四层楼电梯的PLC控制.docx
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四层楼电梯的PLC控制
四层楼电梯的PLC控制
一.毕业设计课题介绍..............................................5
二.四层楼电梯PLC控制及程序分析..................................7
1.操作部分控制...................................................7
2.逻辑分析.......................................................7
3.硬件设计.......................................................7
4.电梯的工作示意图...............................................8
5.电梯的I/O接口图...............................................9
6.四层楼电梯的情况分析...........................................9
7.PLC程序部分的小结.............................................18
三.电梯主要部件结构及功能介绍....................................18
1.电梯曳引系统..................................................18
2.控制柜........................................................31
3.门系统........................................................34
4.对重..........................................................37
5.轿厢..........................................................38
6.机械部分小结..................................................38
四.毕业设计总结..................................................39
五.参考文献......................................................40
六.附录
1.四层楼电梯控制程序
2.四层楼电梯梯形图
3.主要零部件的装配图以及零件图
四层楼电梯设计
摘要：
此次毕业设计的主要内容有两个，一个是设计出一个能够控制四层楼电梯运动的程序,根据平时所知道的,四层楼电梯分为在1层,2层,3层,4层四个楼层停靠时的其他楼层呼叫的种种情况.这其中也包括了两层同时呼叫以及三层同时呼叫.另一个主要任务是设计出电梯的几个主要部件的零件图以及装配图.其中我主要通过可编程控制器（PLC）来实现四层楼电梯的启停以及那些呼叫的情况.而在电梯的机械部分设计上,我主要将重点放在了电梯的开门机,曳引机以及控制柜上.当然,轿厢,对重这些部件的尺寸也涉及在内.我运用所学知识独立完成了四层楼电梯的机械以及电方面的设计.
关键词:
电梯,可编程控制器（PLC）,开门机,曳引机,控制柜
一.毕业设计课题介绍
电梯（如图1）是随着建筑业和运输业的兴起而发展起来的一种运输工具.随着现代科学技术在电梯上的大量应用,电梯成为了一种机电一体化的大型复杂设备.电梯给人们生活,生产带来了诸多方便.但是有时候还是会出现一些小的事故,但近年来电梯已经趋于稳定.
现在的电梯已经被使用的越来越广泛了,有乘客电梯,载货电梯,客货电梯,病床电梯,住宅电梯,杂物电梯,船用电梯,观光电梯,汽车电梯,自动扶梯,自动人行道等.当然按驱动方式来说又可分为曳引式电梯,强制驱动式电梯,液压式电梯,感应式电梯.目前还有许多地方可以用的到电梯.
基于上述原因，根据指导老师的要求我就以“四层楼电梯控制”作为我的毕业设计课题。
在本次毕业设计中我主要做了如下设计工作。
1.使用可编程控制器（PLC）来实现四层楼电梯的启动,停止以及各个楼层的呼叫情况.
2.使用Autocad图形系统软件来设计四层楼电梯的电气控制图.
3.使用UGS图形系统软件来绘制电梯中的几个重要组成部件的零件图以及装配图.
4.计算出一些主要设计到的参数.
5.编写设计说明书.
下面本说明书将首先详细介绍利用可编程控制器（PLC）来实现的电梯控制程序,并加以分析.并且将几个主要组成部件进行详细介绍并加以设计,计算在电梯设计过程中所需要的一些主要参数.最后将叙述这次设计的体会并列出这次设计相关的参考资料.
