电梯结构原理及控制系统分析.pdf

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1、第一章 绪论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

2、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。电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及 空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工 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。在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、

3、管理和维护人员提出了更高的要求。第二章 电梯的结构2.1 电梯的基本结构电梯是机与电紧密结合的复杂产品，是垂直交通运输工具中使用最普遍的一种电 梯，其基本组成包括机械部份和电气部份，结构包括四大空间（机房部分、井道和底 坑部分、围壁部分和层站部分）和八大系统（曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统）组成。电梯基本结构如图 21 所示：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

4、；17-对重，18-19-20-21-22-23-24-25-26-27-28-29-30-31-32-补偿链；补偿链导轮；张紧装置；缓冲器；底坑；层门；呼梯盒；层楼指示灯；随行电缆；轿壁；轿内操纵箱；开门机；井道传感器；电源开关；控制柜；电梯的基本结构剖视图图 2-133-曳引电机；34-制动器2.1.1 机房部分机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。机房可以设置在井道顶部，也可设置 在井道底部。当机房设于井道底部时，即为曳引机下置式曳引方式。这种方式结构复 杂，建筑物承重大，对井道尺寸要求大，只有在机房无法顶置时才使用。对于绝大多 数电梯，椭均设于井道顶部。机房必须有足够的面积，高度、承重

5、能力及良好的通风条件。组成：总电源控制盒、控制柜、曳引机、导向轮、限速器。2.1.2井道及底坑部分井道由围壁、顶板及底坑围成一个在纳电梯轿厢和对重的有限空间。为了出人，在每个层站开有入口。井道的底坑深入地面，用于安装缓冲器、限速器、钢丝绳涨紧 装置等。由于深人了地面，因此要求防水，最好有排水设施。组成：导轨、导轨支架、对重、缓冲器、限速器张紧装置、补偿链、随行电缆、底坑、井道照明。2.1.3围壁部分围壁的作用是将电梯与外界分隔开，当导轨架直接安装在围壁上时，它还应承受 费切力。围壁的结构分为封闭式和空格式。2.1.4层站部分层站是各楼层中，电梯停靠的地点。每一层楼，电梯最多只有一个站；但可根据

6、 需要在某些层楼不设站。组成：层门（厅门）、呼梯装置（召唤盒）、门锁装置、层站开关门装置、层楼显 示装置。2.1.5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。电梯的曳引系统如图 22 所示：图 2-2 电梯的曳引系统曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。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，是 电梯的动力源，。曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，根据需要，有的曳引机还装有冷却风机、速度反馈装置（光码盘）、惯性轮等。根据电动 机与曳引轮之间是否有减速箱，可分为有齿曳引机和无齿曳引机。对于有

7、齿轮曳引机，需在曳引电动机转轴和曳引轮转轴之间安装减速器（箱），目的是将电动机轴输出的较大 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，以适应电梯运行的要 求。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。除了安全钳以外，只有它能使工作中的电梯轿厢停止运行，另外它还对轿厢与厅门地坎平层时的准确度 起着重要作用。电梯曳引钢丝绳的两端分别与轿厢和对重装置联接，绳承受着电梯全部悬挂重量，且反复弯曲，承受很高的比压，还要频繁承受电梯起动和制动的冲击。因此，对电梯 曳引钢丝绳的强度、耐磨性和挠性均有很高的要求。当钢丝绳的绕绳比大于 1 时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。反绳轮的个数

8、可以是 1 个、2 个甚至 3 个，这与曳引比有关。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，将曳引钢丝绳引向对重或轿厢的钢丝绳 轮，采用复绕型时还可增加曳引能力。导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。2.1.6导向系统导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由 度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。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、I 1立方向。F2.1.7门系统门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。层门设在

9、层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。2.1.8轿厢轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿 厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小 由额定载重量或额定载客人数决定。组成：轿厢、轿厢门、安全钳装置、平层装置、安全窗、导靴、开门机、轿内操 纵箱、指层灯、通讯报警装置。2.1.9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的额定载重。

10、重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置2.1.10电力拖动系统电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯 实行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈装置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 脉冲发生器，与电机相联。调速装置对曳引电机实行调速控制。2.1.11电气控制系统电气控制系统由操纵装置、控制屏、位置显示装置、平层装置、选层器等组成的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、

11、轿顶和机房中 的检修或应急操纵箱。控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组 件。位置显示装置是指轿内和层站的指层灯。层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢 所在的层站。选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。2.1.11安全保护系统安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。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等。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有,它第三章电梯工作原理3.1电梯系统工作原理电梯的安全保护装置用于电梯的启停控制；轿厢操作盘用于轿厢门的关闭、

12、轿厢 需要到达的楼层等的控制；厅外呼叫的主要作用是当有人员进行呼叫时，电梯能够准 确达到呼叫位置；指层器用于显示电梯达到的具体位置；拖动控制用于控制电梯的起 停、加速、减速等功能；门机控制主要用于控制当电梯达到一定位置后，电梯门应该 能够自动打开，或者门外有乘电梯人员要求乘梯时，电梯门应该能够自动打开。电梯控制系统结构图如图 3 1 所示：轿厢操作盘厅外呼叫-安全保护 装置输入接口PC 主机CPU 存储器输出接口-调整4-V拖动控制门机控制图 3-1 电梯控制系统结构图电梯信号控制基本由 PLC 软件实现。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

