毕业设计（论文）-基于PLC-单片机电梯控制系统设计.pdf

- i - 基于基于基于基于 plc-plc-plc-plc-单片机电梯控制系统设计单片机电梯控制系统设计单片机电梯控制系统设计单片机电梯控制系统设计 摘要摘要摘要摘要 高层建筑的迅速发展对电梯技术提出了越来越高的要求。在舒适性方面， 要 求控制系统能实现满足人体舒适感的电梯速度曲线。在快速性方面，系统应具有 好的加速、制动性能。在经济性方面，要求整个系统体积小并节约能源。在系统 产品兼容性方面，要求整个控制系统调节灵活，能够在较少地变动硬件线路的条 件下实现产品的换型和性能扩展。单片机、可编程控制器的发展为适应以上要求 提供了技术基础。单片机和可编程控制器组成的中央控制器具有体积小，调节灵 活和编程方便的特点。 电梯的电气控制系统由逻辑控制和电机拖动控制两部分组成。 逻辑控制主要 完成电梯的启动、加速、稳速、减速、平层、呼叫优先响应、信号处理、故障保 护等控制功能；电机拖动控制对电梯的曳引机进行驱动。本题目利用单片机采集 轿厢指令和厅外呼梯信号，通过串行通信的方式，将单片机采集的信号传送可编 程序控制器（plc）进而控制电梯，使电梯的控制柜与层站数无关，便于实现电 梯的标准化设计，同时简化了电梯控制线路的硬件结构，提高了电梯运行的可靠 性。 关键词关键词关键词关键词电梯；plc；单片机；串行通信 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - basedbasedbasedbased onononon plc-plc-plc-plc- mmmmonolithiconolithiconolithiconolithic i i i integratedntegratedntegratedntegrated c c c circuitircuitircuitircuit l l l liftiftiftift c c c controlontrolontrolontrol s s s systemystemystemystem d d d designesignesignesign abstractabstractabstractabstract high-rise constructions rapidly expand set more and higher request to the elevator technology. in comfortable aspect, the request control system can realize satisfies the human body comfort the elevator speed curve. in rapid aspect, the system should have the good acceleration, the braking quality. in efficient aspect, requests the overall system volume small and saves the energy. in system product compatible aspect, requests the entire control system adjustment to be nimble, can in little changes under the hardware lines condition to realize the product to trade and the performance expansion.themonolithicintegratedcircuit,theprogrammablecontrollers development adapts the above request to provide the technology base. the monolithic integrated circuit and the programmable controller compose the central controller has the volume to be small; the adjustment is flexible and programming convenient characteristic. elevators electric control system controls two parts by the logical control and the electrical machinery dragging to be composed. the logical control mainly completes elevators start, the acceleration, steadily fast, the deceleration, the even level, the call first to respond, control functions and so on signal processing, fail safe. the electrical machinery dragging controls to elevators tractor carries on the actuation. outside this topic use monolithic integrated circuit gathering sedan theater box instruction and the hall shouts the