第二章电梯物理模型的设计

1、 第二章 电梯物理模型的设计2.1 电梯的概述2.1.1 电梯的结构 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。一、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

2、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。二、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。 三、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。四、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

3、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。五、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。六、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

4、冲发生器与电机相连。调速装置对拽引电机进行速度控制。七、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，欲使轿厢踏板和厅们踏板处于同一水平面的操作。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。八、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

5、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。2.1.2 电梯工作原理引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其

6、他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。安全装置保证电梯运行安全。2.1.3 电梯的分类 电梯作为一种通用垂直运输机械，被广泛用于不同的场合，其控制、拖动、驱动方式也多种多样，因此电梯的分类方法也有下列几种。一、按用途分类 这是一种常用的分类方法，但由于电梯有一定的通用性，所以按用途分类在使用中用得较多。但实际标准不很明确。1. 乘客电梯用于运送乘客为主，兼以运送重量和体积合适的

7、日用物件。适用于高层住宅、办公大楼、宾馆或饭店等人员流量较大的公共场合。其轿厢内部装饰要求较高，运行舒适感要求严格，具有良好的照明与通风设施，为限制乘客人数，其轿厢内面积有限，轿厢宽深比例较大，以利于人员出入。为提高运行效率，其运行速度较快。派生品种有住宅电梯、观光电梯等。2. 载货电梯 用于运送货物为主，并能运送随行装卸人员。因运送货物的物理性质不同，其轿厢内部容积差异较大。但为了适应装卸货物的要求，其结构要求坚固。由于运送额定重量大，一般运行速度较低，以节省设备投资和电能消耗。轿厢的宽深比例一般小于1。3. 客货两用电梯 主要用作运送乘客，也可运送货物。其结构比乘客电梯坚固，装饰要求较低。

8、一般用于企业和宾馆饭店的服务部门。4. 病床电梯 用于医疗单位运送病人，医疗救护器械。其特点为轿厢宽深比小，深度尺寸大于2.4m，以能容纳病床，要求运行平稳，噪声小，平层精度高。5. 杂物电梯 这是一种专用于运送小件品的电梯，最大载重量为500kg，如果轿厢额定载重量大于250Kg应设限速器和安全钳等安全保障设施。为防止发生人身事故，严禁乘人和装卸货物将头伸入，为此限制轿厢分格空间高度不得超过1.4m，面积不得大于1.25，深度不得大于1.4m。其他特种用途的电梯还有汽车电梯，船舶电梯等。二、按速度分类电梯的额定运行速度正在逐步提高，因此按速度分类的国家标准正待颁布。目前的习惯划分为：1. 低

9、速电梯 这种电梯额定速度0.75m/s。2. 中速电梯 这种电梯额定速度1m/s2.5m/s。3. 高速电梯 这种电梯额定速度2.5m/s4m/s。4. 超高速电梯 这种电梯额定速度4m/s。三、按拖动电动机类型分类1. 交流电梯 采用交流电动机拖动的电梯。其中又可分为单、双速拖动，采用改变电动机极对数的方法调速。调压拖动，通过改变电动机电源电压的方法调速。调频调压拖动，采取同时改变电动机电源电压和频率的方法调速。2. 直流电梯 这是一种采用直流电动机拖动的电梯。由于其调速方便，加减速特性好，曾被广泛采用随着电子技术的发展，直流拖动正被节省能源的交流调速拖动代替。四、按驱动方式分类1. 钢丝绳

10、驱动式电梯 它可分成两种不同的型式，一种是被广泛采用的摩擦曳引式。另一种是卷筒强制式。前一种安全性和可靠性都较好，后一种的缺点较多，已很少采用。2. 液压驱动式电梯 这种驱动式电梯历史较长，它可分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。优点是机房设置部位较为灵活，运行平稳，采用直顶式时不用轿厢安全钳及底坑地面的强度可大大减小，顶层高度限制较宽。但其工作高度受柱塞长度限制，运行高度较低。在采用液压油作为工作介质时，还须充分考虑防火安全的要求。3. 齿轮齿条驱动式电梯 它通过两对齿轮齿条的啮合来运行；运行振动、噪声较大。这种型式一般不需设置机房，由轿厢自备动力机构，控制简单，适用于流动性较大的建筑工地。目前已划

11、入建筑升降机类。4. 链条链轮驱动式电梯 这是一种强制驱动型式，因链条自重较大，所以提升高度不能过高，运行速度也因链条链轮传动性能局限而较低。但它在用于企业升降物料的作业中，有着传动可靠，维护方便，坚固耐用的优点。其他驱动方式还有气压式，直线电机直接驱动，螺旋驱动等。五、按控制方式分类目前电梯技术的发展使电梯控制日趋完善，操作趋于简单，功能趋于多样，控制方式正向广泛应用微电子新技术的方向发展。目前常见的控制方式有：微机集选控制（按钮操纵）；门微机并联、梯群控制（按钮操纵）；继电器信号控制和手柄控制（手柄或按钮操纵）。除上述常见的分类外，目前还有按机房位置、钢丝绳传动型式等分类方法。2.2 电梯

