十层电梯PLC控制实验装置控制系统设计

陕西理工学院毕业论文 第 1 页共 44 页 1 1 引引 言言 随着城市建设的不断发展 楼群建筑不断增多 电梯在当今社会的生活中有着广 泛的应用 电梯作为楼群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 大部分电梯控制系统都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 可靠性高等特点 所以现在的电梯控制系统广 泛采用可编程控制器 PLC 来实现 在本次十层电梯实验装置控制系统中 我采用 PLC 构成的控制系统 因 PLC 具有 可靠性高 故障率低 维修方便等优点 PLC 采用三菱 PLC FX 2N 作为十层电梯实 验装置的控制装置 设计的实验装置可以模拟电梯的基本功能 可以进行 PLC 综合实 验和编程模拟 增强对机电一体化的感性认识 陕西理工学院毕业论文 第 2 页共 44 页 1 11 1 设计目的及意义设计目的及意义 用PLC构成电梯控制器主要目的是培养学生综合应用所学课程的基础理论 基本技 能和专业知识的能力 培养学生建立正确的设计思想 掌握工程设计的一般程序 规 范和方法 培养侧重从生产第一线获得生产实际知识和技能的能力 通过课程设计获 得工程技术应用性岗位工作的基本训练 树立正确的生产观点 经济观点和全局观点 实现由学生向工程技术人员的过渡 1 使学生进一步巩固和加深对所学的基础理论 基本技能和专业知识的掌握 使之系统化 综合化 2 培养学生独立工作 独立思考和综合运用所学知识技能 提高解决本专业范 围内的一般工程技术问题的能力 从而扩大 深化所学的专业知识和技能 3 培养学生的设计计算 工程绘图 实验研究 数据处理 查阅文献 计算机 应用 文字表达等基本工作实践能力 使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路 4 培养学生学会调查研究的方法 熟悉有关政策 提高运用国家标准 手册等 工具书的能力 尤其注重培养学生独立获取新知识 新技术和新信息的能力 5 使学生初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想 方法和手段 树立做事 严谨 严肃认真 一丝不苟 实事求是 刻苦钻研 勇于探索 具有创新意识和团结 协作的工作作风 6 培养学生撰写符合规范要求的设计说明书和编写相关技术文件的能力 1 21 2 国内外电梯发展国内外电梯发展现状及发展趋势现状及发展趋势 1 2 11 2 1 国外电梯发展国外电梯发展现状现状 国外电梯行业发展迅猛 不仅在节能上做了很大的功夫 现在在智能化 远程化 集成化 可视化也已有了先进的技术 例如 1 集垂直运输与水平运输的复合运输 系统 该系统采用直线电机驱动 在一个井道内设置多台轿厢 轿厢在计算机导航系 统控制下 可以在轨道网络内交换各自运行路线 该系统节省了井道占用的空间 解 决了超高层建筑电梯钢丝绳和电缆重量太大的问题 尤其适合于具有同一底楼的多塔 形高层建筑群中前往空中大厅的穿梭直驶电梯 2 交流永磁同步无齿轮曳引机驱动 的无机房电梯无机房电梯由于曳引机和控制柜置于井道中 省去了独立机房 节约了 建筑成本 增加了大楼的有效面积 提高了大楼建筑美学的设计自由度 而交流永磁 同步无齿轮曳引机的特点是 A 结构简单紧凑 体积小 重量轻 形状可灵活多样 陕西理工学院毕业论文 第 3 页共 44 页 B 配以变频控制可以实现更大限度的节能 C 没有齿轮 于是没有齿轮振动和 噪声 齿轮效率 齿轮磨损及油润滑问题 减少了维护工作 降低了油污染 D 由 于失电时旋转的电机处于发电制动状态 增加了曳引系统的安全可靠性 3 彩色大 屏幕液晶楼层显示器 这类显示器可以以高分辨率的彩色平面或三维图像显示电梯的 楼层信息 如位置 运行方向 还可以显示实时的载荷 故障状态等 通过控制中心 的设置还可以显示日期 时间 问候语 楼层指南 广告等 甚至还可以与远程计算 机和寻呼系统联接发布天气预报 新闻等 有的显示器又增加了触摸查询功能 该装 置缓解了陌生乘客在轿厢内面对面对视时的尴尬 无趣的局面 降低了乘客乘梯时心 理等待焦虑感 4 电梯远程监控系统 该系统是将控制柜中的信号处理计算机获得 的电梯运行和故障信息通过公共电话网络或专用网络 都需要使用调制解调器 传输 到远程的能够提供可视界面的专业电梯服务中心的计算机 以便那里的服务人员掌握 电梯运行情况 特别是故障情况 该系统一般具有显示故障 分析故障 故障统计与 预测等功能 还有的可实现远程调试与操作 便于维修人员迅速进行维修应答和采取 维修措施 这样缩短了故障处理时间 简化了人工故障检查的劳动 保证了大楼电梯 安全高效地运行 1 2 21 2 2 国内电梯发展国内电梯发展现状现状 中国电梯行业从市场规模上已经有了很大提高 一些自主品牌也逐步提升了自己 的产品质量和技术含量 我国政府提出的节约型社会正好让电梯行业中拥有节能电梯 技术的企业有机会发展 另外 国外用户比以前更多地青睐中国产品也为中国电梯的 崛起提供了机会 目前我国节能电梯技术在某些方面已经达到了国际领先水平 但是 节能电梯的普及率还很低 可节电 30 以上的无齿轮电梯普及率不及 10 可以能源再 生的造能电梯普及率不及 2 因此专家预计 节能电梯市场会在 十一五 期间进入 快速增长期 节能电梯从 2001 年开始进入我国办公楼 住宅楼 酒店等场所 经过 5 年的发展 全国的无齿轮电梯市场从几千台增长到近 