三层电梯

三层电梯（通用3篇）

三层电梯 篇1

0 引言

电梯控制器是控制电梯按顾客要求自动上下的装置。本文采用VHDL语言来设计实用三层电梯控制器,其代码具有良好的可读性和易理解性,源程序经Altera公司的MAX+plus II软件仿真,目标器件选用CPLD器件。通过对三层电梯控制器的设计,可以发现本设计有一定的扩展性,而且可以作为更多层电梯控制器实现的基础。

1 三层电梯控制器将实现的功能

(1)每层电梯入口处设有上下请求开关,电梯内设有顾客到达层次的停站请求开关。

(2)设有电梯入口处位置指示装置及电梯运行模式(上升或下降)指示装置。

(3)电梯每秒升(降)一层楼。

(4)电梯到达有停站请求的楼层,经过1秒电梯门打开,开门指示灯亮,开门4秒后,电梯门关闭(开门指示灯灭),电梯继续进行,直至执行完最后一个请求信号后停留在当前层。

(5)能记忆电梯内外所有请求,并按照电梯运行规则按顺序响应,每个请求信号保留至执行后消除。

(6)电梯运行规则-当电梯处于上升模式时,只响应比电梯所在位置高的上楼请求信号,由下而上逐个执行,直到最后一个上楼请求执行完毕;如果高层有下楼请求,则直接升到由下楼请求的最高层,然后进入下降模式。当电梯处于下降模式时则与上升模式相反。

(7)电梯初始状态为一层开门状态。

2 设计方案和论证

2.1 控制器的设计方案

控制器的功能模块如图1所示,包括主控制器、分控制器、楼层选择器、状态显示器、译码器和楼层显示器。乘客在电梯中选择所要到达的楼层,通过主控制器的处理,电梯开始运行,状态显示器显示电梯的运行状态,电梯所在楼层数通过译码器译码从而在楼层显示器中显示。分控制器把有效的请求传给主控制器进行处理,同时显示电梯的运行状态和电梯所在楼层数。由于分控制器相对简单很多,所以主控制器是核心部分。

2.2 三层电梯控制器的设计思路

电梯控制器采用状态机来实现,思路比较清晰。可以将电梯等待的每秒钟以及开门、关门都看成一个独立的状态。由于电梯又是每秒上升或下降一层,所以就可以通过一个统一的1秒为周期的时钟来触发状态机。根据电梯的实际工作情况,可以把状态机设置10个状态,分别是"电梯停留在第1层"、"开门"、"关门"、"开门等待第1秒"、"开门等待第2秒"、"开门等待第3秒"、"开门等待第4秒"、"上升"、"下降"和"停止状态"。各个状态之间的转换条件可由上面的设计要求所决定。

3 三层电梯控制器的综合设计

3.1 三层电梯控制器的实体设计

首先考虑输入端口,一个异步复位端口reset,用于在系统不正常时回到初始状态;在电梯外部,必须有升降请求端口,一层是最低层,不需要有下降请求,三层是最高层,不需要有上升请求,二层则上升、下降请求端口都有;在电梯的内部,应该设有各层停留的请求端口;一个电梯时钟输入端口,该输入时钟以1秒为周期,用于驱动电梯的升降及开门关门等动作;另有一个按键时钟输入端口,时钟频率比电梯时钟高。

其次是输出端口,有升降请求信号以后,就得有一个输出端口来指示请求是否被响应,有请求信号以后,该输出端口输出逻辑’1’。被响应以后则恢复逻辑’0’;同样,在电梯内部也应该有这样的输出端口来显示各层停留是否被响应;在电梯外部,需要一个端口来指示电梯现在所处的位置;电梯开门关门的状态也能用一个输出端口来指示;为了观察电梯的运行是否正确,可以设置一个输出端口来指示电梯的升降状态。

3.2 三层电梯控制器的结构体设计

首先说明一下状态。状态机设置了10个状态,分别是电梯停留在1层(stopon1)、开门(dooropen)、关门(doorclose)、开门等待第1秒(doorwait1)、开门等待第2秒(doorwait2)、开门等待第3秒(doorwait3)、开门等待第4秒(doorwait4)、上升(up)、下降(down)和停止(stop)。在实体说明定义完端口之后,在结构体architecture和begin之间需要有如下的定义语句,来定义状态机。