ladder signal, through serial communication way, transmits the monolithic integrated circuit gathering signal for plc then controls the elevator. this can causes elevators control cubicle to have nothing to do with the level station number. and can advantageous realizes elevators standardized design, simultaneously simplified the lift control lines hardware architecture, enhanced the elevator movement reliability. keywordskeywordskeywordskeywordselevator ;plc; monolithic; integrated circuit serial communication 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 电梯的历史和发展.1 1.2.1 我国电梯业的现状2 1.3 设计任务.3 第 2 章 电梯的基本结构4 2.1 电梯的定义.4 2.2 电梯的分类.4 2.3 电梯的基本结构.5 2.4 电梯的控制功能.8 2.5 本章小结.8 第 3 章 电梯的硬件原理9 3.1 电梯控制构成.9 3.2 plc 控制电梯10 3.2.1 plc 控制电梯的发展.10 3.2.2 plc 控制电梯的优点.10 3.2.3 plc 基本原理.11 3.2.4 plc 控制电梯的功能.13 3.3 单片机的多机通信.13 3.3.1at89 系列单片机特点. 13 3.3.2at89 系列单片机分类. 14 3.3.3at89c52 单片机概述.15 3.3.4 单片机串口设置16 3.4 本章小结.17 第 4 章 电梯的 plc-单片机控制 20 4.1 系统组成.20 4.2 通行接口电路.22 4.2.1 通信协议22 4.2.2 命令帧格式23 4.2.3 应答帧格式24 4.3 程序设计.24 4.3.1 plc 程序流程图设计.24 4.3.2 梯形图设计25 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 4.3.3 前端机程序设计33 4.4 本章小结.40 结论41 致谢42 参考文献43 附录 a44 附录 b 50 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题背景课题背景课题背景课题背景 电梯是机电一体化用于高层建筑的复杂的运输设备，它涉及机械工程、电子 技术、电力电子技术、电机与拖动理论、电力拖动自动控制系统、微机技术和土 建工程等多个科学领域。 目前电梯的生产情况和使用数量已成为一个国家现代化 程度的标志之一。自改革开放以来，我国的电梯产业，无论是电梯的数量，还是 技术管理水平，取得了飞速发展。电梯是应用最广泛的一种提升机械，而且也是 对调节性能要求比较高的一种机械。根据对象可以分为客运电梯、客货电梯和货 运电梯。根据电梯移动的速度可以分为低速电梯（速度低于 0.5m/s） 、中速电梯 （速度约在 0.51.0m/s 之间） 、高速电梯（速度约在 1.02.5m/s 之间）和超高速 电梯 （速度可达 10m/s） 。 电梯的加速度也是电气传动系统主要的标志之一。 一般， 低速和中速电梯最大加速度为 1.5m/s2，而高速电梯可达 2.5m/s2。加速度的变化 速度（即加加速度）一般不应超过 3.010m/s2。另外，根据承载量不同（乘客几 人至几十人，载货几十公斤至几千公斤） ，又可以将电梯分为轻型、中型、重型。 一般，承载量越大，其速度越低。串行通讯以其线路简单，信息传输量大等优点， 在电梯系统中的应用日趋增多。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越 来越多。 所以对电梯的调速精度、 调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。 尽管交流电动机结构简单、 造价便宜， 但在调速性能方面却难以满足更高的要求， 而对直流电动机来讲，由于后来采用了发电机发电机组调速系统，能较好地满 足电梯的调速的要求。因此，在 20 世纪前半叶，电梯的电力拖动，尤其是高层 建筑物中的电梯速度的调节，几乎都是采用直流调速系统来实现的。电梯作为机 电一体化产品，随着计算机和电力电子技术的发展，其自动化程度越来越高。 传 统的集散控制信号常采用一对一传输方式，所需传输线和控制器的 i/o 口较多， 且随着楼层数增加而成倍增加。 目前出现的多微机结合实现控制器与各层的串行 通信，解决了传输线和控制器 i/o 口多的问题，但是硬件电路较复杂。 1.21.21.21.2 电梯的历史和发展电梯的历史和发展电梯的历史和发展电梯的历史和发展 电梯作为升降设备，据说它起源于公元后的古希腊时期，当时阿基米德设计 出一种人力驱动的卷筒式卷扬机，共造出三台，安装在尼洛宫里。人们把这台卷 扬机看作是现代电梯的鼻祖。事实上，早在公元前，我们的祖先和古埃及也都曾 经使用了这种人力卷扬机。在瓦特发明了蒸汽机之后，于 1850 年，在美国纽约 市出现了世界第一台由亨利沃特曼制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。