毕业设计---基于PLC电梯曳引系统的设计.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目：基于 plc 电梯曳引系统的设 计 专 业： 机电一体化 学生姓名： 准考证号： 029106200931 指导老师：_ 1 毕业设计（论文）时间： 2009年 6月 30日 8月 10日 目录目录 摘要3 前言5 1 电梯设备及电梯发展动态 5 1.1 电梯设备 5 1.1.1 电梯的定义.5 1.1.2 电梯的分类.5 1.1.3 电梯的主要组成部分.5 1.1.4 电梯的安全保护装置.6 1.2 电梯的发展动态 6 2 电梯的 plc 系统的设计7 2.1 可编程控制器 plc 的选择 7 2.1.1 轿箱楼层位置的检测方法.7 2.1.2 plc 的选型.7 2.2 plc 控制系统的设计.7 2.2.1plc 控制系统的基本结构图7 2.2.2 信号控制系统.8 2.3 减速及平层控制 .10 2.4 plc 及在电梯控制中的特点11 2.4.1 plc 的特点11 2.4.2 plc 控制电梯的优点11 3 曳引系统的工作原理与运动分析 .12 3.1 曳引系统的主要设备与装置 .12 3.1.1 曳引机12 3.1.2 曳引轮13 3.1.3 减速器13 3.1.4 联轴器13 3.1.5 曳引钢丝绳的标记方法及其性能要求14 3.2 曳引系统的提升原理 .14 3.2.1 曳引式提升原理14 3.2.2 曳引传动关系14 3.2.3 曳引系统设计的受力分析15 3.3 电梯的曳引能力 .17 3.3.1 曳引系数17 3.3.2 曳引轮绳槽与曳引力的关系18 3.4 包角对曳引力的影响及曳引条件 .18 2 3.4.1 包角对曳引力的影响18 3.4.2 电梯的曳引条件19 3.5 电梯的最大曳引能力和允许轿厢最小自重 .19 3.5.1 电梯的最大曳引能力19 3.5.2 轿厢允许的最小自重19 3.6 对重匹配分析 .19 4 电梯的 plc 和曳引系统的匹配特性 .19 4.1 理想运行曲线的产生 .20 4.2 速度曲线的产生 .20 4.2.1 速度曲线产生方法20 4.2.2 加速给定曲线的产生20 4.2.3 减速制动曲线的产生21 4.3 plc 和曳引系统匹配的设计特点21 4.3.1 主电路 .21 4.3.2 plc 和曳引系统匹配的控制构成22 4.3.3 位移控制电路23 4.3.4 楼层计数24 4.3.5 快速换速24 4.3.6 门区信号26 4.3.7 采用优先队列级26 4.3.8 采用先进先出队列和随机逻辑控制 .27 结论.28 辞谢.29 参考文献.30 3 摘要摘要 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。此外电梯的曳引系统作为动力系统，起着至关重要的作用。在 plc 的控制下，曳引系统带动整个电梯或升或降，使人们的生活更加方便快捷。由 于电梯曳引系统时变性、不确定性、高度非线性等特征，指出电梯常用的普通 pid 控制存在的不足，提出了单神经元自适应 pid 控制的方法。通过计算机仿 真及其在实用电梯上的试验，结果表明基于单神经元自适应 pid 控制的方法， 对提高电梯速度的跟踪性能有较好的作用。模型电梯试验表明这种控制方法结 合电路硬件结构的改变，能使电梯的能量减少损耗 5%左右。 【关键词关键词】 人机交互 变频器 可编程控制器 微机控制装置 曳引系统 动力系 统 abstract along with the urban construction unceasing development, the high-rise construction increases unceasingly, the elevator has the widespread application in the national economy and the life.the elevator took in the high-rise construction the vertical movement transportation vehicle already and peoples daily life is inseparable.in fact the elevator is according to exterior movements and so on calling signal as well as own control rule, but calls is stochastic, the elevator in fact is a man- machine interactive control system, purely cannot satisfy the control request with the sequential control or the logical control, therefore, the elevator control system uses the stochastic logical way control.at present the elevator control generally has selected two methods, one is uses the microcomputer to take the signal control unit, completes the elevator signal gathering, the running status and