6 万台 目前我国已超过日本成 为世界最大的新装电梯市场 由于房地产业 城市公共建设等产业发展迅速 预计未 来 10 年 我国的电梯市场仍将保持每年 20 的递增速度 年平均销售额至少 500 亿美 元 房地产市场快速发展 对电梯的需求继续扩大 专家估计未来 50 年我国新增住房 面积将达到 200 亿平方米 目前国家规定 20 米以上高楼就应安装电梯 因此未来电梯 最大的市场就是住宅市场 此外 机场 商场 地铁等大型公共设施建设对自动扶梯 观光电梯等电梯的需求量也十分可观 西部地区的小城镇建设速度加快 东部地区城 市化经过 20 年的发展 有些发达地区城市化水平已达到 80 基本饱和 甚至出现了 陕西理工学院毕业论文 第 4 页共 44 页 逆城市化的趋势 而近年来西部地区国民生产总值的增长速度 已经与电梯需求高速 发展所需的 GDP 水平相吻合 电梯更新进入高峰期 虽然国家对电梯寿命目前没有提 出强制标准 但是按国外电梯使用寿命的惯例 一般日本系列电梯设计寿命为 15 年 欧美电梯设计寿命为 25 年 根据我国电梯选购的实际情况 采用日本系列产品或技术 的比例大约有 60 以上 国内在 1990 年前安装的日系电梯已经全部到了更新期 而且 1990 年以前的电梯生产技术相对比较落后 电梯的耗电水平是现在节能电梯的三到四 倍 按电梯使用寿命及 15 年前电梯安装数量看 预计 2007 年将有 15000 至 20000 台 电梯需要更新 电梯节能潜力巨大 电梯和空调被认为大型建筑两大耗能大户 据了 解 目前我国星级酒店每平方米平均年耗电量为 150 千瓦时 一座 3 万 5 万平方米的 星级酒店 其年总能耗大约相当于 3000 至 4000 吨标准煤 其中将近一半用于电梯供 电 电梯行业协会统计 2005 年在我国所有使用的电梯中如果有 80 采用节能电梯 全年可以节约耗电 122 亿千瓦时 如果 2015 年全部采用节能电梯 将节电 800 亿千瓦 时 几乎等于三峡大坝一年的发电量 1 2 31 2 3 电梯技术发展趋势电梯技术发展趋势 1 环保 绿色理念是电梯发展总趋势 有专家预言 谁最先推出绿色产品并抢 占市场 谁就掌握市场竞争主动权 发展趋势主要有 不断改进产品的设计 生产 环保型低能耗 低噪声 无漏油 无漏水 无电磁干扰 无井道导轨油渍污染的电梯 电梯曳引采用尼龙合成纤维曳引绳 钢皮带等无润滑油污染曳引方式 电梯装璜将采 用无 少 环境污染材料 电梯空载上升和满载下行电机再生发电回收技术 安装电 梯将无需安装手脚架 电梯零件在生产和使用过程中对环境没有影响 如刹车皮一定 不能使用石棉 并且材料是可以回收的 2 蓝牙技术在电梯上应用 安装过电梯的人都知道放线 对线是费时 费力 极容易错的工作 如果控制屏与召唤系统通过蓝牙技术连接起来实现无线召唤将会是 电梯控制的另一场革命同时为我们带来巨大好处 A 安装期将减少 30 以上 其直接 好处是降低安装成本 客户也因从订梯到使用电梯周期费用减少和提高现金周转率 B 在电梯上使用蓝牙技术一定会使电梯控制系统大量使用最新最快微机 这将会进一步 提高电梯整机可靠性 故障率大大降低 控制精度也进一步提高 带来的结果是电梯 更加舒适 平层更加准确 C 很好地解决了电梯控制与外围设备的兼容和联系 特别是 可以把电梯和扶梯归纳到大楼管理系统或智能化管理小区系统中 据国外有关资料介绍 公元前 2800 年在古代埃及 为了建筑当时的金字塔 曾使 用过由人力驱动的升降机械 公元 1765 年瓦特发明了蒸汽机后 1858 年美国研制出以 陕西理工学院毕业论文 第 5 页共 44 页 蒸汽为动力 并通过带传动和蜗轮减速装置驱动的电梯 1878 年英国的阿姆斯特朗发 明了水压梯 并随着水压梯的发展 淘汰了蒸汽梯 后来又出现了液压泵和控制阀以 及直接柱塞式和侧柱塞式结构的液压梯 这种液压梯至今仍为人们所采用 但是 电梯得以兴盛发展的根本原因在于采用了电力作为动力来源 18 世纪末发 明了电机 并随着电机技术的发展 19 世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作 动力的交流电梯 特别是交流双速电动机的出现 显著改善了电梯的工作性能 在 20 世纪初 美国奥的斯电梯公司首先使用直流电动机作为动力 生产出以槽轮式驱动的 直流电梯 从而为后来的高速度 高行程电梯的发展奠定了基础 20 世纪 30 年代美国 纽约市的 102 层摩天大楼建成 美国奥的斯电梯公司为这座大楼制造和安装了 74 台速 度为 6 0m s 的电梯 从此以后 电梯这个产品 一直在日新月异地发展着 目前的电 梯产品 不但规格品种多 自动化程度高 而且安全可靠 乘坐舒适 随着电子工业 的发展 可编程序控制器 PLC 和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中去 后 电梯产品的质量和运行效果显著提高 1 31 3 PLCPLC控制发展现状及发展趋势控制发展现状及发展趋势 1 3 11 3 1 PLCPLC 控制发展现状控制发展现状 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司 DEC 研制的 限于当时 的元器件条件及计算机发展水平 早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组 成 可以完成简单的逻辑控制及定时 计数功能 20 世纪 70 年代初出现了微处理器 人们很快将其引入可编程控制器 