（机械制造及其自动化专业论文）实验电梯控制系统的设计与研究.pdf

南京理t 夫学硕 学位论之实验电梯挣制系统的搜计j 研究 摘要 本论文结合仿真透明电梯，利用灵活可靠的p l c 控制，取代传统的继电控制，大 大提高了电梯运行的可靠性与可维护性，并结合功能强大的m c g s 组态技术实现电梯 的运行监控，同时通过i n t e r n e t 网络实现远程监控电梯的运行。 本论文首先论述了网络化实验电梯控制系统的总体设计方案与关键技术。其次分 析了与实际电梯结构一样的仿真电梯的机械结构原理，就电梯的p l c 控制进行了分析 与设计，讨论了其硬件系统的组成及软件设计的思想，实现了对电梯的完全仿真控制： 电梯的自动丌关门控制、厅召唤控制、自动平层控制与变频调速等功能。最后对电梯 控制的组态设计及网络化控制功能做了详细的设计分析与说明，实现了对仿真电梯的 动态监控及远程监控等功能。 目前，对于一个中、小型的电梯控制系统，大多都是利用p l c 控制，所以本论文 设计的实验仿真电梯控制系统对于机电、楼字智能化等专业的学生或者电梯维护人员 而言，具有重要的理论意义及实际应用价值。 关键词：p l c仿真控制组惫技术 远程监控 南京理t 夫学硕卜学位论史实验电梯 宰制系统的设计j 研究 a b s t r a c t i nt h i sd e s i g n , t h es i m u l a t i o nt r a n s p a r e n te l e v a t o ri sa d o p t e da st h em o d e l ，t a k i n gt h e a d v a n t a g eo ft h ef l e x i b l e & r e l i a b l ep l cc o n t r 0 1 i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lr e l a yc o n t r 0 1 t h er e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t ya l eg r e a t l yi n c r e a s e d a l s o ，t h ed y n a m i cm o n i t o r i n ga n d d i s t a n t m o n i t o r i n g a r er e a l i z e d b yc o m b i n i n gt h ep o w e r f u lm c g sc o n f i g u r a t i o n t e c h n o l o g ya n dt i l r o u g hi n t e r n e t ，r e s p e c t i v e l y a tf i r s tt h et o t a l d e s i g np r o j e c ta n di m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sa r ed e s c r i b e di n t h i s d i s s e r t a t i o n a n dt h e na n a l y z et h ep r i n c i p l eo ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h es i m u l a t i o n e l e v a t o r , n e x ta n a l y z ea n dd e s i g nt h ep l cc o n t r o lo ft h ee l e v a t o r , t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，c a nr e a l i z et h ee l e v a t o r ss i m u l a t i o nc o n t r 0 1 i t i n c l u d e sa u t o m a t i cd o o ro p e n c l o s ec o n t r o l ，c a l l i n gc o n t r o l ，a u t o m a t i cl a n d i n gc o n t r o la n d f r e q u e n c yc o m r o l ，e t c 【1 1 a tl a s t ，c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yd e s i g na n dn e t w o r kc o n t r o la r e a n a l y z e da n di n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h ed y n a m i cm o n i t o r i n ga n dd i s t a n tm o n i t o r i n go ft h e e l e v a t o r so p e r a t i o ns t a