the function hypothesis, realizes the elevator automatic scheduling and the collection chooses the movement function, the dragging control to complete by the frequency changer; the second control mode 4 chooses the control with the programmable controller (plc) substitution microcomputer realization signal collection.from the control mode and the performance, these two method not too big difference.the domestic factory mostly chooses the second way, its reason lies in the scale of production to be small, own design and the manufacture microcomputer control device cost is high; but the plc reliability is high, the programming convenience is flexible, antijamming ability strong, movement stable reliable and so on characteristics, therefore the present elevator control system widely uses the programmable controller to realize. in addition the elevator haulage system took the dynamic system, is playing the very important role.under the plc control, the haulage system impetus entire elevator either rises or falls, causes peoples life to be more convenient quickly.because time elevator haulage system the denaturation, the uncertainty, characteristics and so on non-linearity, pointed out highly the elevator commonly used ordinary pid control existence the insufficiency, proposed the mononeural originally adapts the pid control method.through the computer simulation and on the practical elevator experiment, finally indicated originally adapts the pid control method based on the mononeural, to enhances the elevator speed the track performance to have the good function.the model elevator experiment indicated this kind of control method union electric circuit hardware architecture the change, can cause the elevator the energy loss to reduce about 5%. 【key word】 man-machine interaction frequency changer programmable controller microcomputer control device haulage system dynamic system 5 前言前言 电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具、是机电一体化的复杂运输设 备。它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电力拖动系统和 土建工程等多个科学领域。目前电梯的生产情况和使用数量已成为一个国家现 代化程度的标志之一。随着现代化城市的高速发展，每天都有大量人流及物流 需要输送。为节约用地和适应经贸事业的发展，一幢幢高楼拔地而起，这些高 层建筑的垂直运输是一个突出问题，与人们的工作和生活紧密相关。 目前，我国国产电梯大部分为继电器及 plc 控制方式，继电器控制系统性 能不稳定、故障率高，大大降低了电梯的舒适性、可靠性和安全性，经常造成 停梯，给乘用人员的生活和工作带来了很多不便，因而传统的电梯控制系统的 更新势在必行；plc（可编程控制器）在电梯控制中得到了广泛的应用。本次 设计主要介绍了 plc 的选型、检测及它的基本结构框图、信号控制图及梯形图 等内容，曳引系统部分介绍了它的基本结构、运动分析及工作原理等内容。 