图1
1-减速箱； 2-曳引轮；3-曳引机底座； 4-导向轮；
5-限速器； 6-机座；7-导轨支架； 8-曳引钢丝绳；
9-开关碰铁； 10-紧急终端开关；11-导靴； 12-轿架；
13-轿门； 14-安全钳；15-导轨； 16-绳头组合；
17-对重， 18-补偿链；19-补偿链导轮； 20-张紧装置；
21-缓冲器； 22-底坑；23-层门； 24-呼梯盒；
25-层楼指示灯；26-随行电缆；27-轿壁； 28-轿内操纵箱；
29-开门机； 30-井道传感器；31-电源开关； 32-控制柜；
33-曳引电机； 34-制动器
二.四层楼电梯PLC控制及程序分析
我使用可编程控制器（PLC）来实现这次设计的电梯控制部分.首先我介绍一下我对于四层楼电梯编程的思路:
1.操作部分的控制
1）.到达指定楼层自动停层，自动开门
2）.延时自动关门，等候厅外召唤
3）.响应顺电梯行进方向上的厅外召唤
4）.电梯到达顶层或底层时，自动停止并改换方向
5）.门厅与轿厢内有楼层显示
2.逻辑分析
电梯控制系统的换向换速控制主要取决于外部各个输入信号之间的逻辑组合.针对输入的4组信号,可以分为3类考虑.
1）.第一类是输入的楼层监测信号,首先这类信号可以提供电梯所在的楼层信息,使用它们进行楼层指示.另外,还可以使用这类信号与另外两组信号配合,实现楼层相关的控制指令以及拖动电机的加减速控制.
2）.第二类信号是电梯轿内的楼层选择信号,这几个信号是由轿内的数字按钮发出的,它们与第一类信号配合实现对电梯升降的控制.
3）.第三类信号为电梯门厅的升降按钮产生的上下信号,包括2层向下,3层向下,4层向下以及1层向上,2层向上,3层向上.这里的6个信号与电机运行的方向信号以及第一类位置信号配合,可用于提供对电梯门厅升降按钮的响应.
3.硬件方面的设计
1）.主要是轿内的楼层选择数字键1到4,各层门厅按钮,除一层只设置上升按钮,四层只设置下降按钮,其他几层设置上升和下降两个按钮.
2）.为确保电梯的正常停止,在各层设置位置监测元件,当电梯运行到每层时,对应的监测元件给出信号到PLC
3）.对电机进行控制的输出,包括正向控制,反向控制,快速控制和慢速控制4个输出.其中正反向控制输出点驱动继电器完成对电机方向的控制,快慢速输出所驱动的继电器是实现对加减速电阻的控制,而具体的电机速度变化的实现方式依据实际情况不同而不同.而在我的设计中,只是加入了快速和慢速的功能
4.电梯的工作示意图
工作示意图
5.I/O接口图
I/O接口图
这次设计我采用的是FX2N-48MT型的PLC,如工作示意图与I/O接口图所示的,1层到4层的转换是由限位开关来完成的.同时控制四层的按钮为X4,X5,X6,X7四个按钮.在输出端,首先是四层楼的四个指示灯,随后是KM1和KM2两个接触器分别代表了电梯的上升和下降.N端与L端两端是由变压器接出的220V的电.
6.情况分析
这次设计最为重要的就是如何控制四层电梯面对各种情况下的动作.首先明确的是电梯分上升和下降两个情况.下面是我对于编程的分析.
程序段1
本段程序为1层到4层数码管显示的命令,程序的意思是将数字1,2,3,4分别输入数码管,当哪层得到命令时,则对应该层的数码管显示.最后一句的目的就是启动数码管.
1.较为简单的单层呼叫.（详见程序段2）
1）.停在1层时,2层,3层,4层分别呼叫,电梯下降,因为是1层,所以电梯只是下降.
2）.停在4层时,1层,2层,3层分别呼叫,由于是在4层,所以电梯只是上升.
3）.停在2层时,当1层呼叫时,电梯下降,而当3层和4层分别呼叫时,电梯就上升.
4）.停在3层时,4层呼叫,电梯上升,而当1层,2层分别呼叫时,电梯则下降.]
程序段2
2.接下来是2层同时呼叫的情况.
