毕业设计（论文）-四层垂直升降电梯控制系统设计.doc

毕毕业业设设计计 论论文文 任任务务书书 题目 垂直升降电梯控制系统设计 姓名 学院 机械学院 专业 机械电子 班级 0901 学号 21 指导老师 职称 教研室主任 一 基本任务及要求 1 设计任务 1 硬件 设计垂直升降电梯的控制电路 PLC 控制 启动 停止 正转 反转按键 波段开关 楼层指示灯 定时器 T 按 键控制电梯启 停 正 发转按键控制上下呼叫 波段开关选楼层 2 软件 设计垂直升降电梯的控制程序 电梯抵达楼层指示灯亮 自动延时 5 秒 循环检测楼层呼叫与选层信号 按键控制系统启动 停 上 下移动程序 3 机械结构设计 设计并绘制电梯机械结构装配图 设计参数 电梯 v 1m s a 0 1m s s 层高 3 5m 载重量 1t 2 要求 1 绘制硬件接线框图 电梯系统控制流程框图 电梯机械结构图 2 撰写设计说明书 5 千字 并附程序清单及其功能注释 3 控制程序必须经过调试通过 电梯结构必须有必要的设计计算 二 进度安排及完成时间 1 设计时间 三周 从 2012 年 12 月 3 日至 2012 年 12 月 21 日 2 进度安排 第一周 布置设计任务 补充相关知识 查阅资料 撰写绪论 确定系统组成方案 第二周 电梯结构设计 确定电梯承载能力 电梯机电传动计算 桥厢结构设计 硬件电路设计 选择电气元件 设计系统框图 外部电路接线图 参考顺序控制实验 第三周 软件设计 编写并调试程序 记录存在的问题与解决方法 整理资料 按格式末班撰写设 计说明书 上交设计作业 打印稿及电子文档 并参与答辩 目目 录录 2 第 1 章 绪论 4 2 1 电梯起源 发展及课题研究的背景 4 2 2 PLC 在电梯控制中的应用及发展前景 5 2 3 设计的主要内容 6 第 2 章 电梯的综述 7 2 1 电梯的定义与简介 7 2 2 电梯的主要参数及性能指标 7 2 3 电梯的基本结构及组成部件 10 第 3 章 总体方案设计 12 3 1 总体方案的确定 12 3 2 设计思想 12 3 2 1 控制信号系统 12 3 2 2 电梯控制系统实现的功能 13 第 4 章 机械结构设计 14 4 1 曳引驱动 绕绳方式 曳引力 比压 14 4 2 制动器 选择 制动力计算 20 4 3 钢丝绳及其端接装置 23 4 3 1 钢丝绳的选择与计算 23 4 3 2 曳引绳的端接装置 24 4 4 电梯井道基底坑与围壁部分 24 第 5 章 电梯硬件设计 26 5 1 电梯的 PLC 控制设计分析 26 5 2 电梯的控制要求 26 5 3 可编程控制器机型的选择 28 5 4 输入输出点的分配 29 5 5 PLC 外部接线图 30 5 6 变频器的参数设计及计算 30 5 7 电梯设计流程图 33 第 6 章 电梯软件设计 34 3 6 1 PLC 的编程语言 34 6 2 程序设计常用方法 34 6 3 系统结构框图 36 6 4 梯形图 38 6 4 1 外召唤信号的登记及消除 38 6 4 2 内呼指令的登记及消除 39 6 4 3 平层信号处理 40 6 4 4 选层定向及反向截梯 40 6 4 5 内呼指令外召信号的保持 42 6 4 6 各楼层停车信号 45 6 4 7 自动开关门 46 总 结 48 参考文献 49 第第 1 1 章章 绪论绪论 4 1 1 电梯的起源 发展以及课题研究的背景 追溯电梯的起源 在我国及国外都能找到其雏形 如我国公元前 1700 多年出现的 桔槔 是一种用于提水的升降装置 公元前 1100 多年出现的轱辘 是一种用于提水或 升举重物的升降装置 在古代希腊 于公元前 236 年出现的阿基米德绞车 是一种升 举重物的升降装置 它们的共同特点是都由支架 卷筒 绳索 摇杆 乘物装置几部 分组成的最原始 最简单的升降机械 由木 竹 材料制成 靠人力或畜力驱动在很 低速度下运行 1889 年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力 这才出现名副其实的 电梯 并使电梯趋于实用化 1900 年还出现了第一台自动扶梯 1949 年出现了群控电 梯 首批 4 6 台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用 1955 年出现了小型计算机 真空 管 控制电梯 1962 年美国出现了速度达 8 米 秒的超高速电梯 1963 年一些先进工业 国只成了无触点半导体逻辑控制电梯 1967 年可控硅应用于电梯 使电梯的拖动系统 筒化 性能提高 1971 年集成电路被应用于电梯 第二年又出现了数控电梯 1976 年 微处理机开始用于电梯 使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期 由于早期的电梯及电气控制方式存在故障率较高 可靠性差 接线复杂 一旦完 成不易更改等缺点 所以需要开发一种安全 高效的控制方式 可编程控制器 即 PLC 既保留了传统继电气控制系统的简单易懂 而且具备控制精度高 可靠性好 控 制程序可随工艺改变 