毕业设计（论文）-曳引式电梯控制毕业设计

PAGEPAGE1前言随着我国巨大的建筑市场的快速发展和楼宇智能化的需求，电梯的用量急升。专业部门预测，我国全年对电梯和自动扶梯的需求达到5万台。目前，我国共拥有电梯约40万台、扶梯5万台，电梯生产能力每年约4万台、扶梯6000台。按照世界上每千人拥有1台电梯的标准，我国还有80万台的电梯增长空间。因此，电梯对于我国人民的生活将会有重要影响。电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统工程学、空气动力学等多学科技术于一体的机电设备，它是建筑物中的垂直交通工具。为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。针对现代电梯发展和应用状况，本论文在详细介绍电梯结构原理和技术特点的基础上，重点介绍了电梯的PLC控制系统。第一章绪论1.1电梯的定义及发展与现状自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具电梯，其需求量日益增长。各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。为了确保电梯正常运行、安全使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。电梯具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的倾斜角小于15°的钢性导轨之间，轿厢尺寸与结构型式便于乘客出入或装卸货物。电梯适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。追溯电梯这种提升设备的历史，早在公元前我国就有利用人力作动力的简单提升设备，直到现在我国北方部分农村仍用手摇辘轳提取井水的升降提水装置，所以说，我国是世界上最早出现这种提升设备电梯雏形的国家之一。1765年瓦特发明了蒸汽机,把它作为提升设备的动力是在1858年首次应用于美国纽约市的一台客梯上。接着阿姆斯特郎发明的水压梯替代了蒸汽机梯。随着科技的发展新的动力设备不断出现并替代了旧的动力设备，例如用液压泵和液压控制阀等。法拉第于1881年发明发电机后50年，美国率先采用直流电动机作为电梯升降的驱动单元，并为今天的电梯发展奠定了基础。1903年美国生产可不带减速器的无齿轮高速电梯，并把卷筒式传动改进为曳引槽轮式传动，从而为今天高层的大行程电梯奠定了基础。在动力问题得到解决之后，美国着手研制电气控制及速度调节等方面课题，并获得成功。1915年美国成功设计了自动平层控制系统以及高速电梯（6m/s）。随着电子工业的发展，新技术、新产品不断用于电梯控制系统，如无触点半导体逻辑控制晶闸管（俗称可控硅）的应用；集成电路和数字控制、电脑和机群控制及调频调压技术的应用；拖动系统简化、性能提高等。1.2我国电梯发展的状况我国电梯业起步较晚，但打造较快，1952-1954年先后在上海、天津、沈阳建立了三家电梯制造厂，并先后成立有关科研单位，独立自主制造各类电梯产品，如交流货梯、客梯；直流快速、高速客梯等。用我们自己生产的电梯产品装备了人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。60年代开始批量生产自动扶梯和自动人行道，用我们自己生产的自动扶梯装备了北京地铁车站，用我们自己生产的自动人行道装备了北京首都机场。随着我国对外开放、对内搞活经济的政策深入贯彻执行，吸取和引进了国外先进的电梯技术、先进的电梯制造工艺与设备、先进的科学管理，使我国电梯工业又取得巨大发展，产品连续多年成倍增长，产品质量和性能明显提高。为了进一步推动和发展电梯工业，在上海、北京、天津、广州等地先后建立中外合资电梯制造公司，使电梯的控制和驱动技术达到了国际先进水平，先后向市场推出一批耗能小、效率高、速度快、平层和舒适感好的交流调速电梯、直流高速电梯（包括机群控制电梯）。为了进一步提高和控制产品质量，近年来国家颁布了具有国际水平的电梯制造标准，使制造厂家用新标准去更新、设计电梯产品，加强管理，促进电梯工业的发展。在控制技术方面，从手柄开关控制发展到按钮信号控制、集选控制及多台电梯机群管理控制；从继电器-接触器的信号到计算机（电脑）控制；从调压调速到调频调速控制系统。微机（或称微处理机）在电梯控制系统中得到广泛的应用，从而代替了传统的数量众多的继电器、接触器控制系统。微机电梯的特点：运行可靠、故障率低、耗能少；控制屏（柜）体积小，从而机房的面积可相应减小；设备投资费减少；维修方便。调频调压的交流调速高速电梯也有了发展。为了适应电梯运行的性能，在简化驱动控制系统的前提下，提高电梯运行的性能，推出交流感应电动机和低转速直流电动机，以便适应于电梯的四象限运行工作状态的需要，由此，提高了电梯运行的平稳性，使乘坐电梯的舒适感更好。在电梯速度方面，有0.25m/s发展到0.5-1.0m/s的交流双速电梯；由1.5-2.0m/s的快速电梯发展到2.5m/s的直流高速电梯；还有1.0-4.5m/s的交流调速电梯。在电梯品种方面，目前除了常用的货梯、客梯外，还发展和开发了双层轿厢和观光电梯。在材料和装潢方面，特别在电梯的机械部分、控制器、轿厢及附属件上将使用新型材料，使其在提高性能的同时，更便于操作，并能减少安装费用和节约机房空间。电梯轿厢的装饰日趋豪华。