机电一体化自学考试本科毕业设计1

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1、zhong山东大学 毕业设计（论文） 题 目：基于PLC电梯曳引系统的设计专 业： 机电一体化 学生姓名： 顾元镇 准考证号： 029106200931 指导老师：_毕业设计（论文）时间：2009年 6月 30日 8月 10日 目录摘要3前言51电梯设备及电梯发展动态5电梯设备5电梯的定义5电梯的分类5电梯的主要组成部分5电梯的安全保护装置6电梯的发展动态62 电梯的PLC系统的设计7可编程控制器PLC的选择7轿箱楼层位置的检测方法72.1.2 PLC的选型72.2 PLC控制系统的设计7控制系统的基本结构图7信号控制系统8减速及平层控制102.4 PLC及在电梯控制中的特点112.4.1 P

2、LC的特点112.4.2 PLC控制电梯的优点113曳引系统的工作原理与运动分析12曳引系统的主要设备与装置12曳引机12曳引轮13减速器13联轴器13曳引钢丝绳的标记方法及其性能要求14曳引系统的提升原理14曳引式提升原理14曳引传动关系14曳引系统设计的受力分析15电梯的曳引能力17曳引系数17曳引轮绳槽与曳引力的关系18包角对曳引力的影响及曳引条件18包角对曳引力的影响18电梯的曳引条件19电梯的最大曳引能力和允许轿厢最小自重19电梯的最大曳引能力19轿厢允许的最小自重19对重匹配分析194电梯的PLC和曳引系统的匹配特性19理想运行曲线的产生20速度曲线的产生20速度曲线产生方法20加

3、速给定曲线的产生20减速制动曲线的产生214.3 PLC和曳引系统匹配的设计特点214.3.1 主电路214.3.2 PLC和曳引系统匹配的控制构成22位移控制电路23楼层计数24快速换速24门区信号26采用优先队列级264.3.8 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

4、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

5、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】 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AbstractAlong with the urban construction unceasing development, the

6、 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

7、 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

8、 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 schedul

9、ing and the collection chooses the movement function, the dragging control to complete by the frequency changer; The second control mode chooses the control with the programmable controller (PLC) substitution microcomputer realization signal collection.From the control mode and the performance, thes

10、e 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 thePLC reliability is high, the programming convenience is flexible, antijammi

11、ng 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 haul

12、age 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 th

13、e 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

14、 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

15、 device Haulage system dynamic system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，

16、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

17、梯发展动态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。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。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；(3)按驱动电源分类 交流电梯

18、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。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。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

19、)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

20、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。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

21、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

22、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。

23、2电梯的PLC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。可编程控制器PLC的选择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

24、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

25、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LC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

26、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。图电梯PLC控制系统的基本结构图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。图电梯PLC信号控制系统框图

27、为了更清晰的表示出它的各部分的关系，还需要有梯形图，它的梯形图如图所示。图电梯的梯形图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100-2

28、00mm，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2.4.1 PLC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

29、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

30、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

31、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

32、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。 图电梯曳引系统的组成结构1电动机 2制动器 3减速

33、器 4曳引绳 5导向轮 6绳头组合 7轿厢 8对重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所示。图曳引机的结构图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QT600-3

34、A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。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，减速器的结构如图所示。图减速器结构示意图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 联

35、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根轴上的转距，又是制动器装置的制动轮。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，其结构如图所示。图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

36、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。.(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。曳引系统的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

37、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。它有安全可靠、提升高度大、结构紧凑等特点。曳引传动关系曳引式传动关系如图所示。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TP

38、1-P2,如图3.5所示。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） 0.5，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。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

39、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。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s2。2电梯轿厢稳定上行阶段的

40、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

41、引力T5与T2相同。即 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。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a所示。当轿厢满载下降时曳引力为负，表明曳引

42、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b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。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

43、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。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

44、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。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

45、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。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

46、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。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

47、； c1与加速度、减速度有关的动力系数，c1ga/ga,g是重力加速度2,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。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,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。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/T2QP/。结合上述两式，轿厢自重G越小，则越接近efa/c1c2；

48、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。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。4电梯的P

49、LC和曳引系统的匹配特性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2,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。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

50、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。速度曲线产生方法采用的FX2-64MRPLC，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

51、加速度与减速度的关系的曲线如图4.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3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

52、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

53、，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采用按距离原则，每段距离到的响应时间也不宜超过10ms。为满足系统的实时性要求，在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有效地克服了PLC扫描机制的限制。起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就一直按设定时间间隔循环中断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满足运行条件时，中断即返回。减速制动曲线的产生为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或稳速运行过程中。加速过程由固定周期中断完成，加速到对应模式的最大值之后，加速程序运行条件不再满