t u si sr e a l i z e db yc o m b i n i n gt h ec o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g ya n d n e t w o r kt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，m a j o r i t yo ft h es m a l la n dm e d i u me l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m sa r ec o n t r o l l e d b yp l c ，s ot h ed e s i g no fap l cc o n t r o l l e ds i m u l a t i o ne l e v a t o re x p e r i m e n t a lc o n t r o ls y s t e m i sw i t i lv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n da p p l y i n gv a l u ef o rt h es t u d e n t so f e l e c t r i c - m e c h a n i c a la n d b u i l d i n g i n t e l l e c t u a l i z a t i o nm a j o r sa n de l e v a t o rt e c h n i c i a n s m a i n t a i n e r s k e y w o r d s ：p l c ，s i m u l a t i o nc o n t r o l ，c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , d i s t a n tm o n i t o r i n g 声明 本学位论文足我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：叠垒置 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盗垒塑矽；年月口 南京理t 夫学硕卜学位论史 实验电梯挣制系圣i e 的设计+ j 研究 1 绪论 1 1 引言 随着人们生活水平的不断提高，经济的快速发展和生产生活的需要，城市高层建 筑如雨后春笋拔地而起。与此相应，作为一种可以垂直升降运输的工具一电梯也得到 迅猛的发展。现在，电梯已完全融入我们的生活、工作及学习中，人们越来越离不开 它。因此，它的安全可靠性、迅速准确性、舒适性，对人们来说都是非常重要的。1 。 为了确保电梯正常运行、安全使用，一股电梯都有专业的维修管理人员。他们必须对 电梯原理、性能、特点、控制、运行要全面认识和掌握，才能做到对电梯的j 下确使用、 管理及维护。根据我国有关部门的规定，电梯作业属于特种作业，其作业人员必须经 过专门培训，并经理论考试和实践考核合格后，发给特种作业操作证方可上岗操 作。同时，对电梯操作人员定期考核，让他们定期参加安全技术学习，扎扎实实地做 好电梯维护和保养工作，彳能使人们平安长久的使用电梯”1 。 1 2 电梯的概况与发展 电梯控制是属于机电一体化研究领域， 子技术、电力电子技术、电机与拖动理论、 微机技术和土建工程等多个科学领域“1 1 2 1 国内外电梯业概况 它涉及到多个方面，包括：机械工程、电 自动控制理论、电力拖动自动控制系统、 ( 1 ) 国内电梯业的情况 1 0 0 多年来，我国电梯行业的发展经历以下几个阶段：对进口电梯的销售、 安装、维护阶段( 1 9 0 0 1 9 4 9 年) ，这一阶段我国电梯拥有数量仅约1 1 0 0 多台； 独立自主、艰苦研制、生产阶段( 1 9 5 0 1 9 7 9 年) ，这一阶段我国共生产安装电梯约 l 万台：建立三资企业，行业快速发展阶段( 自1 9 8 0 年至今) ，这一阶段我国共 生产安装电梯约4 0 万台目前，我国已经成为世界最大的新装电梯市场和最大的电 梯生产国。并且还有着巨大市场和发展潜力空间。2 0 0 2 年，中国电梯行业电梯年产 量茸次突破6 万台。中国电梯行业自改革开放以来第三次发展浪潮正在掀起。第一次 出现在1 9 8 6 1 9 8 8 年，当时适逢我国高层建筑业的大规模浪潮的第一次兴起。第二 次出现在1 9 9 5 1 9 9 7 年。应该说，随着我国经济的增长，电梯市场一直保持着旺盛 的需求。其次表现在企业的规模效益逐步展现。随着我国经济平稳持续的发展，尤其 是住宅产业作为国民经济新增长点的提出，为电梯业的发展提供了良好的机遇。今后 南京理t 夫学硕卜学位论文 实验电梯拧制系镜的设计j 研究 几年，我国将年建住宅3 5 亿平方米，公建项目1 _ 2 亿平方米。随着城市向大型化、 高层化的发展，我国每年将需要电梯在4 0 0 0 0 台以上。如此大的市场需求，将是电梯 业再创辉煌的最好契机“。 ( 2 ) 国外电梯使用情况 当今世界，电梯的生产情况和使用数量已经成为衡量一个国家或地区建筑业及现 代化程度的标志之一。