基于ControlLogix系统的电梯控制设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 工业控制网络工业控制网络 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 基于基于ControllogixControllogix系统的电梯控制设计系统的电梯控制设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化101101 学学 号：号： 100302018100302018 学生姓名：学生姓名： 陆禹含陆禹含 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2013.12.18-2013.12.27 本科生课程设计（论文） 摘 要 本论文设计的是基于 ControlLogix 系统的电梯控制设计，本文阐述了电梯

2、的来源 与发展，以及它在国内外发展的现状。对电梯设计的方案进行了论证，介绍了 ControlLogix 的基本组成、特点以及工作原理。文中详细的介绍了电梯模型的硬件和 电梯控制系统的硬件，电梯的工作特点，安全设计及控制系统的软件等。论文中控制 系统主要应用罗克韦尔自动化公司的可编程控制器 ControlLogix5550 及其 CAN 总线控 制技术的三层网(Ethernet、ControlNet、DeviceNet)技术实现网络化控制。 文中模拟设计出了电梯的模型。介绍了电梯的基本运作原理以及运作方式，以实 现电梯的自动响应楼层呼叫信号（包括向上呼叫和向下呼叫） ；自动响应轿厢内服务指 令；

3、自动完成轿厢所在楼层位置的显示；自动显示电梯运行方向；当有不同层楼同时 呼叫时，满足邻近楼层优先和效率优先原则；电梯的启动条件为：安全保护系统正常、 门锁锁上、定向部分选择好运行方向；电梯停车条件为：选层部分选好停车楼层、电 梯必须到达停车楼层的减速点、电梯到达目标楼层的平层位置等。 关键词：自动控制；传动式电梯；Controllogix 本科生课程设计（论文） I 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电梯及其控制技术发展概述 .1 1.2 课设的任务及要求 .2 第 2 章 整体设计 .3 2.1 设计目标 .3 2.2 多层次的整体设计 .3 第 3 章 模型搭建 .4 3.1 电梯模

4、型硬件介绍 .4 3.2 控制系统硬件构成 .5 3.3 实际硬件搭建 .6 3.4 安全设计 .10 3.5 控制系统软件构成 .11 第 5 章 软件设计 .16 第 6 章 系统测试与分析/实验数据及分析 .17 第 7 章 课程设计总结 .18 参考文献 .19 本科生课程设计（论文） 0 第 1 章 绪论 1.1 电梯及其控制技术发展概述 很久之前，人们就使用一些原始的升降工具运送人和货物。公元前 1100 年 前后，我国古人发明了辘轳，它采用卷筒的回转运动完成升降动作，因而增加了 提升物品的高度。公元前 236 年，希腊数学家 Archimedes 设计制作了由绞车和 滑轮组构成的

5、起重装置。这些升降工具的驱动力一般是人力或畜力。19 世纪初， 在欧美开始用蒸汽机作为升降工具的动力。1845 年，威廉汤姆逊研制出 1 台液 压驱动的升降机，其液压驱动的介质是水。尽管升降工具被一代代富有革新精神 的工程师们进行不断改进，然而被工业界普遍认可的升降机仍未出现，直到 1852 年世界第 1 台安全升降机诞生。 1889 年，升降机开始采用电力驱动，真正出现了电梯。有了电梯，摩天大楼 才得以崛起，现代城市才得以长高。据估计，截至 2002 年，全球在用电梯约 635 万台，其中垂直电梯约 610 万台。电梯已成为人类现代生活中广泛使用的人员运 输工具。人们对电梯安全性、高效性、舒

6、适性的不断追求推动了电梯技术的进步。 电梯在驱动控制技术方面的发展经历了直流电机驱动控制，交流单速电机驱动控 制，交流双速电机驱动控制，直流有无齿轮、无齿轮调速驱动控制，交流调压调 速驱动控制，交流变压变频调速驱动控制，交流永磁同步电机变频调速驱动控制 等阶段。 电梯在操纵控制方式方面的发展经历了手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、 集选控制等过程，对于多台电梯出现了并联控制、智能群控等更高层次的控制。 电梯的其他方面也出现了一些更高的要求，如为了使电梯的维护的工作能更高效， 科学，添加一个监控中心已经成为必须了。 本科生课程设计（论文） 1 1.2 课设的任务及要求 1) 分析系统功能，确定系

