择80点的PLC40个输入点/40个输出点。可编程控制器的输出接口电路有三种输出方式，其中的继电器输出方式是触头输出，它既可以带交流负载，也可以带直流负载，并且带载能力强，适合上述信号的性质。所以，本设计选择继电器输出方式的PLC。综上所述，选择日本三菱公司生产的FX2N80MR型号的PLC。313变频器的选择无齿轮永磁同步曳引机具有优良的低速、大转矩特性，能较好地满足电梯曳引要求，这种性能的实现还必须基于与之配套的驱动装置的良好性能和良好匹配性。本设计中拖动调速系统的关键在于保证电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，考虑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VS616G5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，可以最大限度地提高电机的运行效率，同时降低电机的运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。另外，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001002,使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。VS616G5变频器的特点如下1、有丰富的内藏与选择功能。2、由于采用了最新式的硬件，因此功能全、体积小。3、保护功能完善、维修性能好。本设计需要用数字操作器将参数H103H106设定为36，从而将端子58的功能重新设定为多段速指令13和点动频率即可，实际工作过程中只用三级速度即可。图31VS616G5变频器端口功能图FIG31THECHARTOFVS616G5INVERTERINTERFACEFUNCTION314旋转编码器的选择旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测的电机轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量，并把它们转换成数字形式的输出信号。旋转编码器有两种基本形式，即增量式编码器和绝对值式编码器。根据工作原理和结构，编码器又分为接触式、光电式等类型。光电式编码器是目前使用最多的一种，它没有触点磨损，允许的转速高，并且精度高。所以，光电式增量编码器是电梯系统中最常用的编码器。光电式增量编码器的转轴上有与其一起转动脉冲码盘，码盘上有均匀刻制的光栅，即在码盘上均匀分布着若干个透光区段和遮光区段。这两种区段分得越密，则分辨率越高。利用由光电发射管、光电接收管组成的光电耦合器将转轴转过的角度转换为相应的电气脉冲信号。光电式增量编码器的设计制造工艺简单，价格便宜，使用方便，常常被用来测量电动机的转速，它的输出信号接到变频器的脉冲输入端，作为变频器的转速反馈信号。由以上分析可见，用光电式旋转编码器检测轿厢位置优于其它方法，故本设计采用此法。2、旋转编码器每转脉冲数的计算为了提高检测位置的精度，应该选择用每转脉冲数多的旋转编码器。但每转脉冲数越多，旋转编码器价格越贵。通常需要每个脉冲所对应的位移，应保证平层精度和换速距离的要求，实际电梯中一般应该做到小于5毫米/脉冲。由于无齿轮曳引机的转速较低,为了保证驱动装置速度反馈的精度，要求用于速度检测的编码器具有较高的精度，这对于无齿轮曳引机获得良好的调速性能是至关重要的。考虑到楼间距较小，设旋转编码器每个脉冲对应的轿厢移动距离即计数精度为S（单位MM/脉冲），考虑设计S的不大于01MM/脉冲，则可以计算出所需旋转编码器每转的脉冲个数P的数值。由上述的计算知道，曳引电动机旋转一转时轿厢移动的距离为D120MM（D为曳引轮的直径），则考虑到上述的计算结果，并考虑经济性等原因，最终选择了武汉松野智能仪表有限公司生产的EH100光电旋转编码器，分辨率为每转1200个脉冲。3、旋转编码器脉冲频率的计算电动机额定运行时旋转编码器发出的脉冲最终会送到PLC高速计数器的脉冲输入端子，而PLC对所接收的脉冲输入信号是有一定频率限制的，在此对所选的旋转编码器在电动机额定运行时所发出的脉冲频率加以核算。