电梯控制系统毕业设计开题报告.doc

电信学院毕业设计开题报告
姓 名
蒋喜强
专业
电气工程及其自动化
班级
电气8班
学 号

指导教师
冯小林
题目类型
工程设计
题 目
电梯控制系统设计
一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
1.技术背景
随着城市建设的不断发展，城市的发展也非常迅速，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密切相关。电梯是采用电力拖动方式，将载有乘客或货物的箱体，运行于垂直方向的两根刚性导轨之间，运送乘客和货物的固定式提升设备。因此，电梯是为高层建筑的运输工具，所以它具有运送速度快、安全可靠、操作简便的优点。但传统的电梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用 PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题，使电梯运行更加安全、方便、舒适 。
电梯具有多种控制控制方式，如继电器控制，PLC控制等。PLC控制电梯有如下的特点：可靠性高，PLC的平均的无故障时间一般可达3到5万小时，而且能在工业环境下可靠地工作；编程简单。目前，关于电梯技术的发展主要体现在以下几个方面：
(1).电梯的速度要求越来越高，高速以及超高速的电梯；
(2).电梯的拖动技术有了较大的发展，直流电梯由于能耗大，维修大等缺点。逐渐被交流电梯所替代，液压电梯由于运行平稳，机房灵活等优点，使得在低楼层场合得到越来越广泛的应用。交流拖动电梯更是得到迅速发展，已有以前的变级调速（AC-VP）发展成为调压调速（AC-VV）及调频调压调速（AC-VVVF）,使得电梯的速度，加速度，对加速度的控制更加符合人们的生理要求，电梯的舒服感大为改善;
(3).电梯的的逻辑控制已有过去简单的继电器——接触器控制发展可为可编程序控制器（PLC）和微机控制，控制方式也从手柄控制，信号控制发展成为集选控制，并联控制，群控等，电梯可靠性得到极大提高;
(4).电梯的管理功能不断加强，电梯广泛采用微机控制技术，不断满足用户的使用功能要求，如紧急停车操作，消防员专用，防捣乱系统等等;
(5).机械传动方面，由于国际上机械加工水平的不断提高，使斜齿传动和行星齿轮传动在电梯上的应用日益广泛，以使电梯的传动形式多样化。
2.设计依据
PLC是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业环境下的崭新产品。它把逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等控制功能，以一系列指令形式存储在存储器中，然后根据存储的程序，通过数字或模拟量输入输出部件对过程进行控制。利用PLC进行电梯的设计可以方便地进行程序的修改，控制模式的转换，同时也提高了系统的可靠性、灵活性和通用性等。目前国内 70～80 年代安装完成的电梯绝大部分是继电器控制，线路复杂，节点接线多，故障率高，系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大，严重地影响电梯运行质量。应对这些电梯进行更新和改造。但是更新需要大量资金，对使用单位来说有一定困难，所以对电梯进行局部改造是经济的、实际的。近年来，采用功能强、故障率低、可靠性高的可编程控制器（PLC）来控制电梯，取得了良好效果。利用 PLC 和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。
3.选题目的、意义
随着人们生活水平的不断提高，人们对健康，安全生活环境尤为关注，而建筑业的迅速发展，高楼层建筑不断出现，因此建筑内提供上下交通运输的电梯工业的发展空间在不断扩大，已成为工作和生活中的必需设备。针对飞速发展的电梯产业，提供安全、高效、环保的电梯控制系统，使每一部电梯都能安全高效地运行，成为电梯产业得以健康发展、人们的日常生活得以正常进行的重要保证。
可编程逻辑控制器（PLC）既保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机通信和维修方便等诸多高品质性能，这也弥补了传统电梯的触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等的缺点，所以对电梯施行PL控制的改进非常重要。
4．主要参考文献
[1] 彭瑜.何衍庆.IEC 61131-3编程语言及应用基础，机械工业出版社；
[2] 王仁祥.王小曼.西门子S7-1200PLC编程方法与工程应用，中国电力出版社；
[3] 马宁.孔红.S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用，机械工业出版社；
[4] 程逢科. 电气二次回路应用入门[M].北京：中国电力出版社,2009；
[5] 陈家盛·电梯结构原理及安装维修，机械工业出版社，第五版；
[6] 马宏骞·石敬波·电梯及控制技术，电子工业出版社；
[7] 陈继文·董明晓·电梯控制远离及其应用，北京邮电大学出版社；
[8] 常国兰·电梯自动控制技术，机械工业出版社；
[9] 任双艳.开发基础与应用指南[M].北京：机械工业出版社,2009；