本设计共分四章，第一章主要介绍了电梯设备及其发展动态，第二章介绍 了电梯 plc 的设计，第三章是曳引系统的工作原理及运动分析，第四章为 plc 和曳引系统的匹配特性。通过研究、分析电梯的逻辑关系，进而实现控制。通 过合理的选择和设计，提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感， 使电梯达到了较为理想的控制效果。 1 电梯设备及电梯发展动态电梯设备及电梯发展动态 1.1 电梯设备电梯设备 电梯是把机械和电气合为一体的大型复杂产品，其中机械部分相当于人的 躯体，电气部分相当于人的神经，两者不可分隔。机与电的高度合一，使电梯 成为现代科技的综合产品。 1.1.1 电梯的定义电梯的定义 根据国家标准 gb/t 7024-1997电梯.自动扶梯.自动人行道术语规定，电 梯的定义：服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿箱，运行在至少 两列垂直的或倾斜角度小于 15 度的刚性导轨之间。 1.1.2 电梯的分类电梯的分类 电梯的分类有各式各样: (1)按用途分类有客梯、货梯、医用梯等； (2)按速度分类有低速电梯 1 m/s 以下； 中速电梯 1 -2m/s； 高速电梯 2m/s 以上； 超高速电梯 4m/s 以上； 6 (3)按驱动电源分类 交流电梯 速度一般小于 2m/s； 直流电梯 速度一般大于 2m/s； (4)按控制方式分类 有/无司机控制、群控、有层间控制、简易集选控制、集选 控制等。 1.1.3 电梯的主要组成部分电梯的主要组成部分 其主要组成部分为： (1)曳引部分通常由曳引机和曳引钢丝绳组成。电动机带动曳引机旋转使轿厢上 下运动。 (2)轿厢和厅门轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成;厅门一般有封闭 式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等。 (3)电器设备及控制装置有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按 钮和厅站指示器组成。 (4)其它装置对重装置、补偿装置等。 1.1.4 电梯的安全保护装置电梯的安全保护装置 (1)电磁制动器，装于曳引机轴上，一般采用直流电磁制动器，启动时通电松闸， 停层后断电制动。 (2)强迫减速开关，其分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速 时，轿厢上的撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。 (3)限位开关，当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切 断电源并制动，强迫停车。 (4)行程极限保护开关，当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。 (5)急停按钮，装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源， 电磁制动器制动，电梯紧急停车。 (6)厅门开关，每个厅门都装有门锁开关。仅当厅门关上才允许电梯启动;在运 行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。 (7)关门安全开关，常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触 板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外 还有红外线开关等。 (8)超载开关，当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。 (9)其它的开关，安全窗开关，钢带轮的断带开关等。 1.2 电梯的发展动态电梯的发展动态 电梯从问世到今天已经有 100 多年了，它给人们的生活带来了无尽的便利 与享受，以至于成为了人们生活中不可缺少的一部分。电梯由最早的简陋不安 全、不舒适的升降机发展到今天，经历了无数次改进提高，其技术发展是永无 止境的。综观电梯产品的发展历程，今后还将在以下几个方面有更大的改进和 突破： 1超高速电梯。21 世纪，随着人口数量与可利用土地面积之间的矛盾进一 步激化，将会大力发展多用途、全功能的高层塔式建筑，超高速电梯继续成为 研究的方向。除采用曳引式电梯外，直线电机驱动电梯也会有极大的发展空间。 未来电梯如何保证其安全性、舒适性和安全性也成为了一个研究方向。 2电梯智能群控系统。电梯智能群控系统将基于强大的计算机软硬件资源 7 支持，能适应电梯交通的不确定性、控制目标的多样化、非线性表现等动态特 性。随着智能建筑的发展，电梯的智能群控系统与大楼所有自动化服务设施结 合成整体智能系统，也是电梯技术的发展方向。 3蓝牙技术的应用。蓝牙blue tooth技术是一种全球开放的、短距离 的无线通讯技术规范，它通过短距离无线通讯，把电梯各种电子设备连接起来， 取代纵横交错、繁复凌乱的线路，实现无线成网，将极有效的提高电梯产品的 先进性和可靠性。 4电梯发展更加环保、绿色。要求电梯更加环保节能，减少噪声污染、油 污染和电磁辐射污染，兼容性强，寿命长，电梯中使用的各种原材料包括装 潢材料均为绿色环保型，与建筑物及自然环境搭配协调，人性化程度高，并 尽量使用太阳能和风能等绿色能源，减少对环境的破坏。 5电梯产业将网络化、信息化。