在结构体中,设计了俩个进程互相配合,一个是状态机进程作为主要进程,另外一个是信号灯控制进程作为辅助进程。状态机进程中的很多判断条件是以信号灯进程产生的信号灯信号为依据的,而信号灯进程中信号灯的熄灭又是由状态机进程中传出的clearup和cleardn信号来控制。

在状态机进程中,在电梯的上升状态中,通过对信号灯的判断,决定下一个状态是继续上升还是停止;在电梯下降状态中,也是通过对信号灯的判断,决定下一个状态是继续下降还是停止;在电梯停止状态中,判断是最复杂的,通过对信号的判断,决定电梯是上升、下降还是停止。

在信号灯控制进程中,由于使用了专门的频率较高的按键时钟,所以使得按键的灵敏度增大,但是时钟频率不能过高,否则容易使按键过于灵敏。按键后产生的点亮的信号灯(逻辑值为’1’)用于作为状态机进程中的判断条件,而clearup和cleardn信号为逻辑’1’使得相应的信号灯熄灭。

3.3 三层电梯控制器VHDL设计

三层电梯控制器的VHDL描述模块流程如图2所示。三层电梯控制器的源代码(见附录)可知:

(1)本程序设计调用了IEEE库,IEEE库是VHDL设计中最为常用的库,它包含有IEEE标准的程序包和其他一些支持工业标准的程序包。本设计采用了STDLOGIC 1164、_STD_LOGIC_ARITH、STD_LOGIC_UNSIGNED程序包。

(2)以关键词ENTITY引导,END ENTITY threeflift结尾的语句部分,称为实体。VHDL的实体描述了电路器件的外部情况及各信号端口的基本性质。本设计定义了关于三层电梯控制器用到的各类时钟、异步复位按键、信号灯指示、电梯的请求。端口模式主要就是IN、BUFFER、OUT端口。及定义了各端口信号的数据类型,主要是STD_LOGIC (标准逻辑位数据类型)、INTEGER (整数类型)、STD_LOGIC VECTOR (标准逻辑矢量数据类型)。这些都满足上面调用的IEEE库中的程序包。

(3)以关键词ARCHITECTURE引导,END ARCHITECTURE a结尾的语句部分,称为结构体。结构体负责描述电路器件的内部逻辑功能或电路结构。本设计定义了10个状态。描述了在三层电梯中出现的各种可能的情况作为控制电梯的主要进程。信号灯控制作为辅助进程。

3.4 三层电梯控制器的模块

4 三层电梯控制器的仿真模块

模块(一):图4所示仿真的是在第二层电梯外部有上升请求,也就是f2upbuttton信号的一个脉冲,可以看到电梯从一层上升到二层,position信号由1变到2,doorlight信号’1’表示开门,’0’表示关门。当乘客进入电梯以后,在电梯内部要求上升到第三层,也就是stop3button产生一个脉冲,电梯上升到第3层,开门4秒以后关门,停留在第三层,position最后的值为3。在仿真图中看不到buttonclk,只显示为一条黑色的线,是因为采用了频率较大的时钟。

再看fuplight信号灯,当二层有上升请求的时候,它的值由0变到2。(注意fuplight和fdnlight是3位的二进制向量,这里的2代表"010",表示二层有请求;"100"也就是4,表示三层有请求)。当电梯停留到第二层以后,表明该请求被响应,所以它的值变为0,由于没有下降请求信号,所以fdnlight信号灯的值一直都为0。

模块(二):图5是有下降请求的情况,它是图4的继续,当电梯停留在第三层的时候,在电梯外第二层有下降请求,这时候fdnlight信号灯由0变为2,说明第二层有下降请求。电梯下降到第二层,响应了下降请求,所以fdnlight信号灯清0。这时候,在电梯内部没有停留在哪层的请求,所以电梯就停留在第二层,position信号的值保持在2。