易于与计算机接口连接 维修方便等诸多高品质性能 因此 PLC 在电梯控制领域得到了广泛而深入的运用 如今 电梯已成为人们进出高层建筑不可或缺的交通工具 随着时代的发展 科 技的进步 人们对电梯在运行时的平稳性 高速性 准确性 高效性等一系列静 动 态性能提出了更高的要求 电梯今后的发展将主要呈现以下趋势 超高速电梯 大型超 载重电梯用导轨 新型自动扶梯导轨和无机房电梯导轨 此外 人们要求电梯节能 电磁兼容性强 噪声低 长寿命 采用绿色装潢材料 与建筑物协调等 甚至有人设想在大楼顶部的机房利用太阳能作为电梯驱动补充能源 等等 而这些都会对电梯导轨的运行技术不断提出新的要求 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 电梯作为一种较为复杂的机电一全化设备 它由多许机械构件和电子 电气 大 规模集成电路组成的微型计算系统及声 光控制部件所组成 那么电梯到底有哪些功 能呢 我们从按下电梯的按钮到完成电梯的运行并走出电梯轿厢 实际上已包含了电 5 梯的许多功能 如 电梯的定向选层 电梯的起动 加速 稳速运行 到站减速 平 层停车 开关门 还有检修功能 安全保护功能 消防功能 楼层显示等 从电梯控制统的实现方法分 电梯的控制系统经历了继电器控制 可编程序控制 PLC 单片微机控制 多微机控制多种形式 继电器控制系统是 80 年代最广泛的一 种电梯控制方式 有控制逻辑线路简单 直接 易于理解和掌握的优点 但由于该类 系统是由众多继电器 接触器构成 使用一段时间后其接触点往往接触不良 所以电 梯故障高 众多的继电器 接触器动作噪声较大 整个控制柜体积大 随着多微机系 统在电梯控制系统中的应用 电梯控制发生了限大的变化 因为微机在电梯中的应用 不仅取代了大部分继电器和选层器 整个系统更加可靠 灵活性更加提高 功能大增 强了 但微机的集成度高 功能项目固化 一般维修人员及工程人员修改或增加不了 其功能 如要修改或增加其功能要找回生厂家或用专用的工具 可编程序控制器取代 继电器构成的电梯控制系统 可以实现由继电器实现的逻辑控制功能 而且触点少 可靠高 故障率低 维修方便 噪声小最主要的是可编程序控制系统的 可编程 功能 使得当改变电梯的控制功能时 只要更改程序即可 而 PLC 的编程语言需不尽相同 但都有通俗易懂 便于自学的优点一般维修及工程人员都能掌握 PLC 电梯控制系统比 较适用于小高层的楼房 1 2 PLC 在电梯控制中的应用以及发展前景 目前 在电梯的控制方式上 主要有继电器控制 PLC 控制和微型计算机控制三 种 而 PlC 实际上是一种专用计算机 它采用巡回扫描的方式分时处理各项任务 而 且依靠程序运行 这就保证只有正确的程序才能运行 否则电梯不会工作 又由于 PLC 中的内部辅助继电器及保持继电器等实际上是 PLC 系统内存工作单元 即无线圈又无 触点 使用次数不受限制 属无触点运行 因此 它比继电器控制有着明显的优越性 运行寿命更长 工作更加可靠安全 自动化水平更高 PLC 控制是三种控制方式中最具 有可靠性 实用性和灵活性的控制方式 它更适合于用在电梯的技术改造和控制系统 的更新换代 是电梯控制系统中理想的控制新技术 随着科技的进步 电梯也更加安全 舒适 然而 人们的追求并没有就此停止下 来 仍在不断地进行研究改进 绿色是和平 绿色是天然 绿色是和谐 电梯是载人 的机电设备 要实现 绿色 也就是强调电梯更舒适 更安全地为人类的生产和生活 服务 强调电梯与环境的协调与和谐 而且 PLC 控制更加智能化 更加安全 而且与环境的协调和平衡 包括以下几个方面 6 视觉协调 消除电磁辐射 舒适感 对现代化电梯性能的衡量 主要着重于可靠性 安全性和乘坐的舒适性 此外 对经济性 能耗 噪声等级和电磁干扰程度等方面也有相应要求 随着时代的发展 对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内 心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑 因此 提倡对电梯进行豪华性装修 比如 轿厢内用镜面不锈钢装潢 在观光电梯井道设置 宇宙空间或深海景象 进而主张电梯 扶梯应与大自然相协调 在扶梯的周围种植花 草 在轿厢壁和顶棚装饰某些图案甚至是有变化的图案 并且在色彩调配上要令人赏 心悦目 在轿厢内播放优美的音乐 用以减少烦躁 在轿厢内播放电视节目 乘客可 收看天气预报 新闻等 1 3 设计的主要内容设计的主要内容 在电梯的控制中其控制量多 逻辑性强 随机性大是其主要特点 对于 PLC 控制 设计来说 电梯控制系统具有很强的实用性和典型性 研究 分析电梯的逻辑关系 进而实现控制 对于理解和学习 PLC 都具有很好的意义 控制电梯运行的 PLC 系统要求达到电梯运行的 稳 准 快 的运行目的 该系统 主要由 PLC 逻辑控制电路组成 其中包括交流异步电动机 继电器 接触器 行程开 关 按钮 发光指示器和变频器组成为一体的控制系统 本机控制单元采用以西门子 公司的可编程控制器 PLC 对机器进行全过程控制 整个系统通过 