机电一体化产品电梯设计方案.doc

机电一体化产品-电梯设计方案学院：机械学院班级：10402061 学号：1040206102 姓名：张会波一、设计背景 电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。 电梯的控制是比较复杂的，在计算机诞生前的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展起到了巨大的作用，然而其控制性能于自身的功能已无法满足与适应电梯的控制要求和发展，与plc相比较存在着质的区别。电梯使用继电接触器的时代很难设计出质量优良的电梯控制系统，现在可编程控制器的使用为电梯的控制提供了广阔的空间。plc是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着plc应用技术的不断发展，将是他的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，看干扰性能增强、机械与电气部件被有机的结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能结合在一起。因此，他已经成为电梯运行中的关键技术。二、设计步骤 1、设计目标： 电梯容量：20人/24人电梯速度：2.57m/s 2、 原理方案：（1）电梯功能系统划分 电梯 电气部分 机械部分 安全保护部分电力 电气 轿厢 曳引 导向 门系 重量 限 安 拖动 拖动 系统 系统 系统 统 平衡 速 全系统 系统 系统 器 触 板 电 操 召 位 控 轿 轿 曳 导 曳 导 导 门 导 滑 滑 门 地 对 重 动 纵 唤 置 制 架 厢 引 向 引 轨 靴 轨 轮 块 框 坎 重 量 机 厢 盒 显 柜 体 机 轮 绳 架 装 补 视 置 偿 装 置 （2） 电梯形态学矩阵： 方案数为：n=4*3*3*3*4*2=864 功能元解子功能1234 动力设备行星齿轮曳引机下置式涡轮蜗杆曳引机上置式涡轮蜗杆曳引机无齿轮曳引机电气控制系统欧姆龙c系列三菱f系列富士nb系列驱动直流电机交流电机永磁同步电机承载结构中分门旁开门垂直滑动门铰链门速度控制单向限速器双向限速器（3）方案选择： a.曳引机的选择曳引机是电梯的动力设备，又称电梯主机。功能是输送与传递动力使电梯运行。有齿轮曳引机：拖动装置的动力，通过中间减速器传递到曳引轮上的曳引机。这种曳引机一般用于2.5m/s以下的低中速电梯。无齿轮曳引机：拖动装置的动力，不用中间减速器而是直接传递到曳引机轮上的曳引机。这种曳引机一般用于2.5m/s以上的高速电梯和超高速电梯。数据依据： 人数设定：我国写字楼的平均人员密度标准一般在610/人，本次案按8/人。（根据我国高层写字楼设计探讨，清华大学硕士论文，1996，6祁斌）。办公面积：我国高层办公建筑的办公使用率一般为67%76%，其余为核心筒和走道的面积，本次方案按70%设计估算。（根据建筑师1997，4高层办公建筑标准层与核心的组织）电梯数量主要相关影响因素：电梯容量、电梯速度、办公标准层面积、电梯运行周期、高峰时间运送完毕各竖向分区内的人员所要求的时间等。运行周期=行程/梯速+加速度与减速度允许差+限定时间+乘客进出轿厢时间(2.9s)+每次停站开关门时间（5s）计算结果：运输时段及时间：高峰时段，20分钟运送完毕区域各层人员；电梯容量：20人/24人电梯速度：2.57m/s。在这里选择无齿轮曳引机。b.电气控制系统的选择传统的电梯运行逻辑控制系统采用继电器逻辑控制线路。这种控制线路易出故障、维护不便、运行寿命短、占用空间大等。而由可编程控制器（plc）和微机组成的电梯运行逻辑控制系统可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，已经成为电梯控制的发展方向，期许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。