四层电梯实验控制及监控系统的设计.docx
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四层电梯实验控制及监控系统的设计
一绪论
1.1课题的意义
目前国内高校在PLC课程教学中普遍面临问题是教学设备落后，PLC课程是一门实践性很强的专业课程，课程的开设有三分之一到二分之一的课时是实验课，但在实验室做该课程的实验又有其局限性，一般的PLC实验台，配备的是一台PLC基本单元，若干实验挂件，要实现的控制不但受挂件的限制，还受基本单元的功能的限制，如何在有限的实验条件下，让学生把握好PLC的应用，是摆在我们面前的课题。
此次的设计的目的是研制一台可供学生自主设计、开发有关电梯PLC控制方面试验的四层电梯PLC控制试验装置，且能对实验运行进行监测。
既可以检查实验设计的正确性，又具有仿真效果使其更贴近工程实际，增加学生进行课外科技研究的兴趣。
可编程控制器（PLC）是机电类专业的一门实践性很强的专业课，日益受到人们的重视。
四层电梯实验控制及监控系统的设计和研制，使学生对PLC在工程实际中的应用有了更好的理解，并能将学生平时所学的理论更好的联系实际，大大提高了学生学习的主动性。
同时它的设计和研制对实验室建设、实验手段的进一步完善、突出实践性教学环节，特别是体现机与电结合的特色和培养高素质的工程人才，具有重要的现实意义。
1.2电梯控制系统的发展趋势与国内外研究现状
目前，国内所用的电梯，有一半以上采用陈旧的继电器控制方式。
传统的电梯自动控制系统有继电器——接触器控制逻辑组成，由于继电器、接触器是有触点的电气元件，体积庞大，使用寿命有限，弧光放电严重，导致整个控制系统存在故障多、可靠性低、工作寿命短等缺陷。
可编程控制器（PLC）是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
PLC是微机技术为核心，综合了计算机、自动化和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
它既有传统继电器接触工致的优点，又有功能齐全，灵活性，通用性强的特点，以及功能强大、可靠性高、编程简单、使用方便以及体积小、功耗低等突出的优越性，并在很大范围内代替了继电器接触控制，使用PLC进行电梯的电气控制是必然的趋势。
因此，进行此次设计——基于PLC的电梯控制系统设计。
具有非常重要的实际意义。
电梯控制系统是根据外部信号以及自身控制规律运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交换式的控制系统，单纯用顺序控制或一般逻辑控制都不能满足控制要求，而是采用随机的逻辑方式控制的。
由于可编程控制器（PLC）具有编程软件采用易学易懂的梯形图语言、控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点。
所以国内外许多电梯制造商正在推广应用PLC控制方案。
基于PLC的电梯控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，从长远角度看，PLC控制系统维护成本低。
另外PLC也正向微型化，网络化和开放性方向发展。
由此可见以PLC控制技术为基础的控制系统是目前及未来一段时间电梯设计的主流。
同时随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术迅速发展。
电动机交流变频调速技术是当今节电、提高产品质量、改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
电梯的变速拖动方式己由直流调速逐渐过渡到交流变频调速。
交流变频调速是通过调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率来调速的。
它通过电压、电流、速度信号反馈，采用矢量控制技术对交流电动机进行精确调节，使运行效率大大提高，运行性能更加完善。
变频调速电梯以其优越的调速性能、显著的节能效果，能够为乘客提供一个快速、平层准确、运行安全、乘坐舒适、噪音低的乘坐环境。
因此，目前交流变频调速已经取代其他调速方式，成为电梯拖动控制的主流方式
