東北石油大學課 程 設 計課 程 控制系統綜合實驗 題 目 電梯控制系統設計 院 系 電氣信息工程學院 專業班級 學生姓名 學生學號 指導教師 2015年 8 月 7日東北石油大學課程設計任務書課程 控制系統綜合實驗 題目 電梯控制系統設計 專業 自動化 姓名 李陽 學號 130601140129 主要內容：1、 熟練掌握Realinfo應用；2、 掌握組態軟件的點組態，硬件組態，報表設計格式和歷史數據分析等功能；3、 理解控制系統組態的基本思想。基本要求：（1）根據實驗室所提供的紫金橋組態軟件和設備，設計并描繪聯合站控制系統。最后運用Realinfo軟件模擬出聯合站流程。（2）設計聯合站控制系統的原理圖。（3）在整個課程設計中，要學會用紫金橋設計軟件的使用方法與特點。參考資料：1張文明，劉志軍.組態軟件控制技術M.北方交通大學出版社，2006.8.2龔運新，方立有.工業組態軟件使用技術M.清華大學出版社，2005.3劉志峰，張軍.工控組態軟件實例教程M.電子工業出版社，2008.24薛迎成，何堅強.工控機及組態控制技術原理與應用M.中國電力出版社，2007.25龍志文.工控組態軟件M.重慶大學出版社，2005.106張運剛，宋小春.工控組態技術與應用M.人民郵電出版社，2008.5完成期限 2015.7.272015.8.7 指導教師 專業負責人 2015年 7 月 2 日目 錄第1章 電梯控制系統工藝分析11.1系統工藝流程11.2控制系統組成2第2章 電梯控制系統設計32.1 電梯控制系統儀表的選擇32.2 電梯控制系統傳感器的選型42.3 電梯控制系統方案分析5第3章 基于紫金橋的電梯控制系統監控程序設計83.1 控制系統的流程83.2 趨勢界面93.3 儀表界面10第4章 體會與總結12參考文獻13第1章 電梯控制系統工藝分析1.1系統工藝流程電梯是垂直方向的運輸設備，是高層建筑中不可缺少的交通運輸設備。它靠電力，拖動一個可以載人或物的轎廂，在建筑的井道內導軌上做垂直升降運動，在人們生活中起著舉足輕重的作用。具體設計要求為根據實驗室所提供的紫金橋組態軟件和設備，設計并描繪聯合站控制系統。最后運用Realinfo軟件模擬出聯合站流程。采用一只電機來控制電梯的運動方向。采用傳感器檢測樓層及裝載物的重量，通過語音芯片實現報警。另外還需用到鍵盤及顯示。總流程圖如圖1-1圖1-1 總流程圖1.2控制系統組成該系統主要由PLC，邏輯控制電路，包括交流異步電動機，繼電器，接觸器，行程開關，按鈕，發光指示器，變頻器組成的一體控制系統。電梯控制系統硬件由轎廂操縱盤、廳門信號、PLC、變頻器、調速系統構成，變頻器只完成調速功能，而邏輯控制部分是由PLC完成的。PLC負責處理各種信號的邏輯關系，從而向變頻器發出起停信號，同時變頻器也將本身的工作狀態輸送給PLC，形成雙向聯絡關系。系統還配置了與電動機同軸連接旋轉編碼器及PG卡，完成速度檢測及反饋，形成速度閉環和位置閉環。此外系統還必須配置制動電阻，當電梯減速運行時，電動機處于再生發電狀態，向變頻器回饋電能，抑制直流電壓升高。隨著社會的不斷發展，樓房越來越高，而電梯則成了高層樓房的必須設備。電梯從手柄開關操縱電梯、按鈕控制電梯發展到了現在的群控電梯，為高層運輸做出了不可磨滅的貢獻。 單片機在電梯升降控制上的應用主要體現在它的邏輯開關控制功能。由于單片機具有邏輯運算，計數和定時以及數據輸入輸出的功能，在電梯升降過程中，各種邏輯開關控制與單片機很好的結合，很好的實現了對升降的控制。而電梯系統可分為以下幾類：1、轎內手柄開關控制的電梯電氣控制系統。2、轎內按鈕開關控制的電梯電氣控制系統。3、轎外按鈕開關控制的電梯電氣控制系統。4、轎內外按鈕開關控制的電梯電氣控制系統。5、信號控制的電梯電氣控制系統。6、集選控制的電梯電氣控制系統。7、兩臺并聯控制的電梯電氣控制系統。8、群控電梯電氣控制系統。