plc技术型号选择电梯控制常用的plc技术型号有欧姆龙c系列,三菱f系列,富士nb1、nb2系列,光洋sr系列等。这些型号原理上大同小异,但产品结构各成体系。各公司的plc技术产品呈系列化,具体型号应根据电梯的具体情况,一般考虑以下几个方面:1)结构：有单元式、模块式、积木式等。单元式i/o结构固定,而模块式i/o点可灵活配置。2)存储量：有1k、2k、4k、8k、32k等。根据程序的复杂程度来选择。3)i/o点数及方式:如欧姆龙c系列单元式的c20为12/8,c40为24/16等。输入分为开关量或模拟量,输出为继电器、可控硅、晶体管等形式。4)工作电压:交流100240v,直流24v等。该电梯系统中设备数量较少，控制任务也不复杂，适合选用小型plc产品。日本欧姆龙公司c系列plc在机床、食品包装机械、印刷机械、电梯、水处理、电站等许多工作领域中成功地取代了继电接触器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。所以该设计系统选用的是日本欧姆龙公司的cpm1a型号plc，该型号plc产品价格低廉而功能强大，且能与个人计算机上位机连接通信，增加了模拟设定电位器功能，这些优点使得它在实际应用中更加得心应手。 c.驱动的选择 交流电机。 d.承载结构的选择 电梯门系统可以分为两种，装在井道入口层站处的为层门，装在轿厢处的为轿厢门。层门和轿厢门按结构形式分为中分门，旁开门，垂直滑动门，铰链门等。中分门主要用于乘客电梯上，旁开门在货梯和病床梯上用的较普遍，垂直滑动门主要用于杂物梯和大型汽车电梯上。铰链门在国内很少见，在国外住宅中采用较多。此处结构选择中分门。e.限速器的选择 限速器的作用是随时监测控制着轿厢的速度，当出现超速度情况时，能及时发出信号，继而产生机械动作切断供电电路，使曳引机制动。如果电梯仍然无法制动则按在轿厢底部的安全钳动作将轿厢强行停止。限速器是指令的发出者，而安全钳是执行者。 本方案中选择双向减速器。3、 结构方案设计: (1) 电梯的构造 电梯是用电力拖动，将具有乘客或载货的轿厢，于垂直的两列刚性导轨之间运送乘客或货物的固定设备。电梯由机械和电气两大系统组成。机械系统由曳引系统、轿厢和对重装置、门系统、机械安全保护系统组成。电梯的安全是电梯最重要的技术指标。电梯的安全设备有：安全窗及其开关、安全钳及其开关、限速器及其开关、限速开关等。安全窗位于轿厢的顶部，供应急情况下疏散乘客，当安全窗打开时，电梯不准运行。安全钳是为了防止电梯曳引钢丝绳断裂及超速运行的机械装置，用以在上述情况下将轿厢夹持在轨道上。限速器是检测电梯运行速度的装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。极限开关、强迫换速开关是电梯位置安全装置，当电梯运行至上下极限位置时仍不停车，上下限开关动作，发出停车信号，若仍不能停车将压下上下强迫停车开关，强制电梯停止运行，若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关切断曳引电机电源，以达到停车的目的，避免电梯出现冲顶或蹲底事故。为了实现轿厢的正常运行及准确停车，井道中往往要安装许多定位装置及安全设备。井道的顶部和底部还设有冲顶及蹲底的缓冲设备。 三楼 hl3 sb3 sq3 二楼 hl2 sb2 sq2 一楼 hl1 sb1 sq1 图1电梯示意图 在一楼、二楼、三楼分别安装指示灯hl1、hl2、hl3,用于显示电梯当前所在的楼层，当电梯到达某楼层时，位于该层的指示灯亮来提示乘客；每个楼层分别安装呼叫按钮sb1、sb2、sb3，用于该楼层的乘客要乘坐电梯时按下用；每个楼层的限位开关sq1、sq2、sq3用于检测电梯的轿厢是否到达该层，到达时，轿厢压下该层的限位开关。