模块(三):同时有上升和下降请求信号时,电梯的运行情况如图6所示。图6仿真的情况是,原先电梯停留在第一层,这时候电梯外第三层有下降请求,电梯上升到第三层,乘客进入电梯以后要求下降到一层,与此同时,在电梯外第二层有上升请求,电梯首先要响应下降请求然后再响应这个上升请求,所以电梯得先下降到一层,然后再上升到第二层来,这是符合常理的。从仿真的波形看,电梯的位置变化和想象是一致的。电梯的运行情况完全正确。最后乘客在电梯内部要求上升到三层,所以电梯最后的停留位置为三层。

模块(四):图7所示的仿真,原先电梯停留在第一层,电梯外第三层有下降请求,电梯上升到三层,乘客进入电梯以后要求下降到一层,此时,二层有下降请求,接着又有上升请求,电梯首先在二层停留。然后下降到一层。随后要响应二层上升请求,上升到二层,乘客进入电梯以后要求上升到三层,所以电梯最后的停留位置在三层。

5 设计的扩展性

在本设计中,因为考虑了扩展性,所以在信号定义的时候就使用了二进制的向量,而不是整数。在设计方法上也做了特殊的设计,所以使得扩展性较好。如果要实现n层电梯的控制,首先在端口的地方就要加入所有的按键,而指示灯只要把向量中的3改成n就可以了。同时需要在按键控制进程里加入其他按键触发指示灯的语句。在电梯的升降状态将3改成n,在电梯的开门状态中将2改成n-1,在关门状态,将position=3改成position=n,关键是修改position=2的部分,如果按照每层罗列,将十分烦琐,所以得寻求各层判断条件的共性,解决方法之一就是,新建一个全局向量one为std-logic-veoter (n downto 3)应改写成0,然后和stoplight与fuplight向量比较,如果有更高层次的请求,那么stoplight或fuplight向量,如果stopl i ght和fupl ight向量都小于one向量,表示没有更高层次的内部上升请求,此时将fdnlight向量和one向量比较,如果大于,则表示高层有下降要求,电梯得上升。如果没有任何请求信号,则电梯停止,否则电梯下降。如此就可以大大简化程序,但是要注意的是one向量必须实时更新,以作为判断依据,可以另外写一个进程,用buttonclk来触发。

摘要：用层次化的设计方法，通过硬件描述语言VHDL对电梯控制器各功能模块进行编程，并使用MAX+PLUSⅡ软件对该程序进行了编译、仿真，结果表明该电梯遵循方向优先的原则提供三个楼层多用户的载客服务并指示电梯的运行情况。

关键词：VHDL,电梯,控制器

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[7]谭会生，瞿遂春．EDA技术综合应用实例与分析[M]．西安电子科技大学出版设，2004

三层电梯 篇2

可编程序逻辑控制器PLC (Programmable Logic Controller) 是一种以微型处理器为核心, 融计算机技术、自动化技术和通信技术为一体的新型工业控制装置。它具有体积小、重量轻、功耗低, 编程简单、易维护, 通用性好, 抗干扰能力强、可靠性高等优点。目前, PLC已在国内外被广泛应用于电力、石油、化工、钢铁、机械制造等领域的自动控制中, 包括开关量逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信和联网等[1,2]。由于PLC在工业控制领域中占据着重大的地位, 现绝大多数高校都开设了这方面的课程, 而课程的实践环节至关重要。本文介绍了一种三层电梯教学装置, 此装置是基于PLC研制的, 可以辅助一些教学机构完成机电一体化系统分析、机电传动、PLC控制等多方面的教学, 同时为学生提供了良好的实验学习环境, 不但可以让学生模拟电梯的多种机械结构, 还可以让学生练习PLC控制系统的硬件选型、电路设计、软件开发编程、人机界面设计和通讯等方面的技能。

1 三层电梯教学装置总体设计

三层电梯教学装置的总体设计包括机械系统的设计和电气控制系统的设计两部分。其中, 机械系统的设计主要包括开关门系统的设计和曳引系统的设计, 电气控制系统的设计主要包括系统的基本结构分析、控制要求分析、PLC选型与I/O点数分配、变频器的选择与参数设置、PLC程序设计与触摸屏人机界面的设计。

该三层电梯教学装置的整体结构如图1所示, 包括左侧的电梯结构模型和右侧的系统控制台两部分。装置框架采用工业铝型材搭建以便于拆装, 门机构采用直流电机控制, 曳引系统采用三相交流电机变频调速控制, 可实现的主要功能有轿厢内外信号的登记与消号、定向选层、轿厢位置判断、顺向截梯、换速、平层和开关门等。