目前，在发达国家，各类电梯的使用相当普遍，据统计，在世 界各地运行的电梯有4 0 0 多力| 台，其中同本就有3 4 万台。全世界电梯年需求量大概 在1 5 万台部左右。而且预计未柬世界年平均增长率为7 ，而亚太地区为9 。世界 上有名的几家电梯公司，包括：美国奥的斯公司、瑞士迅达公司、同本三菱公司和同 立公司、芬兰科恩公司，其电梯产量已经占世界市场的5 1 。其中美国奥的斯公司和 日本三菱公司是世界上年产量最大的电梯生产企业。在亚洲，日本对电梯市场占有绝 对优势，占有率约6 7 ，远远超过我国“1 。 1 2 2 电梯控制的概况 早期的国产电梯控制系统中，电梯信号的逻辑控制一般是由继电器电路束实现 的，继电器控制系统故障率高，降低了电梯的运行可靠性与安全性，故目前已被逐步 淘汰1 。 目前电梯的控制普遍采用了两种方式，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：第二 种控制方式用可编程控制器( p l c ) 取代微机实现信号集选控制。目静，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；由于可编程控制器( p l c ) 具有程序设计方便灵活，控制运行稳定可靠。生产规模 较小，成本低、抗干扰能力强以及强大的网络通讯功能等特点“”，所以，在国内，对 于一个中、小型的电梯控制系统，大多都是利用p l c 控制，用可编程控制器( p l c ) 取代微机实现信号集选控制，拖动控制则由变频器来完成，所以p l c 控制在我国电梯 行业得到了较广泛的运用一1 。 1 2 3 电梯控制的发展趋势 电梯控制系统是整个电梯的核心部分。它是一个相当复杂的逻辑控制系统，系统 要在首要保证乘客安全的基础上，在极短的时间内对几百个信号进行检测和处理。现 在国内的中小型电梯控制系统大多采用p l c 作为控制核心，对每层楼进行点对点并 行控制。而对于商层电梯控制系统，1 个p l c 控制器定价一股需要数万元，价格比较 昂贵。随着计算机硬件和软件技术的发展，c p u 价格不断下降。采用合理的c p u 控 制，充分利用c p u 众多的扩展外设。将电梯系统作为一个嵌入式拧制系统，采用目 2 南京理t 大学硕十学位论文实验电梯柠制系镜的设汁j 研究 前流行的嵌入式开发技术，通过高级语占设计开发控制核心，进一步降低了产品的硬 件成本以及软件开发成本，提高产品市场竞争力。同时。采用现场总线技术，应用于 生产现场在各种微机测量控制设备之甘j 实现双向串行多节点数字通讯，也被称为丌放 式、数字化、多点通讯的底层控制网络，为自动化系统的最终用户带柬方便。传统的 电梯控制系统各楼层与控制器之日j 采用点对点的并行连接方式，每个呼叫器都有一套 数据线与主控器相连，当楼层众多时，系统要求有大量的数据线需要连接，使得电梯 的安装、检修、维护比较麻烦。同时降低了通用性，增加了产品成本。而采用现场总 线技术如c a n 总线技术，各控制器日j 只需要一对双绞线通过网络拓扑结构连接即可， 安装方便，同时对不同呼梯信号，采用c a n 总线提供的动态i p 技术，可以方便的通 讯响应。这样使电梯控制系统更灵活方便，同时成本更低”1 。 电梯业以后的发展趋势“1 ： ( 1 ) 绿色环保。 ( 2 ) 电梯产业将信息化、网络化。 ( 3 ) 蓝牙技术在电梯上应用等等。 1 3 论文的课题背景及意义 本论文源于本人与上海西欧仪器有限公司合作的“网络化仿真电梯控制系统的设 计与丌发”课题项目，属机电一体化研究领域。本课题在研究的过程中涉及机械结构 原理、p l c 控制技术、g xd e v e l o p e r 编程软件的操作使用、变频器技术、传感器技术、 电气控制技术、m c g s 组态设计与网络通讯技术及电机拖动等等。 在2 l 世纪的今天，随着我国国民经济的发展，随着城市建设的不断发展，高层 建筑不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可 分，家庭电梯也将成为发展趋势，如何提供用户满意产品和售后维修服务已成为关系 到各企业生死存亡问题。所以以后电梯的售后维修服务非常重要，这将需要一大批的 高素质的电梯技术人员”1 。 本论文的特色采用完全与实际电梯一样的仿真透明电梯为模型，利用灵活可靠的 p l c 控制，并结合功能强大的m c g s 组态技术实现电梯的动念监控，同时利用c g s 组 念的网络功能，实现电梯的远程等监控功能。由于电梯完全是透明的，它能配合大中 专院校、技校、职校、劳动就业培u i i 中心及电梯维修物业管理部门等单位的有关电梯 专业人员采用此套设备进行配套教学，使广大学生及专业人员对电梯的结构、关键部 件以及电气控制、电梯的运作过程有了直观、形象的认识，易于加深对电梯相关知识 的了解、掌握。使更多的人更好地了解电梯、使用电梯，培养出更多的电梯专业人才， 适应当今社会电梯行业的发展。 南京理t 夫学硕 学位论文，娈验r 乜梯手牵制系统的设计j 研究 1 4 论文研究的内容与价值 1 4 1 研究的内容 ( 1 ) 本论文通过p l c 控制设计来实现实验电梯的全自动化控制仿真运行。