控制系统综合实验课程设计电梯控制系统设计.docx
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控制系统综合实验课程设计电梯控制系统设计
东北石油大学
课程设计
课程控制系统综合实验
题目电梯控制系统设计
院系电气信息工程学院
专业班级
学生姓名
学生学号
指导教师
2015年8月7日
东北石油大学课程设计任务书
课程控制系统综合实验
题目电梯控制系统设计
专业自动化姓名李阳学号130601140129
主要内容：
1、熟练掌握Realinfo应用；
2、掌握组态软件的点组态，硬件组态，报表设计格式和历史数据分析等功能；
3、理解控制系统组态的基本思想。
基本要求：
（1）根据实验室所提供的紫金桥组态软件和设备，设计并描绘联合站控制系统。
最后运用Realinfo软件模拟出联合站流程。
（2）设计联合站控制系统的原理图。
（3）在整个课程设计中，要学会用紫金桥设计软件的使用方法与特点。
参考资料：
[1]张文明，刘志军.组态软件控制技术[M].北方交通大学出版社，2006.8.
[2]龚运新，方立有.工业组态软件使用技术[M].清华大学出版社，2005.
[3]刘志峰，张军.工控组态软件实例教程[M].电子工业出版社，2008.2
[4]薛迎成，何坚强.工控机及组态控制技术原理与应用[M].中国电力出版社，2007.2
[5]龙志文.工控组态软件[M].重庆大学出版社，2005.10
[6]张运刚，宋小春.工控组态技术与应用[M].人民邮电出版社，2008.5
完成期限2015.7.27——2015.8.7
指导教师
专业负责人
2015年7月2日
第1章电梯控制系统工艺分析
1.1系统工艺流程
电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。
它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。
具体设计要求为根据实验室所提供的紫金桥组态软件和设备，设计并描绘联合站控制系统。
最后运用Realinfo软件模拟出联合站流程。
采用一只电机来控制电梯的运动方向。
采用传感器检测楼层及装载物的重量，通过语音芯片实现报警。
另外还需用到键盘及显示。
总流程图如图1-1
图1-1总流程图
1.2控制系统组成
该系统主要由PLC，逻辑控制电路，包括交流异步电动机，继电器，接触器，行程开关，按钮，发光指示器，变频器组成的一体控制系统。
电梯控制系统硬件由轿厢操纵盘、厅门信号、PLC、变频器、调速系统构成，变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由PLC完成的。
PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起停信号，同时变频器也将本身的工作状态输送给PLC，形成双向联络关系。
系统还配置了与电动机同轴连接旋转编码器及PG卡，完成速度检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环。
此外系统还必须配置制动电阻，当电梯减速运行时，电动机处于再生发电状态，向变频器回馈电能，抑制直流电压升高。
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯则成了高层楼房的必须设备。
电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。
单片机在电梯升降控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于单片机具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能，在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与单片机很好的结合，很好的实现了对升降的控制。
而电梯系统可分为以下几类：
1、轿内手柄开关控制的电梯电气控制系统。
2、轿内按钮开关控制的电梯电气控制系统。
3、轿外按钮开关控制的电梯电气控制系统。
4、轿内外按钮开关控制的电梯电气控制系统。
5、信号控制的电梯电气控制系统。
6、集选控制的电梯电气控制系统。
7、两台并联控制的电梯电气控制系统。
8、群控电梯电气控制系统。
电梯的功能分类为：
1、载货电梯的电气控制系统。
2、杂物电梯的电气控制系统。
3、乘客电梯、住宅电梯、病床电梯的电气控制系统。
第2章电梯控制系统设计
2.1电梯控制系统仪表的选择
系统各模块的最终方案如下：
控制器：
采用两片单片机AT89C52组成的双CPU控制系统；
电机：
采用一只四相八拍步进电机；
电机驱动：
采用一片GAL16V8和一片L298；
楼层检测：
采用一个霍尔传感器；
语音模块：
采用一片ISD2560；
键盘：
采用7279智能显示驱动芯片；
显示：
采用数码管和液晶显示屏（LCD）结合显示；
图2-1仪表的选择
图2-2按钮的选择
2.2电梯控制系统传感器的选型
在本设计中，需要用到传感器的有两个部分，即楼层检测及称重模块。
传感器检测主要有如下几种方案。
（1）楼层检测部分
方案一：
采用光电传感器。
在电梯模型的每一平层位置贴上黑胶带，在电梯桥箱模型上放置光电传感器，并保证当电梯到达平层位置时光电传感器能检测到黑线。
其原理方框图如图1-2-6所示。
光电传感器检测进来输出的是一个电压信号，需要经过一个过压比较器转换为开关信号，在送到单片机。
所以其电路相对而言比较复杂，而且平层误差较大。
图2-3光电传感器检测楼层方框图