PLC 逻辑控制电路对 电梯的开关门 升降 加 减速 平层 起动 制动控制 要求其达到结构简单 运 行效率高 平层精度高 使其能够易于理解与掌握 最后再通过西门子 PLC 调试软件 进行调速 满足设计所需要的要求 7 第 2 章 电梯的综述 2 1 电梯的定义与简介 一种以电动机为动力的垂直升降机 装有箱状吊舱 用于多层建筑乘人或载运货物 也有台阶式 踏步板装在履带上连续运行 俗称自动电梯 服务于规定楼层的固定式升降设备 它具有一个轿厢 运行在至少两列垂直的或 倾斜角小于 15 的刚性导轨之间 轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物 习惯上不论其驱动方式如何 将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称 近几年来 随着国际社会对环保认识的关注 各大电梯公司现在在其电梯表面基 本都采用了粉末涂料喷涂 这是一种新型环保无溶剂的涂料 并且各种性能皆优于油 漆 2 2 电梯的主要参数及性能指标 1 性能指标 1 安全性 电梯时运送乘客的 即使载货电梯通常也有人相伴随 因此对电梯的第一要求就 是安全 电梯的安全与设计 制造 安装调试及检修各环节都有密切联系 任何一个 环节出了问题 都可能造成不安全的隐患 以致造成事故 2 可靠性 电梯的可靠性很重要 如果一部电梯工作起来经常出故障 就会影响人们正常的 生产与生活 给人们造成很大的不便 不可靠也是事故的隐患 常常是不安全的起因 要想提高可靠性 首先应提高构成电梯的各个零部件的可靠性 只有每个零部件都是 可靠的 整个电梯才能使可靠的 3 停站的准确性 停站准确性又称平层准确度 平层精度 GB T10058 1997 电梯技术条件 对轿 厢的平层准确度规定如下 电梯类型额定速度 m s 平层准确度 m s 0 25 或 0 5 15 交流双速电梯 0 75 或 1 0 30 8 交直流快速电梯1 5 2 0 15 交直流高速电梯 2 0 5 电梯轿厢的平层准确度与电梯的额定速度 电梯的负载情况有密切关系 负载重 则惯性大 提速高惯性也大 因此检查平层准确度时 分别以空载 满载 上下运行 到达同一层站停测量平衡误差 取其最大值做平层站的平层准确度 4 振动 噪声及电磁干扰 现代电梯是为乘客创造舒适的生活和工作环境 因侧 要求电梯运行平稳 安静 无电磁干扰 5 舒适感和快速感 电梯作为一种交通工具 对于快速性的要求是必不可少的 快速可以节省时间 这对于快节奏的现代生活中的乘客是很重要的 但是加速度和减速度的过分增大的不 合理变化又会造成乘客的不适感 因此在电梯设计时就要兼顾快速性和舒适感这两个 互相矛盾的因素 6 节能 现代电梯应该合理的选择拖动方式 以达到节能的目的 2 主要参数 1 额定载重量 kg 制造和设计规定的电梯载重量 2 轿厢尺寸 mm 宽 深 高 3 轿厢形式 有单或双面开门及其它特殊要求等 以及对轿顶 轿底 轿壁的处理 颜色的选择 对电风扇 电话的要求等 4 轿门形式 有栅栏门 封闭式中分门 封闭式双拆门 封闭式双拆中分门等 5 开门宽度 mm 轿厢门和厅门完全开启的净宽度 6 开门方向 人在厅外面对厅门 门向左方向的为左开门 门向右方向开启的为右开 门 两扇门分别向左右两边开启者为中开门 也称为中分门 7 曳引方式 常用的有半绕 1 1 吊索法 轿厢的运行速度等于钢丝的运行速度 半 绕 2 1 吊索法 轿厢的运行速度等于钢丝运行速度的一半 全绕 1 1 吊索法 轿厢 的运行速度等于钢丝的运行速度 8 额定速度 m s 制造和设计所规定的电梯运行速度 9 电气控制系统 包括控制方式 拖动系统的形式等 如交流电机拖动或直流电机拖 动 轿内按钮控制或集选控制等 10 停层站数 站 凡在建筑物内各层楼用于出入轿厢的地点均称为站 11 提升高度 mm 由底层端站楼面至层顶端站楼面之间的垂直距离 12 顶层高度 mm 由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之的垂直 距离 电梯的运行速度越快 顶层高度一般越高 9 13 底坑深度 mm 由层底端站楼面至井道底面之间的垂直距离 电梯的运行速度 越快 底坑一般越深 14 井道深度 mm 由井道底面至机房楼房或隔音层楼房板下最突出构件之间的垂 直距离 15 井道尺寸 mm 宽 深 2 3 电梯的结构及组成部件 电梯是机电一体化产品 其机械部分好比是人的躯体 电气部分相当于人的神经 控制部分相当于人的大脑 各部分通过控制部分调度 密切协同 使电梯可靠运行 尽管电梯的品种繁多 但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动 钢丝绳拽引式结构 其机械部分由拽引系统 轿厢和门系统 平衡系统 导向系统以及机械安全保护装置 组成 而电气控制部分由电力拖动系统 运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系 统组成 电梯的基本结构如图 2 1 所示 图 2 1 电梯的基本结构 10 1 