无齿同步曳引电梯的监控系统设计毕业论文.docx

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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6.52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

Abstract

Withtheincreaseinurbanpopulationandpeople'smaterialandculturalimprovementoflivingstandards,thenumberofhigh-risebuildingsrapidincreasesothattheuseofelevatorsalsowillbeincreaseddramatically.Tomeettheneedsofelevatortechnologyofexperimentalteaching,thesix-storyelevatormodelhasbeendesigned.

ElevatorMonitorSystemisalsoahotspotofelevatortechnique,whichisastrongconcentratedmanagementmeansforthosepeoplewhomaintainanduseelevator.Wecangettheelevatordailyrunningrecordandinformationthroughmonitoritsrunningconditionbythistechniquethatcanhelppeopleknowtheelevatorfailureinadvancethenmakejudgmentandtakeactionaccordingly,whichbenefittoelevatormanagement.Therefore,thispaperdesignedtheelevatormonitoringsystembasedonthemodelofelevator.

Basedontheanalysisofdraggingsystemandcontrolsystem,anadvancedgearlessdriveandreliablePLCcontrolareuesdinthispaper.Nowadays，theresearchonlowspeedandhigh-torquepermanentmagneticsynchronousmachineWhichusingingearlesselevatoraregettingmoreandmoreattentioninthefleldsofmotors，andhasgreatsciencesignificanceandapplicationvalue.However，thestudyofthiskindofmotorinourcountryjuststarts.Inactualengineeringdesigninourcountry,PLCispopularappliedinvirtueofitsadvantagesuchashigh-reliability,excellentanti-jammingability,strongfunction,wonderfulexpansibilityandlowcostetc.

Whenweusethehardwaretoconstructthecontrolsystem,thisarticanalyzesandcomparesthehardwarerealizationwayandthecharacteristicofmaincompositionlinkofcontrolsystem,thusitcompleteshardwareshapinganddesigningoftheentirecontrolsystem.Intheusingofelevator,safetyisthemostimportanttopic,manyprotectionsaboutelevatoraredesignedcarefully.

Thecontrolsystemsoftwaredesignofthisarticlehastwoparts:

oneisthelowerpositionmachinePLCsoftwaredesign,itincludes10parts.Theprogrammeofdecelerationpointandprotectionhasdesignedcarefully.Theotheristhetopmachineconfigurationsoftwaredesign:

itcompletesthedatacollectionandthemonitoringsoftwaredesignusingKingViewSoftware6.52andthemakingofvariousanimationpictures.Configurationsoftwarescreenisrunningwell.

KeyWords:

elevatormodel;PLC;configurationsoftware;Monitor

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

2.1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。

2.1.1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。

2.1.2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n=no（1-S）=60f1（1-S）/p，当转差率S变化不大且S<<1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。

2.1.3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

2.2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。

2.2.1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。

2.3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。

3.1主要器件的选择

3.1.1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：

（3-1）

上式中平衡系数（或称对重系数）

（3-2）

—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Kp=0.4-0.5；

—系数K=1.1-1.6；

—电梯额定梯速1.75m/s

η—电梯传动系统的效率，查《电梯控制技术》中的表3-4可以知道，对于无齿曳引且轿厢曳引方式为1：

1绕法的电梯传动系统而言，η=0.85。

电梯的额定（轿厢）速度设计成电梯的1.75m/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3-1可得：

（3-3）

2、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TDW-450型号的电机。

该种电机为三相电动机，电压380V，频率33.4Hz，电流27.2A，功率11.7KW，转速167r/min，额定转矩670N·m。

3.1.2PLC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0.08μs。

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3N―2（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3N―2，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PLC（40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FX2N-80MR型号的PLC。

3.1.3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0.01--0.02%,使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。

VS-616G5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