電梯的功能分類為：1、載貨電梯的電氣控制系統。2、雜物電梯的電氣控制系統。3、乘客電梯、住宅電梯、病床電梯的電氣控制系統。第2章 電梯控制系統設計2.1 電梯控制系統儀表的選擇系統各模塊的最終方案如下：控制器：采用兩片單片機AT89C52組成的雙CPU控制系統；電機：采用一只四相八拍步進電機；電機驅動：采用一片GAL16V8和一片L298；樓層檢測：采用一個霍爾傳感器；語音模塊：采用一片ISD2560；鍵盤：采用7279智能顯示驅動芯片；顯示：采用數碼管和液晶顯示屏（LCD）結合顯示；圖2-1 儀表的選擇圖2-2 按鈕的選擇2.2 電梯控制系統傳感器的選型在本設計中，需要用到傳感器的有兩個部分，即樓層檢測及稱重模塊。傳感器檢測主要有如下幾種方案。（1）樓層檢測部分方案一：采用光電傳感器。在電梯模型的每一平層位置貼上黑膠帶，在電梯橋箱模型上放置光電傳感器，并保證當電梯到達平層位置時光電傳感器能檢測到黑線。其原理方框圖如圖1-2-6所示。光電傳感器檢測進來輸出的是一個電壓信號，需要經過一個過壓比較器轉換為開關信號，在送到單片機。所以其電路相對而言比較復雜，而且平層誤差較大。 圖2-3 光電傳感器檢測樓層方框圖方案二：采用霍爾傳感器。霍爾傳感器輸出的是一個開關信號，所以它的電路非常簡單，不需要任何外圍器件，可以將其檢測的信號直接送給單片機。經過多次試驗，其平層誤差較小，實現起來比較方便。基于以上考慮，在本設計中產用方案二。（2）稱重模塊在該模塊中因為要求橋箱模型能夠加載0500g的重物，所以在此選用量程為1kg的稱重傳感器。（3）語音部分方案的選擇與論證方案一：采用蜂鳴器實現語音報警部分。其電路非常簡單，但其發出的聲音非常單調，實現起來并不是很理想。方案二：采用語音芯片ISD2560，它具有抗斷電、音質好，使用方便，無須專用的開發系統等優點。錄音時間為60 s，能重復錄放達10萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，省去了A/D、D/A轉換器。每個采樣值直接存儲在片內單個EEPROM單元中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”，該器件的采樣頻率為8.0KHz。綜上所述，為了能夠更好的再現真實、自然的語音，所以在此選用方案二。圖2-4傳感器選擇2.3 電梯控制系統方案分析方案一：采用FPGA（現場可編程門列陣）作為系統的控制器。具體的電路方框圖如圖2-5所示。由于FPGA將所有器件集成在一塊芯片上，所以外圍電路較少，控制板的體積小，穩定性高，擴展性能好；而且FPGA采用并行的輸入輸出方式，系統處理速度快，再加上FPGA有方便的開發環境和豐富的開發工具等資源可利用，易于調試；但是FPGA的成本偏高，而且由于本設計對輸出處理的速度要求不高，所以FPGA高速處理的優勢得不到充分體現。方案二：采用單片機AT89C52作為系統的控制器。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來實現各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術熟練和成本低等優點，使其在各個領域應用廣泛。基于以上分析，采用方案二。其單片機控制系統的方框圖如圖2-6所示。 圖2-5 以FPGA為核心的控制系統方框圖 圖 2-6以單片機為核心的控制系統方框圖驅動電機的選擇與論證方案一：采用直流電機作為執行元件。直流電動機具有優良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊運行要求。直流電機一般采用H型全橋驅動電路。用單片機產生PWM調速信號控制達林頓管，使之工作在占空比可調的開關狀態。直流電機工作在開環狀態時，電路相對簡單，但其定位性能比較差。