2 机械系统设计

2.1 开关门系统设计

开关门系统采用连杆机构传动方案, 此方案使用12V直流电机进行控制, 电机轴与电机摇臂采用顶丝挤压电机轴键的方式进行连接, 电机摇臂正反转180°分别实现电梯门的开和关。考虑到等边三角形具有结构简单、稳定性好且计算方便的优点, 并通过对机构的工作原理、预设工作条件及几何计算进行分析, 最终确定连杆机构各部分零件的尺寸为:电机摇臂两端轴心中心距为40mm, 连杆两端轴心中心距为200mm, 摇杆两端轴心中心距为200mm, 滑块移动范围为40mm。最终达到的运动效果为:电机轴或电机摇臂围绕旋转中心正反转180°, 相应摇杆摆角为60°, 滑块上下移动的距离为40mm, 且门完全打开时门的间距为400mm, 即两扇门的宽度。其开关门状态如图2、图3所示。

2.2 曳引系统设计

曳引系统是电梯完成升降功能的动力装置, 其组成器件主要有曳引电机、减速器、联轴器、曳引轴、导向滑轮、钢丝绳和配重等。其中, 曳引电机起着至关重要的作用, 下面主要介绍曳引电机的选取。

2.2.1 曳引电机运行分析

(1) 轿厢装载至125%额定载荷时应能保持平稳状态运行。

(2) 无论轿厢内空载还是满载, 必须保证在任何紧急制动时, 其减速度值不能超过缓冲器作用时的减速度值。

(3) 当对重压在缓冲器上而曳引电机按电梯上行方向旋转时, 应不能提升空载轿厢。

(4) 由于曳引电机是连续周期性工作的, 所以应允许电机频繁的启动和制动。

(5) 由于曳引电机的启动转矩较大, 为保证轿厢运行速度几乎不受负载变化的影响, 所以应使电机的堵转电流较小。

综上分析, 选择三相交流异步电动机, 该类电动机具有高效节能、振动小、噪声低、运行安全可靠的优点, 适于频繁的启动、制动和换向。

2.2.2 曳引电机参数计算

电梯轿厢从一楼到三楼用时t=10s, 行程h=1m, 电梯匀速运行时的速度为:v=2h÷t=2×1÷10=0.25m/s

电机机械能转化为电能的效率η=85%, 轿厢重m1=20kg, 载荷重m2=30kg, 电机有效功率为:

电机总功率为:P总=P÷η=100÷0.85=117.6W

考虑余量, 故选用功率为120W的三相交流异步电动机, 其额定转速为1440r/min。该电机轴径D=15mm, 设计轴上缠绕钢丝绳部分的直径D1=20mm, 此部分轴转速为:

减速器减速比为:i=1440÷191=7.5:1

转矩为:

T=9550P总×103÷n=9550×117.6×103÷191=5.88×106N·m

3 电气控制系统设计

3.1 控制系统基本结构分析

电梯PLC控制系统大体可分为拖动控制系统和信号控制系统, 它的组成元器件主要有PLC、变频器、曳引电机和门电机等, 其基本结构方框图如图4所示。

电梯拖动控制系统的拖动方式主要有交流拖动和直流拖动两种。随着PLC和变频器的快速发展, 目前电梯使用PLC控制变频调速的交流拖动方式较多, 因为它既可以形成半闭环控制系统, 又可以形成全闭环控制系统, 从而会大大提高电梯的运行效率和平层精度;电梯信号控制系统的核心是PLC, 其外部输入信号通过输入接口传输到PLC内部, 然后根据用户编制的程序进行计算, 最后将计算结果通过输出接口传输到PLC外部, 从而实现电梯各功能的控制[3,4]。

3.2 控制要求分析

3.2.1 轿厢内呼分析

(1) 当轿厢处于1层或2层时, 按轿厢内3楼位置按钮, 轿厢上升到3楼;

(2) 当轿厢处于2层或3层时, 按轿厢内1楼位置按钮, 轿厢下降到1楼;

(3) 当轿厢处于1层时, 按轿厢内2楼位置按钮, 轿厢上升到2楼;