电梯控制系统将与网络技术紧密地结合在 一起，用网络把相互分离的再用电梯连接起来，对其运行情况作即时采集并进 行统一监管，统一纳入维保管理系统，快速有效的对故障进行维修；通过电梯 网站进行网上交易，既能够实现电梯采购、配置、招投标等，也可在网上申请 电梯定期检验等工作。 我们相信：以后的电梯将会更加节能、环保、安全、舒适。 2 电梯的电梯的 plc 系统的设计系统的设计 可编程控制器(programmable controller),简称 plc，是采用微电脑技 术制造的通用的自动控制设备。它不但能控制开关量，还能控制模拟量。具有 可靠性高，抗干扰能力强，并具有完成逻辑判断，定时，计数，记忆和算术运 算等功能，可以取代以继电器为主的各种控制设备。实践证明 plc 用于控制电 梯各种操作和处理的信息也是可行的，并得到普遍的推广。 2.1 可编程控制器可编程控制器 plc 的选择的选择 2.1.1 轿箱楼层位置的检测方法轿箱楼层位置的检测方法 主要方法有如下几种: (1)用干簧管磁感应器或其它位置开关:这种方法直观、简单，但由于每层 需使用一个磁感应器，当楼层较高时，会占用 plc 太多的输入点。 (2)利用稳态磁保开关:这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码，在各 种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码，但它是无权代码，进 行运算时需采用 plc 指令译码，比较麻烦，软件译码也使程序变的庞 大。 (3)利用旋转编码器:目前，plc 一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元， 计数准 确，使用方便，因而在电梯 plc 控制系统中，可用编码器测取电梯运行过程 中的准确位置，编码器可直接与 plc 高速脉冲输入端相连，电源也可利用 plc 内置 24v 直流电源，硬件连接可谓简单方便。由以上分析可见，用旋转 8 编码器检测轿厢位置优于其他方法，故本设计采用此法。 2.1.2 plc 的选型的选型 根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数 计数器。又因为电梯是双向运行的，所以 plc 还需具有可逆计数器。综合考 虑后，本设计选择了日本三菱公司生产的 fx 系列机。 fx 系列机具有以下优点: 1 体积极小； 2 先进美观的外部结构； 3 提供多种子系列供用户选用； 4 灵活多变的系统配置； 5 功能强、使用方便。 2.2 plc 控制系统的设计控制系统的设计 2.2.1plc 控制系统的基本结构图控制系统的基本结构图 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 2. 1 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。系统控制核心为 plc 主机，操纵盘、 呼梯盘、井道及安全保护信号通过 plc 输入接口送入 plc，存储在存储器及 召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。 统控制核心为 plc 主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过 plc 输入接口送入 plc，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖 动和门机控制系统发出控制信号。它的基本结构图如下图所示。 图 2.1 电梯 plc 控制系统的基本结构图 2.2.2 信号控制系统信号控制系统 电梯信号控制系统如电梯信号控制基本由 plc 软件实现图 2. 2 所示，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、安全保护信息、旋转编码器光电脉冲、 开关门及限位信号、门区和平层信号等。 9 图 2.2 电梯 plc 信号控制系统框图 为了更清晰的表示出它的各部分的关系，还需要有梯形图，它的梯形图如 2.3 图所示。 10 图 2.3 电梯的梯形图 2.3 减速及平层控制减速及平层控制 电梯的工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率、改善舒适感，要求电 梯能平滑减速至速度为零时，准确平层，即“无速停车抱闸”，不要出现爬行现 象或低速抱闸，即直接停止，要做到这一点关键是准确发出减速信号，在接近 层楼面时按距离精确的自动矫正速度给定曲线。本设计采用旋转编码器检测轿 厢位置，只要电梯一运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，达到与减速 点相应的预制数时即可发出减速命令。不论哪种方式产生的减速命令，由于负 11 载的变化、电 网波动、钢丝绳打滑等，都会使减速过程不符合平层技术要求，为此一般在离 层楼 100-200mm，处需设置一个平层矫正器，以确保平层 的长期准确性。 2.4 plc 及在电梯控制中的特点及在电梯控制中的特点 2.4.1 plc 的特点的特点 plc 是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。 plc 与普通微机一样，以通用或专用 cpu 作为字处理器，实现通道(字)的运算 和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。