13、控制、轿内指令、层站召唤、安全保护 信号、开关门及限位信号、门区和平层信号等。电梯信号控制系统如图 3 2 所示：图 3-2电梯信号控制系统第四章 控制系统分析4.1 继电器控制系统电梯继电器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。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

14、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和惊忧。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。4.2 计算机控制系统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

15、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。4.3 PLC 控制系统可编程序控制器(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

16、 变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。可编程序控制器的应用领域，在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应 用在所有的工业部门，随着可编程序控制器的性能价格比的不断提高，过去许多使用 专用计算机的场合也可以使用可编程序控制器。比如用在开关量的控制，这是可编程 序控制器最基本最广泛的应用，它的输入和输出信号都是只有通、断状态的开关量信 号，这种控制与继电器控制最为接近，可以用价格较低，仅有开关量控制的功能的可 编程序控制器作为继电器控制系统的替代物。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也 可以用于自动线生产线，如机床控制、冲压、铸造机械、运输带、包装机械的控制，同样也可以用于电梯的控制。可编

17、程序控制器的特点：可靠性高、抗干扰能力强控制系统构成简单、通用性强编程简单，使用、维护方便组合方便、功能强、应用范围广体积小、重量轻、功耗低通过上述的简述，PLC 电梯控制系统应能够达到如下要求：（1）安全性 电梯是运送乘客的，即使载货电梯通常也有人伴随，因此对电梯的第一要求便是安全。电梯中设置有必要的安全措施，它们主要有：超速保护装置轿厢超越上、下极限工作位置时，切断控制电路的装置，交流电梯（除 杂物电梯）还应有切断主电路电源的装置，直流电梯在井道上、下端站前，应有强迫 减速装置。撞底缓冲装置对三相交流电源应设断相保护的装置和相序保护装置应设置厅门、轿门电气联锁装置电梯因中途停电或电气系统有

18、故障不能运行时，应有轿厢慢速移动措施（2）可靠性 电梯的可靠性也很重要，如果一部电梯工作起来经常出故障，就会影响人们正常的生 产、生活，给人们造成很大的不便。不可靠也是事故的隐患，是不安全的起因。要想提高电梯的可靠性，首先应提高构成电梯的各个零、部件的可靠性，只有每个零、部 件都是可靠的，整部电梯才可能是可靠的。（3）乘坐舒适感 根据人们生活中的经验证明，在运动速度不变的情况下，速度值的大小对人们的器官 基本上没有什么影响，这只是指人们沿地面或空中的沿与地面平行的任意方向运动的 情况而言的。高速的升降运动就和上述运动有所不同。这是由于在升降运动中，人体周围气压的迅速变化，对人们的器官产生影响。

19、例如耳膜会感到压力而嗡嗡响等等。只要采取一定措施，这些影响是可以消除的。所以目前电梯的运行速度虽已高达 10m/s。仍能使乘客无大的不适感。（4）快速性 电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的。快速可以节省时间，这对 于在快节奏的现代社会中的乘客是很重要的。快速性主要通过以下方法得到：提高电梯额定速度集中布置多台电梯，通过电梯台数的增加来节省乘客候梯时间见面可能减少电梯起、停过程中加、减速所用的时间（5）停站准确性（6）电梯理想运行曲线根据大量的研究和实验表明，人可接受的最大加速度为 am 1.5m/s2,加速度变化 率pm 3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯

20、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pm 跳变到-pm 或由-pm 跳变到pm 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。变频器构成的电梯系统，当变频器接收到控制器发出的呼梯方向信号，变频器依 据设定的速度及加速度值，启动电动机，达到最大速度后，匀速运行，在到达目的层 的减速点时，控制器发出切断高速度信号，变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度，在减速运行过程中，变频器能够自动计算出减速点到平层点之间的距离，并计算出优化曲线，从而能够按优化曲

21、线运行，使低速爬行时间缩短至0.3s 在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜坡来调整平层精度。即当电梯停得太早时，变频器增大低速度值或减少制动斜坡值，反之则减少低速度值或增大制动斜坡值，在 电梯到距平层位置 4 10cm 时，有平层开关自动断开低速信号，系统按优化曲线实现 高精度的平层，从而达到平层的准确可靠。（其速度曲线如图 4 1 所示）图 4-1 抛物线直线综合速度曲线抛物线一一直线综合速度曲线的加速时间的起始阶段（ta/n）和最末段（ta/n）均为抛 物线形速度曲线，而中间段（n-2）ta/n 为直线形的速度曲线；n 为起动时间系数。参考文献1 汪晓平主编.PLC 可编程控制

22、器系统.人民邮电出版社，2004.2 李国厚主编.PLC 原理与应用设计.化学工业出版社，2005.3 程玉华主编.西门子 S7-200 工程应用实例分析.电子工业出版社,2008.4 王卫星等著.可编程控制器原理及应用.中国水利水电出版社，2002.5 胡学林编著.可编程控制器应用技术.高等教育出版社，1996.6 刘载文等著.电梯控制系统.北京：电子工业出版社，1996.7 陈家胜主编.电梯结构原理及安装维修.北京：电子工业出版社，1990.8 朱善君等著.可编程序控制系统原理、应用、维护.北京：清华大学出版社9 王兆义主编.可编成控制器教程.北京：机械工业出版社，2000.10 陈伯时等.交流调速系统.北京：机械工业出版社，2005.11 孙振强主编.可编程控制器原理及应用.清华大学出版社,2005.,1992.