1）.停在1层时,当2层和3层同时呼叫时,则看2层和3层哪一层率先呼叫,如果2层先呼叫,则先上升到2层,再上升到3层.若3层先呼叫,则先上升到3层,随后再下降到2层.当2层和4层以及3层和4层同时呼叫时,情况和上面2层和3层同时呼叫时的情况相同.
2）.当电梯停在4层时,当2层和3层同时呼叫时,则也是先看哪层率先呼叫,2层先则先下降到2层再上升3层,若3层先呼叫则先下降到3层再下降到2层.停在4层时的情况也是这样.
3）.停在2层时,也是看哪一层率先呼叫,率先呼叫的层先运动.
4）.停在3层时,同样也是看哪一层先呼叫,先呼叫的层先运动.
程序段3
如程序段3所示,我列出的是电梯在四层时的两层同时呼叫的情况,电梯停在其余层时的情况和停在四层的情况是一样的.（电梯停在1层时不可能）.比如说1层与2层同时呼叫时,则按上面所说的看哪层率先呼叫,假设第2层先呼叫,则程序段3中最后1段里的M7接通,（虽然上面的M6也接通,但是由于是2层先呼叫,所以当到2层时,只有最后1段里的
接通,接通的同时,时间继电器T2也得电,延时之后,程序段3中最上面1段里的T2接通了,这时本来由于
断开而断开的线路又由T2这路接通了,电梯则开始下降到1层再停止.这里要说明的是Y11是下降的线圈.
程序段4
再如程序段4所示的,这是当电梯停在1层时,2层同时呼叫时的情况.比如当电梯停在1层时,2层与3层同时呼叫,按上面说的看哪一层率先呼叫,假设2层率先呼叫,则先上升到2层,当上升到2层之后,程序段5中的X12接通,接通的同时,时间继电器T6也接通,程序段上半段里的本来由于X12断开而失电的Y12又由T6得电了,这样电梯就又能开始运行到3层了.
程序段5
这里需要提到的是另外的一种情况,如果电梯停在2楼或3楼时,就会有一定的概率出现既要下降又要上升的情况.比如说当电梯停在2楼时,1楼和3楼同时呼叫的情况.
程序段6
如程序段6所示,3层先1层后则先上升到3层再下降到1层.由于无论是Y11下降还是Y12上升,其中都有M3,由于是在第2层,所以显然Y11下降端的M3在电梯停在2层时是不会接通的,所以在这里我放了一段程序如程序段6中的上半段,当X12接通时（也就是当电梯停在第2层时）,M20就会得电接通,当M20接通是,程序段6下半段中的
就会断开,这样在Y11下降这一路的M3在电梯停在2层呼叫时是不会接通的.
当电梯停在3层时,2层和4层同时呼叫的情况如下程序段7
程序段7
情况和当电梯停在第2层时差不多,当2层率先呼叫时,由于是在3层,所以电梯应该首先下降,但由于Y11下降和Y12上升这里都有M2,所以无法判断到底是上升还是下降,如程序段7,当电梯停在3楼时,M26接通了,当M26接通时,程序段7下半段中M2之后的
断开了,这样当电梯停在3层呼叫时,上升时的M2就会由于M26的断开而无法接通了.
其他的在2层或3层时到底上升还是下降与我刚才说的一样,主要是看哪层率先呼叫,先呼叫的就先运动.其中既有先上升再上升的,先下降再下降的,也有我上面提到的先下降后上升的以及先上升后下降的.
3.最后是3层同时呼叫的情况
1）.停在1层时,2层,3层,4层同时呼叫时,也是按照上面的思路看哪一层率先呼叫,由于有3层,所以做比较的就有6种情况了.2-3-4,2-4-3,3-2-4,3-4-2,4-2-3,4-3-2.
2）.停在4层时,1层,2层,3层同时呼叫时,则有1-2-3,1-3-2,2-1-3,2-3-1,3-1-2,3-2-1.