1852 年 美国人伊菜沙格雷夫斯奥梯斯发明了世界上第一部以蒸汽机为动力、配有安 全装置的载人升降机。这便是世界上第一部备有安全装置的客梯，在 1857 年被 安装在纽约市豪华商厦里。 在此期间，英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。随着水压梯的发展，蒸汽梯也 就被淘汰了。后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯。直到今天，液压梯仍在 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 使用。 1889 年，美国奥梯斯升降机公司推出了世界第一部以电动机为动力的升降 机，这才开始出现了名副其实的电梯，同年在纽约市的马累特大厦安装成功。在 1903 年，又将卷筒式驱动方式改进为曳引式驱动。曳引式驱动可以使用多条曳 引绳，而卷筒式驱动方式使用的曳引绳的条数却受到限制，曳引式驱动方式为长 行程并具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。 随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多。所以对电梯的调速 精度、 调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。 尽管交流电动机结构简单， 造价便宜，但在调速性能方面却难以满足更高的要求，而对直流电动机来讲， 由 于后来采用了发电机发电机组调速系统，能较好地满足电梯的调速的要求。 因 此，在 20 世纪前半叶，电梯的电力拖动，尤其是高层建筑物中的电梯速度的调 节，几乎都是采用直流调速系统来实现的。 1900 年美国奥梯斯电梯公司制造出世界上第一台自动扶梯。1915 年已设计 成功电梯自动平层控制系统。1933 年美国制造出 6m/s 的高速电梯。1949 年美国 研制出 46 台电梯的群控系统。1955 年出现了真空电子管小型计算机控制的电 梯。1962 年在美国已出现了 8.5m/s 的超高速电梯。1976 年将微处理器应用于电 梯。1977 年日本三菱电机株式会社开发出了 10m/s 超高速电梯。至此，电梯的控 制技术已有了很大的发展。 80 年代出现了交流变频调速（vvvf）系统。1984 年在日本已将其用于 2m/s 以上的高速电梯。1985 年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。交流变 频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。1993 年，日本生产的 12.5m/s 世界上 最高速度交流变频调速电梯已投入运行。 当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用 交流变频调速方式取代直流调速方式，以成为高速电梯的主流。应用微机全面取 代继电器控制逻辑实现闭环控制，进一步提高电梯的性能和可靠性，并减少现场 调试要求，是电梯控制技术的方向。现代电梯技术，更加强调运行质量和降低噪 声，电梯控制将趋向多微机分散分层控制。 当今世界，电梯的生产情况与使用数量成为衡量一个国家现代化程度的重要 标志之一。在一些发达到工业国家，电梯的使用相当普遍。目前，国外除了以交 流电梯取代直流电梯外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。此外，家用小型 电梯将成为电梯家族中重要的组成部分。 1.2.11.2.11.2.11.2.1 我国电梯业的现状我国电梯业的现状我国电梯业的现状我国电梯业的现状 在 1949 年至 1979 年的 30 年中，我国总共生产安装电梯约 1 万台。那时电 梯产品以低速直流梯和双速梯为主，生产厂不超过 10 家。自 1979 年至今的 25 年间电梯产量有了飞速的增长：全国共生产电梯 28.8 万台（其中自动扶梯和自 动人行道 3.13 万台） ，出口电梯 2555 台（其中扶梯 1703 台） ；产品的结构也发 生了明显的变化：老的直流电梯已被淘汰，交流双速梯、acvv 交流调速梯逐渐 被 vvvf 交流变频变压调速电梯所取代，控制系统已在大量采用 plc 和微电脑 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 控制技术，最高梯速已达到 4m/s；行业出现了翻天覆地的变化：电梯企业的生产 条件、人类素质、管理水平有了极大的改善与提高，上海三菱、天津 otis、中 国迅达、苏州迅达、广州日立、西门子 otis 等一批企业的面貌已可与国际上最 先进的电梯公司相媲美；民族品牌如苏州江南、常州飞达、上海华立、浙江巨人、 天津利通、山东百斯特等在市场上也很活跃，并有一定量的出口。目前，我国已 引进转化了发达国家的先进技术标准，已成为国际标准化组织 iso/tc178 电梯、 自动扶梯和自动人行道技术委员会的正式成员。我国电梯已形成了设计制造、 安 装调试、维修保养一条龙服务的一个完整的行业，维持着全国 30 万台在用电梯 的正常运行，新装电梯年销售额超过了 100 亿人民币。随着电梯市场的兴旺， 电 梯企业有许多共同面临的问题需要交流、研讨。为此，1984 年 6 月在西安召开 了中国建筑机械化协会电梯分会成立大会，这是行业发展史上的一个里程碑。 从 此电梯行业第一次有了自己的行业组织，至今已整 20 年了。