当电梯在运行中突然出现故障时，物管人员与电梯维修人员不能及时发现，给被关在电梯里的乘客的身心健康造成很大的影响。
电梯困人故障一直困扰着物管公司与电梯维修公司。
由于物管公司与电梯维修公司对管辖的电梯的实时信息了解不多，不利于设备的维护与保养，并且影响电梯的运行寿命。
电梯监控是一种较新的服务概念，它为电梯维修保养单位和电梯使用单位对电梯的管理提供了一种强有力的手段。
电梯监控系统对采集到的电梯数据进行处理，可以提供电梯运行状态（使用频率、故障次数及故障类型）的统计与分析，实现故障的早期预告、故障诊断及处理。
1.3设计的主要工作
设计的主要工作是设计一台四层电梯试验控制装置及监控系统，包括（电梯模型的机械结构设计，电梯PLC控制部分的设计和电梯监控系统的设计）
二电梯模型机械部分设计
2.1电梯结构及驱动方式的选择
根据电梯使用的不同要求，电梯的驱动可采用曳引驱动，液压驱动，卷筒驱动，及齿轮齿条，螺杆驱动等方式。
2.1.1拽引驱动
曳引驱动是采用曳引轮作为驱动部件。
钢丝绳悬挂在曳引轮上，一端悬吊轿箱，另一端悬吊对重装置，由钢丝绳和曳引轮之间的摩擦产生曳引力驱动轿厢作上下运行。
2.1.2卷筒驱动
早期电梯的驱动，除了液压驱动之外都是卷筒驱动。
这种卷筒驱动常用两组悬挂的钢丝绳，每组钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端与轿箱或对重相连。
一组钢线绳按顺时针方向绕在卷筒上，而另一组钢丝绳按反时针方向绕在卷筒上。
因此，当一组钢丝绳绕出卷筒时，另一组钢丝绳绕入卷筒。
卷筒驱动电梯主要有以下几方面的问题：
1.提升高度低
2.额定载重低
3.电梯行程不同，必须配用不同的卷筒
4.导轨承受的侧向力大
5.钢丝绳有过绕和反绕的危险
6.能耗大
2.1.3其他驱动方式
1.液压驱动
液压电梯是通过液压动力源，把油压入油缸使柱塞作直线运动，直接或通过钢丝绳间接地使轿厢运动的电梯。
2.螺杆式驱动
将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有推力轴承的大螺母安装于油缸顶，然后通过电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，从而使螺杆顶升轿厢上升或下降的电梯。
3.齿轮齿条式驱动
将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮旋转使轿厢升降的电梯。
这种驱动型式主要用于建筑施工电梯上。
4.直线电机驱动
直线电机驱动的电梯，其动力源是直线电机，1990年4月第一台使用直线电机驱动的电梯在日本使用。
直线电机用于电梯是电梯驱动的重大改革，它与传统的驱动方式相比，具有结构简单，占用空间少，节能，可靠性高等特点。
因为是电梯试验模型所以电梯采用常见的拽引式结构驱动。
并选用TDY永磁同步低速电动机。
外形尺寸如下图：
其基本参数如下：
型号：
55TDY
额定电压：
220V
转速：
60R/MIN
最大转矩：
440mN.m
额定转矩：
350mN.m
启动转矩：
220mN.m
重量：
0.7Kg
2.2电梯模型外观的设计
电梯模型由PLC、铝合金立柱、透明有机玻璃板、印刷电路面板等组成，整个模型安置在一个的底板上，电梯部分固定在底板的左端，PLC固定在底板的中部，监控的触摸屏放置在最右端，电梯与PLC通过排线连接，模型的总高度约为65cm。
为了更好地展现电梯内部结构和电梯的运行状况，除了正面是印刷电路板，其它几个面均采用透明的有机玻璃板制成，使得电梯的内部结构一目了然;电梯模型具备了实际电梯的基本功能，可以把此模型看作是小型化了的真实电梯。
由于电梯尺寸较小，各电子元器件之间采用传统的导线连接方式是比较困难的、而且容易出差错，所以采用印刷电路板取代传统导线连接方式，也就是，模型的正面使用了一整块印刷电路板，轿厢的正面也使用了一整块印刷电路板，两块印刷电路板之间的信号通过排线连接，所有的呼梯按键以及指示灯均焊接在电路板上，这样不但解决了模型的电气连接问题，而且提高了模型的可靠性，模型也显得较为整洁美观。
2.3电梯模型主要机械零件的选择和设计
2.3.1电梯井道的设计
电梯的井道采用四根铝合金立柱构成，铝合金的截面为20mm×20mm正方形，高为650mm。
采用了内六角紧固螺钉竖直的固定在底板上。