直流電機工作在閉環狀態時，其定位性能精確，但是相對于開環狀態又要增加很多檢測器件，使用的元件多，電路非常復雜。方案二：采用步進電機作為執行單元。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。因此，步進電機具有快速啟停能力，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態轉距值，就能立即使步進電機啟動或反轉，而且步進電機的轉換精度高，驅動電路簡單，非常適合定位控制系統。基于以上分析，采用步進電機作為系統的傳動裝置。步進電機驅動電路的選擇與論證步進電機驅動是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，即控制系統每發一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。關于步進電機的驅動有以下幾種方案。方案一：采用與步進電機相匹配的成品驅動裝置。使用該方法實現步進電機驅動，其優點是工作可靠，節省制作和調試的時間，但成本很高。其原理方框圖如圖2-7所示。圖2-7 采用成品驅動器的原理方框圖方案二：采用互補硅功率達林頓晶體管TIP142T實現步進電機的驅動，采用該方法實現步進電機驅動，電路連接比較簡單，工作相對也比較可靠，成本低廉，技術成熟。此外，為提高電路的抗干擾能力，驅動電路與單片機接口可通過光耦元件連接。該方法的原理方框圖如圖2-8所示。其優點是直接利用電壓控制，反應延遲短，穩定性好，由于工作在飽和狀態，因此效率很高。不足之處是由于使用分立元件，安裝調試和維護相對麻煩，控制不當時MOS管容易燒毀，且管子參數不一致，導致驅動電流的不對稱性，影響了控制精度。2-8采用TIP142T實現步進電機驅動的原理方框圖方案三：采用可編程器件GAL16V8和集成電機驅動芯片L298。通過可編程器件GAL實現脈沖分配。GAL可采用ABEL語言按照給定的通電換相順序實現脈沖分配，并向驅動電路發出控制脈沖。該方案的一個顯著特點就是采用軟硬件結合的方法，大大減輕了CPU的負擔，只有向GAL發出兩個控制信號就可實現對電機的控制。另一個特點就是電路簡單，除了保護電路之外不需外加任何元件，只需兩片芯片即可。除此之外其驅動電流比較大。其實現的原理方框圖如圖2-9所示。 圖2-9 采用GAL16V8和L298共同組成的電機驅動電路原理方框圖基于以上分析，考慮到要驅動的電機瞬時電流較大以及電路的復雜程度，在此采用方案三實現電機驅動。第3章 基于紫金橋的電梯控制系統監控程序設計3.1 控制系統的流程紫金橋軟件仿真在各種領域中都被廣泛使用。在為武器系統研制作戰訓練和工業過程服務的同時，紫金橋軟件仿真技術的應用正不斷向交通、教育、通訊、社會、經濟、娛樂等多個領域擴展。近年來，國內研制了能夠表述交通流特征和交通流質量的交通紫金橋仿真軟件平臺，可以對交通規劃、交通控制設計、交通工程建設方案等進行預評估。電梯流程圖如圖3-1所示。圖3-1 控制系統流程圖系統主要功能：通過紫金橋軟件平臺把各個子系統有機集成，系統主要完成下列功能：管理各子系統：可以在弱電、視頻等系統中無縫切換，各個系統實現聯動。如火警信息可以和電梯、空調、大廈廣播等系統聯動。流程圖顯示功能：以動畫形式顯示各設備的運行情況，如空調機組、停車場車位、電梯運行狀態等。根據用戶要求設計個性化界面，可以直觀、方便地對大廈內各子系統實施監視、控制和管理。場景逼真、鼠標控制、操作簡單。實時、歷史數據管理功能：采集各子系統的實時數據，進行數據的顯示、存儲;對所有的歷史數據/實時數據可以靈活查詢、統計、輸出及打印，可按設備、樓層、功能等進行分類記錄和存儲，同時也可以按時間區間、設備類別、樓層、功能進行分類統計和打印。報警管理：紫金橋軟件支持各類報警系統，包括限值報警、偏差報警等，而且支持不同的優先級別。