控制柜 屏 2 一拽引机 3 拽引钢丝绳 4 限速器 5 限速器钢绳 6 限速器张紧装置 7 轿厢 8 安全钳 9 轿厢门安全触板 10 导轨 11 对重 12 厅门 13 缓冲器 1 拽引系统 电梯拽系统的功能是输出动力和传递动力 驱动电梯运行 主要由拽引机 拽引 钢丝绳 导向轮和反绳轮组成 拽引机为电梯的运行提供动力 由电动机 拽引轮 连轴器 减速箱 和电磁制动器组成 拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重 依靠钢丝 绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降 导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距 采 用复绕型还可以增加拽引力 2 导向系统 导向系统由导轨 导靴和导轨架组成 它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度 使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动 3 门系统 门系统有轿厢门 层门 开门 连动机构等组成 轿厢门设在轿厢入口 由门扇 门导轨架 等组成 层门设在层站入口处 开门机设在轿厢上 是轿厢和层门的动力 源 4 轿厢 轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件 它是有轿厢架和轿厢体组成的 轿厢架是 轿厢体的承重机构 由横梁 立柱 底梁 和斜拉杆等组成 轿厢体由厢底 轿厢壁 轿厢顶以及照明通风装置 轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成 轿厢体空间的大 小由额定载重量和额定客人数决定 5 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额定载重 重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢 丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置 6 电力拖动系统 电力拖动系统由拽引电机 供电系统 速度反馈装置 调速装置等组成 它的作 用是对电梯进行速度控制 拽引电机是电梯的动力源 根据电梯配置可采用交流电机 或者直流电机 供电系统是为电机提供电源的装置 速度反馈系统是为调速系统提供 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连 调速装置对 拽引电机进行速度控制 11 7 电气控制系统 电梯的电气控制系统由控制装置 操纵装置 平层装置 和位置显示装置等部分 组成 其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求 控制电梯的运行 设置在机房中 的控制柜上 操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的 平层装置是发出平层控制信号 使电梯轿厢准确平层的控制装置 所谓平层 是指轿 厢在接近某一楼层的停靠站时 欲使轿厢地坎与厅门地坎达到同一平面的操作 位置 显示装置是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯 厅门指示灯还用尖头 指示电梯的运行方向 8 安全保护系统 安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统 可保护电梯安全的使用 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装置 电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现 12 第 3 章 总体方案设计 3 1 总体方案的确定 本文介绍一种电梯 PLC 控制系统 电梯是垂直方向的运输设备 是高层建筑 中不可缺少的交通运输设备 它靠电力 拖动一个可以载人或物的轿厢 在建筑的井 道内导轨上做垂直升降运动 在人们生活中起着举足轻重的作用 而控制电梯运行的 PLC 系统也要求越来越高 要求达到电梯运行的 稳 准 快 的运行目的 该系统主 要由 PLC 逻辑控制电路组成 其中包括交流异步电动机 继电器 接触器 行程开关 按钮 发光指示器和变频器组成为一体的控制系统 本机控制单元采用以西门子的可 编程控制器 PLC 对机器进行全过程控制 整个系统通过 PLC 逻辑控制电路对电梯的升降 加 减速 平层 起动 制动控 制 其结构简单 运行效率高 平层精度高 易于理解与掌握 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 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 图 3 1 电梯 PLC 控制系统的基本结构图 3 