plc 控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。 (1)可靠性:对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。 a. plc 不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时， 系统的维修简单，维修时间短。 b. plc 采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护， 故障诊断和信息保护及恢复等，提高了 mtbf，降低了 ml tr 使可靠性提高。 c. plc 有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一 般不易发生操作的错误。 d. plc 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控 制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率 大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。 e.在 plc 的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的 元件:采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的 断电保护;对存储器内容的保护等。 f. plc 的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件 滤波;软件自诊断;简化编程语言等。 (2)易操作性，plc 的易操作性表现在下列几个方面: a、操作方便对 plc 的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数 plc 采用 编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型 的 plc，编程器采用了 crt 屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改 程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然 后进行更改。更改的信息可在液晶屏或 crt 上显示。 b、编程方便 plc 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于 梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言时， 十分有助于编程人员的编程。 c、维修方便 plc 具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统 发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位， 以便维修。 (3)灵活性，plc 的灵活性表现在以下几个方面: a.编程的灵活性。plc 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功 能模块和语句描述编程语言，编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。 b.扩展的灵活性。plc 的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规 模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。 c.操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。 2.4.2 plc 控制电梯的优点控制电梯的优点 12 (1)在电梯控制中采用了 plc，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大 大提高。 (2)去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 (3)plc 可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 (4) plc 可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 (5)用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。 (6)更改控制方案时不需改动硬件接线。 3 曳引系统的工作原理与运动分析曳引系统的工作原理与运动分析 3.1 曳引系统的主要设备与装置曳引系统的主要设备与装置 曳引系统主要是由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮和反绳轮等组成，其作用 是向电梯输送与传递动力，使电梯运行。曳引系统是电梯运行的根本，是电梯 中的核心部件。 图 3.1 电梯曳引系统的组成结构 1电动机 2制动器 3减速器 4曳引绳 5导向轮 6绳头组合 7轿厢 8对重 3.1.1 曳引机曳引机 曳引机是电梯的动力源。它是由电动机、制动机、曳引轮、减速器组成， 靠曳引绳与曳引轮的摩擦来实现轿厢运行的驱动装置。曳引机的结构图如图 3.2 所示。 