使 PLC 增加了运算 数据传送及处理等功能 完成 了真正具有计算机特征的工业控制装置 为了方便熟悉继电器 接触器系统的工程技 术人员使用 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 并 将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名 此时的 PLC 为微机技术和继电 器常规控制概念相结合的产物 20 世纪 70 年代中末期 可编程控制器进入实用化发展阶段 计算机技术已全面引 入可编程控制器中 使其功能发生了飞跃 更高的运算速度 超小型体积 更可靠的 工业抗干扰设计 模拟量运算 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位 20 世纪 80 年代初 可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用 这个时期可编程 控制器发展的特点是大规模 高速度 高性能 产品系列化 这个阶段的另一个特点 是世界上生产可编程控制器的国家日益增多 产量日益上升 这标志着可编程控制器 陕西理工学院毕业论文 第 6 页共 44 页 已步入成熟阶段 20 世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 从控制规 模上来说 这个时期发展了大型机和超小型机 从控制能力上来说 诞生了各种各样 的特殊功能单元 用于压力 温度 转速 位移等各式各样的控制场合 从产品的配 套能力来说 生产了各种人机界面单元 通信单元 使应用可编程控制器的工业控制 设备的配套更加容易 目前 可编程控制器在机械制造 石油化工 冶金钢铁 汽车 轻工业等领域的应用都得到了长足的发展 我国可编程控制器的引进 应用 研制 生产是伴随着改革开放开始的 最初是 在引进设备中大量使用了可编程控制器 接下来在各种企业的生产设备及产品中不断 扩大了 PLC 的应用 目前 我国自己已可以生产中小型可编程控制器 上海东屋电气 有限公司生产的 CF 系列 杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列 大连组合机床研究所 生产的 S 系列 苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在 工业产品中获得了应用 此外 无锡华光公司 上海乡岛公司等中外合资企业也是我 国比较著名的 PLC 生产厂家 可以预期 随着我国现代化进程的深入 PLC 在我国将有 更广阔的应用天地 1 3 21 3 2 PLCPLC 控制发展趋势控制发展趋势 1 1 向高速度 大容量方向发展 向高速度 大容量方向发展 为了提高 PLC 的处理能力 要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量 目 前 有的 PLC 的扫描速度可达 0 1ms k 步左右 PLC 的扫描速度已成为很重要的一个性 能指标 2 2 向超大型 超小型两个方向发展 向超大型 超小型两个方向发展 当前中小型 PLC 比较多 为了适应市场的多种需要 今后 PLC 要向多品种方向发 展 特别是向超大型和超小型两个方向发展 现已有 I O 点数达 14336 点的超大型 PLC 其使用 32 位微处理器 多 CPU 并行工作和大容量存储器 功能强 3 3 PLCPLC 大力开发智能模块 加强联网通信能力大力开发智能模块 加强联网通信能力 为满足各种自动化控制系统的要求 近年来不断开发出许多功能模块 如高速计 数模块 温度控制模块 远程 I O 模块 通信和人机接口模块等 这些带 CPU 和存储 器的智能 I O 模块 既扩展了 PLC 功能 又使用灵活方便 扩大了 PLC 应用范围 4 4 增强外部故障的检测与处理能力 增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明 在 PLC 控制系统的故障中 CPU 占 5 I O 接口占 15 输入 设备占 45 输出设备占 30 线路占 5 前二项共 20 故障属于 PLC 的内部故障 它 陕西理工学院毕业论文 第 7 页共 44 页 可通过 PLC 本身的软 硬件实现检测 处理 而其余 80 的故障属于 PLC 的外部故障 因此 PLC 生产厂家都致力于研制 发展用于检测外部故障的专用智能模块 进一步提 高系统的可靠性 5 5 编程语言多样化 编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时 PLC的编程语言也越来越丰富 功能也不断提高 除了大多数PLC使用的梯形图语言外 为了适应各种控制要求 出现了面向顺序控制的 步进编程语言 面向过程控制的流程图语言 与计算机兼容的高级语言 BASIC C语 言等 等 多种编程语言的并存 互补与发展是PLC进步的一种趋势 1 41 4 设计任务设计任务 1 了解本课题目前相关情况 完成开题报告和英文资料翻译 2 十层电梯 PLC 控制实验装置总体设计 对实验装置总体方案和布局进行研究 绘制总体布局图 1 张 A0 3 十层电梯 PLC 控制实验装置机械设计 绘制机械部分装配图 A0 4 十层电梯 PLC 控制实验装置控制系统设计 对软件系统梯形图 控制程序研究 设计 绘制 I O 接 线图 1 张 梯形图 1 张 编写控制程序 5 编写设计说明书1份 