在一楼、二楼、三楼分别安装指示灯hl1、hl2、hl3,用于显示电梯当前所在的楼层，当电梯到达某楼层时，位于该层的指示灯亮来提示乘客；每个楼层分别安装呼叫按钮sb1、sb2、sb3，用于该楼层的乘客要乘坐电梯时按下用；每个楼层的限位开关sq1、sq2、sq3用于检测电梯的轿厢是否到达该层，到达时，轿厢压下该层的限位开关。 当电梯停于一楼或二楼时，按下sb3，则电梯上升到sq3时即停止，同时hl3灯亮； 当电梯停于二楼或三楼时，按下sb1，则电梯下降到sq1时即停止，同时hl1灯亮；当电梯停于一楼时，按下sb2，则电梯上升到sq2时即停止，同时hl2灯亮；当电梯停于三楼时，按下sb2，则电梯下降到sq2时即停止，同时hl2灯亮；当电梯停于一楼，而此时二楼、三楼都有人呼叫时，则电梯上升到sq2时，同时hl2灯亮，停5s，然后继续上升到sq3时停止，同时hl3灯亮。 当电梯停于三楼，而一楼、二楼都有人呼叫时，则电梯下降到sq2时，同时hl2灯亮，停5s，然后继续下降到sq1停止，同时hl1灯亮。当电梯上升途中，任何反方向的下降呼叫信号无效；当电梯下降途中，任何反方向的上升呼叫信号无效；每层楼之间的到达时间均应在10s之内，否则电梯停止运行。（2）电梯控制系统的硬件结构电梯控制系统的硬件结构如图2所示。包括按钮编码输入电路、楼层传感器检测电路、发光二极管记忆灯电路、pwm控制直流电机无线调速电路、轿箱开关电路、楼层显示电路及一些其他辅助电路等。为减少plc输入输出点数,采用编码的方式将多个呼叫及指层按钮编码五位二进制码输入plc。 按钮电路 编码器 发光二极管 plc 记忆灯电路 楼层传感器 控 检测电路 制 pwm控制 （霍尔传感器） 器 调速电路 轿厢开关门电路 电梯其他输入 信号 七段数码管楼层 显示电路 图2电梯控制系统硬件结构框图 电梯plc的控制系统和其他类型的电梯控制系统一样主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。图3为电梯plc控制系统的基本结构图，主要硬件包括plc主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。 轿厢操纵盘 厅外呼梯 安全装置 输 输 指层器 入 pc主机 出 井道装置 接 接 调整器 口 cpu存储器 口 拖动控制 图3电梯plc控制系统的基本结构图 4、 plc的i/o通道分配表和i/o接线图 在该系统中plc的i/o端子分配表如表1 设备类型设备器件i/o端子器件作用输入设备sb300002三楼呼应按钮sb200003二楼呼应按钮sb100004一楼呼应按钮sq300005三楼限位开关sq200006二楼限位开关sq100007一楼限位开关输入设备km101000电梯下降接触器km201001电梯上升接触器hl301004三楼指示灯hl201005二楼指示灯hl101006一楼指示灯 根据plc的i/o端子分配表，设计出plc的i/o端子与其控制的外部设备接线图图4所示。系统中，输入设备采用的是直流24v电源，直接由plc机体上的dc24v电源端子取得；输出设备采用的均是交流220v电源，该电源由外部电源供给；另外，plc本身也需要交流220v电源，该电源也由外部电源供给 三、设计总结plc在工业环境中的应用具有独特的优势，因此plc在实现逻辑控制、顺序控制、定时和计数等方面可得到广泛的应用。现就plc在电梯模型控制方面所做的应用研究成果，设计出了满足三层电梯控制的plc控制系统，满足乘客上下楼梯以及货物垂直运输的不便，在实际的应用过程中具有一定的使用价值。 四、参考文献1何兵.电梯工业ol.2006年第3期,38-402吴跃东.电气控制与可编程控制器m.北京：人民邮电出版社，2007，2