毕业设计方案.doc

<p>个人收集整理 勿做商业用途
天津理工大学本科毕业设计方案
题目：采用工业无线网络的VVVF电梯远程监控系统设计
电气07-5班 李会颖20071186

前言：
电梯是一种重要的垂直交通运输设备。以往的控制系统采用的继电器控制，由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大而且难于维护等弊端，正逐渐被淘汰。PLC具有功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于编程以及工业环境适应性强等诸多特点。同时由于以太网具有较大的带宽,可以满足数据传输的实时性要求，同时具有通用性强、技术成熟等优点，因此是构建电梯监控系统的一种理想平台. 本文设计了一种基于工业无线网络网的电梯远程监控系统，该系统把计算机控制，网络等技术结合。

一、课题设计的内容：
1、以典型的电梯远程监控系统为设计对象，以实验室的带PROFINET口的SIEMENS S7300系列PLC为控制器，以实验室的变频器作为交流电机的调速器，设计一个VVVF电梯控制系统，并参与编制5层站电梯PLC控制程序。
2、采用一个以WINDOWSXP为操作系统的PC作为上位机，采用组态王作为监控环境，实现对PROFIBUS—DP总线主站PLC以及变频器从站进行监控。
3、建立一个简单的具有工业无线接入节点和用户节点的无线工控网络，将组态监控PC接入无线AP，使得在无线局域网中的其它计算机能够以浏览网页的形式无线监视PLC的状态。

二、系统的整体设计方案:
1、电梯是用电力拖动,将具有乘客或载货的轿箱，于垂直的两列刚性导轨之间运送乘客或货物的固定设备。电梯由机械和电气两大系统组成。机械系统由曳引系统、轿箱和对重装置、门系统、机械安全保护系统等组成。
2、电梯的监控系统主要实现的功能有：实现电梯的自动运行，主要实现电梯外呼信号、内呼信号的检测和电梯上行、下行;实现组态软件与plc之间的通讯连接；利用组态软件监视并控制电梯的运行状态.
3、系统的底层控制由软逻辑可编程控制器s7—300,变频器,交流电机,减速装置等完成.微机作为上位机完成对电梯运行状态的监控.电梯的运行由s7—300编程控制电机转动完成控制，上位机则采用组态软件kingview监控电梯的运行状态，实现电梯的实时监控和报警功能.(控制系统总体设计框图如下)

三、课题研究步骤：
1、建立五层站电梯顺序控制工程,总结控制要求和I/O点表，编写电梯控制PLC程序，并在实验室环境调试。
2、利用组态软件设计电梯监控的组态界面.
3、调试无线网络上的PC间通信。
4、将PLC与监控系统相连，并在实验室环境调试。

四、VVVF变频电梯的主电路控制系统的设计:
1、VVVF型电梯的基本原理:
改变定子电源频率f亦可达到调速目的,但f最大不能超过电机额定频率，电梯作为恒转矩负载，调速时为保持最大转矩不变，根据转矩公式：M=CmIΦcosΦ （式中Cm为电机常数,I为转子电流，Φ为电机气隙磁通，cosΦ为转子功率因数），必须保持恒定。又根据电压公式:U=4。44fWK（式中U为定子电压，f为定子电压频率，W为定子绕组匝数，K为电机常数)。必须保持U/f为常数,即：变频器必需兼备变压、变频两种功能，简称为VVVF型变频器，这亦就是VVVF型电梯的基本控制原理。

2、系统结构方框图:

3、VVVF电梯电器元件、设备的选择：
（1）主回路：选用变频器型号为VS—616G5—CIMRG5A4015及旋转编码器(或称脉冲发生器-—PG。其主要参数：512p/r,带A、B相输出)构成VVVF闭环系统,只用原电机的高速绕组(四极绕组),而低速绕组（六极绕组)及涡流绕组均不用。
(2）控制回路：选用三菱FX2-128MR主单元和FX2—48ER扩展单元代替原继电器控制部分；采集和处理内、外呼召唤信号，变频器状态信号,井道信号,高速计数信号等，实现对电梯的有序控制.
(3)检测回路：选用OMRON光电开关代替原双稳态开关/磁环装置,用于产生楼层计数、精确平层、门区信号。此外，井道部分、机械部分、用户界面部分均按实际需要进行适当改造。
(4）PLC的选型：直接将电梯的内外呼梯信号、层位检测信号、限位信号、开门关门信号等开关量接到PLC的开关量输入端，PLC提供的24V直流电源可作为指示灯的电源，用PLC的输出点直接控制变频器实现电机的正转、反转、停和多段速控制等，系统的硬件结构如下图。