字数满足教研室要求 1 51 5 功能描述功能描述 我设计的电梯实验装置有如下功能 1 记忆呼梯信号功能 2 确定电梯运行方向功能 3 响应顺向呼梯信号 并到层后消除对应的呼梯信号功能 4 当轿厢到达指定的楼层时 楼层指示灯闪烁 表示电梯门处于打开状态 闪烁 时间为 3S 5 互锁 上下限位保护功能 6 显示轿厢所处的楼层位置 显示呼梯信号 7 自动开 关门功能 1 6 设计的重点与难点 陕西理工学院毕业论文 第 8 页共 44 页 1 设计的电梯实验装置 基本结构是什么 尺寸参数如何确定 2 设计的电梯实验装置 动力源参数如何确定 4 设计的电梯实验装置 轿厢开关门机构与层门开关门机构是本次设计电梯模型 的重点也是难点 如何设计 5 设计的电梯实验装置 变频器如何选用 6 设计的电梯实验装置 PLC 控制程序梯形图是本次设计电梯模型的重点也是难 点 如何设计 1 7 设计方案 1 7 1 电梯实验装置设计方案一 如图 1 7 1 图 1 7 1 电梯的工作原理 由图可见 带悬挂在曳引轮上 一端与轿厢连接 另一端与对 重连接 随曳引轮的转动 靠带与曳引轮之间的摩擦力 使轿厢与对重做一升一降的 相反运动 方案分析 优点 1 带能缓和冲击 2 电梯运行平稳 无噪声 3 制造和安装容易 缺点 1 在传动过程中容易打滑 2 电梯不能自锁 3 电梯转动比不能保证 陕西理工学院毕业论文 第 9 页共 44 页 本次电梯实验装置设计我采用方案一 1 7 2 电梯实验装置设计方案二 如图 1 7 2 图 1 7 2 电梯的工作原理 由图可见 带悬挂在曳引轮上 一端与轿厢连接 另一端与对 重连接 随曳引轮的转动 靠带与曳引轮之间的摩擦力 使轿厢与对重做一升一降的 相反运动 方案分析 优点 1 带能缓和冲击 2 电梯运行平稳 无噪声 3 制造和安装容易 缺点 1 在传动过程中容易打滑 2 电梯不能自锁 3 电梯转动比不能保证 1 7 3 电梯实验装置设计方案三 如图 1 7 3 陕西理工学院毕业论文 第 10 页共 44 页 图 1 7 3 电梯的工作原理 电机轴与丝杠相连 轿厢在丝杠上 电机带动丝杠作正传与反 转 厢对应上升与下降 方案分析 优点 1 电梯轿厢在不运行时 在丝杠中可以自锁 2 电梯运行过程中传动平稳 缺点 1 丝杠制造困难 价格高 2 安装复杂 1 7 4 电梯实验装置设计方案四 如图 1 7 4 陕西理工学院毕业论文 第 11 页共 44 页 图 1 7 4 电梯的工作原理 通过液压动力源把油压入液压缸 使柱塞向上 直接或间接地 作用在轿厢上 使轿厢上升 轿厢的下降一般靠轿厢的自重使液压缸内的油返回邮箱 中 方案分析 优点 1 提升载荷大 运行速度低 缺点 1 液压泵噪声大 2 运行状态会受油温变化的影响 运行速度有波动 3 液压电梯所需的功率比同规格电梯高 4 使用油液 电梯工作环境有油液污染 5 制造困难 造价高 6 这种电梯使用的地方少见 与日常见得电梯结构不同 使学生不能对日常见得 电梯的工作原理能很好的理解 1 7 5 电梯实验装置设计方案五 如图 1 7 5 陕西理工学院毕业论文 第 12 页共 44 页 图 1 7 5 电梯的工作原理 由图可见 轿厢上装有电机与齿轮 齿轮沿导轨可运动 电机 带动齿轮正转 轿厢对应上升 轿厢下降依靠自重而实现 方案分析 缺点 1 导轨制造复杂 造价高 2 导轨与齿轮安装与调试复杂 3 制动困难 陕西理工学院毕业论文 第 13 页共 44 页 2 总体设计 2 1 总体布局 十层电梯PLC控制实验装置主要有以下三大部分组成 总体布局如图2 1所示 1 模拟结构有 支架 井道 机房 底坑 厅门 2 机械结构有 曳引机 轿厢及导向装置 对重及导向装置 导轨 行程开关等 3 电气控制系统有 操纵及显示装置 变频调速器 PLC 编程器等 陕西理工学院毕业论文 第 14 页共 44 页 图2 1 总体布局图 说明 1 曳引轮系统 2 导向系统 3 曳引绳 4 支架 5 井道 6 对重 7 对重导向绳 8 轿厢导向绳 9 轿厢 2 2 总参数确定 电梯总高 1240mm 井道尺寸为 160mm 160mm 1130mm 支架尺寸为 20mm 20mm 1240mm 机房尺寸为 160mm 160mm 100mm 轿厢尺寸为 120mm 120mm 80mm 陕西理工学院毕业论文 第 15 页共 44 页 对重尺寸为 140mm 30mm 73mm 轿厢门尺寸为 25mm 2mm 78mm 缓冲器高度为 25mm 曳引轮直径 60mm 导向轮直径 30mm 开门转轮直径 60mm 曳引钢丝绳直径 4mm 导向钢丝绳直径 3mm 连杆宽度 5mm 每层楼高度 90mm 每层楼厚度 10mm 2 3 控制动作与装置描述 2 3 1 电梯控制动作描述 1 电机带动曳引轮转动 用PLC程序控制实现电机正反转 则轿厢对应上升或下 降 模型电梯每层均装有行程开关 其中第一 十层为单向行程开关 其余层为双向 行程开关 在轿厢升降运行过程中 轿厢左侧下部有一个压块 当压块碰到楼层行程 开关 行程开关闭合 给PLC的输入端一个输入信号 由PLC程序确定电梯到达相应的 楼层号 是否在该层停留 要根据模拟的楼层与轿厢内外乘客输入指令的要求 由程 序判断确定执行 2 电梯开始起动 通过变频器驱动电机拖动轿箱运动 轿箱运动速度由低速转变 为中速再转变为高速 并以高速运行至目标层 并且遵守或一直向上 或一直向下的 原则 3 当电梯检测到目标层减速点后 电梯进入减速状态 由高速变为低速 并以低 速运行至平层点停止 4 平层后 