2.3.2轿厢的设计
轿厢设计为110mm×95mm×80mm铁盒。
其具体形状如下图：
2.3.3滑轮组件选用
滑轮组采用下图结构：
滑轮直径为48mm，由铝合金铸成。
滑轮架为高61mm，长30mm，宽15mm材质也是铝合金。
固定轿厢和滑轮架所用的螺栓为GB
2.3.4其他一些结构的选择
对于卷筒的设计，根据电梯的运行距离计算得到的。
电梯总高65mm加上滑轮组和轿厢的高度电梯从一楼运行到四楼的总距离为40cm左右。
所以卷筒要卷吊绳的长度为80cm，现定卷筒的直径为3cm，计算出卷筒的长度为36mm加上吊绳槽之间的间距和边缘长度则卷筒的实际长度为52mm。
机构如下图：
电梯的外壳除正面印刷电路板外其他三面均选用有机玻璃，用内六角紧固螺钉固与四根立柱上。
螺钉选择GB
由于是电梯模型的设计吊绳的承重比较轻，所以选用了直径为4mm的涤纶绞制绳，其极限拉力为0.25T,使用拉力为0.05T。
2.3.5对以上零部件进行校核
1.吊绳的强度校核：
在设计中吊绳所承受的重量为K.
K=（轿厢的重量+滑轮组的重量+连接螺栓的重量）/2
轿厢的重量=（5mm×110mm×80mm+95mm×80mm×3mm×4）×7.8×
kg/
≈1.06kg
滑轮组的重量=（15mm×61mm×5mm×2+30mm×15mm×5mm+3.14×2.5mm×2.5mm×50mm+×3.14×24mm×24mm×16mm）×2.7×
kg/
≈0.1126kg
连接螺栓的重量=2.5mm×2.5mm×3.14×25mm×7.8×
kg/
≈0.004kg
K=1.1766/2=0.5883kg
所选吊绳的使用拉力为0.05T大于0.5883kg故吊绳安全。
2.电动起启动转矩的校核：
有1吊绳所承受的重量为0.5883kg，则可得卷筒所受的力为：
0.5883kg×10N/kg≈5.9N
换算到电机上的转矩为：
5.9N×0.015m=0.0885N.m=88.5mN.m
而所选的TDY永磁同步低速电动机的启动转矩为220mN.m大于88.5mN.m所以电动机可以满足改机构的启动转矩要求。
3.用同上的方法校核四根铝合金立柱的强度
四根立柱所承受的力主要是:
电动机组和其他辅助元件的重力约为20N,则每个立柱所要承受的重力为20N/4=5N
根据公式：
MP＜[
]
用上述的方法对滑轮组和其他的部件进行校核均符合要求。
具体装配见后附装配图。
三控制系统硬件设计
3.1控制系统硬件选型
这项工作在电梯设计中是非常重要的环节，如果选型得当，不仅可以保证电梯运行的质量，而且还可以提高电梯系统的运行性能。
硬件选型主要是PLC、变频器以及编码器的选型。
对与本模型的设计主要是PLC和接近开关的选型。
3.1.1PLC控制电梯的优点
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，是一种工业控制用的专用计算机
1.PLC控制电梯的优点
由于PLC中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是PLC的内存工作单
元，使用次数不受限制，因此，它比继电器控制有着明显的优越性，运行寿命更长，工作更加可靠安全，自动化水平更高。
PLC控制有其它设备无法比拟的优点:
1）可靠性高，抗干扰性能强
2）编程简单，当电梯功能、层数发生变化时，无需增减继电器和大量的电路;
3）功能完善，适应性强;
4）使用简单，调试维修方便;
5）体积小、重量轻、功耗低。
3.1.2电梯选层开关的选型
电梯运行过程中，如何检测轿厢所处的楼层位置，是电梯正常运行的首要问
题，是正确定向和选层换速的必要前提。
电梯PLC控制系统一般不使用机械选层器，目前使用的位置检测元件主要方法有以下两种:
1）干簧管磁感应器
这种检测方法直观、简单，由于每层需要一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。
2）旋转编码器
PLC有高速脉冲计数功能，计数准确，使用方便，因此在电梯PLC控制系统中，可以用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可以直接与PLC的高速脉冲输入端相连，并使用PLC内置的24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。
