电梯结构原理及控制系统分析

中国石油大学胜利学院专业综合设计1第一章 绪论随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。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不可分。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC ）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而 PLC 可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。中国石油大学胜利学院专业综合设计2第二章 电梯的结构2.1 电梯的基本结构电梯是机与电紧密结合的复杂产品，是垂直交通运输工具中使用最普遍的一种电梯，其基本组成包括机械部份和电气部份，结构包括四大空间（机房部分、井道和底坑部分、围壁部分和层站部分）和八大系统（曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统）组成。电梯基本结构如图 21 所示：中国石油大学胜利学院专业综合设计3电 梯 的 基 本 结 构 剖 视 图1-减 速 箱 ； 2-曳 引 轮 ；3-曳 引 机 底 座 ； 4-导 向 轮 ；5-限 速 器 ； 6-机 座 ；7-导 轨 支 架 ； 8-曳 引 钢 丝 绳 ；9-开 关 碰 铁 ； 10-紧 急 终 端 开 关 ；11-导 靴 ； 12-轿 架 ；13-轿 门 ； 14-安 全 钳 ；15-导 轨 ； 16-绳 头 组 合 ；17-对 重 ， 18-补 偿 链 ；19-补 偿 链 导 轮 ； 20-张 紧 装 置 ；21-缓 冲 器 ； 22-底 坑 ；23-层 门 ； 24-呼 梯 盒 ；25-层 楼 指 示 灯 ； 26-随 行 电 缆 ；27-轿 壁 ； 28-轿 内 操 纵 箱 ；29-开 门 机 ； 30-井 道 传 感 器 ；31-电 源 开 关 ； 32-控 制 柜 ；33-曳 引 电 机 ； 34-制 动 器图 2-12.1.1 机房部分机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。机房可以设置在井道顶部，也可设置在井道底部。当机房设于井道底部时，即为曳引机下置式曳引方式。这种方式结构复杂，建筑物承重大，对井道尺寸要求大，只有在机房无法顶置时才使用。对于绝大多中国石油大学胜利学院专业综合设计4数电梯，椭均设于井道顶部。机房必须有足够的面积，高度、承重能力及良好的通风条件。组成：总电源控制盒、控制柜、曳引机、导向轮、限速器。2.1.2 井道及底坑部分井道由围壁、顶板及底坑围成一个在纳电梯轿厢和对重的有限空间。为了出人，在每个层站开有入口。井道的底坑深入地面，用于安装缓冲器、限速器、钢丝绳涨紧装置等。由于深人了地面，因此要求防水，最好有排水设施。组成：导轨、导轨支架、对重、缓冲器、限速器张紧装置、补偿链、随行电缆、底坑、井道照明。2.1.3 围壁部分围壁的作用是将电梯与外界分隔开，当导轨架直接安装在围壁上时，它还应承受费切力。围壁的结构分为封闭式和空格式。2.1.4 层站部分层站是各楼层中，电梯停靠的地点。每一层楼，电梯最多只有一个站；但可根据需要在某些层楼不设站。组成：层门（厅门） 、呼梯装置（召唤盒） 、门锁装置、层站开关门装置、层楼显示装置。2.1.5 曳引系统电梯曳引系统的作用是输出动力并且传递动力，从而使电梯完成向上或向下的运动。电梯的曳引系统如图 22 所示：中国石油大学胜利学院专业综合设计5图 2-2 电梯的曳引系统曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。曳引机是电梯的主要拖动机械，它驱动电梯的轿厢和对重装置作上、下运动，是电梯的动力源， 。曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，根据需要，有的曳引机还装有冷却风机、速度反馈装置(光码盘)、惯性轮等。根据电动机与曳引轮之间是否有减速箱，可分为有齿曳引机和无齿曳引机。对于有齿轮曳引机，需在曳引电动机转轴和曳引轮转轴之间安装减速器(箱)，目的是将电动机轴输出的较大转速降低到曳引轮所需的较低转速，同时得到较大的曳引转矩，以适应电梯运行的要求。制动器是电梯的一个重要安全装置，对主动转轴起制动作用。除了安全钳以外，只有它能使工作中的电梯轿厢停止运行，另外它还对轿厢与厅门地坎平层时的准确度起着重要作用。电梯曳引钢丝绳的两端分别与轿厢和对重装置联接，绳承受着电梯全部悬挂重量，且反复弯曲，承受很高的比压，还要频繁承受电梯起动和制动的冲击。因此，对电梯曳引钢丝绳的强度、耐磨性和挠性均有很高的要求。当钢丝绳的绕绳比大于 1 时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。反绳轮的个数中国石油大学胜利学院专业综合设计6可以是 1 个、2 个甚至 3 个，这与曳引比有关。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，将曳引钢丝绳引向对重或轿厢的钢丝绳轮，采用复绕型时还可增加曳引能力。导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。2.1.6 导向系统导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。2.1.7 门系统门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。2.1.8 轿厢轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。组成：轿厢、轿厢门、安全钳装置、平层装置、安全窗、导靴、开门机、轿内操纵箱、指层灯、通讯报警装置。2.1.9 重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引中国石油大学胜利学院专业综合设计7钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。2.1.10 电力拖动系统电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电机相联。调速装置对曳引电机实行调速控制。2.1.11 电气控制系统电气控制系统由操纵装置、控制屏、位置显示装置、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。位置显示装置是指轿内和层站的指层灯。层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。2.1.11 安全保护系统安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用；缓冲器起冲顶和撞底保护作用；还有切断总电源的极限保护等。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。中国石油大学胜利学院专业综合设计8第三章 电梯工作原理3. 电梯系统工作原理电梯的安全保护装置用于电梯的启停控制；轿厢操作盘用于轿厢门的关闭、轿厢需要到达的楼层等的控制；厅外呼叫的主要作用是当有人员进行呼叫时，电梯能够准确达到呼叫位置；指层器用于显示电梯达到的具体位置；拖动控制用于控制电梯的起停、加速、减速等功能；门机控制主要用于控制当电梯达到一定位置后，电梯门应该能够自动打开，或者门外有乘电梯人员要求乘梯时，电梯门应该能够自动打开。电梯控制系统结构图如图 31 所示：CPU存 储 器输出接口PC主 机输入接口轿 厢 操 作 盘 厅 外 呼 叫指 层 器调 整拖 动 控 制门 机 控 制井 道 装 置安 全 保 护装 置图 3-1 电梯控制系统结构图电梯信号控制基本由 PLC 软件实现。输入到 PLC 的控制信号有运行方式选择（如自动、有司机、检修、消防运行方式等） 、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信号、开关门及限位信号、门区和平层信号等。电梯信号控制系统如图 32 所示：中国石油大学胜利学院专业综合设计9输出接口PLC输入接口运 行 方 式 选 择 运 行 控 制 信 号 安 全 保 护 信 号内 指 令 信 号外 指 令 信 号开 关 门 信 号 门 区 平 层 信 号 拖 动 控 制 系 统呼 梯 信 号 指 示楼 层 显 示运 行 方 式 指 示开 关 门 控 制呼 梯 铃图 3-2 电梯信号控制系统中国石油大学胜利学院专业综合设计10第四章 控制系统分析 4.1 继电器控制系统电梯继电器控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。 电梯继电器控制系统存在很多的问题：系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高；普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高，而且检查故障困难，费时费工。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。4.2 计算机控制系统计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。工控机有通用微机应用发展而来，在硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资