2 设计思想 13 3 2 1 3 2 1 信号控制系统信号控制系统 电梯信号控制基本由 PLC 软件实现 电梯信号控制系统如图 3 2 所示 输入到 PLC 的控制信号有 运行方式选择 如自动 有 无司机 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 图 3 2 电梯 PLC 信号控制系统框图 3 2 2 3 2 2 电梯控制系统实现的功能电梯控制系统实现的功能 电梯的控制系统实现如下功能 1 行车方向由内选信号决定 顺向优先执行 2 行车途中如遇呼梯信号时 顺向截车 反向不截车 3 内选信号 呼梯信号具有记忆功能 执行后解除 4 内选信号 呼梯信号 行车方向 行车楼层位置均由信号灯指示 5 停层时可延时自动开门 手动开门 关门过程中 本层顺向呼梯开门 6 有内选信号时延时自动关门 关门后延时自动行车 7 无内选时延时 5s 自动关门 但不能自动行车 8 行车时不能手动开门或本层呼梯开门 开门不能行车 14 第 4 章 机械结构设计 4 1 曳引驱动 绕绳方式 曳引力 比压 根据电梯使用的不同要求 电梯的驱动可以采用曳引驱动 液压驱动 卷筒驱动 及齿轮齿条 螺杆驱动等方式 现在运用最广泛的是曳引驱动 曳引驱动是采用曳引轮作为驱动部件 钢丝绳悬吊在曳引轮上 一端悬挂轿厢 另一端悬吊对重装置 由钢丝绳和曳引轮槽之间的摩擦力产生曳引力驱动轿厢做上下 运动 一 绕绳方式 电梯曳引钢丝绳的绕绳方式主要取决与曳引机组的位置 轿厢的额定载重量和额定 速度等条件 在选择确定绕绳方式时应考虑有较高的传动效率 合理的能耗以及有利于 钢丝绳使用寿命的延长 特别注意 应尽量减少绳轮数量 避免钢丝绳的反向弯曲 曳引机的位置通常设在井道的上部 或者井道底部的旁侧 或者井道底部的地下室内 前者有利于采用最简单的绕绳方式 可节省电力损耗 减少作用在建筑结构上的载荷 后者 的设置方法是建筑物的支承结构承载大 投资费用多 因此在任何情况下 应尽可能避 免采用这种方案 图 4 1 4 2 是几种典型的绕绳方式 图 4 1 是曳引机上置方式 图 4 2 是曳引 机下置方式 曳引绳挂在曳引轮和导向轮上且曳引绳对曳引轮的最大保教不大于 180 的绕绳方式称为单绕 或称半绕 曳引绳绕曳引轮和导向轮一周后才被引向轿厢和对 重的绕绳方式称为复绕 或称全绕 复绕方式增加了曳引绳在曳引轮上的包角 提高 了摩擦力 一 曳引机上置方式 曳引机组位于井道上部的称为上置式 图 2 1 a 是单绕 钢丝绳倍 1 的绕绳方式 i 图 2 1 b 是单绕 钢丝绳倍 2 的绕绳方式 i 图 2 1 c 是单绕 钢丝绳倍 3 的绕绳方式 i 图 2 1 d 是复绕 钢丝绳倍 1 的绕绳方式 i 图 2 1 e 是单绕 钢丝绳倍 4 的绕绳方式 i 二 曳引机下置方式 曳引机组位于井道底部的旁侧 或者井道底部的地下室的称为下置式 15 图 2 2 a 是单绕 钢丝绳倍 1 的绕绳方式 i 图 2 2 b 是单绕 钢丝绳倍 2 的绕绳方式 i 图 2 2 c 是单绕 钢丝绳倍 2 的绕绳方式 i 图 2 2 d 是复绕 钢丝绳倍 1 的绕绳方式 i a b c d 16 e 图 4 1 曳引机上置的钢丝绳绕绳方式 a b 17 c d 图 4 2 曳引机上置的钢丝绳绕绳方式 因为本设计电梯的载重量和速度都不是很高 通过比较选择如图 4 1 a 的绕 绳方式 这种绕绳方式可以尽量避免钢丝绳的反向弯曲 从而有利于延长钢丝绳的使 用寿命 并且这种绕绳方式的传动效率较高 二 曳引力的计算 以钢丝绳曳引的电梯其轿厢和对重是用曳引钢丝绳绕着曳引轮并且悬挂在曳 引轮上的 利用他们之间的摩擦力使轿厢上下运动 常用的曳引轮绳槽形式有半圆槽 带 切口半圆槽 V 形槽 钢丝绳的缠绕方式分为半绕式 包角小于 180 度 和全绕式 最大 包角可达 330 度 曳引轮直径要大于钢丝绳直径的 40 倍 一般在 45 55 倍之间 取 曳引轮的直径为 650mm 导向轮既用来调整钢丝绳与曳引轮之间的包角大小 也调整轿厢与对重的相对 位置 导向轮用于半绕式时 称为过桥轮 用于全绕式时 称为抗绳式 导向轮和曳引 轮一样 选用耐磨的铸铁 导向轮的绳槽为圆槽 槽深应大于 D 3 D 为钢丝绳直径 槽的圆弧半径比钢丝绳半径放大 1 20 导向轮直径也必须满足钢丝绳直径的 40 倍以 上 其特点为 心轴固定 轮壳中有滚动轴承 心轴两端用 U 型螺钉或心轴座双头螺栓 螺母固定 取导向轮直径 520mm 已知客梯额定载重量为 1000kg 额定速度为 1m s 轿厢系统重量设为 1400Kg 钢丝绳倍率 1 钢丝绳直径为 13mm 钢丝绳的数目为 5 曳引轮的直径为 i 650mm 绳槽形状为带切口的 V 型槽 对重为 G P Q 1400 0 5 1000 1900Kg 平衡系数 0 5 G 对重重量 P 额定自重 1400 Kg Q 额定载重 1000 Kg 如图 4 3 由曳引轮和导向轮的几何位置关系 可计算得到钢丝绳在曳引轮上的包 角 1000 700 tan H l 得 35 180 145 18 当轿厢位于最低层且载有 125 