电梯 是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，丽呼叫是随机的，电梯控制是一个 人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此， 电梯控制系统采用随机逻辑方式控制，本论文利用三菱f x 2 n 型号的p l c ，利用其丰 富的基本及功能指令，通过程序设计来实现对电梯的仿真控制“3 。 ( 2 ) 分析电梯的主要结构，研究其在运行过程中的井道位冒的检测，到目标层 位霄的速度变化控制，电梯轿内、厅外电路的驱动及显示电路设计等等。 ( 3 ) 研究如何通过组念技术设计，实现电梯在运行过程中实时动态监控其运行 状况以及检测其运行过程中的参数变化情况等等。 ( 4 ) 研究基于计算机( p c ) 的p l c 通讯原理与m c g s 组态设计，实现教师的计算 机与下面的p l c ( 多达1 6 台) 通讯，同时通过组态运行能实现对对应通讯运行站号 的p l c 及电梯运行监控。 ( 5 ) 研究如何能实现网络化通讯、远程监控等功能，电梯厂家及技术维护人员 通过i n t e r n e t 对现场使用设备进行在线、远程的检测、控制、诊断和故障调试等。 本论文预期达到的成果和水平是能实现对电梯的完全仿真控制，其中包括：电梯 的自动开关门控制、电梯的厅召唤控制、电梯的到站指示控制、电梯的自动平层控制、 电梯的变频调速控制与电梯的安全保护控制等等，同时利用c g s 组念设计实现对电 梯运行监控及状念检测，另外利用t c g s 组态w w w 技术实现对电梯的远程实时监控。 1 4 2 研究的价值 由于可编程控制器( p l c ) 具有程序设计方便灵活，控制运行稳定可靠，生产规模 较小，成本低、抗干扰能力强以及强大的网络通讯功能等特点，并与功能强大的组态 及网络技术相结合更能实时监控电梯运行状况，当电梯出现故障时，电梯通过组态监 控及网络向客户服务中心发出信号并使维保人员能及时准确了解电梯出现故障的原 因及相关信息，客户的人身安全是否受到威胁，并在第一时日j 内赶赴事故现场进行抢 修，把电梯出现故障的负面影响降到最低，充分体现其人性化的设计。特别是针对 p l c 控制的中小型电梯，利用其性价比高，可靠性高的特点，更能赢得广大家庭用户的 青睐，所以育着极其广阔的应用前景! 而由本人设计歼发的网络化的实验电梯控制、 监控系统就能充分体现以上的设计思路，能实现电梯仿真控制及网络化远程监控。 另外，本论文设计中的仿真电梯足根掘晟常见的升降式电梯结构，采用透明有机 材料制成，其结构与实际电梯完全相同，且几乎具备实际电梯的全部功能。事实上可 4 南京理t 夫学坝t 学位论史 实验电梯挣制系镜的设计j 研究 以把它看作是小型化了的电梯。由于其几乎所有部件均是采用透明有机材料，因此便 于观察、了解整个电梯结构。同时，电梯运行过程中的每个动作也一目了然”。使学 生能够更直观、透彻地了解、掌握电梯的结构及其动作原理，达到事半功倍的效果。 所以制作一个仿真的p l c 控制的电梯控制系统并结合组态、网络技术，对于机电、电 气、楼字智能化等专业的学生或者技术维护人员而占，具有重要的理论意义及实际应 用价值；同时可以用于机电、电气等相关专业的学生进行专业综合设计以及科研兴趣 设计、开发等等。目前。在国内教学仪器设备公司中还无先例( 仿真电梯p l c 控制并 结合组念实现网络化监控运行) 。 南京理1 - 大学硕t 学位论史 实验屯梯 牵制采镜的设计j 研究 2 总体方案设计 利用p l c 代替传统的继电控制系统，由变频器实现对电梯的拖动调速，使p l c 与调速拖动装冒相结合，构成p l c 集选控制系统，实现了电梯的各种控制功能，提高 了电梯运行的可靠性，降低了故障率。 本论文考虑到载客电梯的实际操作功能，又兼顾在电梯控制中具有递推功能，故 以四层电梯为例，分别对电梯的机械结构原理、实验电梯控制硬件与软件设计、电梯 运行组态设计与网络化功能设计、运行调试等作了系统的阐述。 2 1 实验电梯控制系统的功能 ( 1 ) 透明结构：该电梯实验控制系统采用与实际电梯结构完全一样的仿真透明 电梯作为模型，具体包括：旋转编码器、变频器、曳引机、制动器、限速器与安全钳、 轿厢与厅门与缓冲装置等等，能使学生及技术人员了解电梯的实际结构”。 ( 2 ) 仿真控制：该电梯实验控制系统通过p l c 控制及变频调速等能达到对电梯 的实际仿真控制，能实现：电梯的自动开关门控制、电梯的厅召唤控制、电梯的到站 指示控制、电梯的自动平层控制、电梯的主拖动控、电梯的变频调速控制，电梯的安 全保护控制等等。 ( 3 ) 网络通讯：结合组态技术与p l c 网络通讯功能，实现计算机与多台p l c 通 讯监控运行，并能动态演示电梯的工作状态。 ( 4 ) 远程监控：利用组态网络技术，实现远程监控p l c 及电梯运行的工作状态 等等。 