这期间，行业组织 也在不断发展，经建设部批准，民政部予以登记，1992 年 7 月 1 日在苏州召开 了中国电梯协会成立大会，通过了新的章程，选举产生了新的理事会，从此协会 便成为国家一级的行业组织，这是行业发展史上又一个里程碑。目前全国几乎所 有从事电梯教学、研究、设计、生产、销售、安装、维修、保养的单位都参加了 协会，成员已达 500 余家。为了改善我国的电梯管理，使电梯更好地为使用者服 务，协会积极配合和协助建设部行业主管部门协调各方关系，制定颁布了一系列 重要的科学管理法规；为增进对世界先进水平的了解，组织了对香港、新加坡、 台湾、日本、美国、芬兰、法国、德国、意大利等国家和地区著名电梯公司、 电 梯配件公司、质量检测认证机构以及有关国家电梯协会的考察与拜访活动，近三 年来连续成功地举办了三届国际电梯展览会， 大大推动了电梯行业的技术进步和 市场开拓； 协会的各专业委员会每年都举行内容充实的各种技术、 信息交流活动。 由于协会按照国家的有关规定办事，忠实、热情地为政府服务，为企业服务， 受 到广泛好评。1996 年 4 月建设部授予“先进社团”的光荣称号，1998 年 12 月中 国工业经济协会又授予“全国先进工业行业协会”荣誉称号并予表彰。中国电梯 协会是改革开放政策的产物，是促进行业健康发展的有效的组织形式，为电梯市 场的繁荣做出了应有的贡献。 1.31.31.31.3 设计任务设计任务设计任务设计任务 本次设计采用单片机、plc、re-485 等控制电梯。 主要完成： 1单片机对轿厢内和厅外呼梯信号的采集。 2单片机与 plc 的串行通信。将单片机采集的呼梯信号送入 plc。 3plc 根据传送来的呼梯信号判断执行进而控制电梯，使电梯的可靠性提 高。 4通过本次设计使电梯的控制柜与层站数无关，便于实现电梯的标准化设 计，同时简化了电梯控制线路的硬件结构。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 电梯的基本结构电梯的基本结构电梯的基本结构电梯的基本结构 2.12.12.12.1 电梯的定义电梯的定义电梯的定义电梯的定义 根据国家标准gb70241-86 电梯名词术语规定，电梯的定义：用电力 拖动，具有乘客或载货轿厢，其运行于垂直的或与垂直方向倾斜不大于 15角的 两侧刚性导轨之间，运送乘客和(或)货物的固定设备。 另外，国家标准 gb7588-87电梯制造与安装规范 ，对电梯的技术含义作 了如下叙述：电梯是服务于规定楼层的固定式提升设备，包括轿厢的尺寸与结构 型式可使乘客方便的进出，轿厢在两根垂直的或与垂直方向成倾斜角小于 15的 刚性导轨之间运行。 从以上两个条文可以理解电梯的含义：电梯是由电力来驱(拖)动的。电 梯是沿着垂直方向运行的一种提升设备，可以是乘客的，也可以是载货的。轿 厢要方便于乘客的出入、乘坐或承载货物。 因此对于商场、车站等用的自动扶梯或自动人行道，按专业定义就不能称为 电梯，当然它们是电梯家族里的个分支。 2.22.22.22.2 电梯的分类电梯的分类电梯的分类电梯的分类 按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类 1乘客电梯2. 载货电梯3. 客货两用电梯 4病床电梯5住宅电梯6杂务电梯 7船舶电梯8观光电梯9车辆电梯 10自动扶梯11自动人行道12其它专用电梯 按速度分类按速度分类按速度分类按速度分类 1低速电梯（速度低于1m/s） 2. 快速电梯（速度大于1m/s，低于2m/s） 3. 高速电梯（速度大于等于2m/s） 按有无司机分类按有无司机分类按有无司机分类按有无司机分类 1有司机电梯 2. 无司机电梯 3. 有/无司机电梯 按驱动方式分类按驱动方式分类按驱动方式分类按驱动方式分类 1钢丝绳式：曳引电动机通过蜗轮、蜗杆、曳引绳轮、驱动曳引钢丝绳两 端的轿厢和对重装置做上下运行的电梯。 2. 液压式：电动机通过液压系统驱动轿厢上下运行的电梯。 按电梯控制方式分类按电梯控制方式分类按电梯控制方式分类按电梯控制方式分类 1按钮控制电梯2. 信号控制电梯3. 集选控制电梯 4下集选控制电梯5并联控制电梯6群控电梯 按拖动方式分类按拖动方式分类按拖动方式分类按拖动方式分类 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 1交流异步单速电机拖动的电梯 2. 交流异步双速电机变极调速拖动的电梯 3. 交流异步双绕组双速电机调压调速（acvv）拖动的电梯 4交流异步单速电机变压变频调速（vvvf）拖动的电梯 2.32.32.32.3 电梯的基本结构电梯的基本结构电梯的基本结构电梯的基本结构 电梯是把机和电合成一体的大型复杂产品，其中的机械部分相当于人的躯 体，电气部分相当于人的神经，两者不可分隔，两者关系紧密。机与电的高度合 一，使电梯成为现代科技的综合产品，服务于上上下下。首先必须对电梯的总体 结构有个概括的认识。 从总体来讲，电梯由机械系统和电气控制系统两部分组成。其机械部分由曳 引系统、 轿厢和门系统、 平衡系统、 导向系统以及机械安全保护装置等部分组成； 而电气控制部分由电力拖动系统、运行逻辑控制系统和电气安全保护系统组成。 曳引系统 电梯曳引系统的功能是输出动力和传送动力， 驱动电梯运行。 主要由曳引机、 曳引钢丝绳、导向轮和反绳轮组成。 曳引机为电梯的运行提供动力，由电动机、曳引轮和电磁制动器组成。曳引 钢丝绳由钢丝、绳股和绳芯组成。导向轮是将曳引钢丝绳引向对重或轿厢的钢丝 绳轮，安装在曳引机架或承重梁上。反绳轮是设置在轿厢顶部和对重顶部位置的 动滑轮以及设置在机房里的定滑轮。 轿厢和门系统 1轿厢 轿厢主要由轿厢体和轿厢架构成。