用旋转编码器检测轿厢位置精度高、误差小、安全可靠。
由于本设计是电梯模型设计，模型的整体体积太小所以每层尽安装一个接近开关用于选层。
本设计选用圆柱型接近传感器PR系列的PR（T）18-8DC传感器作为选层的接近开关。
其外形如下图：
基本参数为：
检测距离：
8mm±10%
标准检测物：
25mm×25mm×1mm（铁）
电源：
24VDC（15——30）VDC
应答频率：
200HZ
设定距离：
0—5.6mm
3.1.3PLC的选择
综合考虑性能价格比和可靠性后，本设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系列的
FX2N-48MRPLC输入点：
24，24继电器输出
三菱的FX2N系列具有以下几方面的优点:
1）其体积小，节省安装空间
2）其功能强，具有高速计数器，可作为定位控制的标准硬件使用;在指令方面，
编码、译码、数据转换、可逆计数等功能
3）采用整体式箱体结构，其价格便宜，可靠性高
3.2PLC的I/O点分配和控制回路的设计
电梯的PLC控制系统和其他类型的电梯控制系统一样，主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。
主要硬件包括PLC、机械系统、轿厢操纵厢、厅外呼梯、主拖动系统等。
系统控制核心为PLC，操纵厢、呼梯系统、井道及安全保护信号通过PLC输人接口送入PLC，经过PLC内部的逻辑运算后，向拖动系统和门机控制系统发出控制信号。
3.2.1PLC的I/O点的分配
所选用的PLC是三菱FX系列的FX2N-48MR。
其具体的输入输出点地址分配如下图：
3.2.2控制框图介绍
控制框图主要是介绍整合系统的控制过程,具体如下图所示：
电机的正反转和停止均用YTD202A多功能永磁低速同步电机控制器进行控制。
该控制器的功能和使用方法如下：
功能:
8种电机控制程序,9个控制参数设置,5个外线功能接口。
1.电机调速及正反转控制：
0-5V电压与数值两种方式控制三档速度设定;
2.左右位置纠偏/正反转控制：
0-5V电压与数值调速,单/双探头定位;
3.单次往复/正反转控制：
0-5V电压与数值调速,单/双探头定位;
4.循环往复/正反转控制：
0-5V电压与数值调速,双探头定位;
5.测速往复/设定长度控制：
状态输出/电压与数值调速/脉冲测速正反双向运行。
6.测距定长运行：
状态/电压与数值调速/正反双向运行;测距长度为设定长度的100%
7.设定长度单次进退/往复运行：
复位时测距停止运行；测距长度为设定长度的200%
8.单脉冲信号控制测距进退/往复运行：
电压与数值调速;测距长度为设定长度的200%。
主要技术指标:
1.额定电压与电流:
单相AC150-250V; 额定电流:
1.5A; 最大电流:
2A；
2.配套电机:
220V三相TDY全系列永磁低速同步电机（推荐使用）；
220V单相TDY全系列永磁低速同步电机 （不需外接移相电阻和电容）；
也可以用于220V三相300W以下永磁中高速同步电机的变频调速；
3.矢量模式正常速度控制:
速度0-100%,精度0.19（同步转速55r/min）或0.38度（110r/min）；
步进模式超高速度控制:
速度50-300%,精度0.57（转速55r/min）或1.15度（110r/min）；
4.安装尺寸：
面板60mm*155mm；安装开孔尺寸为45mm*140mm；嵌入深度120mm；安装螺丝孔直径4.5mm；安装螺丝孔位置为50mm×145mm;体积：
155mm（H）×60mm（W）×140（D）；
5.工作环境：
温度-30℃~60℃；
电机控制器程序指令表。
控制器正面如上图。
常用接口说明
接口8控制电源地GND；
接口7输出+12V电源,电流小于100ma；
接口6输出+5V电源,电流小于50ma；
接口5调速0-5V电平,输入阻抗>50k；
接口4.3.2.1均接有20k上拉电阻,断开时为5V高电平,功能见前页设置表；
接口1接地时或低电平,电机断电停转；
接口5.4.3.2.1输入接口耐压>60V；
调速控制有数值与外接0-5V电压设定两种方式（相对值大者控制）,控制器使用时请特别注意!