由于电动机的额定速度167R/MIN，亦即每秒28转，而旋转编码器一转发出1200个脉冲，所以旋转编码器一秒发出3360个脉冲，也就是说旋转编码器输出脉冲频率的频率3360HZ。转脉冲脉冲转/120/102MSD32主电路及辅助电路的设计图32硬件结构图FIG32THECHARTOFHARDWAREARCHITECTURE电梯控制系统的硬件结构如图32所示。包括按钮输入电路、安全保护信号、VVVF控制调速电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等等。321PLC接口电路设计本设计电梯模型要实现六层电梯的控制，同时要求能够通过上位机的组态软件实现电梯的模拟仿真运行和对实际电梯模型系统的监控，所以在分配地址空间上和一般的实际电梯有着较大的区别。要实现实际电梯的控制运行，则要像一般电梯控制装置一样分配好PLC的输入输出端子，同时为了实现上位机的组态模拟运行，需要使用PLC的内部辅助继电器对应着分配好一套地址，用于组态程序模拟实际电梯的相应输入输出从而控制电梯的运行。输入地址分配见表31所示，输出地址分配见表32所示。根据地址的分配，可以设计PLC接口电路如图33所示。322主拖动电路及反馈电路设计变频器主电路电源端子R、S、T应该通过自动空气断路器和交流接触器与电源连接，无需考虑相序。变频器输出电源必须接到端子U、V、W上，如果接错，将会损坏变频器。由此指导思想可以设计出图34所示的主拖动电路。在电源和变频器之间接入合适变频器功率的通断电源用的断路器QF1。KM3接触器主触点用于接通或断开整个系统的电源，其线圈由上班或下班时通过钥匙开关SQ17间接控制。XJ为相序继电器，其常开触点控制安全继电器KA1。TC为控制变压器，其二次侧输出端子01、02的直流输出用于电梯门系统和制动器系统的电源，二次侧输出端子101、103的交流输出用于门联锁回路和安全回路的电源，输出端子401、403的直流输出用作内指令信号灯、厅呼梯信号灯以及楼层显示和运行方向的电源。表31输入地址分配TABLE31THEALLOCATIONOFINPUTADDRESS输入点功能输入点功能X0、X1一、二级上限位开关SQ1、SQ2X15制动接触器KM1辅闭输入X2变频器PG输出X16上班继电器KA3常闭输入X3、X4一、二级下限位开关SQ3、SQ4X17司机工作状态开关SA1X5平层光电开关SQ5X20变频器运行信号X6门连锁继电器KA2信号X21变频器故障信号X7安全运行继电器KA1输入信号X22变频器零速信号X10超载开关KPX23检修开关SA2X11开门按钮SB1X24X3116层内选按钮SB4SB9X12关门按钮SB2X3233慢上、慢下按钮SB10SB11X13直驶按钮SB3X344015层上行呼梯按钮SB12SB16X14变频器自学习端子X414526层下行呼梯按钮SB17SB21表32输出地址分配TABLE32THEALLOCATIONOFOUTPUTADDRESS输出点功能输出点功能Y0运行接触器KM2Y111616层内选指示灯HLN1HLN6Y1风扇FSY172315层上行呼梯指示灯HLS1HLS5Y2超载继电器KA4Y243026层下行呼梯指示灯HLX2HLX6Y4电源接触器KM3SQ6、SQ7为上下两个极限限位开关的触点Y3133楼层指示电子装置Y5开门继电器KA5Y3435上、下运行方向指示Y6关门继电器KA6Y4041变频器正、反运行图33PLC接口电路FIG33THECHARTOFPLCINTERFACECIRCUITY7制动接触器KM1Y4244多段速指令1、2、3输入Y10蜂鸣器FM超载指示灯HL0Y45变频器点动输入图34主电路及反馈电路FIG34THECHARTOFMAINCIRCUITANDFEEDBACKCIRCUIT设计的反馈回路也见图34所示。VS616G5的PG速度控制卡有四种类型，分别为PGA2、PGB2、PGD2、PGX2,其中PGB2为有PG矢量控制方式专用，根据电梯的实际控制要求，本系统选用PGB2速度卡。