3）.停在2层时,1层,3层,4层同时呼叫时,则有1-3-4,1-4-3,3-1-4,3-4-1,4-1-3,4-3-1.
4）.停在3层时,1层,2层,4层同时呼叫时,则有1-2-4,1-4-2,2-1-4,2-4-1,4-1-2,4-2-1.
程序段8
如程序段8所示,前面2段部分为这些情况所有汇总起来的程序段,下面一小段是我要介绍的当电梯停在第3层时,1层,2层,4层同时呼叫时的情况.首先这3层同时呼叫了,则M31接通了,则在程序段8中有四处M31接通了,可以看到这四处M31后都跟着楼层的限位开关,不同的是分别跟的有X11,X14和两个X12,这里要说明的是为什么要跟两个X12,因为就X11和X14来说,这两个楼层不是下降就是上升,只有一种情况,而X12则不同,其有可能上升也有可能下降.所以这里要跟两个X12,为了区别,我在X12后分别跟了
和
.也就是说当到了1层,则跟X11这一路就会断开,则电梯继续向4层走,反之,当先到了4层,则跟X14这一路就会断开,则电梯继续向1层走.假设2-1-4这个顺序,电梯先到了第2层,则这里2个X12都接通,随后到达第1层,到达后跟在X12后面X11就会断开,断开后就只有后面跟X14的这一路接通了.其他几种三层同时呼叫的情况和这个差不多,唯一要注意的就是第二层和第三层,这两层既有上升的情况也有下降的情况,这就是看是上升先按还是下降先按了.
程序段9
如程序段9所示,这里我还设计了开门和关门的简单程序,Y1为开门,开门接通的同时T0也接通,这样延时之后,Y2关门也就接通了,接通的同时,M5被Y2断开了,这样整个就断开了.这样往复.
7.程序部分小结
四层楼电梯在编程方面遇到的最大问题就在于越到呼叫层数越多,也就越容易混淆.首先必须要明确有哪些情况要考虑,考虑这个的同时还要同时兼顾是不是在另外的指令上发生冲突之类的.其次要考虑的是同时呼叫时的顺序问题,在这里需要注意的是当电梯出现停靠在第二层或第三层时的一些情况,比如停靠在第二层时,第三层呼叫,则需要防止出现电梯可能走下降这一路的问题,停靠在第三层时也有这个问题,也就是第二层呼叫时的问题.还要考虑的是在3层同时呼叫时的电梯停靠时间,这里很容易就忽视了.最后必须要注意的是也就是比较重要的是不能搞乱情况.
三.电梯主要部件结构及功能介绍
1.电梯曳引系统
电梯曳引系统的作用是输出动力并且传递动力,从而使电梯完成向上或向下的运动.
电梯曳引系统的主要组成部分有:
曳引轮,曳引绳,曳引电动机,制动器等.
1.1曳引机
曳引机是电梯的主要拖动机械,它驱动电梯的轿厢和对重装置作上,下运动.其组成部分主要有:
曳引电动机,制动器,减速箱,曳引轮和底座.根据需要有的曳引机还装有冷却分机,速度反馈装置,惯性轮等.根据电动机与曳引轮之间是否有减速箱,又可分为有齿曳引机（如图2）和无齿曳引机.
图2
有齿曳引机和无齿曳引机的区别主要在于无齿曳引机过去一般是以直流电动机作为动力,而且由于没有减速箱这一中间传动环节,所以传动效率高,噪声小,传动平稳.但同时也存在能耗大,造价高,维修不便等缺点.而有齿曳引机的技术就比较成熟了,其拖动装置的动力是通过中间减速器传递到曳引轮上的.由于存在着减速箱,其作用是降低电动机输出转速,同时提高输出力矩.减速箱常采用蜗轮蜗杆传动,这种传动方式具有传动比大,运行平稳,噪声低,体积小的优点.