12、的运行特点1.电梯的位置确定与显示轿厢中的乘客及其门厅中等待乘坐电梯的人都需要知道电梯目前所处的位置，因此在轿厢及其门厅都设有显示显示楼层标志的电梯位置显示装置，此外，电梯的运行还需要更加准确的电梯位置信号，以满足制动停车等控制的需要。传统电梯的位置信号一般设在井道的位置开关，如磁感应器提供，当轿厢上设置的隔磁板插入感应器时，发出位置信号，并启动楼层指示，如图2.2 图 2.1 电梯停层 、平层装置2.轿厢内的运行命令及门厅召唤信号 司机及乘客可按下轿厢内的操控盘上的选层按钮选定电梯运行的目的楼层，此为内选信号。按键按下后，该信号应该被记忆并使相应的指示灯点亮。在门厅等候电梯的乘客可以按门厅的

13、上行或下行召唤信号，此为外唤信号。该信号也需记忆并点亮门厅的上行或下行召唤指示灯，这些保持信号在要求得到满足时应自动取消信号。3.电梯自动运行时的信号响应 电梯自动运行应根据内选及外唤信号，决定电梯的决定电梯的运动方向及其在那些站点停站,一般情况下,电梯按照先上后下的原则安排运送乘客的次序,而且规定在运送次序确定以后不响应中途反向呼唤要求,直到到达本方向最远站点才开始返程。4.轿厢的启动与运行 轿厢在运行方向确定，轿厢门已将关好时自动启动并运行。5.轿厢的平层与停车 轿厢运行后需要确定在那一层站停车，平层是指停车时,轿厢的底与门厅 “地平面”应相互平齐，一般规定有具体的平层误差，如平层时两平面

14、之间相差不超过5mm。传统电梯的平层信号由平层感应器发出。6.安全保护电梯的安全保护有很多,如冲顶与蹲底,断钢丝绳,轿厢内人员的跌落,逃生等保护,还有消防运行等多项措施。2.3 系统控制方案的确定2.3.1 控制方式的选择通用计算机和PLC均可以作为电梯系统的控制器，但控制方式的不同会使电梯具有不同的特点，如表2-2为PLC与通用计算机控制系统功能与特点的比较。 表2-2 PLC与通用计算机控制系统功能与特点的比较 比较项目 通用计算机 PLC 控制系统 工作目的 科学计算 工业自动控制 工作环境 对环境要求高对环境要求低 可在恶劣的工业现场工作 工作方式 中断处理方式 循环扫描方式 系统软件

15、需配备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序 采用的特殊措施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施自诊断 断电保护 可 编程语言汇编语言 高级语言 如BASIC,C等梯形图 助记符语言SFC 标准化语言 对操作人员的要求需专门培训 并具有一定的计算机基础一般技术人员 稍加培训即可操作使用 对内存的要求 容量大 容量小 价格 价格高 价格低 此外，微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷而没被广泛采用。PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，通过分析控制需求，本设计选择了PLC作为控

16、制器。2.3.2 五层电梯系统的控制要求 根据论文设计的要求和依据论文要求选择的电气元件，如图2-3所示： 图2-3 电梯系统硬件框图 本次设计的电梯模型共有五层，电梯的每一层面均有升降及轿厢所在楼层的指示灯显示；1-5所对应的指示灯表示楼层号，每层的楼厅均有输入（分上行和下行）按钮召唤电梯。工作中的电梯主要对各种呼梯信号和当时的运行状态进行综合分析，再确定下一个工作状态，为此它要求具有自动选向、顺向截梯、反向保号、外呼记忆、自动开/关门状态、停梯消号、自动达层等功能。分析以上控制要求，将电梯控制要实现的功能罗列如下：开始时，电梯处于任意一层。当有外呼梯信号到来时电梯响应该呼梯信号，到达该楼层

17、时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。当有内呼梯信号到来时，电梯应该响应该呼梯信号，到达该楼层时，电梯停止运行，电梯门打开，延时三秒后自动关门。在电梯运行过程中电梯上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应，但如果反向呼梯信号前方无其它内、外呼梯信号时，则电梯相应该外呼信号，但不响应三层向下外呼梯信号。同时，如果电梯达到四层，五层没有任何呼梯信号，测电梯可以响应四层向下外呼梯信号。电梯应具有最远反向外呼梯响应功能。例如电梯在一楼，而同时有二层向下外呼梯，三层向下外呼梯，四层向下外呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。电梯具有同向截车功能。电梯未平层或运行时

18、，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮可使门打开，按关门按钮可使门关闭。2.3.3 电梯控制系统总体方案的确定本系统主要有PLC、变频器、控制箱、显示器、拽引电机组成的变频交流调速系统。通过PLC去控制电梯的运行方式，可以使控制系统的可靠性更高，结构显得更加紧凑。本系统的硬件框架如图2-4所示。 图2.4 电梯控制系统框图 从图2-4可以看出，本系统由两个部分组成，其中电梯控制的逻辑部分由PLC来实现。通过分析研究电梯的实际运行情况和控制规律，从而设计开发出电梯联动控制程序，使得PLC能控制电梯的运行操作。电梯的调速部分则选用高性能的矢量控制系统，实现拽引电机的变频调速运行。 PLC首先接收来自电梯的呼梯信号、平层信号，然后根据这些输入信号的状态，通过其内部一系列复杂的控制程序，对各种信号的逻辑关系有序的进行处理，最后