1.3电梯的分类及规格型号1.3.1电梯可以按用途、驱动方式、提升速度、曳引电动机、操纵方式、有无蜗轮减速器或机房位置等进行分类，如下所示1、按用途分类乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯，有完善的安全装置，一般装饰豪华。载货电梯：通常有人伴随，主要是为运送货物而设计的电梯。客货（两用）电梯：以运送乘客为主但也可运送货物的电梯。住宅电梯：为住宅楼使用而设计的电梯。杂物电梯：只运送杂物不允许人员进入的电梯。船用电梯：供船舶上安装使用的电梯。汽车用电梯：垂直运输汽车的电梯。观光电梯：供乘客观光的轿厢壁透明的电梯。病床电梯：为医院运送病床而设计的电梯。其他电梯：包括冷库电梯、建筑电梯、矿井电梯等。2、按拖动方式分类交流电梯：交流电动机拖运的电梯。直流电梯：直流电动机拖动的电梯。液压电梯：靠液压传动的电梯。齿轮齿条式电梯：靠齿轮齿条传动的电梯。3、按电梯速度分类低速电梯：速度为1m/s及以下的电梯。快速电梯：速度大于1m/s而小于2m/s的电梯。高速电梯：速度在2-3m/s的电梯。超高速电梯：速度超过3m/s的电梯。4、按控制方式分类手柄开关控制电梯：由司机用手柄操纵电梯的起动、运行和平层进行控制的电梯。按钮控制电梯：一种具有简单自动控制方式的电梯，具有自动平层功能。信号控制电梯：一种自动控制程度较高的有司机电梯。集选控制电梯：有/无司机操纵的电梯。并联控制电梯：2或3台电梯的外呼信号并联共用，电梯有集选功能。梯群控制电梯：多台电梯集中排列，共用厅外召唤按钮，按规定程序和客流量的变化由电脑集中调度和控制电梯。5、按有无减速装置分类无齿轮电梯：曳引机由曳引轮和制动轮组成，由电动机直接连接，用于高速电梯。有齿轮电梯：曳引机由曳引轮、减速箱和制动轮组成，通过齿轮减速箱与电动机连接，用于低速和快速电梯。6、按操作方式分类无司机电梯：电梯的各种工作状态，由乘客进入电梯轿厢，按照所需要去的楼层，在操纵箱上操纵楼层按钮。有司机电梯：电梯的各种工作状态，有专职电梯司机操纵。有/无司机两用电梯：电梯具有可变换控制电路，其控制线路基本上按照无司机操纵设计;同时也考虑有司机操纵工作状态的线路设计。7、按驱动方式分类液压式电梯。曳引式电梯。螺旋式电梯。爬轮式电梯。8、按有无机房分类有机房电梯。无机房电梯。1.3.2电梯的规格与主要参数介绍图1所示给出了电梯的结构和主要部件的名称。电梯的主要参数电梯的主要参数确定电梯的服务对象、运送能力、工作性能及对井道、机房等土建设计的要求，包括以下几个方面：额定载重量：制造和设计所规定的电梯的额定载重量;轿厢尺寸：宽×深×高;轿厢尺寸：有单面或双面开门及其他特殊要求等，包括对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电风扇、电话的要求等;轿门形式：栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、封闭式双折中分门等。开门宽度：轿厢门和层门完全开启时的净宽度;开门方向：人在轿厢外面对轿厢门向左方开启的为左开门，门向右方开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称中分门;图1电梯的整体结构曳引方式：常用的有半绕1﹕1吊索法，轿厢的原形速度等于钢丝绳的运行速度；半绕2﹕1吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一半。额定速度（m/s）：对制造的电梯设计的规定速度。电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等，如交流电动机拖动或直流电动机拖动、轿内按钮控制和集选控制等。10）停层站数：凡在建筑物内楼层用语出入轿厢的地点均称为站。11）提升高度：指电梯从底层端站至顶层端站楼面之间的总运行高度。12）顶层高度：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间的垂直距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。13）底坑深度：由底层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，底坑一般越高。14）井道高度：由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。15）井道尺寸：宽×深2、我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定为了加强对电梯产品的管理，提高电梯产品的使用效果，我国于1974年颁布了一批电梯产品的标准，1986年又颁布了国家标准GB7025—1986，并取代原来的标准。自从GB7025—1986颁布后，对当时国内已批量生产的乘客电梯、载货电梯、病床电梯、杂物电梯等类别的电梯及其井道、机房的形式、基本参数与尺寸做了规定。1997年我国又颁布了新的推荐性标准GB/T7025—1997。电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据。用户选用电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、载运对象等，正确选择电梯的类别和有关参数及尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物，否则会影响电梯的使用效果。