7、统方案。 2) 在实验室实现模拟的硬件接线，并在软件平台上进行硬件组态和参数设置。 3) 画出基于 Controllogix 网络的结构图。 4) 编写梯形图，实现系统功能。 5) 要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。 6) 按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以 上 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 整体设计 2.1 设计目标 设计目标：用一种全新的编程思想设计一个安全可靠具有相当实用性的典型 电梯控制(群控)系统，使之具有正常电梯系统所具有的绝大部分功能并能有所突 破。 设计思想：运用全局设计观念来进行整个系统的设计实现，

8、全面地考虑实际 使用时的需要，不满足于实现基本功能，而是致力于实现一个完整的电梯控制系 统。在此基础上将更多的精力投入到以下几点的实现： 1)着重对编程方式进行了突破，首度采用数据库结构的方式来实现电梯的调度 策略 2)实现了 ADR(Automatic Device Replace)功能，使设备的连续安全运行的能力 和快速硬件修复能力全面提升。 3)建立了一个虚拟电梯的概念，将电梯控制提高的一个更抽象的高度。 4)将远程监控及客户服务支持的功能进一步完善，实现了有安全级别的受控制 的访问。 2.2 多层次的整体设计 注重功能的层次化，全力设计一个模块化的，深入融合电脑程序设计思想的， 结构清

9、晰、合理，功能紧凑的电梯控制程序。并为功能更强大的群控的实现打下 坚实的基础。 1) 将各个电梯采用一种统一的格式，类似于建立一个虚拟的、抽象的电梯模型， (通过建立新的结构体实现具有电梯功能的但没有实际物理连接的虚拟模型)， 将电梯控制提高的一个更抽象的高度，对于今后不同网络架构的相同设备的 控制设计具有很好的参考意义。 2) 用一小块指令实现虚拟模型到实际模型的转换，即实现通过不同的转换程序， 将标准的虚拟电梯模型的控制指令转化为实际电梯的动作。 3) 用循环嵌套指令来实现四个单梯的控制，在程序中循环嵌套实现功能的完 善如主程序套“单”梯控制程序， “单”梯控制程序嵌套各个功能模块。 4)

10、进一步完善群控，通过完善请求分配来提高调度的效率，提高垂直交通运输 能力。 本科生课程设计（论文） 3 第 3 章 模型搭建 3.1 电梯模型硬件介绍 设计中使用的模型电梯共四台。模型电梯在基本遵照实际电梯设计，基本可 以反映真实的电梯的控制过程。模型电梯的机械结构图如图所示 0 300 300mm 170mm 220mm 220*9=1980mm 10mm 2950mm 图 3.1 电梯模型正面外观尺 寸 轿箱 轿箱导轨 对重导轨 框架 曳引机 对重 图 3.2 模型结构图 本科生课程设计（论文） 4 模型电梯的主要数据如下： 1) 楼层数：10 层(各带搂层上下呼梯信号灯) 2) 提升高度

11、：2m 3) 线速度：5cm/s 4) 噪声：不大于 55dB 5) 曳引式升降。交流电机拖动，机械齿轮传动。 6) 直流电动开门机、中分式轿门(开关速度快，客梯常用) 电梯的主要零部件如下： 1)曳引机 型号：D-DF；电机功率：0.55kw；曳引轮直径：60mm；额定转速： 16r/min。 2)轿厢 外型尺寸：200 x250 x200(深宽高)；重量：7kg。 3)开门机构 电机型号：PB-35GM；电压：12VDC 产地。 4)开门宽度：130mm 5)对重：6.5kg 6)接近开关：PK80461Honeywell 7)磁双稳态开关：KCB1 8)电梯位置指示器：24VDC七段代码

12、管2 9) 上下行信号灯 3.2 控制系统硬件构成 根据本次课设的要求选用的拓扑结构，拓扑结构按性质可以分为两大类： 1) 传动系统的控制 它是以速度给定曲线为依据，针对牵引机的不同调速方式构成开环或闭 环的速度控制系统，从而实现电梯运动状态的控制。主要执行机构是变频器。 2)逻辑系统的控制 电梯控制系统实时地接受来自厅站、轿厢、井道、机房等不同位置、不同性 质的外部信号，将它们按一定的逻辑关系进行综合处理，并利用其处理结果驱动 显示系统、控制传动控制系统中各个执行机构控制电梯的运行。 系统结构图如图所示 本科生课程设计（论文） 5 逻辑控制系统的硬件主要采用了 Rockwell 公司的三层网