电机输出功率是凭据所接电机额定功率的百分比设置的.
正常速度应采用矢量驱动模式,高于正常速度时应采用步进驱动模式；
对换电机U/V/W接线中任意两根接线可改变旋转方向；
SET按钮设置9个电机运行参数:
操作参数将自动存储并显示最后一次操作；
C01:
选择步进电机运行控制程序（6选一）；
C02:
步进电机驱动器控制方式（1c为Cw/Dir单脉冲,2c为Cw/Ccw双脉冲）；
C03:
步进电机加减速度参数（1-100d,推荐值为10d）；
C04:
设置步进电机最高速度（0-100.0u,电机最高速度以每秒5周为好）；
C05:
设置步进电机最低速度（0-100.0u,推荐值为60-90u,正常工作数值尽可能
高）；
C06:
定长运行时设置运行起动方式（为电平下降延起动/为电平上升延起动）；
C07:
设置步进电机单步长度（0.0001mm-6.5000mm）；
C08:
数值调速时设置步进电机速度值（0-99.9u）；
Good:
控制器程序运行;电机停止时按Set键进入参数设置
UP增加按钮/DOWN减少按钮:
电机运行时数值调速数值不存储;电机停止时数值
速数值存储；
对于本设计参数设置:
c01=1A；c03=10；c04=95u； C05=50u；good进入工作程序；
驱动方式:
矢量驱动.
具体的连线见后附接线图。
四电梯控制系统的软件设计
在编写电梯控制系统软件之前，首先要制订PLC的I/O点和内部继电器的分配方案，并做好系统的需求分析。
本设计将软件的编写分为以下几个主要模块:
1）召梯信号的登记和响应
2）电梯的减速与停车
3）电梯的定向
4）电梯的楼层停控制
这几个程序模块组成了电梯的运行程序的主框架。
4.1召梯信号的登记和响应程序的设计
以“一楼上呼信号（输入点X10）”为例。
当X10有信号输入，线圈Y10接通并自锁，从而记忆住此呼梯信号，并使“一楼上呼指示灯”亮，直到响应结束。
具体的梯形图如下：
这样一楼上呼叫信号就被登记。
“一楼上呼信号X10”的响应处理。
当轿厢到达一层时，一楼接近开关动作，使X4接通，进一步使得M110动作并自锁，导致上图中Y10断开， “一楼上呼指示灯”灭，即“一楼上呼信号”被响应。
通过一个定时器（T20）实现楼层指示灯亮5s，而M310给电机一个满速信号使电机变为慢速，实现稳步停轿。
具体的梯形图如下所示：
这样一楼上呼叫的信号就被响应了。
以此方法类推可以得到各个楼层呼叫信号的登记和响应。
4.2电梯的减速与停车
电梯在运行的过程中在遇到响应信号的时候应先减速缓慢的停车，减少速度冲击，使乘客感觉舒适。
（1）
（2）
（3）
在4.1中介绍的一楼上呼叫响应梯形图中可看到有M310和M410两个中间继电器，M310是用来实现电梯的减速和停车的。
上图
（1）表示当有楼层响应信号时让Y17有输出信号，Y17连接电机控制器使电动机转为慢速。
图（3）则表示在电机有慢速信号以后再运行1.5秒是轿厢平层，然后图
（2）Y18输出信号使电机停转。
M410是用来控制搂层停止和开关门的时间指示灯的。
由于本设计是实验模型，整体的体积较小机械结构中没有设计电梯门，所以用一个指示灯来亮5秒表示电梯门的开关。
M310是用来实现电梯的减速和停车。
具体的梯形图如下：
Y004的输出控制一楼的指示灯，M410和M416分别是电梯响应一楼上呼叫和电梯轿厢内呼叫时控制实现电梯开关门指示灯的中间继电器。
以此程序类推可等到各个楼层的控制程序。
4.3电梯上下行控制程序的设计
根据各呼梯信号的先后次序以及轿厢所在楼层位置，决定电梯的运行方向。