54、足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断返回。电梯以对应模式的最大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。在PLC的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次“表指针加1”操作，则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出，以保证减速过程的可靠性。4.3 PLC和曳引系统匹配的设计特点 主电路主电路由三相交流输入、变频驱动、曳引机和制动单元几部分组成。在电梯位势负载作用下，制动时回馈的能量不能馈送回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。图电路原理图

55、系统硬件结构图如图所示，其各部分功能说明如下。Q1三相电源断路图K1电源控制接触器K2负载电机通断控制接触器VS变频器BU制动单元RB能耗制动电阻M主拖动曳引电机 4.3.2 PLC和曳引系统匹配的控制构成 由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由脉冲编码器的脉冲数确定，并送PLC的计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个接近开关用于检测系统的楼层信号。为便于观察，对电梯的运行方向以及电梯

56、所在的楼层进行显示，采用LED和发光管显示，而对楼层和轿厢的呼叫信号以指示灯显示(开关上带有指示灯)。LED显示器如图所示。图4.4七段码显示为了提高电梯的运行效率和平层的精度，系统要求PLC能对轿厢的加、减速以及制动进行有效的控制。根据轿厢的实际位置以及交流调速系统的控制算法来实现。为了电梯的运行安全，系统应设置可靠的故障保护和相应的显示。在电梯运行的启动段是关系到电梯运行舒适感指标的主要环节,而舒适感又与加速度直接相关,根据控制理论,要使某个量按预定规律变化必须对其进行直接控制,对于电梯控制系统来说,要使加速度按理想曲线变化就必须采用加速度反馈,根据电动机的力矩方程式式:MMZ=M=J（d

57、n/dt），可见加速度的变化率反映了系统动态转距的变化，控制加速度就控制系统的动态转距M=MMZ。故在此段采用加速度的时间控制原则，当启动上升段速度达到稳态值的90%时，将系统由加速度控制切换到速度控制，因为在稳速段，速度为恒值控制波动较小，加速度变化不大，且采用速度闭环控制可以使稳态速度保持一定的精度，为制动段的精确平层创造条件。在系统的速度上升段和稳速段虽都采用PI调节器控制，但两段的PI参数是不同的，以提高系统的动态响应指标。在系统的制动段，即要对减速度进行必要的控制，以保证舒适感，又要严格地按电梯运行的速度和距离的关系来控制，以保证平层的精度。在系统的转速降至120r/min之前，为了

58、使两者得到兼顾，采取以加速度对时间控制为主，同时根据在每一制动距离上实际转速与理论转速的偏差来修正加速度给定曲线的方法。例如在距离平层点的某一距离L处，速度应降为Vm/s，而实际转速高为Vm/s，则说明所加的制动转距不够，因此计算出此处的给定减速度值-ag后，使其再加上一个负偏差，即使此处的减速度给定值修正为-（ag+）使给定减速度与实际速度负偏差加大，从而加大了制动转距，使速度很快降到标准值，当电动机的转速降到120r/min以后，此时轿厢距平层只有十几厘米，电梯的运行速度很低，为防止未到平层区就停车的现象出现，以使电梯能较快地进入平层区，在此段采用比例调节，并采用时间优化控制，以保证电梯准

59、确及时地进入平层区，以达到准确可靠平层。位移控制电路电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐舒适，停靠准确。采用变频调速双环控制可基本满足要求，利用现有旋转编码器构成速度环的同时，通过变频器的PG卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将其引入PLC的高速计数输入端口，通过累计脉冲数，经式（1）计算出脉冲当量，由此确定电梯位置。电梯位移h=SI式中I累计脉冲数；S脉冲当量；S=plD/(pr)l减速比； D牵引轮直径；P旋转编码器每转对应的脉冲数；rPG卡分频比。楼层计数楼层计数采用相对计数方式。运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电

60、梯分别存入16个内存单元DM06DM21。楼层计数器（CNT46）为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1。为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数器。其子程序如图所示。图楼层计数子程序 快速换速当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号。若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。它的子程序图如图所示。图快速转换子程序以上行为例，DM31快速换速点对应的脉冲数是楼层间距DM30与快速换速举例DM01之差；DM31和DM30的值分别赋给DM34和DM35。运行时高速计数器不断累加脉冲数，每个扫描周期计数器的值与DM34 DM35区段进行比较。当其值进入DM34与DM35区段时，HR01置位，表示进入快速换速区间；若此时有选层信号且电梯为快速运行，则发快速换速信号（0503置ON）。快速换速工作原理如图的梯形图所示。数据存储单元DM01为快速换速距离脉冲数，DM30为楼层间距脉冲数，DM31为快速换速点对应的脉