基于controllogix系统的电梯控制设计

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辽宁工业大学课程设计说明书（论文）辽宁工业大学工业控制网络课程设计（论文）题目：基于Controllogix系统的电梯控制设计 辽宁工业大学课程设计说明书（论文）院（系）：电气工程学院专业班级：自动化101学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2013.12.18-2013.12.27 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；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 目录第1章绪论11.1电梯及其控制技术发展概述11.2课设的任务及要求2第2章整体设计32.1设计目标32.2多层次的整体设计3第3章模型搭建43.1电梯模型硬件介绍43.2控制系统硬件构成53.3实际硬件搭建63.4安全设计103.5控制系统软件构成11第4章软件设计134.1控制系统软件选择134.2程序设计13第5章课程设计总结19参考文献20 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。34 1.2课设的任务及要求1)分析系统功能，确定系统方案。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34 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，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(AutomaticDeviceReplace)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)34 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。1)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。2)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。3)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。根据任务要求和设计思路做出设计流程图如图所示图2.1所示设计流程图34 第1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34 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2201700300300mm170mm220mm220*9=1980mm10mm2950mm图3.1电梯模型正面外观尺寸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：2m3)线速度：5cm/s4)噪声：不大于55dB5)曳引式升降。交流电机拖动，机械齿轮传动。34 1)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：200x250x200(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：130mm5)对重：6.5kg6)接近开关：PK80461Honeywell7)磁双稳态开关：KCB—18)电梯位置指示器：24VDC七段代码管×29)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34 图3.3系统的网络结构图以太网控制网设备网3#电梯PC-ServerFlexI/O160SSC-1160SSC-3160SSC-2FlexI/O2#电梯FlexI/O1#电梯160SSC-4FlexI/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)工业三层网逻辑控制系统的硬件主要采用了Rockwell公司的三层网络体系，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34 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，它的程序是由前到后一步一步执行，每执行完一遍为一个扫描周期，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)；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。34 图3.1电机运行的S型曲线系统结构：电梯开门流程图如图所示34 图3.5电梯开门流程系统结构：电梯上升下降流程图如图所示34 图3.6电梯上升下降流程图34 I/O分配表如图所示：传感器槽号代表的含义传感器槽号代表的含义S-10IN01层下LE-UOUT0箭头下S-11IN11层上LE-MOUT1箭头竖线S-20IN22层下LE-DOUT2箭头上S-21IN32层上LE-aOUT3七段数码管aS-30IN43层下LE-bOUT4七段数码管bS-31IN53层上LE-cOUT5七段数码管cS-40IN64层下LE-dOUT6七段数码管dS-41IN74层上LE-eOUT7七段数码管eS-MIN8减速LE-fOUT8七段数码管fLK0-N0IN9上限位开关LE-gOUT9七段数码管gLK1-N0IN10下限位开关DIR-0OUT10电梯上行DK0-N0IN11门完全打开，亮DIR-1OUT11电梯下行DK1-N0IN12门完全打关，亮DIR-2OUT12开门WK-10IN131层上呼叫DIR-3OUT13关门WK-20IN141层下呼叫WK-10OUT141层上灯亮WK-21IN152层上呼叫WK-20OUT152层下灯亮WK-30IN162层下呼叫WK-21OUT162层上灯亮WK-31IN173层上呼叫WK-30OUT173层下灯亮WK-40IN183层下呼叫WK-31OUT183层上灯亮WK-41IN194层上呼叫WK-40OUT194层下灯亮WK-50IN204层下呼叫WK-41OUT204层上灯亮NK-20IN21内1层呼叫NL-10OUT21内1层灯亮34 NK-30IN22内2层呼叫NL-20OUT22内2层灯亮NK-40IN23内3层呼叫NL-30OUT23内3层灯亮NK-50IN24内4层呼叫NL-40OUT24内4层灯亮DK-10IN25箱内关门按钮KK-ONIN27运行/维护DK-20IN26箱内开门按钮表3.7I/O分配表3.4安全设计硬件故障处理一直是设计过程中的难点问题，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DN2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。34 图3.8ADR功能设置1)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。2)采用1784-PCIDS作为Scanner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。3)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。34 1)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RockwellSoftware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AdvanceDDE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MicrosoftExcel、Access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RSLinxCSDK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OPCServer（OLEforProcessControl），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ControlLogix5550，选择数据刷新时间，然后将RSLinx作为服务启动，这样系统启动后，RSLinx便自动启动。RSNetWorxforDeviceNet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34 RSNetWorxforDeviceNetRSNetWorxforControlNetRSNetWorxforEthernetRSLinx(OPC/DDE)现场设备RSViewADSServerWebServerRSLogix5000RSView32WindowsIISInternetExplorerRSViewADSClient图3.9系统软件结构34 第1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，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。34 4.2程序设计34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 第1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。34 34 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