当电梯运行方向确定后，电梯在上升运行中，只响应大于等于当前楼层的内呼和上升外呼信号;在下降运行中，只响应小于等于当前楼层的内呼和下降外呼信号。
下图是电梯上升运行控制的梯形图，用辅助继电器M204、M205、M206和M207记忆轿厢所在的楼层位置，用Y13和M130记忆电梯正向和反向运行状态。
用相应的输出继电器记忆、指示相应的输入信号，例如，按下“二楼上呼信号”按键，即，输入端X11有输入，用输出继电器Y11记忆此输入信号，输出点Y11使相应的二极管发光，用来指示有“二楼上呼信号”。
当轿厢在一楼位置，M204通电，M205、M206和M207断电，此时轿厢外呼梯信号X16、X15、X14、X12、X11以及轿厢内呼梯信号X3、X2、X1都有可能产生上升运行状态;相似地，当轿厢在二楼位置，M205通电，M204、M206和M207断电，此时轿厢外呼梯信号X16、X15、X12以及轿厢内呼梯信号X3、X2都有可能产生上升运行状态;当轿厢在三楼位置，M206通电，M204、M205和M207断电，此时轿厢外呼梯信号X16以及轿厢内呼梯信号X3都有可能产生上升运行状态。
如下图所示，输出点Y均被自锁，所以一旦产生上升运行状态（Y13通电），那么只有当所有上楼呼梯信号被响应后，才能解除上升运行状态（Y13断电）。
电梯下降运行控制原理与上升运行控制类似。
完整程序见后附梯形图。
五电梯监控系统的设计
电梯在运行中的故障主要分为：
电梯的机械故障和电梯的电器故障。
对与电梯的监控思路，本设计主要利用PLC的自监控能力，用组态软件通过与PLC通讯实时检测PLC运行过程中内部继电器的状态来实现报警。
具体的程序如下：
当M131得电表示电机有正传或反转信号，M132表示电梯离开或到达某层当M132得电时表示轿厢已离开某层处于运行中，同时各个楼层的接近开关无信号则T31得电经过10秒M133得电实现报警。
同时M133使电机停机。
另外在电梯的顶部装了一个限位开关，防止电梯运行过程中出现失控现象。
当限位开关X13有信号，则M134得电，实现报警同时M134使电机停机。
对与电机方面，用在电机连线中加入一热继电器实现对电机的过载、缺相、欠压等保护。
5.1监控系统硬件的选型
现有的PLC监控形式大概有：
PC机上位监控、工控组态王监控、PLC及触摸屏监控等.
本设计用MD204L可编程文本显示器来是现监控功能。
MD204L是一个小型的人机界面，主要与各种PLC（或带通讯口的智能控制器）配合使用，以文字或指示灯形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态，从而使操作人员能够自如地控制机器设备。
5.1.1MD204L可编程文本显示编辑器有以下特点
1.通过编辑软件TP200在计算机上制作画面，自由输入汉字及设定PLC地址，使用串口通讯下载画面。
2.通讯协议和画面数据一同下载到显示器，无须PLC编写通讯程序。
3.对应几种广泛，包括，西门子、三凌、欧姆龙、松下、施耐德、永宏、LG、台达、AB等主流PLC，包括ModbusRTU、自由通讯等通用协议、以及应用于KINCO伺服驱动的ECOSTEP协议。
4.具有密码保护功能
5.具有警报列表功能，逐行实时显示当前报警信息。
6.具有可选的具有时钟模块的型号，可以提供实时时钟。
7.20个按键可被定义成功能键，有数值输入小键盘，造作简单，可替代部分控制柜上机械按钮。
8.自由选择通讯方式，RS232/RS42
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