的额定载荷时 图 4 3 T1 T2 1 251000 1400 1900 1 3947 当空载轿厢位于最高层站时 T1 T2 1900 1400 1 3571 因此 后一种工况 T1 T2 比前一种工况要好 因而打滑的危险较小 轿厢的制动减 速度 1 3m s2 则 C1 为 C1 g 0 1 g 0 1 1 0206 g 9 8 对于带切口的 V 型槽 C2 1 按第一种工况验算 T1 T2 C1 C2 1 3947 1 0206 1 1 4234 切口槽的切口角 取 95 摩擦系数 取 0 09 则当量摩擦系数 f 4 0 09 1 sin47 5 95 180 sin95 0 2169 e f e0 2169 145 180 1 7309 所以 T1 T2 C1C2 e f 拽力足够 三 比压计算 最大许用比压为 p 1 25 4v 1 v 12 5 41 0 1 1 0 8 25N mm2 丝绳的最大静张力 T 1000 1400 9 8 5 4704N 切口槽边缘的最大比压 按 95 180 计算 p 8 4704cos47 50 650 13 95 180 sin95 7 5831N mm2 p12f 故满足设计要求 4 3 24 3 2 曳引绳的端接装置曳引绳的端接装置 曳引绳端接装置的的设计应该考虑到 有利于钢丝绳张力的调节 至少有一端的端 接装置是可调的 钢丝绳与端接装置结合处的机械强度至少能承受钢丝绳最小破断载 荷的 80 当钢丝绳的绕绳比为 1 1 时 钢丝绳的一端固定在轿厢架的上梁上 另一端与对 重架连接 其它情况时 钢丝绳必须绕过安装于轿厢架上梁或对重架上的反绳轮 没 跟钢丝绳的悬挂必须是相对独立的 钢丝绳端接装置的形式有 金属或树脂填充的绳套 自锁紧楔形绳套 绳夹 手工编 织捻接接头等 端接装置的均衡调节 通常采用压缩弹簧形式和橡胶缓冲垫形式 目 前用的最多的是弹簧形式 均衡装置除了可调节各根曳引绳的张力外 还有缓冲和减 震作用 为了减少曳引轮槽和钢丝绳的磨损 在安装端接装置后 应调节各钢丝绳的 张力差 使之小于 5 4 4 井道基底坑与围壁部分 6 18 81 9 10001400 8760015 f 25 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 26 第 5 章 电梯硬件设计 5 1 电梯的 PLC 控制设计分析 硬件可分为两部分 输入和输出单元 它门是 PLC 的 I O 接口部分 主要由厅外 呼叫 轿箱内选层 楼层及方向指示 开关门 井道内的上下平层 上下强迫换速开 关 门锁 安全保护继电器等单元构成 1 输入单元为 门厅外按钮与轿箱内选层按钮 负责对预选楼层指令的登记 消除和指示 开关门按钮 控制轿门的开闭 上下平层感应器 用来保证电梯轿箱在各层停靠时准确平层 上下限强迫换速开关 用于保护电梯的高速运行安全 避免电梯出现冲顶或蹲底 事故 当电梯到达上下端站时 装在轿厢边的上下限强迫换速开关打板 信号输入到 PLC PLC 发出换速信号强迫电梯减速运行到平层位置 门锁装置 轿门闭合和各厅门闭合上锁是电梯正常起动运行的前提 安全回路 通常包括轿内急停开关 轿顶内急停开关 安全钳开关 限速器断绳 开关 限速器超速开关 电源开关等 2 输出单元为 楼层及方向指示单元 包括电梯上下行方向指示灯 目前的方向及层楼指示灯 27 开关门接触器 用于控制电梯的厅门和轿门的打开和关闭 在自动定向完成或电 梯平稳停靠后 PLC 给出相关指令 完成开关门动作 启动加速 制动减速接触器 用于电梯的调速系统 5 2 电梯的控制要求 上行要求 1 当电梯停于 1 层或 2 层 或 3 层时 按 S4 按钮呼梯则电梯上升至 LS4 停 2 当电梯停于 1 层 若按 S2 按钮呼梯 则电梯上升 LS2 停 若按 S3 按钮呼梯 则电梯轿箱上升至 LS3 停 3 当电梯停于 2 层 若按 S3 按钮呼梯 则电梯上升到 LS3 停 4 当电梯停于 1 层而 S2 S3 按钮均有人呼梯时 电梯上升到 LS2 暂停 5 秒后继续 上升到 LS3 停 5 当电梯停于 2 层 而 S3 S4 按钮均有人呼梯时 电梯上升到 LS3 暂停 5 秒后继 续上升到 LS4 暂停 6 当电梯 停于 1 层 而 S2 S4 按钮均有人呼梯时 电梯上升到 LS2 暂停 5 秒 后 继续上升到 LS4 停 7 当电梯停于 1 层 而 S3 S4 按钮均有人呼梯时 电梯上升到 LS3 暂停 5 秒后继 续上升到 LS4 停 8 当电梯停于 1 层 而 S2 S3 S4 按钮均有人呼梯时 电梯上升到 LS2 暂停 5 秒 后继续上升到 LS3 暂停 5 秒后继续上升到 LS4 停 下行要求 9 当电梯在 4 层或 3 层或 2 层时 按 S1 呼梯 则电梯下降到 LS1 停 10 当电梯停于 4 层 若按 S3 呼梯 则电梯下降到 LS3 停 若按 S2 呼梯 则电梯 下降到 LS2 停 11 当电梯停于 3 层 若按 S2 按钮呼梯 则电梯下降到 LS2 停止 12 当电梯停于 4 层 而 S2 S3 按钮均有人呼梯时 电梯下降到 