经过一定延时开门 直至碰到开门到位行程开关 再经过一定延时后 关门 直到安全触板开关动作 规定在运行方向确定之后 不响应中途的反向呼唤要求 直到到达本方向的最远 站点才开始返回 2 3 2 电梯装置描述 1 由于电梯要求做到电机停则轿厢停 这在实际中应有制动装置 我的模型电梯 运动机构是滑轮机构 没有制动装置 电机停后 轿厢将由于自重而下降 为了解决 这一问题 我采用对重结构 根据轿厢重量配一个对重 使其重量与轿厢相等 基本 上实现电机停则轿厢停 对重通过绳子和轿厢连接 悬挂于曳引轮上 曳引绳可选用 钢丝绳或圆形带 为避免轿厢运行中与对重在空间上发生干涉 用两根钢丝在对重俩 陕西理工学院毕业论文 第 16 页共 44 页 侧垂直穿过平衡块作为导轨 钢丝拉直后 两端通过螺栓固定在支架上 为了保证轿厢 在上 下行过程中不致于走偏 用两根钢丝在轿厢俩侧垂直穿过轿厢作为导轨 钢丝拉 直后 两端通过螺栓固定在支架上 轿厢 对重可在钢丝上下移动 2 行程开关采用KW12型微动开关 十个楼层行程开关分别固定在合适位置 由于 第二层到第九层需要双向开关 我们将单向行程开关接触簧片加长并弯曲成弧形 成 功地实现了轿厢上升 下降双向控制 3 电梯模型支架结构采用铝合金成形材料 为了便于观察电梯的运行 支架窗口 可选用厚度为5 mm无色透明的有机玻璃用氯仿粘结而成 曳引方式为半绕l l吊索法 整个模型电梯的重量很轻 接口处均采用螺栓固定 以保证整体结构稳固 4 轿厢可选用厚度2 mm的无色透明有机玻璃或采用铝合金材料制作而成 轿厢门 采用双扇中开式 由交流电机拖动 当电梯运行到位后 碰到开门行程开关 自动或 手动开门 碰到关门行程开关 将自动或手动关门 5 对重可选用45号钢或铝合金制作 缓冲器可采用海棉安装在底坑底部 曳引轮 导向轮 开门转轮可选用45号钢或铝合金制作 为了便于操作 操纵箱可安装在电 梯底座中 2 4 电梯的升降控制互锁设计 电梯的轿箱由一个220V交流电机拖动 并由PLC的Y13和Y17分别控制电梯轿箱的升 降 尽管在PLC编程时 Y13与Y17进行互锁 但是为了防止意外而造成电源短路 在外 部硬件上进行了互锁设计 即使用弹簧继电器J1和J2进行互锁 如图3 3所示 从而避 免发生电源短路事故 具体实现过程 输出点Y13闭合 继电器J1线圈得电 使220V交 流电源正接到交流电机上 此时交流电机正向转动 即电梯轿箱上升 输出点Y17闭合 继电器J2的线圈得电 使220V交流电源反接到交流电机上 此时交流电机反向转动 即电梯轿箱下降 如图2 4 陕西理工学院毕业论文 第 17 页共 44 页 图2 4 电梯升降互锁控制原理图 2 5 输入按钮开关及输出装置 2 5 1电梯输入按钮开关 1 轿内楼层指令按钮 每一层各有一个 2 门厅呼唤按钮 顶层只有下呼和底层只有上呼按钮 中间层有上 下呼按钮 3 楼层行程开关 位于井道每 层的相应位置上 当轿厢到达每一层的相应位置 时 楼层行程开关闭合 该触点信号用于选层 选向 轿内指令 厅门召唤的消号和 指层 4 开关门 轿厢门开门 关门限位开关 手动开门 关门按钮 2 5 2 电梯输出装置 1 上行接触器 2 下行接触器 3 开门接触器 4 关门接触器 5 楼层 指示灯 2 6 曳引电机的选择 2 6 1 电机的选用原则 尽量使电动机在额定负载下运行 1 根据电动机的种类选交流或直流 及其维护与价格 2 根据负载的性质及其对电动机的起动 反转 调速有级无级等要求 3 根据负载转矩 转速变化范围和起 制动频繁程度等要求 4 根据考虑电动机的温升限制 过载能力 起动转矩及起动电流的限制 陕西理工学院毕业论文 第 18 页共 44 页 5 根据以及工作环境条件等诸多因素 6 最后合理选择电动机的功率 工作制 防护结构型式 注意 1 如果电动机功率选得过小 就会出现 小马拉大车 现象 造成电动机长期 过载 使其绝缘因发热 而损坏 甚至电动机被烧毁 2 如果电动机功率选得过大 就会出现 大马拉小车 现象 其输出机械功率不能 得到充分利用 功 率因数和效率都不高 不但对用户和电网不利 而且还会造成电能浪费 交流 ND 系列可逆电动机 2 6 2 电机介绍如下 1 ND 系列可逆电动机分为 ND 74ND04 74ND06 74 ND06T 四种输出功率为 1 8W 6W 出轴转速为 0 85 77r m in 允许负载为 1 5 15Kg cm 电机如右图所示 2 电机具有结构简单 转向可逆 运行可靠 使用 方便 能正 反向频繁起动 在低速运转中作驱动元件 3 减速器有较强的抗冲击能力 4 适用于各类控制仪表 舞台灯光 塑封 自动调压 电 动窗帘等等 技术参数如下 减速器出轴转速 rpm 和允许负载 kg cm 产品型 号 额定电压 V 频 率 Hz 额定电流 mA 输出 功率 W 电容 F 7755403022159 4 5 2 4 ND 并接127 0 190 50 90 0 130 1 81 ND 串接 22050901 81 5 11 5222 5 2 5 333 陕西理工学院毕业论文 第 19 页共 44 页 74ND04220507040 55 3 3 4 7 5 6 7 1 1015 15 15 74ND06220508060 74 9 6 9 8 4 111515 15 表 2 6 2 电机型号表 接线图如下 电机外型及安装尺寸如下 陕西理工学院毕业论文 第 20 页共 44 页 2 6 3 电机的功率计算 设计参数确定 设定轿厢行驶的线速度为 0 02m s 开门线速度为0 02m s 