13、络体系，PLC 选用了 基于 ControlLogix 平台的 Logix5550 处理器，该处理器具有强大的运算处理能力 和强大的网络连接能力。 3.3 实际硬件搭建 PLC 是一种采用集成电路和大规模集成电路等电子技术，专门为在工业环境 下应用而设计的工业专用微机。它比继电器控制更可靠、功能更齐全、响音速度 更快、使用和操作也更灵活方便。由于 PLC 采用面向问题、面向用户的指令语言 来完成工业现场的逻辑运算、顺序控制、定时计数、数据运算和模拟控制；由于 PLC 可靠性高、抗干扰能力强、扩展方便所以它与数控技术、工业机器人被认为 是机械工业自动化的三大支柱。 PLC 是一种顺序控制器，它的

14、程序是由前到后一步一步执行，每执行完一遍 图 3.3 系统的网络结构图 以太网 控制网 设备网 3#电梯 PC-Server Flex I/O160SSC-1160SSC-3160SSC-2 Flex I/O 2#电梯 Flex I/O 1#电梯 160SSC-4 Flex I/O4# 电梯 ControlLogix 系统 远程 I/O 外部以太网内部局域网(企业办公网) 工业三层网 本科生课程设计（论文） 6 为一个扫描周期，然后从头开始循环执行。 电梯工作特点：电梯为位能性负载；要求电机在四象限运行；要求启动频繁， 要求各种负载下启动、换速、换向平稳无冲击(舒适感好)，平层精度高(定位准确

15、)； 要求低速力矩大。 实践证明变频调速应用在电梯调速上能体现出良好的调速性能和稳定性，变 频调速电梯越来越受到青睐，本控制系统就采用了先进的变频调速控制系统。 近年来，电梯调速系统很多采用变频调速控制，而电梯属位能负载，并且要 求频繁起停。随着载客量多少的变化、上下行的变换，要求电动机在四象限内运 行。更重要的是要满足乘客的舒适感和保证平层的精度。因此变频器的选择对电 梯的运行起着至关重要的作用。 传动系统选用 A-B(Allen-Bradley 实时控制和系统链接方案)公司的 160SSC 变 频器实现。 160SSC 变频器特点：提供 4 种控制方式；提供高激活转矩(0.5Hz180%以

16、上 高激活转矩实现 0.0Hz130%以上制动转矩实现)，能在低速下实现平稳启动；速度 控制精度高；采用 32 位 RISC 芯片，反应快；提供 PG03 和 PG04 接口，能检测 外部脉冲反馈或接收脉冲作为主频率给定；能预设两组电机参数；提供多种保护。 系统工作过程：变频器驱动曳引机从启动、中速运行、减速爬行、到停车的 一个过程为电梯的一个完整的运行过程。 图 3.1 电机运行的 S 型曲线 本科生课程设计（论文） 7 160SSC 参数设置： 设 P30-启动时间为 2.5 秒，根据电梯实际运行需要，满足人体舒适性需要 设 P31-停止时间为 2.5 秒，根据电梯实际运行需要，满足人体舒

17、适性需要 设 P32-最小频率为 0 设 P33-最大频率为 50HZ，电梯曳引机额定频率为 50HZ，电机运行的最小/ 最 大频率为 0-50Hz 设 P34-停止模式为 Ramp to stop，S 曲线斜坡停止 设 P35-正常频率为 50HZ，电梯曳引机额定频率为 50HZ，即电机的铭盘频 率 设 P46-输入模式为 2，即编程键盘模块或通讯模块控制模式 设 P53-S 曲线为 50%，电机 S 曲线斜坡按照 50%的 S 曲线加减速 设 P56-Reset 模式为 2，使新 P46-输入模式参数值有效 设 P58-内部频率为 50，即电机稳态运行时的频率为 50Hz 设 P59-通讯

18、模式为网络控制，表示电机运行的频率通过网络设定 设 P107-输入集为 21 设 P108-输出集为 71 输入、输出格式取决于系统的设定，在本系统中将 ControlLogix5550 的输入、输 出集合分别设置为 21 和 71。而具体的区别可以参考参考文献6 Bulletin 160 DeviceNetM。 表 3.1 设备网设备地址分配 节点地址节点地址设备名称设备名称分配地址分配地址(DNB)文件大小文件大小 21160SSC1：I.Date【1】4 个字节 22160SSC1：I.Date【2】4 个字节 23160SSC1：I.Date【3】4 个字节 24160SSC1：I.D