2 2 实验电梯控制系统的关键技术 2 2 1p l c 控制技术 p l c 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制 技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、 记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会( i e c ) 颁白了 对p l c 的规定“”：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下 应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种 类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统 形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计m 。 6 南京理下人学颂 学位论艾 实验i 乜梯拧制系统的设计oj 研究 p l c 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单 等特点。可以预料：在工业控制领域中，p l c 控制技术的应用必将形成世界潮流，可 编程序控制器被誉为现代工业化三大支柱( p l c 、机器人、c a d c a m ) 之一“”。随着计 算机、大规模集成电路技术、网络技术的飞速发展，p l c 应用技术也出现了只新月异 的变化。 本论文利用三菱f x 2 n 系列p l c 作为核心控制器，利用其丰富的基本及功能指令 束设计，从而实现对电梯具体的控制要求。同时，采用旋转编码器提高了电梯的智能 化水平，优化了硬件线路。利用三菱f x 2 n 系列p l c 的内置高速计数器( c 2 5 2 等) 或高 速计数模块。1 ，接受旋转编码器的脉冲，结合旋转编码器的光电转换脉冲计数精确计 算电梯运行的位胃，同时利用变频器实现对电梯的速度曲线及稳定运行。 通过使用g x - - d e v e l o p e r 软件，直接在p c 机上用梯形图编程，并进行现场实际 操作调试程序，为学生了解、学习和掌握可编程控制器( p l c ) 及其应用以及工业过 程自动化控制提供了很大的帮助。 2 2 2 基于p c 的p l c 通讯技术 以个人计算机为主站( 上位机) 、多台同型号的p l c 为从站，组成简易集散控制 系统网络，具有p l c 控制的优点，也有计算机在数据处理和监控方面的优势”“州。通 过利用基于p c 的p l c 网络通讯实现对多达1 6 台p l c 进行相应的电梯控制实验，同时 利用组态监控对应的p l c 运行状况。 2 2 3m c g s 组态技术 m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ，通用监控系统) 是一套用于快 速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于m i c r o s o f t ( 各种3 2 位 w i n d o w s 平台上) 运行，通过对现场数掘的采集处理，以动画显示、报警处理、流程 控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方 案。比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛 的应用】 矧。 利用c g s 组念软件对电梯运行进行组态设计，检验p l c 及电梯的运行情况。在 设备组念窗口中选择适当的串口通讯设备，添加三菱f x 2 np l c ，正确设胃其属性，l 下 确设冒组态软件中数据变量设备通道的连接，即可实现p l c 与组态软件的通讯。将 p l c 中的串口驱动程序与组念软件的需求响应相结合，使电脑对p l c 发出的信号有响 应。在m c g s 组念软件的用户窗口中，制作一个动画界面，在界面上设胃各个控件的 属性，使设霄的控件按照真实的情况动作，检验和测试电梯p l c 控制系统对电梯的运 行状念的控制效果。m c g s 用主控窗口、设备窗口和用户窗口束构成一个应用系统的 7 南京理t 夫学砸i 学位论定实验f 乜梯榨制系统的l 殳计j 研究 人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，可以对实时数据进 行可视化处理1 。 2 2 4m c g sw 硼组态技术 m c g sw w w 网络版组念软件是在t c g s 通用版的基础上，增加了i n t e r n e t 远程浏 览的功能。与传统的基于c s ( 客户服务器) 模式的应用系统相比，m c g sw w w 网络 版组，奁软件采用了更为先进的基于t c p i p 协议的下位机一服务器一客户端三层模式 的结构体系。通过m c g sw w w 网络版组态软件，局域网内的用户不但可以在客户端浏 览、打印现场的各种数据、报表；同时，还可以对现场的运行情况进行控制。控制信 息将通过m c g sw w w 网络版组态软件的服务器，传达到现场的各种控制仪器上，从而 实现远程控制的功能】。 2 3 控制系统的总体方案设计 网络化电梯实验控制系统的总体方案设计框图如下图2 3 1 图2 3 i 控制系统总体方案设计椎图 8 南京理丁人学硕 学位论艾 实验i 乜梯挣制系圣宽的设计j 研究 ( 1 ) 对与本实验电梯控制系统相关的机械结构( 电梯的电动机、门机机构、限速 器与旋转编码器等) 原理做了相应的分析与说明，具体内容见第三蕈。 ( 2 ) 根据电梯的控制原理与功能要求，利用p l c 实现对电梯的运行控制设计，同 时结合变频器调速，实现对电梯的拖动控制运行，具体内容见第四章。 ( 3 ) 利用m c g s 组态技术，具体介绍了实验电梯的组态设计，同时通过计算机( p c ) 实现对电梯的单独运行监控，具体内容见第五章。 ( 4 ) 根据p l c 的通讯功能与m c g s 的网络功能实现实验电梯的网络化监控功能， 具体内容见六章。 基于计算机( p c ) 的p l c 通讯原理与m c g s 组态设计，通过4 8 5 p c - i f ( r s 2 3 2 4 8 5 转换接口) 与通讯模块f x 2 n 一4 8 5 a d p 实现教师的计算机与下面的p l c ( 多达1 6 台) 通讯，同时通过组态运行能实现对对应通讯运行站号的p l c 及电梯运行监控。 利用m c g s 的w w w 组念技术与i n t r a n e t ( 企业局域饲) ，使企业的管理人员可 以任何时间，任何地点都可以通过i e 浏览器来访问运行了m c g sw w w 网络版工程的计 算机( 服务器) ，并方便的浏览到工程中组态的画面，查看现场实时数据和历史数据， 了解现场生产的情况。同时，还可以对现场的运行情况进行控制，实现远程控制的功 能。 通过m c g s 的w w w 技术与i n t e r n e t 网络，实现本地计算机与远地计算机的远 程通讯髓控功能，用于生产厂家或产品服务商对现场使用设备进行在线、远程的检测、 控制、诊断和故障调试等。 利用局域网及多媒体教学软件等完善实验的网络化教学功能。通过电脑、交 换机、路由器”及多媒体教学软件等资源设备构成多媒体局域网络教学，同时通过多 媒体教学软件能实现监控学生、单独、集中控制关机；能与学生即时交换信息、对话 交流等。使整个p l c 实验教学实现网络化，大大提高了实验、实践等教学效果。 9 南京理t 人学硕卜学位论文实验电梯挣制系统的设计j 研究 3 仿真电梯的机械结构分析 本论文设计的网络型电梯实验控制系统所使用的透明仿真电梯是根据最常见的 升降式客梯结构。采用透明有机材料制成。其机械结构与实际电梯几乎相同，包括曳 引机、旋转编码器、轿厢、厅门、限速器与超莺装冒等等，下面结合与控制系统相关 的机械结构原理做具体的分析与说明。 3 1 曳引机 3 1 1 曳引机的传动机构 曳引机是电梯的驱动装置，一般分为无齿轮曳引机和有齿轮曳引机两种”1 。 ( 1 ) 无齿轮曳引机( 无减速器曳引机) 无齿轮曳引机用在运行速度v 2 o m s 的高速电梯上。这种曳引机的曳引轮紧固 在曳引电动机轴上，没有机械减速机构，整机结构比较简单。i 幺曳引机制动时所需的 制动力矩要比有减速器曳引机大得多，因此无齿轮曳引机的制动器比较大。同时由于 无齿轮曳引机没有减速器等有利因素。所以使用寿命比较长。 ( 2 ) 有齿轮曳引机 有齿轮曳引机广泛应用在运行速度v 2 o m s 的各种电梯上。本论文实验仿真电 梯采用育凶轮曳引机，为了减小运行时的噪声并提高平稳性采用蜗轮减速传动机构。 这种曳引机主要由曳引电动机、蜗轮、蜗杆、制动器、曳引绳轮等构成，曳引传动结 构示意图如图3 1 1 所示。 图3 1 1 屯梯曳引传动结构示意图 l o 南京理t 夫学硕卜学位论史 实验电梯挣制系镜的设计+ j 研究 仿真电梯采用的是世界电梯行业广泛应用的提升式( 曳引式) 提升机构。在曳引 式提升机构中，钢丝绳悬挂在曳引轮上，一端与轿厢连接，另一端与对重连接。曳引 轮转动时，使曳引钢丝绳与曳引轮之日】产生摩擦力，从而带动电梯轿厢上升或下降。 由于悬挂轿厢和对重的曳引钢丝绳与曳引轮绳槽日j 有足够的摩擦力来克服任何 位冒上的轿厢侧和对重侧曳引钢丝绳上的拉力差，因而保证了轿厢和对重随着曳引轮 的i f 转和反转，而不断地上升和下降。 曳引电动机通过联轴器与蜗杆联接，蜗轮与曳引绳轮共同装在一根轴上。由于蜗 杆与蜗轮日j 有啮合关系，曳引电动机能够通过蜗杆驱动绳轮作正反向运动，同时驱动 轿厢和对重上下运行。 实验电梯的曳引传动方式为2 ：l ，其表示电梯在运行时，曳引钢丝绳的线速度与 轿厢升降速度之比，称为电梯的曳引比。 3 1 2 曳引机的选择 普通工业上用的交流感应电机，转子电阻低，机械特性好，转差率小，运行效率 高。但由于普通交流感应电动机的起动电流大，一般为额定电流的4 7 倍。由于电梯 的频繁起动，大的起动电流会引起电网电压的大幅波动，另外由于这类电动机起动转 矩也比较大，一般为额定转矩的3 5 倍，这样大的起动转矩会使乘坐舒服感极差。故 普通工业用的交流感应电动机不能用电梯曳引机”1 。 ( 1 ) 电梯曳引电机特点 电梯是典型的位能性负载，根据电梯的工作特性，电动机应有如下性质： 能频繁地起动和制动 起动电流较小 电动机运行噪声低 电动机散热性好 此外，曳引电动机具备两个轴伸端：其一端为传动端与减速器祸合，另一端为非 传动端，通常装有飞轮。用于增加运动系统的转动惯量。改善起动过程乘坐舒适感， 并兼作盘车手轮。 ( 2 ) 曳引电动机容量计算与选择 电梯曳引电动机是断续周期性方式工作，由于电梯运行时受力情况比较复杂，所 以电梯曳引电动机一般按经验公式计算选择。