其中轿厢体由轿厢底、轿厢壁和轿厢顶构 成。 在轿底前沿没有轿门地坎， 为了出入安全， 在轿门地坎下面设有安全防护板。 轿厢架是由底梁、立柱、上梁以及立柱与轿厢底的侧向拉条所组成的承重构架。 2轿厢的超载检测 为了电梯的安全运行，需要自动地限定轿厢的运载重量。为此，在轿厢上装 设超载检测装置。 3门系统 电梯门分为轿厢门和厅门。轿厢门用来封住轿厢出入口，厅门用来封住井道 出入口。客梯常采用中分式全封闭门。这种门由中间分开，左右门扇以同速向两 侧滑动，使得乘客出入方便。这种门工作效率高，可靠性好。门通常用 11.5mm 厚的钢板制成。一般采用两扇中分式门，如果要求较大的开门宽度，可采用四扇 中分式门。 电梯轿门由装在轿顶部的自动开门机来开门和关门，这种轿门也称为自动 门。自动开门机构以调速直流电动机(有时也用交流电动机)为动力，通过曲柄连 杆和摇杆滑块机构(对于单侧驱动机构，还用绳轮联动机构)，将电机的旋转运动 转换为开、关门的直线运动。轿门可以在轿内或轿外手动开门。 厅门只能由轿门通过系合装置带动开门或关门，因此，它是被动门。常见的 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 系合装置是装在轿门上的门刀。为了保证乘坐电梯安全，必须在轿门和厅内完全 关闭之后，电梯才允许起动运行。为此，在厅门上装设具有电气联锁功能的自动 门锁。这样，在井道内解脱门锁后才能打开厅门，而在厅外只能用专用钥匙打开 厅门。在轿门通过门刀带动厅门关闭后，自动门锁便将厅门锁闭。同时，通过门 锁上的微动开关接通电梯控制电路，允许电梯起动运行。在自动开门机驱动轿门 开门时，轿门通过门刀解脱门锁并带动厅门开门，与此同时，门锁上的微动开关 切断电梯控制电路，使电梯不能正常起动。 重量平衡系统 重量平衡系统由对重和补偿装置组成。对重是平衡轿厢重量的平衡装置， 与 轿厢分别悬挂在曳引钢丝绳的两端。 对重由以槽钢为主体所构成的对重架和用灰 铸铁制造的对重块组成。轿厢侧的重量为轿厢自重与负载之和，而负载的大小却 在空载与额定负载之间随机变化。因此，只当轿厢自重与载重总和等于对重重量 时，电梯才处于完全平衡状态，此时的载重称为电梯的平衡点。而在电梯处于负 载变化范围内的相对平衡状态时， 应使曳引绳两端张力的差值小于由曳引绳与曳 引轮槽之间的摩擦力所限定的最大值，以保证电梯曳引传动系统工作正常。 当提升高度超过 30 m 时，曳引钢丝绳重量的影响就不容忽视。当轿厢位于 最低层站时，曳引钢丝绳的重量大部分作用在轿厢侧；反之，当轿厢位于顶层端 站时，曳引钢丝绳的重量大部分作用在对重侧。因此，曳引钢丝绳长度的变化会 影响电梯的相对平衡。 为了补偿轿厢侧和对重侧曳引钢丝绳长度的变化对电梯平 衡的影响，需要设置平衡补偿装置。 平衡补偿装置是以铁链为主体并在链中穿有麻绳的补偿链， 或是以钢丝绳为 主体的补偿绳。补偿链适用于速度小于 1.75m/s 的电梯，而补偿绳适用于速度大 于 1.75m/s 的高速电梯。 安全保护系统 对现代电梯的运行必须保证安全。为此，设置了由电气安全保护装置和机械 安全保护装置组成的电梯安全保护系统。 1电气安全保护装置 为了保证电梯的安全运行，在井道中设有终端超越保护装置。实际上，这是 一组防止电梯超越下端站(即大楼中电梯的最低停靠层站)或上端站(即大楼中电 梯的最高停靠层站)的行程开关，能在轿厢或对重撞底、冲顶之前，通过轿厢打 板直接触碰这些开关来切断控制电路或总电源，在电磁制动器的制动作用下， 迫 使电梯停止运行。 终端超越保护装置包括：强迫换速开关、终端限位开关和终端极限开关。 其 中强迫换速开关设置在井道底部和顶部换速点相应位置。 当电梯由于失控而冲向 井道底部或顶部时，首先经过并使其动作的开关是强迫换速开关，从而通过控制 电路迫使电梯减速、停止。 如果强迫换速开关没起作用，电梯继续越出底层或顶层位置，则下限位开关 或上限位开关动作，迫使电梯停止运行。此时，若有上面或下面层站召唤，电梯 仍能上行或下行。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 若限位开关也没能使电梯停止运行时， 则防止撞底或冲顶的最后保护装置便 是终端极限开关。当电梯最后经过终端极限开关并使其动作时，便切断电梯总电 源，但保留照明电源，通过电磁制动器使电梯停止运行，此时电梯不能再起动。 2机械安全保护装置 当电梯电气控制系统由于出现故障而失灵时， 就要靠机械安全保护装置提供 最后的安全保护。对电梯超速的失控现象的机械安全保护装且是限速器和安全 钳，这两种装置总是相互配合使用。 限速器 限速器是检测轿厢超速的装置，安装在机房。它由限速器轮、离心装置、 限 速器绳和夹绳机构等部分组成。限速器钢丝绳由设在井道底坑的张紧轮拉紧， 使 限速器钢丝绳与限速器轮槽之间产生一定的摩擦力。 限速器钢丝绳与安装在轿厢 两侧的安全钳拉杆相连。于是，在轿厢上下运行时，便带动限速器绳同步移动， 通过限速器绳带动限速器轮旋转。这样，就可通过限速器轮的旋转运动所产生的 离心力，来直接检测轿厢的运行速度。 安全钳 安全钳是在限速器操纵下，利用自锁夹紧原理，将轿厢夹持在轨道上从而实 现轿厢紧急制停的一种安全装置，对电梯的运行提供最后的可靠保护。 安全钳安装在轿厢架两侧的下梁或上梁处， 由钳块和钳座等部分组成的制停 机构以及连杆和钳块拉杆系统组成的操纵机构组成。 缓冲器 缓冲器安装在井道底坑，位于轿厢和对重的正下方。有两种缓冲器，一种是 弹簧缓冲器，另一种是油压缓冲器。 电力拖动系统 电力拖动系统由曳引电动机、速度反馈装置、电动机调速控制系统和拖动电 源系统等部分组成。