4、工作原理：
采用PLC控制系统集中处理电梯的内、外呼召唤信号，开、关门信号，井道信号,变频器状态信号，楼层计数信号等。通过逻辑运算，形成变频器运行必需的控制信号(如:正/反转信号，多段速度信号,停止信号)以及楼层显示信号，方向信号，门机构驱动信号.
VVVF变频器与PG构成闭环矢量控制系统。VS—616G5型变频器还具备转差补偿功能，转矩补偿功能及“S”曲线特性。转差补偿功能对电梯的空、满载时上、下行速度稳定非常有利,避免超、欠速运行。例如：电梯正常速度为50 Hz(以频率表示）,空载上行时，速度较平衡时快,转差补偿-0.5Hz，满载上行时，速度较平衡时慢,转差补偿+0.5Hz，从而保证在各种状态下速度稳定。转矩补偿功能对满载起动时转矩提升非常有效，能达到正常值的150%.而“S”曲线特性可防止启动、换速或停止时产生振动，这在电梯中最为适用。可使乘坐舒适感大大改善。此外，该变频器的故障诊断、检测、记忆等功能对系统维护亦非常方便、实用.

五、PLC控制系统的设计：
1、确定I/O设备:
根据电梯对PLC控制系统的功能要求,确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
I/O点的估算：
（1)门厅呼叫按钮:位于电梯厅门旁，除了顶层（5楼）只有向下呼叫按钮和底层（1楼)只有向上呼叫按钮以外，其余每层均有向上和向下2个呼叫按钮，共有8个按钮，即8个输入点。当每个按钮按下时，按钮内部的指示灯会自动亮起.
（2）平层检测信号的输入与输出：在每一楼层上均装有平层信号检测装置,当电梯到达或者位于该层即被检测装置检测到,5层共有5个检测信号的输入点.相应地外部有5个输出灯显示电梯所在楼层。
（3）运行状况显示输出：电梯上行、下行以及所在楼层各有1个外部输出点对应。
通过以上分析可知 ,本系统输入点为8个数字量,输出点为7个数字量:

设备类型
设备器件
I/O端子
器件作用

输
入
设
备

SB5
I0.0
五楼呼叫按钮
SB4
I0.1
四楼呼叫按钮
SB3
I0。2
三楼呼叫按钮
SB2
I0。3
二楼呼叫按钮
SB1
I0.4
一楼呼叫按钮
SQ5
I0.5
五楼限位开关
SQ4
I0。6
四楼限位开关
SQ3
I0.7
三楼限位开关
SQ2
I0。8
二楼限位开关
SQ1
I0.9
一楼限位开关

输
出
设
备
KM1
Q1.0
电梯下降接触器
KM2
Q1.1
电梯上升接触器
HL5
Q1.2
五楼指示灯
HL4
Q1。3
四楼指示灯
HL3
Q1。4
三楼指示灯
HL2
Q1。5
二楼指示灯
HL1
Q1。6
一楼指示灯