PGB2速度卡的TA1接线端子有六个端子，TA11、TA12是变频器提供的脉冲发生器PG的电源，TA11是直流12V（5，MAX200MA）端子，TA12是电源用接地端子；TA13、TA14是A相脉冲输入端子，TA15、TA16是B相脉冲输入端子，TA14、TA16为A、B相脉冲的输入公共端，TA13、TA15为812V；TA2接线端子有四个输出端子，依次为A、B相脉冲监视输出端子，本系统根据控制要求打算使用一相一计数输入的计数器，故只使用了A相脉冲监视输出端子TA21、TA22。TA3为屏蔽线接线端子。在随后的控制程序中，打算使用一相一计数输入的计数器C237，通过查表可知，它属于32位双向高速计数器，其计数信号来自于PLC的输入端子X002，所以A相脉冲监视输出端子TA21接于PLC的输入端子X002处，输出端子TA22接于PLC的输入公共端子COM。变频器的输入信号包括对运行/停止、正转/反转、点动等运行状态进行操作的数字操作信号。变频器通常利用继电器接点或者晶体管集电极开路形式得到这些运行信号，如PLC的继电器输出电路或PLC的晶体管输出电路。也就是说，PLC的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接，从而实现PLC对变频器的控制。由此指导思想可以设计出图34所示的PLC输出端子和变频器输入端子连接的反馈回路。结合前述的变频器端子功能，可以知道PLC的输出端子Y040、Y041控制变频器的1、2端子，即是控制变频器的正、反转运行，也就是控制电梯的上、下运行。图31中多功能输入端子和多功能输出端子的功能为出厂时所设定，我们根据电梯模型的实际控制需要，利用变频器的数字操作器对这些端口重新进行了功能设定。用数字操作器对参数H101H106进行设定，从而使变频器的58端子具有了全新的功能，最多可达9段速运行。设定情况及其功能如表33所示。表33多速参数的设定TABLE33THEALLOCATIONOFOUTPUTADDRESS端子对应参数设定值内容5H1033多段速指令16H1044多段速指令27H1055多段速指令38H1066点动频率选择323电梯保护环节的硬件综合设计1、冲顶保护和蹲底保护冲顶保护和蹲底保护又称为终端超越保护，它是为了防止电梯的电气系统失灵，轿厢越过上、下端站后仍继续运行，继而发生冲顶或蹲底事故，而在轿厢导轨的上、下终端支架上安装的装置。终端超越保护由强迫减速开关、限位开关和极限开关以及相应的打板等附件组成。强迫减速开关是为了防止电梯失控时造成冲顶或蹲底的第一道防线。当电梯出现失控，轿厢已到达顶层或底层减速点而不能减速时，装在轿厢上的打板就会随轿厢的运行而与强迫减速开关接触，发出减速信号，迫使电梯停驶。用上强迫减速开关SQ1的常闭触点接于PLC的X000输入口，下强迫减速开关SQ3的常闭触点接于PLC的X003输入口，在以后的程序中用它们的常闭触点分别和运行软继电器Y040和Y041常开触点串联控制减速继电器置位指令即可。也就是说，强迫减速开关SQ1或SQ3动作后，减速信号M7马上为ON，电梯开始减速。限位开关是为了防止电梯冲顶或蹲底的第二道防线。它由上下两个开关组成，分别装在强迫减速开关的上下方。当轿厢越出顶层或底层的位置，而强迫减速开关又未能使电梯减速停驶时，上或下限位开关动作，迫使电梯停驶。上限位开关SQ2接于PLC的X001输入接口，下限位开关SQ4接于PLC的X004输入接口，在以后的程序中用它们的常闭触点分别和运行软继电器Y041和Y040常闭触点串联后并联一起控制制动器继电器Y007和运行继电器Y000的复位指令即可。由此可知，限位开关SQ2或SQ4动作时PLC通过程序使Y000和Y007为OFF，接触器KM1和KM2断电释放，制动器马上制动，迫使电梯立即停梯。当电梯失控后，第一道及第二道防线均不能使电梯停止工作时，轿厢的打板就会随着电梯的继续运行碰触第三道防线极限开关QS的碰轮。碰轮的动作，通过钢丝绳迫使只有人工才能复位的极限开关动作，切断主电路电源，从而迫使轿厢停止运行，防止其冲顶或蹲底。2、超载保护曳引式结构的电梯，是对超载问题更为敏感的一种运输工具。电梯的超载存在着因曳引力不足而造成溜梯的危险（实际电梯中，超载是指超过额定载重量的15，并不小于75KG）。实际电梯中当超载报警装置检测到超载信号后，能够发出蜂鸣器响的警告信号以及灯的闪烁。本电梯模型是在轿厢的底部设置了一个按动开关来模拟一个压力继电器KP，实验人员在轿厢开门期间用手按动KP，可以假设超载情况的发生。