方案二：
采用霍尔传感器。
霍尔传感器输出的是一个开关信号，所以它的电路非常简单，不需要任何外围器件，可以将其检测的信号直接送给单片机。
经过多次试验，其平层误差较小，实现起来比较方便。
基于以上考虑，在本设计中产用方案二。
（2）称重模块
在该模块中因为要求桥箱模型能够加载0～500g的重物，所以在此选用量程为1kg的称重传感器。
（3）语音部分方案的选择与论证
方案一：
采用蜂鸣器实现语音报警部分。
其电路非常简单，但其发出的声音非常单调，实现起来并不是很理想。
方案二：
采用语音芯片ISD2560，它具有抗断电、音质好，使用方便，无须专用的开发系统等优点。
录音时间为60s，能重复录放达10万次。
芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，省去了A/D、D/A转换器。
每个采样值直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”，该器件的采样频率为8.0KHz。
综上所述，为了能够更好的再现真实、自然的语音，所以在此选用方案二。
图2-4传感器选择
2.3电梯控制系统方案分析
方案一：
采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。
具体的电路方框图如图2-5所示。
由于FPGA将所有器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA的成本偏高，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。
方案二：
采用单片机AT89C52作为系统的控制器。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术熟练和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
基于以上分析，采用方案二。
其单片机控制系统的方框图如图2-6所示。
图2-5以FPGA为核心的控制系统方框图图2-6以单片机为核心的控制系统方框图
驱动电机的选择与论证
方案一：
采用直流电机作为执行元件。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
直流电机一般采用H型全桥驱动电路。
用单片机产生PWM调速信号控制达林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态。
直流电机工作在开环状态时，电路相对简单，但其定位性能比较差。
直流电机工作在闭环状态时，其定位性能精确，但是相对于开环状态又要增加很多检测器件，使用的元件多，电路非常复杂。
方案二：
采用步进电机作为执行单元。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
因此，步进电机具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转距值，就能立即使步进电机启动或反转，而且步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常适合定位控制系统。
基于以上分析，采用步进电机作为系统的传动装置。
步进电机驱动电路的选择与论证
步进电机驱动是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，即控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。
关于步进电机的驱动有以下几种方案。
方案一：
采用与步进电机相匹配的成品驱动装置。
使用该方法实现步进电机驱动，其优点是工作可靠，节省制作和调试的时间，但成本很高。
其原理方框图如图2-7所示。
图2-7采用成品驱动器的原理方框图
方案二：
采用互补硅功率达林顿晶体管TIP142T实现步进电机的驱动，采用该方法实现步进电机驱动，电路连接比较简单，工作相对也比较可靠，成本低廉，技术成熟。
此外，为提高电路的抗干扰能力，驱动电路与单片机接口可通过光耦元件连接。
该方法的原理方框图如图2-8所示。
其优点是直接利用电压控制，反应延迟短，稳定性好，由于工作在饱和状态，因此效率很高。
不足之处是由于使用分立元件，安装调试和维护相对麻烦，控制不当时MOS管容易烧毁，且管子参数不一致，导致驱动电流的不对称性，影响了控制精度。
2-8采用TIP142T实现步进电机驱动的原理方框图
方案三：
采用可编程器件GAL16V8和集成电机驱动芯片L298。
通过可编程器件GAL实现脉冲分配。
GAL可采用ABEL语言按照给定的通电换相顺序实现脉冲分配，并向驱动电路发出控制脉冲。
该方案的一个显著特点就是采用软硬件结合的方法，大大减轻了CPU的负担，只有向GAL发出两个控制信号就可实现对电机的控制。
另一个特点就是电路简单，除了保护电路之外不需外加任何元件，只需两片芯片即可。
除此之外其驱动电流比较大。
其实现的原理方框图如图2-9所示。
图2-9采用GAL16V8和L298共同组成的电机驱动电路原理方框图
基于以上分析，考虑到要驱动的电机瞬时电流较大以及电路的复杂程度，在此采用方案三实现电机驱动。
第3章基于紫金桥的电梯控制系统监控程序设计
3.1控制系统的流程
紫金桥软件仿真在各种领域中都被广泛使用。
在为武器系统研制作战训练和工业过程服务的同时，紫金桥软件仿真技术的应用正不断向交通、教育、通讯、社会、经济、娱乐等多个领域扩展。
近年来，国内研制了能够表述交通流特征和交通流质量的交通紫金桥仿真软件平台，可以对交通规划、交通控制设计、交通工程建设方案等进行预评估。