19、ate【4】4 个字节 021794-ADN1：I.Date【10】-【15】22 个字节 试车运行： 为防试车时冲顶或蹲底，手动将轿厢升到中间位置，然后从慢车开始调试， 根据调试情况调整 S 参数、加减速时间、多段运行频率，力求达到舒适感好、平 本科生课程设计（论文） 8 层精度高。 表 3.2 电梯端子排对照表 类类 型型意意 义义符符 号号模模 块块接接口口号号 开门指令信号KM第一个输出10 关门指令信号GM第一个输出11 a第一个输出0 b第一个输出1 c第一个输出2 d第一个输出3 e第一个输出4 f第一个输出5 g第一个输出6 h第一个输出7 上行方向显示S第一个输出8 下行方向

20、显示X第一个输出9 1楼上呼梯信号灯S1第一个输出12 2楼上呼梯信号灯S2第一个输出13 3楼上呼梯信号灯S3第一个输出14 4楼上呼梯信号灯S4第一个输出15 5楼上呼梯信号灯S5第二个输出0 6楼上呼梯信号灯S6第二个输出1 7楼上呼梯信号灯S7第二个输出2 8楼上呼梯信号灯S8第二个输出3 9楼上呼梯信号灯S9第二个输出4 2楼下呼梯信号灯X2第二个输出5 3楼下呼梯信号灯X3第二个输出6 4楼下呼梯信号灯X4第二个输出7 5楼下呼梯信号灯X5第二个输出8 6楼下呼梯信号灯X6第二个输出9 7楼下呼梯信号灯X7第二个输出10 8楼下呼梯信号灯X8第二个输出11 9楼下呼梯信号灯X9第二

21、个输出12 10楼下呼梯信号灯X10第二个输出13 上行限位 （24V）SXW第零个输入9 下行限位 （24V）XXW第零个输入10 上平层信号，高有效（24V）SPC第零个输入5 下平层信号，高有效（24V）XPC第零个输入6 上减速信号，高有效（24V）SHS第零个输入7 下减速信号，高有效（24V）XHS第零个输入8 WZ1第零个输入1 WZ2第零个输入2 WZ3第零个输入3 WZ4第零个输入4 门联锁信号MLS第零个输入0 楼楼层层显显示示七七段段码码 输输出出 电梯位置信号，二进 制编码，高有效 输输入入 本科生课程设计（论文） 9 3.4 安全设计 硬件故障处理一直是设计过程中的难

22、点问题，怎么才能够迅速有效地提高实 际系统的安全性，这是一个一直困扰无数工程技术人员的问题，随着自动化程度 的提高，实际应用中迫切需要解决这个问题，ADR 就是应这个实际需求而产生的。 在 ODVA 协议里对设备故障的处理被设计为 ADR 的方式，通过 Scanner 的工 作来处理设备故障。 ADR 的工作过程是这样的，如果设备出现故障，则 Scanner 的 AAR 功能自动 将硬件的节点地址改为与故障设备相同，再由 Scanner 的 CR 功能自动恢复故障 设备的原结构到新换入的设备，使系统迅速恢复工作，减少应停止生产而造成的 经济损失。 设置过程： 1) 首先将 160SSC 的 D

23、N2 的拨码开关 7、8 位都设置为 1波特率和节点地址 都就由网络设定。 2) 从 ScanList 剔除无关设备。 3) 设定 ADR 启动方式为(CR&AAR)。 4) 切断节点地址为 24 的 160SSC 的电源模拟设备故障。 5) 将事先准备好的将节点地址软件改为 63 号的 160SSC 换上，Scanner 自动找到 新的160SSC 并 自动改节点地址 为24。 图 3.5 ADR 功能设置 本科生课程设计（论文） 10 6) 同时 CR 功能直接将原有参数设置都导回到新的设备，大约五秒钟后，系统恢 复正常，原有工作可以继续运行。 7) 采用 1784-PCIDS 作为 Sc

24、anner 实现 ADR 功能的实验，同时对故障恢复时间 进行计时，从将节点地址改为 63 到恢复正常(仅从 DN2 的状态指示灯判断)共 用了 4 秒，DNB 上甚至没有出现通讯中断的迹象，加上自动构造恢复及其他 时间可以控制在十秒以内，这个足够满足大多数实际使用的需要了。 8)实际应用的时中，重要的设备应该可以事先安装一个作为备份，设置节点地 址为 63，开机待命。针对于整个设备网中只有一个这样的设备或者为重要的 设备单独安装一个备份设备(预先设定节点地址 63，开机但不加入 Scanlist 中)， 并单独构建一个设备网。 9)这对于现实安全功能的设定具有十分重要的作用，可以运用于实际的