按动KP后，通过用户程序可以使开门电动机工作、蜂鸣器FM工作，超载继电器KA4的振荡工作致使超载指示灯HL0闪烁报警。总之，模拟超载的情况后，电梯报警不关门，电梯自然也不会运行了。3、防夹人保护厅门、轿门是乘客出入电梯的必经之路，因此需设置安全保护装置，以免在关门过程中夹伤人员。在实际电梯中有安全触板、光电式保护装置等多种措施来实现此种保护，但实质上都是切断关门电路随即接通开门电路。由于电梯模型的门系统比较小，无法真正实现和实际电梯一样的防夹人保护，所以在模型中是用关门期间按动开门按钮来模拟实现这种保护功能的。4、困人救援装置目前在解救电梯困人过程中，不再提倡安全窗形式的自救，而是强调报警求救加专业人员实施救援的形式。电梯的报警措施有两种，一种是轿箱内的报警装置或内部公布的紧急求救电话，本电梯模型没有采用这种方式；另一种方式是更为先进的远程监控在第一时间发现困人现象。本电梯模型属于后者方式。在通过上述方式发现情况后，电梯模型可以手动松开制动器，然后手动盘曳引机的手动盘车手轮，使轿厢平层停靠，再由工作人员用专用钥匙在轿厢停靠层的厅外打开厅门及轿门，放出轿厢内部的被困人员。5、短路保护、过载保护在上述设计的主电路中，断路器QF1具有过载保护功能。除了极限开关QS（铁壳开关）具有短路保护外，QF1也具有短路保护功能。6、电源相序保护、超速保护及急停等（1）电源相序保护当电源缺相或错相时应该停止电梯的运行。为防止电源出现这种现象，特在主电路中设置了相序继电器XJ。（2）超速保护为了防止因控制失灵、电力不足、制动器失效、曳引力不足及曳引钢丝绳断裂等原因导致轿厢的超速坠落，应该设置限速器装置，用来防止电梯的超速（当轿厢运行速度超过额定速度的115即为超速）。限速器装置由限速器、钢丝绳和涨紧装置组成。在实际电梯运行过程中，当由于故障轿厢超速时，限速器停止运行，并借助夹绳机构提拉起安装在轿厢梁上的连杆机构，迫使安全钳动作，从而使轿厢强行制停在轿厢导轨上。同时，发出信号切断控制电路。由于实际电梯超速器和安全钳动作时会发出信号，超速器和安全钳的常闭触点断开，切断相关电路，所以在本模型中只能仅仅使用两个常闭的按钮来模拟这两个功能。（3）急停功能急停开关是实现急停功能的手动低压电器。它是在维修中或其它紧急情况下，防止电梯造成危险的重要安全措施。实际电梯在机房、轿顶、底坑等处均应设置急停开关，便于检修人员使用。如果将安全回路直接接入可编程序控制器，而不经过具有安全触点性质的接触器或继电器开关元件，是错误的。计的针对电源相序保护、超速保护、急停等功能设计的电路如图36所示。图中SB22为常闭的急停按钮，XJ为相序继电器（相序无误时常开触点闭合）。（4）门联锁功能在电梯厅门没有关好的情况下轿厢就运行，将对厅中的人员产生很大的危险。在轿厢门没有关好的情况下轿厢就运行，将对轿箱内的人员产生很大的危险。总之，电梯的所有门必须关好轿厢才可能运行，有关这个功能实现的电路见图36所示。SQ11SQ16为每层的厅门限位开关，当厅门关闭时各自对应的限位开关常开触点闭合。SQJ为轿厢门限位开关，当轿厢门关闭后，SQJ的常开触点闭合。电梯所有的厅门和轿门都处于关闭状态时，KA2线圈得电吸合，也就是说KA2常开触点的闭合是电梯曳引机运行的必要条件。由上述PLC接口电路知道，KA2的常开触点接于PLC的输入口X006，程序中用X006软触点作为电机运行的必要条件。图36保护环节综合电路FIG36THECHARTOFINTEGRATEDPROTECTIONCIRCUIT324开放及关闭电梯和照明电路启动电梯时，工作人员转动钥匙开关，SQ20常开触点闭合，KA3得电吸合，PLC输出接口COM2和Y004之间的KA3常开触点闭合，从而使KM3接触器线圈得电吸合。二次输出101、103使安全电路得到电源，使PLC输出接口电路中直流部分得到工作电源。图37启闭电梯和照明电路FIG37THECHARTOFSTARTUPORSHUTDOWNLIFTANDILLUMINATIONCIRCUIT33本章小结本章在上章确定系统方案的前提下，选择了系统所用曳引电动机、可编程控制器、变频器和旋转编码器等主要器件的型号。