其中曳引电动机为电梯的运行提供动力，速度反馈装置是为 电动机调速控制系统提供电梯运行速度实测信号的装置， 一般为与电动机同轴旋 转的测速发电机， 或光电脉冲旋转编码器； 电动机调速控制系统是根据电梯起动、 运行和制动平层等要求，对曳引电动机进行转速调节的电路系统，拖动电源系统 为电动机提供所需要的电源。 电气控制系统 电梯的电气控制系统由控制装置、操纵装置、平层装置和位置显示装置等部 分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在 机房中的控制柜(屏)上。操纵装置是轿厢内的按钮箱和厅门门口的召唤按钮箱， 用来操纵电梯的运行；平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控 制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门 地坎达到同一平面的操作。位置显示装置，是用来显示电梯轿厢所在楼层位置的 轿内和厅门指层灯，厅门指层灯还用箭头显示电梯运行方向。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 2.42.42.42.4 电梯的控制功能电梯的控制功能电梯的控制功能电梯的控制功能 电梯的功能有一些是厂家作为标准功能配置在标准电梯上的， 有的是按用户 的要求配置的。 司机操作司机操作司机操作司机操作 有司机启动关门按钮是电梯运行，由轿内指令按钮选向，厅外叫梯只能顺向 截梯。 集选控制集选控制集选控制集选控制 集选控制是轿内指令与厅外指令等各种信号集中进行综合处理、 分析的高度 控制功能。它能对轿厢指令、厅外召唤进行登记，自动平层开门。停站延时自动 开门，同向逐一应答。一般作为电梯的标准控制功能,能实现无司机操作,现已被 大多数电梯采用。 满载控制满载控制满载控制满载控制 当电梯满载时，不响应厅外呼梯。 独立操作独立操作独立操作独立操作 只通过轿内指令独立驶往楼层，专为特定楼层乘客提供服务，不应答其 他层站和厅外召唤。 灯光报站灯光报站灯光报站灯光报站 电梯将到达时，厅外灯光闪动，并由双音报站钟报站。 故障重开门故障重开门故障重开门故障重开门 因故障使电梯门不能关闭时，使门重新打开再试关门。 消防操作消防操作消防操作消防操作 当消防开关闭合时，使电梯自动返回基站。此时，只能由消防员进行轿 操作。 停梯操作停梯操作停梯操作停梯操作 在夜间、周末或假日，通过停梯开关使电梯停在指定楼层。停梯时，轿门关 闭，照明、风扇断电，以利于节电、安全。 2.52.52.52.5 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章主要介绍了电梯的基本结构、电梯的定义、电梯的分类及电梯的控制功 能，通过对它们的学习让我们更了解了电梯整个原理，对我们下一步的研究做了 铺垫。电梯是把机和电合成一体的大型复杂产品，其中的机械部分相当于人的躯 体，电气部分相当于人的神经，两者不可分隔，两者关系紧密。机与电的高度合 一，使电梯成为现代科技的综合产品，服务于上上下下。让我们对电梯有个整体 认识。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 电梯的硬件原理电梯的硬件原理电梯的硬件原理电梯的硬件原理 3.13.13.13.1 电梯控制构成电梯控制构成电梯控制构成电梯控制构成 由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号，行程信号进行控制，而楼层 和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实 现电梯的基本控制要求的基础上根据随机的输入信号， 以及电梯的相应状态适时 的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并由 plc 的计数器来进行控制。 同时， 每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。 为便于观察，电梯的运行方向以及电梯所在的楼层进行显示，采用 led 和 发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。 为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求 plc 能对轿厢的加减速 以及制动进行有效的控制。 根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来 实现。为了电梯的运行安全，系统设置可靠的故障保护和相应的显示。采用 plc 实现的电梯控制系统由以下几个部分构成： 1. plc 控制电路：plc 接受来自操纵盘和每层呼梯的的召唤信号、轿厢和 门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号， 经程序判断与运算实现电梯的 集选控制。plc 在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向，启动加 /减速运行和制动电梯等信号。 2. 位移控制电路：电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安 全可靠外，还要求运行平稳、乘坐舒适、停靠准确。采用变频调速可基本满足要 求，利用现有编码器构成速度环的同时，通过变频器的 pg 卡输出与电机速度及 电梯位移成比例的脉冲数，将其引入 plc 的高速记数输入端口，通过累计脉冲 数，由此确定电梯位置。 3. 