[10] ConfiguSTEP7ring Hardware and Communication ConnectionSTEP7[M]. 德 国：西门子自动化集团，2006；
[11] Programming with STEP7[M].德国：西门子自动化集团,2006；
[12] 梁锦鑫.WinCC基础及应用开发指南[M].北京：机械工业出版社,2009；
[13] 廖常初. 西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术（第2版）[M]. 北京： 机械工业出版社, 2008；
[14] 姚福来. 变频器﹑PLC及组态软件实用技术速成教程[M].北京：机械工业出 版社,2010；
[15] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社,2005；
[16]
[17] ogy.aspx
[18]
[19]
[20]
二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程
1.主要设计内容
本设计的是一个三层的客用电梯，单层高度为3.1m，整体高度为12.7m。其基本任务是根据不同楼层客户需求，及时响应，实现自动平层，开关门，超重提示，实现上下限位，门层联锁保护等，并根据不同的需求实现合理的响应。
在整个运行过程中，检测状态参数以及各种反馈信号等，确保电梯安全稳定运行，在故障情况下，制定相应的安全策略。
具体设计要求如下:
（1） 轿内指令的登记与清除。
（2） 轿外召唤的登记与清除。
（3） 自动开关门，电梯到达预定层并停靠后应自动将门打开。电梯未平层后运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。有专职司机状态下，按下关门按钮，关门后自动运行；无专职司机状态下，延时后自动运行。
（4） 楼层指示。电梯运行层显示为数字显示。
（5） 自动选向电梯应根据所处楼层和轿内指令确定的目的楼层（无司机状态还应包括召唤信号确定的目的楼层）自动的选择运行方向。实现顺向截车和最远层站的反向截车。
（6） 自动运行。运行过程中的加速、减速等速度变化应该自动进行。换层、平层等位置控制应该采用较、先进的相对计数方式。
（7） 应具有各种相应的安全保护以及报警、照明等功能。如电梯具有消防运行控制，具有超载不开电梯功能，具有防夹人功能等。
（8） 电梯运行状态由三挡位钥匙开关实现。电梯运行状态由司机，无司机和检修三种状态组成。检修状态时，点动控制开门，电梯慢速点动上下，以利于维修。
（9） 在电梯轿厢运行过程中，轿厢上升（后下降）途中，任何方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果某反向外呼梯信号前方再无其他内、外呼梯信号时，则电梯响应应该外呼梯信号。
（10） 电梯应当具有最远反向外呼梯响应功能。如，在电梯轿厢在一楼，而同时有二层向下外呼梯信号。
2.设计思想
利用PLC的结构简单，编程容易，可靠性高，抗干扰能力强等优点，对电梯施行更全面，更有效的控制。根据电梯实际控制的要求，首先设置两个独立的数据通道，即当前位置通道和呼梯指令通道。电梯当前层位置信号与当前楼层号相对应，当前楼层号以十进制立即数的形式作为当前位置200里的内容被“记忆”保存，表明电梯当前所处的位置。同理，每一个呼梯信号也都对应一个十进制立即数，指令通道201专门用来存放当前呼梯信号所对应的最大立即数。呼叫信号的处理应该进行综合处理，对应楼层的综合呼梯信号应该按照高楼层优先的原则进行信号优先级排队。
3.解决的关键问题
在本设计当中,和现如今的电梯的要求大同小异，主要有两个核心问题需要解决：
①　 一是运行效率，平层精度和安全性的要求；对于第一个问题，选择合适的PLC，进行合适的编程和设计就可以实现，对于本设计，我选用的PLC是西门子S7-1200型可编程控制器；
②　 二是PLC实现电梯信号控制和软件开发。对于第二个问题，要根据本设计中电梯的要求和PLC顺序执行程序的特点，PLC编程主要是采取模块化编程思想，即根据各模块所要实现的功能及原则来编写各个功能模块来实现。
4. 拟采用的技术方案
图1为电梯PLC电梯控制系统框图，主要硬件包括PLC主机及扩展、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、安全装置、显示装置、调速装置与主拖动系统等。控制系统的核心为可编程控制器(PLC)，操纵盘、呼梯盒、位置、安全保护及变频器工作状态等信号输入PLC，经PLC运算处理后由输出接口分别向显示电路发出呼梯、定向等显示信号，通过变频器向主拖动电动机发出控制信号。对于本设计中的电梯系统，从前面的设计内容可以看出主要有三大块需要我们来一一解决：主要包括信号控制系统，拖动控制系统，还有可编程序控制器部分。
对于这三个方面，我们对其采用以下技术方案来进行解决。
（1）信号控制系统
电梯信号控制基本由PLC软件实现，电梯信号控制系统如图2所示，输入到PLC的控制信号有：运行方式选择（如有/无司机、检修等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器、光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。