利用所选低压电器设计了主电路和各种辅助电路，具体包括PLC接口电路、主拖动电路及反馈电路、开关门电路及制动器电路、电梯保护环节的硬件综合电路和启闭电梯与照明电路，其中对电梯保护环节重点进行了设计。第4章软件系统设计41下位机控制软件设计本文的控制系统的软件设计主要包括两个主要内容一是下位机PLC控制器的电梯控制软件的设计开发；二是上位机组态王电梯的仿真运行和监控软件的设计开发。其中PLC程序包括各种信号控制部分和速度控制部分，而信号控制部分分为电梯正常运行状态程序和电梯强制工作状态程序，在电梯强制工作状态下，可以完成电梯的调试、检修及故障保护功能。具体而言它要实现的控制功能有开、关门控制；轿内指令信号、厅呼指令信号的登记与消除；顺向截梯及最远反向截梯的处理；满载直驶功能实现；自动选向、自动运行、换速、平层、停车及自动开关门功能；检修运行强制工作状态状态等。电梯控制系统由呼叫到响应完成任务形成一次工作循环，电梯工作过程又可细致分为检修、正常工作、司机状态等三种工作状态。电梯在三种工作状态之间来回切换，构成了完整的电梯工作过程。在PLC的输入接口X017处设置的SA1开关，当X017为ON时，司机按动SB3按钮可以屏蔽外呼信号，使其不被登记，但通过轿厢内部蜂鸣器能够通知司机，从而将外呼转化为内指令信号，最终使电梯全程由司机人为控制。从宏观考虑，电梯完成一个呼叫响应的步骤如下1、电梯在检测到门厅或轿箱的呼叫信号后将此楼层信号与轿箱所在楼层信号比较，通过选向决定运行方向。2、电梯通过拖动调速系统驱动电机拖动轿箱运动。轿箱运动速度要经过低速转变为中速，并以中速运行至减速点。3、当电梯检测到目标层楼层检测点产生的减速点信号时，电梯进入减速状态，由中速变为低速，并以低速运行至平层点停止。4、平层后，经过一定延时后开门，直至碰到开关到位行程开关；再经过一定延时后关门，直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿箱所在楼层。411电梯超载和防夹人控制程序1、电梯超载控制程序电梯超载保护的控制程序如图41所示。超载故障发生时，KP常开触点闭合会使X010常开触点闭合，导致超载辅助继电器M12为ON。将M12常闭触点互锁关门继电器Y006线圈路径，M12常开触点接通开门继电器Y005路径。总之，电梯通过PLC的内部辅助继电器M12实现了超载开门（亦即超载不关门）不运行并且报警提示的功能。2、防夹人控制程序电梯模型的防夹人及开门控制程序如图41所示。3、关于门的其它控制程序（皆如图41所示。）（1）电梯自动关门。司机工作方式SA1断开，X017处于OFF状态，这时是无司机工作状态。这时X017常闭触点闭合，曳引电动机停止运行后，无论Y040还是Y041常闭触点都一定闭合，T3开始计时，6S后T3常开触点闭合使Y006为ON且自保。（2）电梯手动关门。T3计时未到的情况下，教厢内人员可以按动PLC输入接口的X012端子接的SB2关门按钮，可以马上实现关门按钮关门功能。（3）关闭电梯时关门。下班关闭电梯时，电梯到达一层后，用钥匙开关转动SQ20最终会使M15继电器为ON，从而实现下班自动关门的功能。（4）启动电梯时开门。上班启动电梯时，用钥匙开关转动SQ20会使M16继电器为ON，M16常开触点闭合会使Y005为ON并且自保，Y005控制开门继电器KA5得电，实现上班送电开门开放电梯的功能。图41超载和防夹人程序（5）到达目标层站平层时自动开门。电梯到达目标层站平层时，恰好电梯一层停的速度为零，因而变频器的输出也为零。由于变频器的输出为零时，其输出端子25、27之间内部导通，由于27和PLC的输入COM连接，25和PLC的X022输入端子连接，所以变频器的输出为零时X022为ON。由上分析，变频器的输出为零时，Y007常闭触点闭合和M14常开触点闭合会使开门继电器Y005为ON，开门继电器KA5得电吸合，实现到站零速平层停靠抱闸开门。电梯本层开门。电梯在一层到六层时，对应M600到M605分别为ON。当非检修状态时，电梯静止不动时，M3、Y040、Y041常闭触点闭合。靠时，M600为ON，如果一层厅里有人按动上行呼梯按钮SB12，则对应的X034为ON,结果是M19为ON。同理，如果电梯正在二层停靠，则M601为ON，此时二楼厅中有按上呼按钮SB13，可使X036为ON，而此时正好选的方向