(4) 当轿厢处于3层时, 按轿厢内2楼位置按钮, 轿厢下降到2楼;

(5) 当轿厢处于上升状态时, 若按轿厢内小于其当前楼层位置按钮, 轿厢则等待上升结束后再执行此按钮的动作;当轿厢处于下降状态时, 若按轿厢内大于其当前楼层位置按钮, 轿厢则等待下降结束后再执行此按钮的动作。

3.2.2 轿厢外呼分析

(1) 当轿厢处于1层或2层时, 按3楼下行呼叫按钮, 轿厢上升到3楼;

(2) 当轿厢处于2层或3层时, 按1楼上行呼叫按钮, 轿厢下降到1楼;

(3) 当轿厢处于1层时, 按2楼下行或上行呼叫按钮, 轿厢上升到2楼;

(4) 当轿厢处于3层时, 按2楼下行或上行呼叫按钮, 轿厢下降到2楼;

(5) 当轿厢处于上升状态时, 若按下行呼叫按钮, 轿厢则等待上升结束后再执行此按钮的动作;当轿厢处于下降状态时, 若按上行呼叫按钮, 轿厢则等待下降结束后再执行此按钮的动作。

3.3 PLC选型与I/O点数分配

SIMATIC S7-200系列PLC是西门子公司前些年投入市场的小型可编程序控制器, 可单机运行, 也可扩展输入、输出和功能模块, 其价格低廉、运行速度快、可靠性高, 并具有强大的多种集成功能和实时性, 该电梯选用此系列PLC。

对该电梯所有信号进行分析, 共有40个数字量输入信号、28个数字量输出信号和1个模拟量输出信号, 其I/O点数分配如表1所示。由于点数多, 所以该控制系统选择型号为SIMATIC S7-200CPU226的PLC, 并配有一个型号为EM223的数字量扩展模块以及一个型号为EM235的模拟量扩展模块。

表1说明:I3.6、I3.7、I4.0~I4.7均为检修模式的输入信号。

3.4 变频器的选择与参数设置

设计此教学装置载重为30kg, 三相异步电动机功率约为120W, 选型号为FVR0.2E11S-2JE的变频器, 主要参数设置如下:

①运行方法, 外部输入, F02=1;

②最高输出频率设定, F03=50Hz;

③加速时间设定, F07=3s;

④减速时间设定, F08=2s;

⑤制动开始频率, F20=6Hz;

⑥制动时间, F22=3s[5,6,7]。

3.5 PLC程序设计

电梯PLC控制系统由呼叫到响应形成一次工作循环[8], 其控制程序流程图如图5所示。

下面对PLC程序设计的几个关键点作详细分析与说明。

(1) 初始化复位:电梯上电后首先要进行初始化复位。若轿厢不停在一楼, 则下降到一楼并停止;若轿厢门和各楼层门有处于非关闭状态的, 则进行关闭。

(2) 定向运行:当电梯存在呼叫信号时, 若呼叫信号大于楼层位置信号, 电梯则定向为上行, 若呼叫信号小于楼层位置信号, 电梯则定向为下行。

(3) 延时启动:电梯定向完成后, 设置延时1s。当延时时间到时, 若定向为上行, 则Q0.3、Q2.7、AQW0输出, 驱动变频器带动三相交流曳引电机正转;若定向为下行, 则Q0.3、Q2.6、AQW0输出, 驱动变频器带动三相交流曳引电机反转。

(4) 楼层位置判断:当电梯上行到达各层上行平层区时, 相应辅助继电器为ON, 记录上行到达的位置;当电梯下行到达各层下行平层区时, 相应辅助继电器为ON, 记录下行到达的位置。

(5) 平层减速及停车:当电梯到达有呼叫信号的楼层平层区时, 产生平层减速信号, 驱动V0 (PLC地址为AQW0) 连接的变频器, 进入低速运行状态, 接着到达指定楼层, 电梯停车。

3.6 人机界面设计

为了增加此电梯教学装置的控制功能, 以及让学生练习人机界面的软件开发过程, 于是, 在此装置控制系统里采用了触摸屏对电梯进行控制。该触摸屏型号为SK-070AE, 采用232通讯方式与CPU226进行通讯连接, 其编程软件为SK Workshop, 电梯正常模式下的触摸屏界面如图6所示。