13 图 3.2 曳引机的结构图 1涡轮蜗杆减速器 2减振器 3机座 4电动机 5制动器 6制动电磁铁 7曳引轮 3.1.2 曳引轮曳引轮 曳引轮是曳引机的绳轮，也称驱动轮，它是电梯曳引动力的装置，它即要 承受轿厢的自重，又要承受轿厢载重和对重、钢丝绳、平衡绳索、电缆等重量。 还要通过轮槽与曳引钢丝绳的摩擦产生驱动力。 由于曳引轮要承受轿厢、载重量、对重等装置的全部动静载荷，因此要求 曳引轮强度大、韧性好、耐磨损、耐冲击，所以在材料上多采用 qt600-3a 球 墨铸铁。为了减少曳引钢丝绳在曳引轮绳槽内的磨损，除了选择合适的绳槽槽 型之外，对绳槽的工作表面的粗糙度，硬度有一定的要求。 对曳引轮来说，它的直径要大于钢丝绳直径的 40 倍。在实际中，一般都取 4555 倍，有时还大于 60 倍。它分成两部分，中间为轮筒，外面制成轮圈式绳 槽切削在轮圈上，外轮圈与内轮筒套装，并用铰制螺栓连接在一起，成为一个 曳引轮整体。 3.1.3 减速器减速器 减速器又称减速厢。为了使快速电动机与钢丝绳传动机构的旋转频率协调 一致，需要齿轮曳引机上装置减速器，减速器的结构如图 3.3 所示。 图 3.3 减速器结构示意图 1蜗轮 2轴承 3蜗杆 4密封圈 5下箱体 6轴承盖 7上箱体 8主轴 9轮筒 10曳引轮 11偏心套 12支座 3.1.4 联轴器联轴器 联轴器是连接减速器和曳引电动机的装置，用以传递由一根轴延续到另一 14 根轴上的转距，又是制动器装置的制动轮。 3.1.5 曳引钢丝绳的标记方法及其性能要求曳引钢丝绳的标记方法及其性能要求 曳引钢丝绳也称曳引绳，是电梯上专用的钢丝绳。它是连接轿厢的装置， 并靠曳引机驱动使轿箱升降，它承载着轿厢、对重重量、额定载重量等重量的 总和，其结构如图 3.4 所示。 图 3.4 曳引钢丝绳结构示意图 1绳股 2钢丝 3绳芯 通常钢丝绳的标记为：8x(19)-13-1300 右交 式中 8绳股的数量； x绳股的形式为外粗式； (19)绳股中钢丝根数； 13钢丝绳的公称直径(mm); 1300钢丝绳的抗拉强度(n/mm2); 右交钢丝在绳股中或绳股在绳中为右交捻制方向。 它的性能要求如下： (1)强度 曳引绳的强度用静载安全系数来衡量： k=pn/t 式中 k 为静载安全系数； p 为钢丝绳的破断拉力； n 为钢丝绳的根数； t 作用于轿箱侧钢丝绳上的最大静载荷力。 (2)耐磨性 电梯在运行时，曳引绳与绳槽之间始终存在着一定的滑动，而产生 摩擦，因此要求曳引绳必须有良好的耐磨性，钢丝绳的耐磨性与外层钢丝的粗 度有很大关系，因此采用外粗式钢丝绳，外层钢丝的直径一般小于 0.6mm。. (3)挠性 良好的挠性能减少曳引绳在弯曲时的应力，有利于延长使用寿命， 因此，曳引绳采用纤维芯结构的双挠绳。 3.2 曳引系统的提升原理曳引系统的提升原理 3.2.1 曳引式提升原理曳引式提升原理 在曳引式提升机构中，钢丝绳悬挂在曳引轮绳槽中，一端与轿厢连接，另 一端对重连接。曳引轮在曳引机的驱动下旋转时，利用钢丝绳和曳引轮绳槽之 间产生的摩擦力形成曳引驱动力，带动电梯钢丝绳继而驱动轿厢、对重升降。 15 它有安全可靠、提升高度大、结构紧凑等特点。 3.2.23.2.2 曳引传动关系曳引传动关系 曳引式传动关系如图 3.1 所示。安装在机房的电动机联合减速箱、制动器 等组成曳引机，曳引钢丝绳通过曳引轮连接轿厢和对重装置，轿厢与对重装置 的重力使钢丝绳压紧在曳引轮绳槽内，当曳引电动机驱动曳引轮转动时，钢丝 绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力通过钢丝绳拖动轿厢和对重在井道中沿导轨往复 升降，电梯的功能得以实现。 轿厢与对重的运动是依靠曳引绳和曳引轮之间的摩擦力来实现的，这种力 被称为曳引力。要使电梯运行，曳引力 t 必须大于或等于曳引绳中较大载荷力 p1与较小载荷力 p2之差，即 tp1-p2,如图 3.5 所示。 图 3.5 曳引力与载荷力的关系 曳引力是靠曳引绳与曳引绳轮槽之间的摩擦力产生的，因此必须保证曳引 绳不在曳引轮绳槽中打滑。增加摩擦力的方法如下： （1） 选择形状合适的曳引轮绳槽； （2） 增大曳引绳在曳引轮上的包角； （3） 选择耐磨且摩擦系数大的材料制造曳引轮； （4） 曳引绳不能过度润滑； （5） 使平衡系数为 0.40.5，保证合理的对重重量。 曳引传动能够在对重、轿厢中任一侧触及缓冲器后，曳引力立即消失，保 证电梯不能被继续驱动，进而更加安全可靠。 3.2.33.2.3 曳引系统设计的受力分析曳引系统设计的受力分析 电梯的曳引能力就是曳引绳与曳引轮之间的摩擦力，也叫驱动力，它是通 过曳引绳使轿厢和对重运行的动力。电梯运行时，轿厢会经历启动，加速上行 或下行，匀速运行，减速上行或下行，停车的过程，本身就是一个变化的过程。 曳引力的大小为轿厢侧曳引绳上的载荷力 p1与对重侧曳引绳上的载荷力 p2之差，它的受力分析如下图 3.6 所示。 16 图 3.6 曳引系统受力分析 由图可知，载荷力不仅与轿厢的载重量有关，而且还随电梯的运行阶段和 运行工况而变化，因此曳引力是一个不断变化的力，具体设计计算如下： 1 电梯轿厢上行加速阶段的曳引力 t1 此阶段电梯向上作加速运动，载荷力（p1,p2）受轿厢和对重惯性力的影响， 这时的载荷力为： p1(gq)1ag, p2w1ag 。 曳引力为： t1p1p2gq1agw1ag 。 式中：g轿厢自重kg； q额定载重量kg； w对重重量kg； a电梯加速度ms2； g重力加速度9.8ms2。 2 电梯轿厢稳定上行阶段的曳引力 t2 此阶段电梯匀速运行，无加速度，载荷力p1、p2只与轿厢和对重的重 量有关，这时的载荷力为： p1gq ，p2w； 曳引力为：t2p1p2gqw。 