1.2曳引绳
这里我主要研究并计算了有关曳引绳的张力问题.曳引绳的张力不均会造成轿厢抖动,磨损曳引轮,所以悬挂曳引绳后应该进行张力检测,电梯投入使用后也应定期对曳引绳张力进行检测.根据国家标准规定（GB10060-93<<电梯安装验收规范>>中4.3.3条）其张力平均值偏差均不大于5%.
1）.首先将曳引绳按一定顺序予以编号,如A,B,C,D,E等以便于记录数据.其次我使用了200N的测力计,测量每根钢丝绳等距离状态下的力.现在我将五根曳引绳都沿水平方向拉离原位150mm,分别记下这五根曳引绳在测力计上的力,得到A为120N,B为125N,C为130N,D为135N,E为140N,当然,测量时各绳受力点都在同一水平上.
2）.做完上述准备工作后,就开始进入计算.首先计算曳引力的平均值
Fk=（FA+FB+FC+FD+FE）/ns
式中Fk:
曳引绳张力的平均值（N）
FA----FE:
各曳引绳等距离的张力（N）
ns:
曳引绳数量,被测电梯有5根绳
随后将数据代入
Fk=（120+125+130+135+140）/5=130N
3）.平均值算完后计算曳引绳张力的偏差值,偏差值的计算公式就是用测得的每根曳引绳的等距离张力减去曳引绳张力的平均值,减完的结果就是各绳的张力偏差值.
TA=FA-FK=120-130=-10N
TB=FB-FK=125-130=-5N
TC=FC-FK=130-130=0N
TD=FD-FK=135-130=5N
TE=FE-FK=140-130=10N
式中TA----TE:
各绳张力与平均值张力偏差值（N）
FK:
曳引绳张力平均值（N）
4）.之后就是开始计算各曳引绳张力与平均值偏差百分比
A=TA/FK=（-10）/130=-7.7%
B=TB/FK=（-5）/130=-3.8%
C=TC/FK=0/130=0
D=TD/FK=5/130=3.8%
E=TE/FK=10/130=7.7%
式中A----E:
曳引绳张力百分比（%）
5）.计算部分已经全部完成了,接下来最后就是判断部分了
经计算结果得A,B,C,D,E五根绳的张力数值,根据国家标准张力平均值偏差均不大于5%可知,A和E都不符合,这两根绳为7.7%,都超过了5%.
1.3曳引电动机
曳引电动机是电梯的动力来源,是电梯的关键部件之一,所以在选用前一定要了解电梯的拖动特点和电梯对曳引电动机的要求.我根据查阅的资料列出了以下四点:
1）电梯是一个大惯量的拖动系统,要求电动机有较大的过载能力
在电梯中,通常要求曳引电动机的过载倍数λm为3到4倍,过载能力的加大是由于转动惯量,转动惯量的增加也就是系统飞轮矩的增加,使得在加,减速阶段电梯的动态负载（如图3）转矩加大.
图3
在图3中,所有的曲线都为速度曲线,整个为电梯的动态负载机械特性曲线.我以AE段进行了计算:
由图我假设AE段的速度曲线为v=kt
电动机轴的旋转加速度dn/dt=2kt,把其代入动态转矩方程得:
M=2GD
kt/375.说明在启动的AE段内,动态转矩与时间成正比.随后将v入整理得:
v（187.5/GD
）
*M
/k.在AE段的动态特性曲线v=f（M）为一条抛物线.
EF:
为一条直线,所以相应的动态转矩为常数.
FB:
与AE段对称,为一段反抛物线
BC:
恒速运行段,其加速度为零,所以动态转矩也为零.
另外一边则与此边对称.
2）.动机必须要承受电梯的频繁起停.
由于频繁起停,所以经常导致电动机发热,所以有必要改进起,制动方法来减少加,减速过度过程中电动机的发热量.