图1. 电梯PLC信号控制系统框图
（2）电梯控制系统主要由电力拖动部分和电气控制部分组成
①　 拖动控制系统
电力拖动部分由拽引电机、抱闸和相应的开关电路以及开门机组成。由于所设计的是一个办公楼上的乘客电梯，梯速为1m/s，所以只要能实现电机的正反转即可，而不必考虑电机的机械特性。制动时为满足准确停层的需要，定子回路可接入电抗器减速最后再加上抱闸制动。故在制动过程中采用了三档延时切换控制。
②　 电气控制
电气控制部分又称控制电路，它是电梯控制系统的核心。它包含两部分：拖动控制电路和信号控制电路。拖动控制电路因电梯的拖动方式不同而各异。可以是接触器线圈及其相关的控制电路 ，也可以是 电力电子器件的门极控制电路，对于有速度闭环控制的系统，还必须考虑含有电源、电压、速度检测电路和调节电路。信号控制电路与拖动的方式关系不大，主要与程序能够实现的功能有直接的关系。因此，不同的拖动方式的电梯可以采用同一信号控制电路。
（3）PLC系统部分
电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。电梯运行过程中轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定的输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的前提。
Ø 轿厢位置检测
轿厢位置检测装置俗称选层器，它检测电梯轿厢运行状态，所处位置，及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是：根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系，确定运行方向；当电梯将要到达所需停站的楼层时，给曳引电动机减速信号，使其换速；当平层停车后，发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号，并指示轿厢当前位置，选层器种类较多，通常分为三大类，即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。
位置检测方法主要有如下几种：
a. 用于簧管磁感应器或其它位置开关。这种方法直观、简单，但由于每层需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用PLC太多的输入点。
b. 利用稳态磁保开关。这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，进行运算时需采用PLC指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞大。
c. 利用旋转编码器。目前，PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元，计数准确，使用方便，因而在电梯PLC控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程中的准确位置，编码器可直接与PLC高速脉冲输入端相连，电源也可利用PLC内置24V直流电源，硬件连接可谓简单方便。
Ø 可编程控制器(PLC)的选型
根据以上选择的轿厢楼层位置检测法，要求可编程控制器必须具有高数计数器，而且根据输入和输出点的个数。
输入信号：桥厢内的楼层选择按钮1-3，开门按钮1个，关门按钮1个，安装与各楼层的电梯停靠位置的3个传感器，平时为常开，当电梯运行到平层时关闭；有/无师傅1个，检修1个，报警和超重感应器2个，上下平层感应器2个，即有输入点27个；
输出信号：桥厢内呼叫指示指令有3个，分别表示一层到3层呼叫被接受，并在呼叫指令完成后信号消失；电梯上和下指示2个，一到3层层数指示3个，报警显示和超重报警显示2个，即有输出点27个。综合考虑后，选择了西门子的ｓ7-1200芯片。
Ø 变频器的选择及其容量设定
基于本设计的闭环矢量系统的建立，在本设计中我选择西门子MM440变频器， 适用于一切传动装置， 具有高级的矢量控制功能( 带有或不带编码器反馈)， 可用于多种部门的各种用途， 其中用来控制电梯是最为理想的变频器。
而对于变频器容量的设定，可根据曳引电机功率、 电梯运行速度、 电梯载重与配重进行选取。 设电梯曳引电机功率为 电梯运行速度为v , 电梯自重为 ， 电梯载重为， 重力加速度为 g， 则 ：

式中 为摩擦系数，为可靠系数。
确定曳引电机功率后，根据变额器额定电流大于电动机最大工作电流原则 ， 则可选定变频器的容量。
本电梯系统由轿厢，曳引机构，开关门机构，PLC，变频器及其他电气元件构成。电梯的调速部分选用高性能的控制变频器，并测量曳引电机的转速，构成闭环矢量控制系统，系统结构框图如下：

可
编
程
控
制
器
变频器
旋转编码器

显示装置
安全装置
厅外呼梯盒
轿厢操纵盘
拖动控制系统

M
3~
信息控制系统

图2.系统结构框图
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
三、毕业设计工作进度安排
熟悉西门子博途平台及电梯控制特点 第1周
根据控制要求制定控制方案，并论证方案的可行性和有效性 第2周
熟悉控制系统硬件及编程环境 第3周
熟悉控制系统硬件及编程环境 第4周
控制器软件程序编写调试 第5周
控制器软件程序编写调试 第6周
控制器软件程序编写调试 第7周
控制器软件程序编写调试及操作显示界面设计 第8周
操作显示界面设计 第9周
操作显示界面设计 第10周
控制系统的调试和完善 第11周
系统调试，英文资料翻译，撰写毕业设计说明书 第12周

指 导

教 师

意 见

指导教师签字___________
年 月 日