1 带传动时的力分析 由于带与带轮接触面间摩擦力的作用 带进入主动轮的一 边被拉紧 即紧边 另一边则被看做是松边 紧边与松边之间的拉力差就是有效拉力 即圆周力 2 带静止时的力分析 带静止时 带紧套在再带轮上 带轮俩边的拉力相等 通过带传动的力分析 由公式 可得结论 1 2 1 2 0 f e FF 0 2FF 注 F 圆周力即摩擦力 拉力 e 2 718 0 F 摩擦系数 f 0 05 0 15 包角 0 120 因为设计轿厢与对重的质量相等 即轿厢重量 kgm5 由 可知 50105 0 NmgF NFF1002 0 电动机所需功率为 w d P P 注 工作机实际需要的电动机输出功率 kw d P 工作机需要的电动机输出功率 kw w P 电动机至工作机之间的传动装置的总效率 工作机所需功率为 kw Fv P w w 1000 注 F 工作机的阻力 N V 工作机的线速度 m s 工作机的效率 w 已知工作机的线速度 V 0 02m s 假设 那么 1 w 1 wkw FvP P w w d 2002 0 1000 可知应选择电动机的功率为 wPd2 已知设定的轿厢运行线转速 V 0 02m s 曳引轮半径 R 30mm 0 03 m 陕西理工学院毕业论文 第 21 页共 44 页 由公式 可得 r n v 2 60 min 37 6 14 303 0 2 6002 0 2 60 r r v n 注 n 单位 r min 查电机型号与转速列表 2 6 2 可得 选择型号 74ND04 转速为 9r min 的电机 轿厢线速度验证如下 smr n v 028 0 03 0 14 3 2 60 9 2 60 最终可确定选择电机型号为 74ND04 转速为 9r min 轿厢线速度为 0 028m s 因 门开关线速度及转轮尺寸与曳引机相同 所以选择的电机型号同曳引机相同 曳引机型号为 74ND04 具体参数如下 额定电压 220V 额定电流 70mA 额定转速 9r min 额定转矩 15N M 额定输出功率 4w 2 7 变频器的选用 2 7 1 变频器的选用原则 变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流 因 为变频的过载能力没有电机过载能力强 一旦电机有过载 损坏的首先是变频器 如果 变频器的保护功能不完善的话 又如果设备上已选用的电机功率大于实际机械负载功 率 但是有可能用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率 此时 变频器一定要 可以胜任 也就是说变频器的功率选用一定要等于或大于电机功率 个别电机额定电 流值较特殊 不在常用标准规格附近 又有的电机额定电压低 额定电流偏大 此时 要求变频器的额定电流必须等于或大于电机额定电流 2 7 2 电梯中变频器调速控制原理 一般变频器有交 交 交 直 交两种类型 电梯一般采用电压型变频器 改变 电动机定子的电源频率 就可实现对异步电动机的调速 调速控制是指对电梯从启动 到平层整个过程中速度的变化规律进行控制 从而减轻人在乘坐电梯时由于启 制动 过程中加 减速产生的不舒适感 上浮 下沉感 并保证平层停车准确可靠 而爬 行频率要尽可能低些 4Hz 以减少停车冲击 注意 必须认清变频器调速与机械变速存在本质上的区别 绝对不能不假思索地 将某电机使用机械变速改为相同功率的变频器变速 因为功率是转矩与转速的乘积 陕西理工学院毕业论文 第 22 页共 44 页 1 变频调速曳引机单元 PLC通过向变频器发出电梯上行输出和电梯下行输出信号 从而控制曳引电动机的 转动方向 决定电梯的上 下行运动 PLC通过向变频器发出电梯高速运行和电梯低速 运行信号 从而间接控制曳引电动机的转动速度 决定电梯的高速 低速运动 PLC单 元为电梯控制系统的大脑 首先接收来自电梯的呼梯信号 平层信号 然后根据这些 输入点的状态 通过其内部程序 对各种信号的逻辑关系有序地进行处理 最后向交 流电机 变频器和显示器适时地发出开关量控制信号 使变频器根据电梯需要的速度 曲线调节运行方向和速度 在电梯控制系统中 由于电梯的控制比较随机 各种输入 信号 输出信号之间关联性强 逻辑关系处理起来复杂 PLC编程的质量决定了系统运 行的状态 它是控制电梯运行的关键技术 2 变频调速开关门单元 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 P LC 给出相关指令 由变频器驱动门电机完成开关门动作 变频调速总结 变频器通过改变电机供电的电压和频率 平滑调节电梯速度 可 以获得更好的乘坐舒适感 它平层精度高 并具有显著的节能效果 保障了电梯的可 靠性 成功地解决了电梯运行的舒适感问题 2 7 3 富士E11系列变频器 FVR0 4E11S 4JE 380v 0 4kw FVR0 75E11S 4JE 380v 0 75kw FVR1 5E11S 4JE 380v 1 5kw FVR2 2E11S 4JE 380v 2 2kw FVR3 7E11S 4JE 380v 3 7kw FVR0 4E11S 7JE 200v 0 4kw FVR0 75E11S 7JE 200v 0 75kw FVR2 2E11S 7JE 200v 2 2kw FVR1 5E11S 7JE 200v 1 5kw 通过以上分析可知 我们选用FVR0 4E11S 7JE 工作电压 200v 功率0 4kw 变频器如图2 7 3 网址 陕西理工学院毕业论文 第 23 