2、过程分析：
在一楼、二楼、三楼、四楼、五楼分别安装指示灯HLl、HL2、HL3、HL4、HL5，用于显示电梯当前所在的楼层，当电梯到达某楼层时，位于该层的指示灯亮来提示乘客；每个楼层分别安装呼叫按钮SBl、SB2、SB3、SB4、SB5，用于该楼层的乘客要乘坐电梯时按下用;每个楼层的限位开关SQl、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5用于检测电梯的轿箱是否到达该层,到达时,轿箱压下该层的限位开关。
(以三层电梯为例）
当电梯停于一楼或二楼时，按SB3，则电梯上升到SQ3停止，同时HL3灯亮；
当电梯停于三楼或二楼时，按SBl,则电梯下降到SQl停止，同时HLl灯亮；
当电梯停于一楼，按SB2，则电梯上升至I]SQ2停止,同时HL2灯亮l;
当电梯停于三楼,按SB2，则电梯下降到SQ2停止，同时HL2灯亮I;
当电梯停于一楼,而二楼，三楼均有人呼叫时，电梯上升到SQ2时，同时HL2灯亮，停5S，然后继续上升到SQ3停止，同时HL3灯亮；
当电梯停于三楼，而二楼，一楼均有人呼叫时，电梯下降到S02时，同时HL2灯亮，停5S，然后继续下降到SQl停止，同时HLl灯亮;
当电梯上升途中，任何反方向的下降呼叫信号无效；
当电梯下降途中,任何反方向的上升呼叫信号无效；
每层楼之间的到达时间均应在10S之内，否则电梯停止运行。　
3、选择合适的PLC类型:
根据已确定的I/O设备，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
4、根据程序流程图设计出梯形图程序并将程序输入到PLC:
程序流程图如下:

5、进行软件测试：
程序输入PLC后，先应进行测试工作以排除程序中的错误。

六、基于以太网的远程监控设计：
远程监控是利用计算机网络集中监控，既能掌握用户电梯的运行工作状态， 又能在用户电梯发生故障时及时处理和排除故障。远程监控系统由现场信号采集/发送子系统、信号传输子系统、监视中心子系统三大环节组成.信号的采集直接来自电梯控制中心，各个电梯与监视中心之间的联系通过因特网进行传送。下面介绍了基于以太网的电梯监控系统，该系统采用TMS320LF2407A作为主控芯片，RTL8019AS作为以太网接口芯片，采用kingview建立监控界面，为电梯监控系统中应用以太网通信技术提供了一种解决方法.
（一）PC控制电梯远程监控系统结构图：

各台电梯的PC从站完成对电梯运行控制和运行状态的数据采集，PC主站通过现场总线PROFIBUS与各控制从站进行通信。并将采集到的电梯运行数据发送到本地终端计算机。远程终端计算机通过Internet 网络与本地终端计算机相连， 执行对各电梯的远程监控。
(二）PC从站电梯的主控制系统：

微机控制电梯的故障信号是通过信号采集器来采集受监控电梯设备的运行信号、层楼信号、安全回路信号，在整个远程监控系统中每台电梯需要设置一套信号采集器，与本地终端计算机进行串行通信。PC 控制电梯的故障信号可以通过系统的各控制从站PC来采集，不需要增加信号采集器。
电梯的远程监控系统要完成远程监控的任务,需要采集以下信号：快车信号、慢车信号、上行信号、下行信号、轿厢位置信号、开门信号、关门信号、开门限位信号、关门限位信号、门锁信号、检修信号、重复开门信号、重复关门信号、直驶信号、超载信号、门区信号、上行减速信号、下行减速信号、上行方向限位信号、下行方向限位信号、轿顶安全窗开关信号、轿顶急停开关信号、安全钳开关信号、轿厢限速器开关、热保护继电器信号、各层楼层门锁开关信号、轿门锁开关信号。
（三)电梯控制器结构及以太网接口电路设计：
1、电梯主控制器结构：
电梯控制器原理框图如下图所示。电梯控制器以DSP CPLD为控制核心，包括以太网接口，RS485通信接口，CANBUS及开关量输入输出等电路组成。