1.3.3电梯的总体结构曳引系统的功能及构成功能构成输出与传动动力，使电梯运行①曳引机：包括电动机、减速器、制动器和曳引轮在内的靠曳引绳和曳引轮槽摩擦力或停止电梯的装置。有齿轮曳引机，即电动机通过减速齿轮箱驱动曳引轮的曳引机。无齿轮曳引机，即电动机直接驱动曳引轮的曳引机。②曳引绳：连接轿厢和对重装置，并靠与曳引轮槽的摩擦力驱动轿厢升降的专用钢丝绳。导向系统的功能及构成功能构成保证轿厢与对重的相互位置，并限制其活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动①导轨：供轿厢和对重运行的导向部件。②导轨支架：固定在井道壁或横梁上，支撑和固定导轨用的构件。③导靴：装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向的部件。④导向轮：为增大轿厢与对重之间的距离，使曳引轮在导向对重装置过轿厢一侧而设置的绳轮。⑤反绳轮：设置在轿厢架和对重框架上部的动滑轮。根据需要不同的曳引比确定曳引绳绕过反绳轮的圈数，反绳轮的个数可以是1个、2个或3个等，有曳引比而定。3、轿厢系统的功能及结构功能构成用于运送乘客和（或）货物的容体，是电梯的运行部件之一①轿厢架：固定和支撑轿厢的框架。由上梁、立柱、底梁和拉杆等组成的承重构件。②轿厢体：具有与载重量和服务对象相适应的空间，是由轿厢底、轿厢壁、轿门和轿厢顶组成。4、门系统的功能和构成功能构成防止坠落和挤伤事故的发生①轿厢门：设置在轿厢入口的门。由门，门导轨架、轿厢地槛等组成。②层门：设置在层站入口的门，又称厅门、门导轨架、层门地槛、层门联动机构等组成。③开门机：使轿门、层门自动开启或关闭的电动机装置。④门锁装置：设置在层门内侧，门关闭后，将门锁紧，同时接通控制安全电路，使轿厢运行的机电联锁装置。5、重量平衡系统的功能及构成功能构成使曳引系统的原动力（电动机）功率消耗减少一半，以达到节能和提高效率的目的①对重：由对重架和对重块组成，其重量和轿厢满载时的重量成一定的比例，与轿厢间的重量差具有一个恒定的最大值，又称平衡铁。②重量补偿装置：在高层电梯中，补偿轿厢与对重侧曳引绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。电力拖动系统的功能及构成功能构成提供动力、实行电梯速度控制①曳引电动机：电梯的动力源。根据电梯配置可用交流电动机或直流电动机。②供电装置：为电梯的电动机提供电源的装置。③速度检测装置：检测轿厢运行速度，将其转变成点信号的装置。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电动机相联。④电动机调速控制：交流调速电动机的速度控制方式，有交流变极调速、交流变压调速和变频变压调速；直流电动机具有调速性能高和调速范围大的特点，常用发电机组构成的晶闸管励磁发电机—电动机。电气控制系统的功能和构成功能构成对电梯的运行实行操纵和控制①操纵装置：对电梯的运行实行操纵的装置。包括轿厢内按钮操纵箱或手柄开关箱、层站召唤按钮箱、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。②位置显示装置：设置在轿厢内和层站的指示灯，以灯光数字显示电梯运行方向或轿厢所在层站。③控制屏（柜）：安装在机房内，由各种电器元件组成，对电梯实行电气控制的设备。④平层装置：在平层区域内，使轿厢达到平层准确度要求的装置。由电磁感应器和遮磁板构成⑤选层控制器：对电梯运行的控制方式，有轿内开关控制、按钮控制、信号控制、集选控制、并联控制和梯群控制。安全保护系统的功能和构成功能构成保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生安全钳装置：确保轿厢向下运行时能起安全效果的装置。在达到限速器运行速度时，甚至在悬挂装置断裂的概况下，安全钳装置应能动作并夹紧导轨而使装有额定重量的轿厢制停并保持静止状态。当安全钳装置作用时，装在它上面的电器安全装置应在安全钳装置动作以前或同时动作，使电动机停转。限速器：通常安装在机房内或井道顶部，是限制轿厢（或对重）运行速度的装置。当轿厢运行速度达到限定值时，限速器动作，使轿厢两边安全钳的楔块同步提起，夹住导轨。缓冲器：设置在轿厢和对重的行程底部极限位置。超速保护开关：在限速器机械动作之前，开关动作，切断控制回路，使电梯停止运行。上、下端站极限保护开关：在井道顶端、底端设置强迫减速开关、端站限位开关和终端极限开关。在轿厢或对重碰到缓冲器前切断控制电路。电气安全保护：电梯机械类安全装置多数设置相应的电气设备，构成电气安全保护线路。如供电系统断相、错相保护装置；层门与轿门的电气连锁装置；紧急操作装置和停止保护装置；轿顶、轿内和机房的检修运行装置等。第二章PLC电梯控制系统2.1PLC控制系统与继电器控制系统的比较继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。电梯继电器控制系统的优点：所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握；系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器；大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。