页共 44 页 图2 7 3变频器 2 8 主要技术参数 1 曳引电机 单相 4W 额定转速9r min 工作机额定线速度0 028m s 2 门电机 单相 4W 额定转速9r min 门电机额定线速度0 028m s 3 变频器 FVR0 4E11S 7JE 单相 0 4kw 3 曳引方式 半绕l l吊索法 4 额定载重量小于5kg 5 停层站数为10站 6 提升高度为810mm 3 机械部分设计 3 1曳引轮与导向轮设计 曳引轮设计如图 3 1 a 陕西理工学院毕业论文 第 24 页共 44 页 图3 1 a 曳引轮 导向轮设计如图 3 1 b 图3 1 b 导向轮 配合安装如图 3 1 c 图3 1 c 配合安装 3 2 零件设计 鸡心环套绳卡设计如图3 2a 陕西理工学院毕业论文 第 25 页共 44 页 3 2 a 鸡心环套绳卡 装配设计如图3 2 b 3 2 b 装配设计 3 3 轿厢设计 轿厢是无色透明玻璃或铝合金构成 轿厢门采用双扇中开式 由交流电机拖动 当电梯运行到位后 碰到开门行程开关 自动或手动开门 碰到关门行程开关 经过 定时器或手动开关 将自动或手动关门 轿厢通过绳子和平衡块连接 悬挂于曳引轮 上 这样减小了电机的负载转矩 为了保证轿厢在上 下行过程中不致于走偏 用两 根钢丝对角垂直穿过轿厢作为导轨 钢丝拉直后 两端通过螺栓固定在支架上 设计如图3 3 a 陕西理工学院毕业论文 第 26 页共 44 页 图3 3 a轿厢 轿厢及其轿门装配如图3 3 b 3 3 b 轿厢及其轿门装配 零件在轿厢上安装装配如图 3 3 c 陕西理工学院毕业论文 第 27 页共 44 页 图3 3 c 零件在轿厢上安装装配 3 4 层门设计 层门设计及其装配如图3 4 陕西理工学院毕业论文 第 28 页共 44 页 图3 4 层门设计及其装配 3 5 对重块设计 由于电梯要求做到电机停则轿厢停 这在实际中应有制动装置 但我的模型电梯 运动机构是滑轮机构 没有制动装置 电机停后 轿厢将由于自重而下降 为了解决 这一问题 我采用平衡块结构 根据轿厢重量配一个平衡块 使其重量与轿厢相等 基本上实现电机停则轿厢停 平衡块通过绳子和轿厢连接 悬挂于定滑轮上 这样减 小了电机的负载转矩 为避免轿厢运行中与平衡块在空间上发生干涉 用两根钢丝对 角垂直穿过平衡块作为导轨 钢丝拉直后 两端通过螺栓固定在支架上 设计如图3 5 a 图3 5 a 平衡块 装配设计如图3 5 b 陕西理工学院毕业论文 第 29 页共 44 页 图3 5 b 装配设计 3 6 支架结构设计 行程开关采用KW12型微动开关 十个楼层行程开关分别固定在合适位置 由于第 二层到第九层需要双向开关 我们将单向行程开关接触簧片加长并弯曲成弧形 成功 地实现了轿厢上升 下降双向控制 电梯模型支架结构采用铝合金成形材料 由于整 个模型电梯的重量很轻 支架采用了30mm 30mm方形铝合金材料 接口处采用螺栓固 定 以保证整体结构稳固 设计如图3 6 陕西理工学院毕业论文 第 30 页共 44 页 图3 6 支架结构 3 7 电梯安全保护装置说明 关门限位 轿门没有关好电梯不可运行 上极限位 防止电梯冲顶 下极限位 防止电梯蹲底 弹簧缓冲器 电梯蹲底缓冲装置 4 控制系统设计 4 1 可编程控制器 PLC 的定义 可编程序控制器为 Programmable Logic Controller 简称PLC 是在继电顺 序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置 国际电工委员会 IEC 对PLC的定义是 可编程控制器是一种数字运算操作的电 陕西理工学院毕业论文 第 31 页共 44 页 子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存贮器 用来在其内部存 贮执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通过数字的 模拟的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器及其有关设备 都应按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 PLC具有可 靠性高 适应面广 抗干扰能力强 编程方便 对环境要求低 与其他装置配置连接 方便等特点 在工业自动化控制系统中占有极其重要的地位 4 2 可编程控制器的基本原理 当 PLC投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执行 和输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整个运行期间 PLC的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据 并将它们存 入I O映象区中的相应得单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和输出刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发生变化 I O映象区中的相应单元的状态和 数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫 描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被读入 