25、工程之 中，这对于提高系统的安全级别具有突破瓶颈的作用。 3.5 控制系统软件构成 RSLinx 是 A-B 可编程控制器在 Windows 环境下建立工厂所有通信方案的工 具，是一款优秀的通讯组态软件，在整个网络中占有非常重要的地位。它为 A-B 的可编程控制器与各种 Rockwell Software 及 A-B 应用软件，如 RSLogix5/500、RSView32、RSBatch、PLC-5 等软件之间建立起通信联系。 RSLinx 的 Advance DDE 接口支持处理器与 MMI(人机界面)和组件软件间进行通 信，也可与 DDE 兼容软件，如 Microsoft Excel、A

26、ccess 及其它用户定制的 DDE 应用软件通信。它的 C 应用程序接口(API)支持用户使用 RSLinx CSDK 开发的应 用软件。作为开发出真 32 位应用程序，RSLinx 充分利用了 Windows 操作系统的 多处理性能。通过各种通信接口，Reline 可以同时为所支持的应用程序组合运行 服务。 本系统采用 RSLinx 提供的 OPC Server（OLE for Process Control） ，来与 PLC 建立连接，在该软件中建立一个 OPC 对话，将该对话路径指向已经找到的 本科生课程设计（论文） 11 ControlLogix5550，选择数据刷新时间，然后将 R

27、SLinx 作为服务启动，这样系统 启动后，RSLinx 便自动启动。 RSNetWorx for DeviceNet 是基于 32 位的 Windows 应用程序，它能够给用户 提供设备网组态。使用图形或电子数据表格，用户可以组态设备网上所有的设备。 如图 3.6 所示为系统的软件构成 RSNetWorx for DeviceNet RSNetWorx for ControlNet RSNetWorx for Ethernet RSLinx (OPC/DDE) 现场设备 RSView ADS Server WebServer RSLogix500 0 RSView32 Windows IIS

28、 Internet ExplorerRSView ADS Client 图 3.6 系统软件结构 本科生课程设计（论文） 12 第 4 章 软件设计 4.1 控制系统软件选择 罗克韦尔自动化公司推出 PLC5 系列处理器的时候，相应推出了与之配套的 RSLogix5 软件。推出 SLC500 系列处理器的同时，相应的开发了 RSLogix500。 RSLogix5000 软件是 ControlLogix5550 系列处理器专用的编程开发环境。利 用 RSLogix5000 编程软件可以组态 ControlLogix 系统的 I/O 和通讯模块，以及对 ControlLogix5550 处理器编

29、程，包括对运动控制编程。 RSLogix5000 继承了 RSLogix500 及 RSLogix5 系列编程软件的特点，用工程 (Project)来管理每个工作项目，所有的梯形图、数据标签等都要一起存放在以工 程名命名的文件里。 与 RSLogix 系列其他编程软件相比，ControlLogix5000 最大的不同在于它全 新的数据组织形式Tag(数据标签)，这与 RSLogix500 及 RSLogix5 系列软件 的用来组织数据的 N、B、T 型等文件有着内在联系，但又有了重大的改进。Tag 的使用不仅可以使编程人员随意使用能反映自己编程思想的数据名称，还为模拟 量的传输带来了很多方便，

30、因为它能通过直接向模拟量型 Tag 写数据来避免以前 PLC、SLC 编程中为处理模拟量的传输而使用的块传送指令。 在 Logix5000 出现之前，Tag 的用法还在罗克韦尔的人机交互组态软件 RSView32 中出现过。在 Logix5000 中直接使用数据标签 Tag 可以省略 PLC、SLC 的 N、B、T 等类型数据文件向 Tag 的转化过程。使编程软件与人机 交互软件结合更紧密，实现更迅速，使用更方便。 4.2 程序设计 本科生课程设计（论文） 13 本科生课程设计（论文） 14 本科生课程设计（论文） 15 本科生课程设计（论文） 16 本科生课程设计（论文） 17 本科生课程设

31、计（论文） 18 第 5 章 课程设计总结 该电梯控制系统可实现梯外召唤、 指层、 轿内选层、 显示 电梯运行方向和延时关 门启动等功能，利用 ControlLogix 系 统按人的思维、记忆和判断习惯实现轿厢 内选层登记及消 号、 轿厢外呼梯信号登记及消号、 轿厢运行方向的显示及指 层 功能的设计，根据采集到的电梯呼梯信号及运行的状况， 进行分析综合后按一 定的规则向电梯发出控制信号， 指挥电 梯运行， 实现了以太网、 控制网和设备网组 成的多级网络控 制电梯的要求。 改善 PLC 控制电梯常规设计方法中对数据处 理 等存在的不完善的地方， 同时在电梯群控制中也具有一定 的应用前景。 本科生课程设计（论文）