LS3 暂停 5 秒后 继续下降至 LS2 停 13 当电梯停于 4 层 而 S3 S1 均有人呼梯时 电梯下降到 LS3 暂停 5 秒 继续 下降到 LS1 停止 14 当电梯停于 4 层 而 S3 S2 S1 按钮均有人呼梯 则电梯下降到 LS3 暂停 5 28 秒继续下降到 LS2 暂停 5 秒后 继续下降到 LS1 停止 15 当电梯停于 3 层 而 S2 S1 按钮均有人呼梯 则电梯下降到 LS2 暂停 5 秒后 继续下降到 LS1 停止 16 当电梯停于 2 层 而 S1 S3 S4 按钮均有人呼梯 则电梯先下降至 LS1 暂停 5 秒后 再上升 17 当电梯停于 3 层 而 S1 S2 S4 按钮均有人呼梯 则电梯先下降至 LS2 暂停 5 秒后 继续下降到 LS1 暂停 5 秒 再上升至 LS4 停止 注 选择方向与运行方向不一致时 呼叫无效 内选同上 位于一层上行的楼层控制流程图 5 1 如下 位于其他楼层上行或者下行时的控 制流程参考上述文字叙述 位于一层 2 3 4层 是否均有人 上2层 停止5s 上3层 停止5s 最后上4层 上2层 停止 5s 再上3层 上2层 停止5s 再上4层 是否2 3层 同时有人 是否2 4层 同时有人 是否3 4层 同时有人 是 上3层 停止5秒 再上4层 是 是 是 否 否 否 是否只有一 层楼层有人 呼电梯 直接上升到 呼叫的楼层 是 否 结束 图 5 1 电梯位于一层时的控制流程图 5 3 可编程控制器机型的选择 为了完成设定的控制任务 主要根据电梯控制方式与输入 输出点数和占用内存的 多少来确定 PLC 的机型 本系统为四层楼的电梯 采用集选控制方式 所需输入 输出 29 点数与内存容量估算如下 1 输入 输出点的估算 采用 PLC 构成四层简易电梯电气控制系统 电梯的上 下行由一台电动机拖动 电动机正转为电梯上升 反转为下降 一层有上升呼叫按钮 K1 和指示灯 H1 二层有上 升呼叫按钮 K2 和指示灯 H2 以及下降呼叫按钮 K4 和指示灯 H4 三层有上升呼叫按钮 K3 和指示灯 H3 以及下降呼叫按钮 K5 和指示灯 H5 四层有下降呼叫按钮 K6 和指示灯 H6 一至四层有到位行程开关 SQ1 SQ4 电梯内有一至四层呼叫按钮 K10 K7 和指示 灯 H10 H7 电梯开门和关门按钮 SB5 和 SB6 电梯开门和关门分别通过电磁铁 KM3 和 KM4 控制 关门到位由行程开关 ST1 检测 开门到位由行程开关 ST2 检测 轿厢上行和 下行由接触器 KM1 和 KM2 控制 并有上行记忆和下行记忆两路指示灯 输入点共有 14 个 输出点共有 16 个 总共 30 个 2 内存容量的估算 用户控制程序所需内存容量与内存利用率 输入 输出点数 用户的程序编写水平 等因素有关 因此 在用户程序编写前只能根据输入 输出点数 控制系统的复杂程度 进行估算 本系统有开关量 I O 总点数有 30 个 模拟量 I O 数为 0 个 利用估算 PLC 内存总容量的计算公式 存字数 开关量 I O 总点数 10 15 模拟量 I O 总点数 150 250 再按 30 左 右预留余量 估算本系统需要约 1K 字节的内存容量 综合 I O 点数以及内存容量 S7 200 的 CPU226 输入 输出点数为 24 16 足以 满足要求 5 4 输入 输出点分配 该系统占用 PLC 的 30 个 I O 口 14 个输入点 16 个输出点 具体的 I O 分配如 表 5 1 所示 表 5 1 I O 分配表 序号名 称输入点序号名 称输出点 0 一层平层 I0 00 电梯上行记忆 Q0 0 1 二层平层 I0 11 电梯下行记忆 Q0 1 2 三层平层 I0 22 电机正转 Q0 2 3 四层平层 I0 33 电机反转 Q0 3 4 内呼一楼 I0 44 内呼一楼指示 Q0 4 30 5 内呼二楼 I0 55 内呼二楼指示 Q0 5 6 内呼三楼 I0 66 内呼三楼指示 Q0 6 7 内呼四楼 I0 77 内呼四楼指示 Q0 7 8 一层外呼上行 I1 08 一层外呼上行指示 Q1 0 9 二层外呼上行 I1 19 二层外呼上行指示 Q1 1 10 三楼外呼上行 I1 210 三楼外呼上行指示 Q1 2 11 二楼外呼下行 I1 311 二楼外呼下行指示 Q1 3 12 三楼外呼下行 I1 412 三楼外呼下行指示 Q1 4 13 四楼外呼下行 I1 513 四楼外呼下行指示 Q1 5 14 手动开门 I2 014 门电机正转 Q1 6 15 手动关门 I2 115 门电机反转 Q1 7 16 开门限位 I2 2 17 关门限位 I2 3 18 电梯上升极限位 I2 4 19 电梯下降极限位 I2 5 5 5 PLC 外部接线图 本设计的 PLC 外部接线图如图 5 2 所示 CPU226CN 的传感器电源 24V DC 可以输出 600mA 电流 通过核算在本设计中 PLC 容量完全满足要求 CPU226CN 的输出继电器触 点容量为 2A 电压范围为 5 30V DC 或 5 250V AC 31 图 5 2 PLC 外部接线图 