3）.电梯做的是周期运动,所以在选择电动机上也要选用周期断续工作制的电动机.（见图4,电梯的运行步骤）
图4
在这方面,主要是由负载持续率决定的,也就是说工作时间占周期时间的百分比.其公式为:
FS=tg/T*100%
式中FS:
负载持续率
T:
周期
tg:
电动机工作时间
4）.对于交流电梯,要求曳引电动机有足够的起动转矩和尽量小的起动电流.
接下来,我分析一下我在选用电动机额定功率时的做法.
首先由图3电梯的动态负载曲线,我将其变化成转矩与时间的变化曲线,如图5
图5
我在选用电动机时是根据ABCD段这段工作区间来选的,不过由于同时存在加速阶段AEFB段与减速阶段CF’E’D,所以我觉得工作区间的负载转矩等于匀速运行阶段的负载转矩,也就是静态负载转矩,所以开始的时候可以用平均负载来代替等效负载.
根据图6中的力学关系,列出曳引电动机的额定功率方程:
PN=K（1-KP）*mN*vN/102η
KP=（Qp-Qj）/QN=（mp-mj）/mN
式中Qp,mp:
电梯对重的重量和质量
Qj,mj:
电梯轿厢的重量和质量
QN,mN:
电梯承重的重量和质量
KP=0.4----0.5
K:
1.1---1.6
传动系统的效率η与轿厢的悬吊方式及曳引类型有关.（参见表1）
1:
1绕法
2:
1绕法
有齿曳引机
η=0.5---0.6
η=0.45---0.55
无齿曳引机
η=0.85
η=0.8
表1
图6
我设计的电梯采用的是1:
1的绕法,设电梯的额定梯速为1m/s,而额定载重量为1000kg,查表1并代入得:
PN=K（1-KP）*mN*vN/102η
=（1.1---1.6）（1-0.45）*1000*1/（102*0.55）
=10.79---15.69（KW）
所以参见[1]表3-2取YPTD变频调速异步电动机系列里的YPTD160L2-6,其额定功率为13KW.
1.4制动器
制动器是电梯的一个重要安全装置,对主动转轴起制动作用,还能使工作中的轿厢停止运行,还对轿厢与厅门地坎平层时的准确度起着重要作用.对于有齿曳引机,制动器安装在电动机的旁边,而对于无齿曳引机来说,制动器则安装在电动机与曳引轮之间.制动器的工作原理是:
当电梯处于静止状态时,曳引电动机,电磁制动器的铁心之间会变得没有吸引力,这样就保证了电梯处于不工作的静止状态.而当曳引电动机通电旋转的瞬间,制动电磁铁中的线圈也同时通上电流,电磁铁心迅速磁化吸合,从而使电梯在无制动力的情况下得以运行,当电梯轿厢到达所需层站停下时,曳引电动机失电,制动电磁铁中的线圈也同时失电,电磁铁心中的磁力迅速消失,所以此时电梯又再次停止工作了.
1.5曳引轮
曳引轮是嵌挂曳引钢丝绳的轮子,也称曳引绳轮或驱绳轮,绳的两端分别与轿厢和对重装置连接.当曳引轮转动时,通过曳引绳和曳引轮之间的摩擦力或者说是曳引力,驱动轿厢和对重装置上下运动.
1.6轴
首先我要说明的是这里的减速器是用在曳引机上的,目的是将电动机轴输出的较高转速降低到曳引轮所需的较低转速,同时得到较大的曳引转矩,以此来适应电梯的运行要求.在这里,我主要将设计方向放在了轴的绘制与校核上了.这根轴是套在曳引轮之上的.如图7,在这张图上,我只是简单的标注了几个长度以及直径的尺寸,为了便于计算.在这次设计中,我选用的每级齿轮传动的效率为0.97,根据上面选择的曳引电动机的功率为13KW,转速为967r/min,由此计算出输出轴上的功率P=13*9.67=12.23KW.而在齿轮机构的选用上,我选用的
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