2、RTL8019AS与TMS320LF2407A芯片功能概述：
RTL8019AS芯片：RTL8019AS是瑞昱公司生产的一种高度集成的全面支持IEEE802.3标准的以太网控制器，软件兼容NE2000，同时还支持微软公司的PnP规范。RTL8019AS主要性能如下：适应于EthernetII、IEEEE802。3，10Base5,10Base2，10Base—T；全双工工作模式，收发可同时达到10Mbps的速率，具有睡眠模式,以降低功耗；内置16KB的SRAM,用于收发缓冲,以降低对主处理器的速度要求；可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质；100脚的TQFP封装,缩小PCB尺寸；LED指示灯和诊断软件可用于简单的故障排除；访问协议CSMA/CD。
TMS320LF2407A芯片：TI公司TMS320系列DSP芯片是为了满足广泛需要的电动机控制和其他嵌入式控制应用而设计的。TMS320LF2407A采用高性能CMOS技术,使得供电电压降为3。3V,减小了控制器的功耗，最高频率40MHz,指令周期为25ns，片内有32k字的FLASH程序存储器,1。5k字的数据/程序RAM，544字DRAM和2k字的SRAM,时间管理器EVA和EVB包括16位通用定时器，脉宽调制（PWM）通道，CAP和QEP，看门狗定时器，16路10bit的A/D转换,控制器局域网（CAN）模块，串行通信（SCI)接口模块，16位串行外设（SPI)接口模块，基于锁相环的时钟发生器，40个通用输入/输出引脚。　　
3、网络接口硬件原理框图：

以太网接口芯片RTL8019AS的工作模式:
（1）I/O地址：将RTL8019AS的第65脚JP拉高,即采用跳线模式.通过配置BD0，BD1,BD2,BD3这四个引脚决定RTL8019AS的基地址为300H。将低5位地址线相连，A15连A9,A10连A8，将RTL8019AS映射到DSP的I/O空间,基地址0x8400—0x841F对应于RTL8019AS的32个地址。
(2)中断：RTL8019AS的中断由IRQS0，IRQS1,IRQS2决定。本系统采用查询方式判断网络芯片是否接收到数据，因此IRQS0-IRQS2三个引脚悬空。
（3）DSP及CPLD采用3.3V供电,而RTL8019AS采用5V供电，因此数据总线之间采用74HCT16245匹配二者之间的电平，但是DSP的输出电平满足RTL8019AS的控制线电平,因此可以直接相连.
(4）总线模式:RTL8019AS的IOCS16B引脚通过一个300欧姆的电阻上拉，使得RTL8019AS工作在16位总线。
(四）网络接口芯片初始化及驱动:
1、网络接口芯片初始化过程：
RTL8019AS芯片上有32个字节的控制寄存器，通过读写这32个寄存器来完成芯片的初始化.另外该芯片含有16kb的SRAM,地址为0x4000——0x7fff，这些RAM只能通过DMA方式来读写。
(1）复位，先置RSTDRV高电平,然后置低电平，两次操作之间的间隔至少100ms以确保复位成功。然后进行热复位，就是先后读、写网卡复位端口.
（2）择页面寄存器0，使CR= 0x21.设置数据结构寄存器DCR=0x49，发送状态寄存器TCR=0x00，接收状态寄存器RCR=0x1F，接收开始页面寄存器PSTART=0x46，接收结束页面寄存器PSTOP=0x80；边界页面寄存器BNRY=0x46。
（3）选择页面寄存器1,使CR= 0x61。设置RTL8019AS的物理地址寄存器及组播地址寄存器,当前页面寄存器CURR=PSTART 1；
(4）选择页面寄存器0，使CR= 0x21.设置中断状态寄存器ISR=0xFF；中断屏蔽寄存器IMR=0xFF；发送配置寄存器TCR=0x00;
（5）设置CR=0x22，芯片进入工作状态。
2、以太网数据包接收和发送过程
RTL8019AS的16k字节RAM地址范围为0x4000——0x7FFF，一共有64页，这64页RAM是被用来接收和发送数据包的，通过页起始寄存器PSTART及页中止寄存器PSTOP来设置接收缓冲区和发送缓冲区。
(1)以太网数据包接收过程：
控制接收缓冲区操作的有两个寄存器:当前指针寄存器CURR和边界指针寄存器BNRY。CURR是RTL8019AS写缓冲区的指针,指向此时要写的页，BNRY是读指针，指向用户已经读走的页，因此可以通过CURR指针和BNRY指针的距离确定是否收到新数据包,当CURR和BNRY 1不等时说明收到新数据包.收到的数据包中，在正确的数据包前还有4个字节的附加信息,尾部还有4个字节的CRC校验码.数据包前4个字：第一个字节表示接收包的状态.第二个字节表示下一个数据包的存放页地址，根据该值更新BNRY寄存器.接下来的两个字节表示数据的大小。处理数据包时，必须先读出这4个字节，通过第一个字节判断数据包接收是否正确，如果是正确接收的数据包,则根据后两个字节的值修改DMA计数器的值，然后读出整个数据包，并更新BNRY寄存器,准备下一个数据包的接收。
　　网卡接收流程图如下图：
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;
（2）以太网数据包发送过程：
发送数据包比较简单，将准备好的数据用DMA传到发送缓冲区，然后设置发送长度和传输开始页面，启动发送过程即可.
网卡发送流程图如下图：