5 6 变频器参数设置及计算 1 变频器参数设置 由于采用 PLC 作为逻辑控制部件 故变频器和 PLC 通讯时采用开关量而不用模拟 量 参数设置的原则 1 为减小启动冲击及增加调速的舒适感 其速度环的比例系数宜小些 而积分 时间常数宜大些 2 为了提高运行效率 快车频率应选为工频 而爬行频率要尽可能低些 以减 小停车冲击 3 零速一般设置为 0HZ 4 变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入 32 表 5 2 安川 616G5 变频器主要参数设置表 2 变频器自学习功能的应用方法 为了使变频器工作在最佳状态 在完成参数设置后 需使变频器对所驱动的电动 机进行自学习 而 616G5 就具有曳引机参数自学习的功能 其方法是 将曳引机制动轮 与电机轴脱离 使电动机处于空载状态 然后启动电动机 让变频器自动识别并存储 电动机有关参数 变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数 显然 这 一组自学习到的参数 是和变频器匹配的最佳参数 使变频器能对该电动机进行最佳 控制 3 变频器容量计算 变频器的功率可根据曳引机电机功率 电梯运行速度 电梯载重与配重进行选 取 设电梯曳引机电机功率为 P1 电梯运行速度为 v 电梯自重为 w1 电梯载重为 W2 配重为 W3 重力加速度为 g 变频器功率为 P 在最大载重下 电梯上升所需曳引功率 为 P2 P2 W1 W2 W3 g F1 v 4 1 33 其中 F1 K W1 W2 W3 g 为摩擦力 可忽略不计 电机功率 P1 变频器功率 P 应接近于电机功率 P1 相对于 P2 留有较大裕量 可 取 P l 5P2 4 变频器制动电阻参数的计算 由于电梯为位能负载 电梯运行过程中产生再生能量 所以变频调速装置应具有 制动功能 带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网 但 成本太高 采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上 成本较低而 且具有良好的使用效果 能耗制动电阻 R1 的大小应使制动电流 I1 的值不超过变频器额 定电流的一半 即 I1 U0 R1 I 2 4 2 其中 U0 为额定情况下变频器的直流母线电压 由于制动电阻的工作不是连续长期 工作 因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率 34 5 7 电梯设计流程图 根据电梯的工作原理与功能绘制电梯的运行流程图 图 4 3 电梯运行流程图 35 第 6 章 电梯软件设计 6 6 1 1 PLCPLC 的编程语言的编程语言 PLC 提供了功能较为完整的编程语言 以适应 PLC 在工业环境中的应用 利用 PLC 的编程语言 按照不同的控制要求编制不同的控制程序 这相当于设计和改变继电器 控制的硬件接线 也就是所谓的 可编程序 PLC 的编程语言一般有五种 顺序功能图 梯形图 功能块图 指令表和结构文 本 其中 顺序功能图 梯形图 功能块图是图形编程语言 指令表 IL 和结构文本 ST 是文字语言 梯形图 LD 是目前使用最广泛的 PLC 图形编程语言 梯形图与继电 器控制系统的电路图相似 比较易于掌握 程序表达清楚 本系统 PLC 程序的编制采 用梯形图语言 6 6 2 2 程序设计常用方法程序设计常用方法 在工程中 对 PLC 应用程序的设计有多种方法 这些方法的使用 也因各个设计 人员的技术水平和喜好有较大的差异 现将常用的几种应用程序的设计方法简要介绍 如下 1 经验设计法 经验设计法也叫凑试法 在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上 根据被 控对象对控制系统的具体要求 凭经验进行选择 组合 这种方法对于一些简单的控 制系统的设计是比较凑效的 可以收到快速 简单的效果 经验设计法的具体步骤如 下 1 确定输入 输出电器 2 确定输入和输出点的个数 选择 PLC 机型 进行 I O 分配 3 做出系统动作工程流程图 4 选择 PLC 指令并编写程序 5 编写其它控制控制要求的程序 6 将各个环节编写的程序合理地联系起来 即得到一个满足控制要求的程 序 2 逻辑设计法 工业电气控制线路中 有很多是通过继电器等电器元件来实现的 而继电器 交 36 流接触器的触点都只有两种状态即 断开和闭合 因此用 0 和 1 两种取值的逻 辑代数设计电气控制线路是完全可以的 该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计 法进行 PLC 程序的设计 它使用逻辑表达式描述问题 在得出逻辑表达式后 根据逻 辑表达式画出梯形图 3 顺序控制法 对那些按动作的先后顺序进行控制的系统 非常适合使用顺序控制设计法进行编 程 顺序控制法规律性很强 虽然编程相当长 但程序结构清晰 可读性 在用顺序 控制设计法编程时 功能图是很重要的工具 功能图能够