电梯流程图如图3-1所示。
图3-1控制系统流程图
系统主要功能：
通过紫金桥软件平台把各个子系统有机集成，系统主要完成下列功能：
管理各子系统：
可以在弱电、视频等系统中无缝切换，各个系统实现联动。
如火警信息可以和电梯、空调、大厦广播等系统联动。
流程图显示功能：
以动画形式显示各设备的运行情况，如空调机组、停车场车位、电梯运行状态等。
根据用户要求设计个性化界面，可以直观、方便地对大厦内各子系统实施监视、控制和管理。
场景逼真、鼠标控制、操作简单。
实时、历史数据管理功能：
采集各子系统的实时数据，进行数据的显示、存储;对所有的历史数据/实时数据可以灵活查询、统计、输出及打印，可按设备、楼层、功能等进行分类记录和存储，同时也可以按时间区间、设备类别、楼层、功能进行分类统计和打印。
报警管理：
紫金桥软件支持各类报警系统，包括限值报警、偏差报警等，而且支持不同的优先级别。
报警可以以声音、动画、打印、邮件、短信等多种方式警示相关人员，以便进行相应的操作。
趋势分析：
根据实时历史数据库，可以对用电量、空调机组运行情况等进行分析，以形成最优控制方案，达到节能目的。
3.2趋势界面
选择工程浏览器中的数据库，双击点组态进行点组态如图3-2。
图3-2点组态画面
电梯控制系统框图如图3-3所示
图3-3控制系统框图
电梯拖动与控制系统：
电梯的拖动控制系统经历了从简单到复杂的过程。
用于电梯的拖动系统主要有：
单、双速交流电动机拖动系统，交流电动机定子调压调速拖动系统，直流发电机一电动机可控硅励磁拖动系统，可控硅直接供电拖动系统，VVVF变频变压调速拖动系统。
1.液压驱动式
以电机驱动，将高压油灌入油缸，驱动活动塞以驱动桥厢。
速度慢，通常用于20米以下的建筑物。
2.电机减速齿轮驱动式
以交、直流电机经减速齿轮及牵引机牵引钢索以驱动桥厢，多用于中低速梯。
3.电机直接驱动式
又称Gearless型，以较大型多极电机直接带动牵引机，使用于高速梯，电控系统较为复杂。
4.线性电机驱动式
以感应式或同步式线性电机驱动，电机置于升降道壁，动部（相当于转部）置于桥厢外壳，不必使用钢索，直接驱动桥厢。
不受建物高低限制，但耗电量高，尚在开发试用阶段。
5.无机房驱动式
将牵引电机直接装置于桥厢顶部或底部，牵引环绕钢索以驱动桥厢，使用于小型桥厢，用于个人电梯，可省去传统型的机房。
3.3仪表界面
表3-1测试所用仪器设备
常用的机种如下：
手柄开关定向，井道分层转换开关定向，井道永磁开关与继电器组成的逻辑电路定向，机械选层器定向，双稳态磁开关和电子数字电路定向，电子脉冲式选层装置定。
电梯的定向，选层线路：
电梯的方向控制就是根据电梯轿厢内乘客的目的层站指令和各层楼召唤信号与电梯所处层楼位置信号进行比较，凡是在电梯位置信号上方的轿厢内指令和层站召唤信号，令电梯定上行，反之定下行。
方向控制环节必须注意以下几点：
轿内召唤指令优先于各层楼召唤指令而定向。
电梯要保持最远层楼乘客召唤信号的方向运行，在司机操纵时，当电梯尚未启动运行的情况下，应让司机有强行改变电梯运行方向的可能性，在检修状态下，电梯的方向控制由检修人员直接持续（注意点动检修）揿按轿内操纵箱上或轿厢顶上的方向按钮，电梯才能运行，而当松开方向按钮，电梯即停止。
楼层显示线路：
乘客电梯轿厢内必定有楼层显示器，而层站上的楼层显示器则由电梯生产厂商视情况而定。
过去的电梯每层都有显示，随着电梯速度的提高，群控调度系统的完善，很多电梯取消了层站楼层显示器，或者只保留基站楼层显示，到达召唤站时采用声光预报板，如电梯将要到达，报站钟发出声音，方向灯闪动或指示电梯的运行方向，有的采用轿内语音报站，提醒乘客。
第4章体会与总结
通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，在设计过程中遇到一些模糊的公式和专业用语，比如说经济刮板运输机及皮带运输的选择，在选择选择刮板皮带运输选型时,在使用手册时，有的数据很难查出，但是这些问题经过这次设计，都一一得以解决，我相信这本书中还有很多我为搞清楚的问题，但是这次的课程设计给我相当的基础知识，为我以后工作打下了严实的基础。
使我的综合能力有了一个很大的提高。
通过为期一周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。
我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。
根本不知道在现实中还存在有很多问题。
真正的能将自己的所学知识转化为实际所用才是最大的收获，也就是说真正的能够做到学为所用才是更主要的。
设计一个很简单的紫金桥，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。
在设计过程中培养了我在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力以及培养了良好的工程素质和科学道德，例如团队精神、交流能力、独立思考、测试前沿信息的捕获能力等；提高了自己动手能力，培养理论联系实际的作风，增强创新意识。
从这两周的学习和研究，我深刻了解了紫金桥元件工作的原理和核心技术，也更锻炼了动手能力和设计紫金桥能力，让我能有更深刻的体会能实际接触紫金桥的组装与作用，在这短短的一周里，我学到了在课堂学不到的技术知识，又从设计报告中了解了最新的应用技能，让我懂得了更多知识，很高兴学习到这么多有用的知识，让我在今后的工作和学习能有更长远的进步！
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