報警可以以聲音、動畫、打印、郵件、短信等多種方式警示相關人員，以便進行相應的操作。趨勢分析：根據實時歷史數據庫，可以對用電量、空調機組運行情況等進行分析，以形成最優控制方案，達到節能目的。3.2 趨勢界面 選擇工程瀏覽器中的數據庫，雙擊點組態進行點組態如圖3-2。圖3-2點組態畫面電梯控制系統框圖如圖3-3所示圖3-3控制系統框圖電梯拖動與控制系統：電梯的拖動控制系統經歷了從簡單到復雜的過程。用于電梯的拖動系統主要有：單、雙速交流電動機拖動系統，交流電動機定子調壓調速拖動系統，直流發電機一電動機可控硅勵磁拖動系統，可控硅直接供電拖動系統，VVVF變頻變壓調速拖動系統。1.液壓驅動式以電機驅動，將高壓油灌入油缸，驅動活動塞以 驅動橋廂。速度慢，通常用于 20 米以下的建筑物。2. 電機減速齒輪驅動式以交、直流電機經減速齒輪及牽引機牽引鋼索以驅動橋廂，多用于中低速梯。3. 電機直接驅動式又稱 Gearless 型，以較大型多極電機直接帶動牽引機，使用于高速梯，電控系統較為復雜。4. 線性電機驅動式以感應式或同步式線性電機驅動，電機置于升降道壁，動部( 相當于轉部 )置于橋廂外殼，不必使用鋼索，直接驅動橋廂。不受建物高低限制，但耗電量高，尚在開發試用階段。5. 無機房驅動式將牽引電機直接裝置于橋廂頂部或底部，牽引環繞鋼索以驅動橋廂，使用于小型橋廂，用于個人電梯，可省去傳統型的機房。3.3 儀表界面表3-1測試所用儀器設備常用的機種如下：手柄開關定向，井道分層轉換開關定向 ，井道永磁開關與繼電器組成的邏輯電路定向 ，機械選層器定向，雙穩態磁開關和電子數字電路定向，電子脈沖式選層裝置定。電梯的定向，選層線路 ：電梯的方向控制就是根據電梯轎廂內乘客的目的層站指令和各層樓召喚信號與電梯所處層樓位置信號進行比較，凡是在電梯位置信號上方的轎廂內指令和層站召喚信號，令電梯定上行，反之定下行。方向控制環節必須注意以下幾點：轎內召喚指令優先于各層樓召喚指令而定向。 電梯要保持最遠層樓乘客召喚信號的方向運行，在司機操縱時，當電梯尚未啟動運行的情況下，應讓司機有強行改變電梯運行方向的可能性，在檢修狀態下，電梯的方向控制由檢修人員直接持續(注意點動檢修)撳按轎內操縱箱上或轎廂頂上的方向按鈕，電梯才能運行，而當松開方向按鈕，電梯即停止。樓層顯示線路：乘客電梯轎廂內必定有樓層顯示器，而層站上的樓層顯示器則由電梯生產廠商視情況而定。過去的電梯每層都有顯示，隨著電梯速度的提高，群控調度系統的完善，很多電梯取消了層站樓層顯示器，或者只保留基站樓層顯示，到達召喚站時采用聲光預報板，如電梯將要到達，報站鐘發出聲音，方向燈閃動或指示電梯的運行方向，有的采用轎內語音報站，提醒乘客。第4章 體會與總結通過這次課程設計，讓我更加深刻了解課本知識，和以往對知識的疏忽得以補充，在設計過程中遇到一些模糊的公式和專業用語，比如說經濟刮板運輸機及皮帶運輸的選擇，在選擇選擇刮板皮帶運輸選型時,在使用手冊時，有的數據很難查出，但是這些問題經過這次設計，都一一得以解決，我相信這本書中還有很多我為搞清楚的問題，但是這次的課程設計給我相當的基礎知識，為我以后工作打下了嚴實的基礎。使我的綜合能力有了一個很大的提高。通過為期一周的課程設計，我深刻體會到了自己知識的匱乏。我深深的感覺到自己知識的不足，自己原來所學的東西只是一個表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現實中還存在有很多問題。真正的能將自己的所學知識轉化為實際所用才是最大的收獲，也就是說真正的能夠做到學為所用才是更主要的。設計一個很簡單的紫金橋，所要考慮的問題，要比考試的時候考慮的多的多。在設計過程中培養了我在實踐中研究問題，分析問題和解決問題的能力以及培養了良好的工程素質和科學道德，例如團隊精神、交流能力、獨立思考、測試前沿