4 结语

本文介绍了一种自主研发的三层电梯教学装置, 详细说明了机械系统开关门机构的设计和曳引电机的选取及其参数的计算, 并对其控制系统作了详细分析与介绍。此装置不但可以辅助一些教学机构完成相关专业的教学, 还可以为学生提供良好的实验学习环境, 让学生在实践中锻炼自己, 实现理论与实际的良好结合。目前, 此装置已被我校机械工程学院用于实践性教学当中, 深受学生欢迎, 并实现了很好的教学目标。最后, 希望此电梯教学装置的研发能为高校相关专业的教学或相关领域的研究提供一定的参考价值。

参考文献

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三层电梯 篇3

杭州卷烟厂“十一五”技改, 新厂区共三层, 厂区货物的运送需要功率大、运行平稳的载货电梯来完成, 因为载货电梯属于特种专用设备, 因而电梯内配有已取证的工作人员进行选层和上下行的操作来运送香烟, 不需要外呼。

1.1 上位机软件部分。

1.1.1面板上能显示出电梯到达当前层的层号。1.1.2通过面板上按扭控制, 能对下位机实时控制。并能和PLC之间进行数据通信。1.2 PLC程序部分。下位机利用OMRON的CPM1H系列编程, 程序利用CX-Programmer2.0工具编写。1.2.1实现电机的正转、反转、加速、减速和停止。1.2.2用PLC进行逻辑设计, 完成三层电梯的内呼选层功能 (因有电梯工作人员, 外部人员不参与选层控制, 故而取消了外呼。) 1.2.3完成电梯显示功能。1.2.4判断是否到站由时间模拟控制。

2 P LC实现对直流电动机的控制

小功率直流电动机的转速控制方法是先将电动机起动一段时间, 然后切断电源。由于电动机转动具有惯性, 所以将持续转动一段时间。在电动机尚未停止转动之前, 再次接通电源, 于是电动机再次加速。改变电动机通断时间的比例, (占空比) 即可达到调速的目的。

3 电梯模拟控制系统的具体设计过程

3.1 上位机的设计。

可以通过组态王软件与PLC的通信, 组态王与PLC串口的通信。3.2下位机的设计。PLC系统的I/O分配。3.3 PLC在电梯控制系统中的程序设计步骤。作者对三楼电梯的控制采取每层分情况处理的方式。根据电梯在每层受到的不同呼叫, 可以将运行方式分成6种情况。而其中每两种情况由于可以在编程过程中加以优化, 故而可以简化成3种情况。3.3.1电梯在一楼, 三楼内呼或者三楼内呼后二楼再内呼。 (电梯在三楼, 一楼内呼或者一楼内呼后二楼再内呼) 当按下0003 (0001) 时, 当前层HR0与1 (3) 楼比较, 确定在1 (3) 楼, 则2.11 (2.10) 为ON, 电机开始正 (反) 转加速。此时TIM012开始计时, 若不按0002, 则10秒后换TIM011计时, 再过10秒后到达3楼。若中途按下0002, 则开始10秒后, 电梯停止。TIM019计时8秒后电梯继续向上 (下) 走, 10秒后再到达3 (1) 楼。若中途按下0002是在10秒后, 则TIM011不能计时, 电梯直接上3 (1) 楼, 中途不停。以下几种情况都雷同, 不再累述。3.3.2电梯在二楼, 三楼呼叫或者三楼呼叫后一楼再呼叫。 (电梯在二楼, 一楼呼叫或者一楼呼叫后三楼再呼叫) 。3.3.3电梯在一楼, 二楼呼叫或者二楼呼叫后三楼再呼叫 (电梯在三楼, 二楼呼叫或者二楼呼叫后一楼再呼叫) 。

4 结论

本设计的货物电梯功率大、运行平稳。本次设计逻辑关系相对比较简单, 设计过程规模适中、花费时间较长、知识涉及面广。在碰到问题的时候, 通过查阅资料或向单位技术人员请教等方式来解决, 促进了团队协作精神

摘要：针对载货电梯的平滑性、稳定性、高负载性、准确性、高效性等一系列静、动态性能方面进行了分析。

关键词：载货,电梯,直流励磁电动机,PLC,选层

参考文献

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