常用的一种经验公式如公式m ： p 一( 1 - k p ) q n o r av m + 一 1 0 2 口4 ， j 、t ： p _ 一电动机功率k w k p - 一对重轿厢平衡系数( 一般取0 4 5 o 5 ) 南京理t 入学硕i 学位论之 霉验一乜梯摔制系镜的世汁j 研究 q 。一电梯额定载重量k g v - 一一电梯额定速度m s n 机械传动总效率。采用有齿轮曳引机且蜗轮副为阿基米德齿形，则电梯 机械总n 取0 5 0 5 5 ；采用无齿轮曳引机，则电梯机械总t l 取0 7 5 o 8 。 仿真电梯所选用的拖动电机型号：y s 一5 4 6 3 w ，电压：3 8 0 v ，功率：0 1 8 k w ，转速： 1 4 0 0 r p m 。由于本论文设计的电梯是实验型仿真电梯，所以其功率与实际计算有所差 别。 3 2 旋转编码器 传统的电梯井道位冒检测信号由分南在各层的传感器如单簧管、双稳态磁月= 关等 检测，而我们所设计的电梯定位装霄是采用增量型旋转编码器。电梯轿厢位霄检测和 电气选层信号由安装在轿厢顶上和曳引轮相连的旋转编码器得到，从而摆脱了以往靠 继电器和接触开关等有触点器件控制的庞杂线路系统，优化了线路，大大地提高了系 统运行的可靠性，同时也便于检修“”。 3 2 i 旋转编码器的原理 旋转编码器的中心轴通过弹性联轴器与曳引轮的中心轴相连，当曳引轮带动轿厢 及对重上下运行的同时也带动了与之相连的旋转编码器作相应的正反转。电梯每上升 或f 降一段距离，旋转编码器的脉冲信号数就相应的增加或减少柬控制轿厢的平层位 置。 旋转编码器是一种光电式旋转测鼋装置，由一个中心有轴的光电码盘，其上有环 形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组j 下弦波信号组合成a 、b 、c ， d ，每个j 下弦波相差9 0 度相位差( 相对于一个周波为3 6 0 度) ，将c 、d 信号反向，叠加在 a 、b 两相上，可增强稳定信号：另每转输出一个z 相脉冲以代表零位参考位。它将被 测的角位移直接转换成数字信号( 高速脉冲 信号) 。因此可将旋转编码器的输出脉冲信号 直接输入给p l c ，利用p l c 的高速计数器对其 脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同 型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不 同，有的旋转编码器输出a 、b 、z - - 相脉冲， 有的只有a 、b 相两相，最简单的只有a 相。a 、 b 两相联接，用于正反向计数、判断正反向和 测速“其示意图如图3 2 1 。 a b c ( 瑚 电源 旋转编码器 l 鳘 3 2 i 旋转编码器示意l ! | 南泉理t 夫学硕 学位论史 实验电梯柠制系统的设计j 研究 3 2 2 旋转编码器的选择 ( 1 ) 计数脉冲的计算 设选择电梯的速度为v = i o m s ，电机的转速为n = 1 4 0 0 r p m ，速比i = 1 0 ：1 。若取每 转脉冲数p = 6 0 0 ，则 8 。喜2 舡1 0 0 0 观7 1 4 ( 删剐 f - n p 器6 0 0 = 1 4 0 0 h z t o 矗为p l c 高速计数器( c 2 5 2 ) 的允许最高输入频率，此时每个脉冲相当于运行 0 6 7 m m 。 ( 2 ) 型号选择 本设计采用无锡市瑞普科技有限公司生产的3 8 0 6 系列光电增量型旋转编码器。 旋转编码器为a 、b 、z - - 相输出，a 、b 两相每转输出6 0 0 脉冲，相位相差9 0 。，其输出 形式为电压型输出。 z s p 3 8 0 6 0 l口 一 口b z口口 产品型号航插电缆输出脉冲数电源电压输出方式 型式举例：电缆侧出，6 0 0 p r ，d c 2 4 v 电源，集电极丌路输出， 记为：z s p 3 8 0 6 0 i g 一6 0 0 b z 2 4 d c 3 2 3 安装使用注意事项 ( 1 ) 光电轴角编码器属于高精度仪器，安装时严禁敲击和摔打碰撞，安装或使用 不当会影响编码器的性能和寿命。 ( 2 ) 编码器与外部联接应避免刚性联接，而应采用弹性联轴器、尼龙齿轮或同步 带联接传动。避免因用户轴的串动、跳动、造成编码器轴系和码盘的损坏。旋转编码 器与同轴相连时( 或与曳引机相连时) 一定要保证其同心度，应保证编码器轴与用户 输出轴的不同轴度 = 6a n ds h o u r = 9a n ds h o u r ( 1 l t h e n 问候语= 上午好! i fs n o u r = l la n ds h o u r ( 1 3t h e n 问候语= ”中午好! i fs h o u r = 1 3a n d $ h o u r 1 8t h e n 问候语= 下午好! i fs h o u r ) = 1 8a n ds h o u r ( 2 4t h e n 问候语= 。晚上好! ! e n a b l e e x it l o g o n ( 1 ) 通过以上程序能实现当组态工程运行时，随着不同的时间显示不同的问候语， 同时表示在退出系统时要进行权限检查，当权限不足时，会进行提示。