3 电梯轿厢上行减速阶段的曳引力 t3 此阶段电梯减速制动，载荷力p1、p2受轿厢与对重惯性力的影响，但 作用方向与前面加速时相反，这时的载荷力为： p1gq1ag,p2w1ag ； 曳引力为：t3p1p2gq1agw1ag 。 4 电梯轿厢下行加速阶段的曳引力 t4 此阶段电梯向下作加速运动，惯性力的作用方向与上行减速阶段相同，因 此曳引力 t4 与前面 t3 是一样的，即 t4t3gq1agw1ag 。 5 电梯稳定下行阶段的曳引力 t5 此阶段与电梯稳定上行阶段相同，电梯作匀速运动，曳引力 t5 与 t2 相同。 即 17 t5t2gqw。 6 电梯下行减速阶段的曳引力 t6 此阶段电梯惯性力作用方向与上行加速阶段相同，曳引力 t6 与 t1 相同， 即 t6t1gq1agw1ag 。 通过以上分析可知，随着电梯轿厢载重量大小的不同和电梯运行工况阶段的不 同，其曳引力不仅有大小的变化，而且还会出现负值。当曳引力为负值时，表 示力的方向与运行方向相反，力的作用控制电梯的速度。 7 曳引力变化情况分析 曳引力变化情况可用下图 3.7 来说明。 图 3.7 曳引力和曳引力矩分析 当轿厢满载上升时曳引力为正，说明曳引力的作用是驱动轿厢运行，此时 曳引系统的功率流向是：曳引电动机减速箱曳引轮曳引绳轿厢，这时 电梯的曳引系统输出动力，如图 3.7a所示。 当轿厢满载下降时曳引力为负，表明曳引力的作用方向与轿厢运行方向相 反，曳引力是控制轿厢的速度，此时曳引系统的功率流向为：轿厢曳引绳 曳引轮减速箱曳引电动机，这时电梯的曳引系统是在消耗动力，曳引电动 机作发电制动运行，如图 3.7b所示。 当轿厢半载运行时，轿厢上行为驱动状态，轿厢下行为制动状态；当电梯 轻载运行时，轿厢上行为制动状态，轿厢下行为驱动状态。 3.33.3 电梯的曳引能力电梯的曳引能力 3.3.13.3.1 曳引系数曳引系数 电梯轿厢之所以能够被曳引机驱动运行，是通过曳引机通过曳引钢丝绳， 将驱动力传递并作用在轿厢上导致的，而这个驱动力产生的根本是曳引钢丝绳 与曳引轮绳槽之间的摩擦力。根据力学理论，两个互相接触的物体在它们之间 有相对滑动或相对滑动趋势时，总会产生一个与相对滑动方向相反的摩擦力来 阻止这种滑动趋势的出现，这个摩擦力的出现和存在，就形成了电梯运行的曳 引力。所以，为了保证电梯正常安全、经济高效的运行，我们就利用这个摩擦 力的特点来设计。下图是关于曳引力的分析。 18 图 3.8 曳引力分析 图 3.8 为提升过程中电梯曳引钢丝绳的受力简图。在研究曳引力时，为了 能够尽可能的建立简单的物理模型，必须做出一系列的假设。假设曳引钢丝绳 在曳引轮绳槽中处于即将打滑但还未打滑的临界状态，这时曳引钢丝绳悬挂轿 厢侧的拉力为 t1,悬挂对重一侧的拉力为 t2,t1与 t2的关系可用欧拉公式来描述： t1t2efa. 式中：f曳引钢丝绳与曳引绳槽之间的摩擦系数； a包角，曳引钢丝绳与曳引轮相接处的圆弧所对应的圆心角，单位 为弧度； e自然对数底数，e2.71828。 上式中的 efa称为曳引系数，与 f、a 有关。efa越大，说明 t1t2的允许比 值就大，或者说t1t2的值越大，此时的曳引能力越大。曳引能力越大， 载重能力越大，反之曳引能力越小。 3.3.23.3.2 曳引轮绳槽与曳引力的关系曳引轮绳槽与曳引力的关系 曳引力受曳引轮绳槽的形状、材质、表面状态及润滑情况等的影响非常大， 其中最主要是槽的形状和润滑状态两个因素。 1 曳引轮绳槽形状对曳引力的影响 本设计使用的是半圆形槽，由于半圆形槽的摩擦系数较小，因此对曳引绳 槽和曳引绳的摩擦最小，半圆形带切口槽的切口角在 90 度和 100 度之间切不超 过 120 度，切口角越大，曳引能力越大。 2 润滑状态与曳引力的关系 曳引钢丝绳在绕入绕出曳引绳轮槽时，绳外表面与绳槽表面会发生直接的 接触和摩擦；另外，曳引绳在曳引轮槽中不可避免的存在着相对滑移，如果此 时发生摩擦的滑移表面不做润滑处理，两者的磨损速度是惊人的。因此要润滑。 当曳引绳与绳槽存在轻微润滑时，其摩擦系数 f0.090.1；当两者表面 充分润滑时，f0.06；当两者表面基本是干燥状态时，f0.15,由此可见，我 们采用第一种润滑状态。曳引钢丝绳与曳引轮绳槽之间的润滑，通常是依靠钢 丝绳芯部所含的油在运行时被挤出，由内向外润滑钢丝绳各根钢丝，以达到防 锈和内部润滑的目的。钢丝绳表面多余的润滑油应抹干，以免因表面过度润滑 使曳引力降低而导致轿厢打滑失控。 3.43.4 包角对曳引力的影响及曳引条件包角对曳引力的影响及曳引条件 19 3.4.13.4.1 包角对曳引力的影响包角对曳引力的影响 包角是指曳引钢丝绳绕过曳引轮槽时圆弧所对应的圆心角弧度，用 a 表示， 以弧度为单位。包角越大，摩擦力就越大，即曳引力就越大。增大包角，就必 须合理的选择曳引钢丝绳在曳引轮槽内缠绕的方式，本设计采用全绕式，它的 特点是曳引钢丝绳绕曳引轮槽和复绕轮槽后，再经导向轮槽到轿厢和对重，其 包角 aa1a2。 3.4.23.4.2 电梯的曳引条件电梯的曳引条件 根据 gb75882003 的规定：电梯在如下两种工作状态应保证曳引钢丝绳在 曳引轮绳槽中不出现打滑现象：1空载电梯在最高停战处处于上升制动状态 或下降启动状态；2装有 125%额定载荷的电梯，在最低停站处处于下 降制动状态或上升启动状态。 为满足上述曳引条件，设计的曳引系数按下面的公式进行： t1/t2c1c2efa。 式中：t1/t2在载有 125%额定载荷的轿厢位于最低层站及空载轿厢位于最高层 站的情况下，曳引轮两边曳引钢丝绳中的较大静拉力与较小静拉力之比； c1与加速度、减速度有关的动力系数，c1ga/ga,g 是重 力加速度g9.8m/s2,a 为轿厢的制停减速度或启动加速度。 