端站保护：当电梯定向上行时，上行方向继电器，快车辅助接触器，快 车运行接触器，门锁继电器，上行接触器均得点吸合，抱闸打开，电梯上行。 当 轿厢碰到上强迫换速开关时，plc 内部锁存继电器得电吸合，定时器开始定时， 其定时的时间长短可视端站层距和梯速设定。上强迫换速开关动作后，电梯由快 车运行转为慢车运行，正常情况下，上行平层时电梯应停车。如果轿厢未停而继 续上行，当定时器设定值减到零时，其常闭点断开，慢车接触器和上行接触器均 失电，电梯停止运行。因此，不管是慢车运行还是快车运行，只要上强迫开关发 出信号不论端站或其他保护开关是否动作，借助定时器均能使电梯停止运行， 从 而使电梯端站更加可靠。电梯需要下行时，只要有了选梯指令，下行方向继电器 得电常开点闭合，锁存继电器被复位，继电器均失电，其常闭点闭合为电梯正常 下行做好了准备。下端站的保护原理和上端站的保护类似不再重复。 4. 楼层记数：楼层记数采用相对记数方式。运行前通过自学习方式，测出 相应层高度脉冲，对应 8 层电梯分别存入 7 个内存单元。楼层计数器为一双向计 数器， 当到达各层的楼层记数点时， 根据运行方向进行加 1 或减 1 记数。 运行中， 高速计数器累计值实时与楼层记数点对应的脉冲数进行比较， 相等时发出楼层记 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 数信号，上行加 1，下行减 1。为防止计数器在记数脉冲高电平期间重复记数， 采用楼层记数信号上沿出发楼层计数器。 3.23.23.23.2 plcplcplcplc 控制电梯控制电梯控制电梯控制电梯 3.2.13.2.13.2.13.2.1 plcplcplcplc 控制电梯的发展控制电梯的发展控制电梯的发展控制电梯的发展 以前的电梯使用直流电动机驱动，用改变串接在电枢回路中的电阻值的方法 来调节电梯的运行速度，后来发明了交流感应电动机，在 1900 年开始用于驱动 电梯。最初的交流电动机只是单速的，电梯运行性能很不理想。直到发明了交流 双速电动机，才基本满足了电梯的运行要求。 80 年代出现了交流变频调速（vvvf）系统。1984 年在日本已将其用于 2m/s 以上的高速电梯。1985 年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。交流变 频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。1993 年，日本生产的 12.5m/s 世界上 最高速度交流变频调速电梯已投入运行。 当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用 交流变频调速方式取代直流调速方式，已成为高速电梯的主流。应用微机全面取 代继电器控制逻辑实现闭环控制，进一步提高电梯的性能和可靠性，并减少现场 调试要求，是电梯控制技术的方向。现代电梯技术，更加强调运行质量和降低噪 声，电梯控制将趋向多微机分散分层控制。 电梯群控系统是现代电梯技术的又一重要组成部分。它不但有完善的分区服 务、运行监控、客流交通统计分析等功能，还具备故障诊断功能。 此外， 用电子位置传感器取代机械选层器、 用更先进的装置取代门安全触板、 增设轿厢内通讯设施以及轿厢非安全门区语音提醒和运行状态语音报告等装置， 也是电梯技术现代化的体现。 目前，交流调压调速电梯技术已趋成熟，一些企业都有成功的产品，微机控 制电梯是电梯技术的方向，一些生产企业与科研单位相结合，相继推出微机控制 的电梯新机型， 使控制功能得到增强， 电梯的性能得到改善， 明显提高了可靠性。 另外，用可编程控制器（plc）取代继电器控制系统的机型也已投产，使电梯性 能得到改善，故障率明显降低。在技术上，应该说这是一大进步，用 plc 对电 梯进行控制还是有前途的。 3.2.2 plcplcplcplc 控制电梯的优点控制电梯的优点控制电梯的优点控制电梯的优点 1可靠性极大提高 以 8 层 8 站电梯为例，运行要有几千个继电器触点动作，其中有一个触点有 故障就影响电梯正常运行。采用 plc 控制，所有中间继电器触点改用 plc 内部 软件接点来实现，而 plc 的 mtbfl（平均无故障时间）为 46 万小时。 2抗干扰能力强 plc 电压范围宽、抗干扰能力强、适应环境温度范围广，能承受控制柜内大 功率磁力起动器的电磁干扰，也能适应井道中强弱电信号同时并行的工作条件， 而不必采取特殊电源隔离和屏蔽措施。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 3实现多重保护，提高安全系数 plc 控制电梯电路完全保留过去继电器控制的所有安全连锁保护， 又进一步 完善了安全保护措施。例如，plc 程序控制系统开门不能走车，杜绝了过去检修 时，维修人员不按规定把厅门点轿门点短接而开门走车的人身事故发生。并且在 设计中保留安全继电器，实现明点控制，并将接点信号送到 plc 中，实现闭环 控制，防止维修人员误动作和由于接触器，中间继电器损坏而出故障，提高了安 全系数。 4减少故障率，提高经济效益 8 层楼 8 站电梯采用 plc 控制，取消了 160 个中间继电器，简化了布线， 减 少了工时，减小了控制柜体积，节省占地，减少备件，减少停车维修时间，提高 了经济效益。 5编程灵活，操作维修简单 plc 采用“梯形图”编程，与继电器控制梯形图接运，语言简单，很容易被 维修操作人员掌握，也易被现场工作人员接受，plc 控制输入输出点均有显示， 内部接点也可用编程器来观察监视，并把故障范围化成块，便于查找，维修省时 简单。 plc 控制电路提高了电梯的档次，增加了多种运行功能，改善了性能，提高 了平层准确度，解决了错层、冲顶、蹲底等事故发生。 