但是，电梯继电器控制系统存在很多的问题：系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高；普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高，而且检查故障困难，费时费工。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便，并且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。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。首先，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。1）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。2）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MTTR，使可靠性提高。3）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。4）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。5）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。6）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。其次，易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:：1）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。2）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f地解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。3）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。最后，灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面:：1）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。2）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。3）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。PLC控制电梯的优点：(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。为便于比较PLC控制系统与继电器控制系统优缺点现列表如下，详见表2-1。从表2-1可以看出，PLC控制系统具有继电器控制系统无法比拟的优点，因此传统的继电器控制系统将逐渐被PLC控制系统所取代是大势所趋。表2-1PLC控制系统与继电器控制系统比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能实现有许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能通过编制的程序来实现对控制要求变更适应性适应性差，需要重新设计，改变继电器和接线适应性强，只需针对程序进行修改控制速度低，靠机械动作实现极快，靠微处理器进行处理特殊功能一般没有有安装，施工连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多高，因元器件采取了筛选和抗老化等可靠性措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小2.2PLC控制系统与计算机控制系统比较计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。工控机有通用微机应用发展而来，在硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，能提供实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识，技术水平较高，且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣工作环境。可编程控制器对此进行了改进，变通用为专用，有利于降低成本，缩小体积，提高可靠性等特性，更适应过程控制的要求。PLC控制系统与计算机系统比较见表2-2。从表2-2可见，在控制功能方面，PLC与通用计算机相比，工作更稳定可靠，而且编程简单，使用方便，应用设计和调试周期可大大缩短，加之又能在恶劣的工业环境下和强电一起工作，容易实现机电一体化。表2-2PLC控制系统与通用计算机系统的比较比较项目通用计算机系统PLC控制系统工作目的科学计算工业自动控制工作环境对工作环境要求高对工作环境要求低，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，可在线维修编程语言汇编语言，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