c2与因磨损而发生的绳槽形状改变有关的系数，c21。 3.53.5 电梯的最大曳引能力和允许轿厢最小自重电梯的最大曳引能力和允许轿厢最小自重 3.5.13.5.1 电梯的最大曳引能力电梯的最大曳引能力 在电梯曳引系数 efa已经确定的情况下，设 g 为轿厢自重，q 为额定载重量， 对重重量选择为g0.5q,p 为对应的轿厢提升高度范围内未被平衡的曳引 钢丝绳的重量。电梯的最大曳引能力为 qmax2gefa/c1c2-2g-p。 3.5.23.5.2 轿厢允许的最小自重轿厢允许的最小自重 当空载轿厢位于最高停战处并作上升制动时， t1/t2g0.5qp/g； 当装有 125%额定载荷的轿厢位于最低停战处并作下降制动时， t1/t2g1.25qp/g0.5q。 结合上述两式，轿厢自重 g 越小，则越接近 efa/c1c2；如果轿厢自重 g 小到一定程度时，t1/t2则有可能出现超过 efa/c1c2的情况。当出现此种情 况时，曳引钢丝绳就会在曳引绳槽中出现打滑，所以应有电梯的最小自重。假 设电梯的曳引比为 k,则当 efa/c1c21.5 时，gmin0.5qpk/efa/ c1c2-1。 3.63.6 对重匹配分析对重匹配分析 电梯运行过程中曳引驱动的转矩分析如下： 1 对重重量 w 的计算公式为：wgkq。 式中：w对重重量；g轿厢自重；k电梯平衡系数；q额定载重量。 2 当挂上对重后，作用在曳引轮上的驱动转矩 m 为：mgtwr。 式中：m驱动转矩；t轿厢实际载重量；w对重的重量；r曳引轮半径；g 轿厢自重。 由此对重匹配设计，很大程度上减轻了曳引机的驱动负荷，节省了能源。 20 4 电梯的电梯的 plc 和曳引系统的匹配特性和曳引系统的匹配特性 4.1 理想运行曲线的产生理想运行曲线的产生 根据大量的研究和实验表明,人可接受的最大加速度为 am1.5m/s2, 加速 度变化率 m3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正 弦波形，由于正弦波形加速度曲线实现较为困难，而三角形曲线最大加速度和 在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线，即+m 跳变到- m 或由-m 跳变到+m 的加速度变化率，故很少采用，因梯形曲线容易实现 并且有良好加速度变化率频繁指标，故被广泛采用，采用梯形加速度曲线电梯 的理想运行曲线。 4.2 速度曲线的产生速度曲线的产生 电梯运行的舒适性取决于其运行过程中加速度 a 和加速度变化率 p 的大小， 过大的加速度或加速度变化率会造成乘客的不适感。同时，为保证电梯的运行 效率，a、p 的值不宜过小。能保证 a、p 最佳取值的电梯运行曲线称为电梯的 理想运行曲线。电梯运行的理想曲线应是抛物线-直线综合速度曲线，即电梯的 加、减过程由抛物线和直线构成。电梯给定曲线是否理想，直接影响实际的运 行曲线。 4.2.1 速度曲线产生方法速度曲线产生方法 采用的 fx2-64mr plc，并考虑输入输出点要求增加了 fx-8eyt、fx- 16eyr、fx-8eyr 三个扩展模块和 fx2-40aw 双绞线通信适配器，fx2- 40aw 用于系统串行通信。利用 plc 扩展功能模块 d/a 模块实现速度理想曲线 输出，事先将数字化的理想速度曲线存入 plc 寄存器，程序运行时，通过查表 方式写入 d/a，由 d/a 转换成模拟量后将速度理想曲线输出。其加速度与减速 度的关系的曲线如图 4.1、4.2 所示。 图 4.1 加速度与减速度的三角形曲线图 图 4.2 加减速度的梯形曲线图 v速度曲线 a加速度曲线 v0额定速度 amax最大加速度 ta加速度时间 4.2.2 加速给定曲线的产生加速给定曲线的产生 8 位 d/a 输出 05v/010v，对应数字值为 16 进制数 00ff，共 255 级。若电梯加速时间在 2.53 秒之间。按保守值计算，电梯加速过程中每次查 表的时间间隔不宜超过 10ms。 由于电梯逻辑控制部分程序最大，而 plc 运行采用周期扫描机制，因而采 用通常的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度 21 要求。在 plc 运行过程中，其 cpu 与各设备之间的信息交换、用户程序的执 行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进 行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能 人为改变。通常一个扫描周期，基本要完成六个步骤的工作，包括运行监视、 与编程器交换信息、与数字处理器交换信息、与通讯处理器交换信息、执行用 户程序和输入输出接口服务等。在一个周期内，cpu 对整个用户程序只执行一 遍。这种机制有其方便的一面，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统 对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，最大限度地缩短 cpu 的周期扫 描时间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间最短采取方法。电 梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过 10ms，尽管采取了一些减少程序扫描 时间的办法，但仍无法将扫描时间降到