2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路 并 按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算 然后根据逻辑 运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈 在I O映象区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 即 在用户程序执行过程中 只有输入点在I O映象区内的状态和数据不会发生变化 而其他输出点和软设备在I O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变 化 而且排在上面的梯形图 其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数 据的梯形图起作用 相反 排在下面的梯形图 其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只 能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用 3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU按照I O映象区 内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应的外设 这时 陕西理工学院毕业论文 第 32 页共 44 页 才是PLC的真正输出 4 3 PLC程序设计步骤 1 根据设计要求 分析系统的控制 2 分配PLC的输入点和输出点 3 画出硬件接线图 4 设计梯形图程序 5 写出指令程序表 控制系统硬件设计 4 4 I O点的估算与PLC选型 系统的输入点有 门厅召唤按钮18个输入点 轿内指令按钮12个点 楼层感应 器10个点 平层限位开关10个点 减速接近器2个 开关门限位器2个 极限位器2个 共计输入点56点 而输出点有 轿内呼指示灯10个 外乎指示灯18个 楼层指示灯7个 电机开关门2个 上下行指示灯2个 曳引机减速继电器1个 电机正反转2个 共计 输出点42个 总计I O点数为56 42 PLC选用三菱FX2N系列的FX2N 128MR 它有64 个输入单元和64个输出单元 输入输出单元为PLC的I O接口部分 选用FX2N 128MR 如图4 4 网址 http www elec cc tradeinfo offerdetail 63 1636 0 892148 html 图4 4 FX2N 128MR 编程器选用FX一20P 4 5 电梯实验装置控制要求 陕西理工学院毕业论文 第 33 页共 44 页 1 开始时 电梯处于任意一层 2 当有外呼梯信号到来时 轿厢响应该呼梯信号 到达该楼层并停止运行 轿厢门自动打开 延时3秒后自动关门 当有内呼梯信号到来时 轿厢响应该呼梯信号 到达该楼层并停止运行 轿厢门自动打开 延时3秒后自动关门 3 在电梯运行 轿厢上升或下降 过程中 任何反方向的外呼梯信号均不响 应 但如果反向外呼梯信号前方再无其它内外呼梯信号时 则电梯响应外呼梯信号 4 电梯具有最远反向外呼梯信号响应功能 5 自动完成轿厢层楼位置显示 自动显示电梯运行方向 显示呼梯信号 6 电梯未平层或运行时 开门按钮和关门按钮均不起作用 电梯平层或轿厢 停止运行时 按开门按钮则轿厢门打开 按关门按钮则轿厢门关闭 4 6 I O地址分配 输入信号输出信号 名称代号输入点编号名称代号输出点编号 一层内呼 SB1X000 一层内呼指示灯 D1JY000 二层内呼 SB2X001 二层内呼指示灯 D2JY001 三层内呼 SB3X002 三层内呼指示灯 D3JY002 四层内呼 SB4X003 四层内呼指示灯 D4JY003 五层内呼 SB5X004 五层内呼指示灯 D5JY004 六层内呼 SB6X005 六层内呼指示灯 D6JY005 七层内呼 SB7X006 七层内呼指示灯 D7JY006 八层内呼 SB8X007 八层内呼指示灯 D8JY007 九层内呼 SB9X010 九层内呼指示灯 D9JY010 十层内呼 SB10X011 十层内呼指示灯 D10JY011 一层外呼上 SB11X012 一层上行指示灯 D1SY012 二层外呼上 SB12X013 二层上行指示灯 D2SY013 二层外呼下 SB13X014 二层下行指示灯 D2XY014 三层外呼上 SB14X015 三层上行指示灯 D3SY015 三层外呼下 SB15X016 三层下行指示灯 D3XY016 四层外呼上 SB16X017 四层上行指示灯 D4SY017 四层外呼下 SB17X020 四层下行指示灯 D4XY020 五层外呼上 SB18X021 五层上行指示灯 D5SY021 五层外呼下 SB19X022 五层下行指示灯 D5XY022 六层外呼上 SB20X023 六层上行指示灯 D6SY023 六层外呼下 SB21X024 六层下行指示灯 D6XY024 七层外呼上 SB22X025 七层上行指示灯 D7SY025 七层外呼下 SB23X026 七层下行指示灯 D7XY026 八层外呼上 SB24X027 八层上行指示灯 D8SY027 陕西理工学院毕业论文 第 34 页共 44 页 八层外呼下 SB25X030 八层下行指示灯 D8XY030 九层外呼上 SB26X031 九层上