七、组态监控画面的设计:
组态王主要用来组成监控和数据采集系统，使现场的信息实时地传送到控制室，保证现场操作人员和管理人员都可以看到各种数据。
1、设备配置：
本系统是PLC与组态王间进行通讯。因此，将PLC的生产厂家、设备名称、通讯方式等填入相应对话框中即可。
2、设计图形界面：
　　图形界面用于模拟实际工业现场和工控设备，本系统设计图形界面的任务就是绘制电梯仿真画面。
3、定义I/O设备：
按照下表中给定参数设置串口设置对话框：
设置项
缺省值
推荐值
波特率
9600
9600
数据位长度
7
8
停止位长度
1
1
奇偶校验位
偶校验
偶校验

4、构造数据库： &nbsp; &nbsp;
在定义数据库变量时，只要把I/O变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。
5、建立动态连接：
本系统的动画连接包括轿箱、楼层显示、外呼按钮、手动开关门按钮等。
6、运行和调试。

八、结束语:
　 &nbsp; 本文设计了一种使用kingview组态软件来监控五层电梯运行的控制系统，在设计过程中运用Profibus技术解决了plc与组态软件之间的通信问题；利用可编程控制器（PLC)与VVVF变频器结合，通过改变电机供电的电压和频率,平滑调节电梯速度,使乘客可以获得更好的乘坐舒适感。同时将PLC应用于电梯控制， PLC从站和主站和本地用户终端计算机之间通过CAN 总线技术进行数据通信,利用互联网通信技术将远程控制计算机和本地用户终端连接从而实现对PLC控制电梯的远程监控, 在线掌握电梯的运行情况.

九、参考文献:
［1］宗群，宋鼎,电梯远程监控系统的研制，仪器仪表学报, 2002（6)
［2]谢超,周国富,电梯远程监控后台控制系统的设计，机电工程技术, 2004（8)
[3］梁建奇，段振刚,何为，基于PLC的电梯远程监控系统通信的实现,北京工商大学学报（自然科学版）, 2003(2）
[4］阳宪惠主编，现场总线技术及其应用，清华大学出版社，2001
[5]陈宇，可编程控制器基础及编程技巧，华南理工大学出版社，1999
[6]廖常初，可编程控制器的编程方法和工程应用，重庆大学出版社，2001(2）：30—46
［7］朱绍祥，可编程控制器原理及应用，上海：上海交通大学出版社，1988
[8］梁延东，电梯控制技术［M］,北京:小国建筑出版社，1997,137—138
［9]钟肇新，可编程序控制器原理及应用,广州：华南理工大学出版社,1992
[10］刘载文，李赢升，电梯控制系统，北京:电子工业出版社，1996
[11］王淑英,电气控制与PLC控制技术[M］，北京：机械工业出版社,2005(1)：26—59
［12］罗雪莲,交流变频调速电梯PLC控制系统设[J］，电气时代，2003，（11)：1—3
［13］李嘉，杨佃福，引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势，自动化仪表，2001（5)
［14］罗智佳,基于以太网的分布式数据采集监控系统的应用[J],微计算机信息,2006</p>