为0 则退出时 不进行权限检查。 ( 2 ) 本电梯控制组态设计设备状态运行策略程序如下所示： i f ! g e t d e v i c e s t a t e ( 设备0 ) = lt h e n 设备状态= ”设备处于正常的工作状态 i f ! g e t d e v i c e s t a t e ( 设备0 ) = 2t h e n 设备状态= ”设备正在工作，但设备不正常 i f ! g e t d e v i c e s t a t e ( 设备0 ) ：3t h e n 设备状态= ”设备处于停止状态，且设备正 常 i f ! g e t d e v i c e s t a t e ( 设备0 ) = 4t h e n 设备状态：”设各处于停止状念，且设各有 错。 通过以上程序设计就能实现对设备( p l c ) t 作状态的判断，并能通过组态运行 显示相应设备的状态。 ( 3 ) 通过对电梯控制组态设计音响策略程序设计，能根据实际情况需要柬播放 南京理t 大学颂l 。学位论史实验电梯 孥制系统的设计j 研究 背景音乐，体现人性化设计。 5 3 7 组态检查与运行 在组念过程中，不可避免地会产生各种错误，错误的组念会导致各种无法预料的 结果，要保证组态生成的应用系统能够正确运行，必须保证组念结果准确无误。m c g s 提供了多种措施来检查组态结果的正确性，有随时检查、存盘检查和统一检查等功能。 因此，在设计时，要养成及时发现问题和解决问题的习惯，密切注意系统提示的错误 信息，以保证组态设计的正确。 在组态过程中，我们也应该随时进入运行环境，完成一部分、测试一部分，发现 错误及时修改，以保证整个组态工程的| i i 页利进行。当组态结果检查正确后，通过鼠标 单击工具条中的“进入运行环境”按钮e 翻或快捷键f 5 等，转入m c g s 运行环境， 通过试运行，进行综合性测试检查。 通过以上设计，完成了电梯控制的组，奈工程，并通过调试，验正了其设计的正确 性。关于如何实现其网络化控制的功能，我们在下一章作具体的分析说明。 南京理t 大学坝卜学位论文实验电梯挣制襄统的设计1 j 研究 6 实验电梯控制系统的网络化设计与调试 本章在上一章设计的基础上，主要利用p l c 通讯原理、m c g s 组态软件的网络通 讯功能以及局域网等设计，具体说明如何实现实验电梯控制系统的网络化通讯与监控 功能。 6 1 基于p c 的网络通讯设计 以个人计算机为主站( 上位机) 、多台同型号的p l c 为从站，可以组成简易集敞 控制系统网络，它既具有p l c 控制的优点，也具有计算机在数掘处理和监控方面的优 势。在这景通过组态设计与p l c 通讯原理，能实现计算机与下面的多台p l c 建立通讯， 并能监控其运行。 6 1 1 通讯原理 本控制系统设计采用主从式通讯结构作为系统通讯主体，通讯线路工作方式采用 全双工通讯，上位机中的r s - 2 3 2 c 异步通讯接口经f x - 4 8 5 p c - i f 转换为r s - 4 8 5 接口 后与p l c 的通讯模块f x 一4 8 5 a d p 相连，形成系统通讯的物理通道。然后利用m c g s i - 控组叁软件实现对网络中的p l c 运行的组态通讯监控，从而实现通过教师端电脑( 主 站) 跟1 2 台p l c 主机( 从站) 进行直接通讯实验。其通讯框图如“；图6 1 1 所示。 4 8 5 a d p 0 号站 4 8 5 a d p l 号站 4 8 5 a d p 2 号站 。衄 4 8 5 a d p l l 号站 图6 1 11 ：n 通讯框图 关于通讯模块f x 一4 8 5 a d p 的通讯接线图如图6 1 2 所示。 请注意，这罩的站号就是可编程控制器提供的数字，是用束确定计算机在访问哪 一个可编程控制器。在f x 系列可编程控制器中，站号是通过特殊数据寄存器d 8 1 2 1 来设定的。其设定范围是从o o h 到o f h ，最多可以实现与1 6 台p l c 进行通讯。 在通讯控制中，可以用以f 的指令柬设定p l c 的站号与通讯格式。如：0 号站设 定，如图6 1 3 所示： 南京理t 夫学硕卜学位论文实验电梯 卒制系统的设计j 研究 r s 4 8 5 4 2 2 簟元 f x 2 n - 4 8 5 a d p f x 2 n - 4 8 5 a d p f x 2 n - 4 8 5 a d p s d b s d a s d a s d a s d b s d b r d b r d ar d a r d a r d br d b s g nr n 2 图6 i 2 1 ：n 通讯接线图 蹦6 1 3 站没定与通讯格式 在设计时需要注意： ( 1 ) 在设定站号时，不能为多个站设定相同的号码，如果有任何相同的号码， 则传送数据将会混乱并引起通讯的不正常。 ( 2 ) 站号不一定按数字顺序来设定，在指定范围内( 0 0 t t 到0 f h ) 可以自由设定。 例如，按随机的顺序或跳过一些数字都是可以的，但总站数不能超过1 6 ，一般情况， 1 6 台编号设定是从0 到1 5 ，我们是以1 2 台( 0 - 1 1 ) p l c 进行通讯调试的。 ( 3 ) 通讯格式决定于计算机链接和无协议