3.2.33.2.33.2.33.2.3 plcplcplcplc 基本原理基本原理基本原理基本原理 可编程控制器采用循环执行的工作方式，即循环扫描，也就是用户程序执行 完一次之后，又返回去执行第二次、第三次直到停机。基本扫描周期包含五 个步骤：将输入信号读入输入映象区；执行用户程序；通讯事务的处理；plc 内 部事务的处理；输出信号的刷新。除了这五个基本步骤之外，plc 随时响应用户 的中断请求，并按预先设定的中断优先级别依次执行，从这个意义上讲，每个扫 描周期所占有的时间并不完全相同。如图 3-1 所示 plc 原理图。 1程序的执行： plc 在每个扫描周期中，都从主程序的第一条指令开始执行，直到主程序结 束为止，其中子程序是由主程序中的“调用”指令来调用的，因此可看成是主程 序的一部分。如果在主程序中开放（使能）了中断，则在执行主程序的任意时刻 产生中断请求时，可随时得到响应。所以中断服务程序并非在每个扫描周期中都 执行的，但也可能在一个扫描周期中执行多次，它的执行与主程序是“异步”的。 2通讯事务的处理： plc 对通讯端口信号处理，是在每个扫描周期中定时执行的，以便处理数据 的传输等事务。如果系统没有接通讯模块，则自动跳过这个步骤。 3plc 内部事务的处理： 这里所指的内部事务主要是指plc定期检查系统中系统程序和用户程序区， 以及检查 i/o 模板的状态， 即它检查的是 plc 内部的硬件系统， 这是为提高 plc 的可靠性而设置的。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 4输出信号的刷新： plc 在执行用户程序的过程中，只把计算机所得的输出信号存入输出映象 区，而不直接送到输出节点上，只有在每个扫描周期的最后一个步骤，才统一将 输出映象区中的输出信号同时送到输出结点（对象）上，这样有利于各控制对象 动作之间的互锁和控制。输出映象存储器也是以字节为单位的寄存器，它的每一 位对应于一个数字输出量节点。 使用输入映象寄存器和输出映象寄存器的概念是 plc 不同于一般控制机的 重要特征之一，这个做法的好处表现在下述三个方面： （1）对输入的采样和对控制对象的使能几乎是以同步方式进行的，在执行 用户程序的过程中不再与外部设备打交道， 从而可以提高系统工作的可靠性和稳 定性。 （2）由于输入/输出映象存储器的信息是以字节为单位的，因此不仅存取速 度显著提高，同时处理速度也有一定的提高。 （3）在配置输入/输出映象存储器时总是以最大可能需要来配置，而实际的 输入/输出节点数将小于这个配置。这多余的存储器（位、字节）可作额外的标 志位使用， 这在需要内部存储器容量较大， 但内存存储器又不够时是很有意义的。 编 程 器 存 储 器 c p u 电源 输 入 接 口 输 出 接 口 电 磁 阀 输 出 设 备 i / o 口 扩 展 接 口 i / o 口 扩 展 单 元 数 据 区 用 户 程 序 区 系 统 程 序 区 外 部 设 备 接 口 数 码 扫 描仪 盒 式 磁 带机 计算 机 打印 机 过程 开关 触点 按钮 指 示 灯 电磁 线圈 输 出 设 备 图 3-1plc 原理图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 3.2.43.2.43.2.43.2.4 plcplcplcplc 控制电梯的功能控制电梯的功能控制电梯的功能控制电梯的功能 1司机操作 2集选控制 3独立操作 4停梯操作 5编码安全系统 6满载控制 7开门时间自动控制 8故障重开门 9光电装置 10副操作箱 11灯光和风扇自动控制 12灯光报站 13低速自救 14消防操作 3.33.33.33.3 单片机的多机通信单片机的多机通信单片机的多机通信单片机的多机通信 在众多的单片机中， 我选择了 atmel 公司的 at89c52 单片机， 因为它内含 flash 存储器，避免了程序出错时，无法修改程序而使单片机报废的情况。特别是 在便携式、省电及特殊信息保存的系统中显得更为有用。at89c52 单片机是 atmel 公司 8 位带 flash 单片机的 at89 系列之一。 3.3.13.3.13.3.13.3.1 at89at89at89at89 系列单片机特点系列单片机特点系列单片机特点系列单片机特点 at89 系列单片机是以 8051 核构成的，所以，它和 8051 系列单片机是兼容 的。对于熟悉 805l 的用户，用 atmel 公司的 at89 系列单片机进行设计是轻而 易举的事。 at89at89at89at89 系列单片机的优点系列单片机的优点系列单片机的优点系列单片机的优点 1内部含 f1ash 存储器在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修 改，这就大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中能有效地保存一 些数据信息，即使外界电源损坏也不会影响到信息的保存。 2和 80c51 插座兼容at89 系列单片机的引脚是和 80c51 的引脚一样的， 所以，当用 at89 系列单片机取代 80c51 时，可以直接进行代换。这时，不管采 用 40 引脚或是 44 引脚的产品，只要用相同引脚的 at89 系列单片机取代 80c51 的单片机即可。 3 静态时钟方式at89 系列单片机采用静态时钟方式， 所以可以节省电能， 这对于降低产品的功耗十分有用。 4错误编程亦无废品产生对于 mcs51 系列的单片机，一旦错误编程就 成了废品。而 a