机电一体化产品分析--电梯.doc

机电一体化产品分析 电 梯一、 概述（一） 机电一体化系统简介机电体化(Mechatronics)一词最早(20世纪70年代初)起源于日本，它是机械学(mechanics)的前半部和电子学(electronics)的后半部拼合而成，字面上表示机械学与电子学两个学科的综合。机电一体化最初指在机械的主功能、动力功能、信息处理功能与控制功能上引进电子技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合起来而构成的系统的总称。日前，人们对“机电一体化”存在着各种不同的认识，随着生产和科学技术的发展“机电一体化”本身的含义也被赋予了新的内容。其基本概念和含义可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖了“技术”和“产品”两个方面。只是机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其他新技术的简单组合、拼凑。机电一体化系统由机械系统（机构）、信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）五个子系统组成。其基本特征是给机械增添了“头脑”（计算机信息处理与控制），因此要求传感器、控制用接口元件、机械结构、控制软件技术水平较高的系统。其运动控制不仅仅是线性控制，还有非线性控制、最优控制、学习控制等各种各样的控制。作为由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，机电一体化系统具有满足人们使用要求的功能。无论是哪种机电一体化系统，其系统内部都必须具备五种内部功能：主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。由于机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展进步有赖于相关技术的进步发展，其主要发展方向主要有智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人性化。（二） 电梯基础现今世界，电梯已是人们离不开的极其重要的文通（代步）工具。高层建筑的拔地而起，令人瞩目的智能大厦（IB）的出现，显示了建筑业的飞速发展。作为现代信息高速公路首批受益者的智能大厦，是计算机技术、自动控制技术、网络及通信技术的综合产物，是未来信息社会的典型缩影。电梯作为大厦控制系统的重要成员，有着举足轻重的地位。电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。轿厢式电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。19世纪中期开始采用液压电梯，至今仍在低层建筑物上应用。1852年，美国的E.G.奥蒂斯研制出钢丝绳提升的安全升降机。80年代，驱动装置有进一步改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒、采用平衡重等。19世纪末，采用了摩擦轮传动，大大增加电梯的提升高度。电梯由机械、电气和控制系统组成。机械系统由曳引系统、轿厢和对重装置、导向系统、厅轿门和开关门系统、机械安全保护系统等组成。其中曳引系统由曳引机、导向轮、曳引钢丝绳、曳引绳锥套等部件组成。导向系统由导轨架、导轨、导靴等部件组成。机械安全保护系统主要由缓冲器、限速器和安全钳、制动器、门锁等部件组成。厅轿门和开关门系统由轿门、厅门、开关门机构、门锁等部件组成。电气控制系统主要由控制柜、操纵箱等十多个部件和几十个分别装在各有关电梯部件上的电器元件组成。控制系统主要指软件部分。图1 电梯结构图1-制动器；2-曳引电动机；3-电气控制柜；4-电源开关；5-位置检测开关；6-开门机；7-轿内操纵盘；8-轿厢；9-随行电缆；10-呼梯盒；11-厅门；12-缓冲器；13-减速箱；14-曳引机；15-曳引机底盘；16-导向轮；17-限速器；18-导轨支架；19-曳引钢丝绳；20-开关炭块；21-终端紧急开关；22-轿厢枢架；23-轿厢门；24-导轨；25-对重；26-补偿链；27-补偿链导向轮；28-张紧装置二、 电梯的机械系统机械系统由曳引系统、轿厢和对重装置、导向系统、厅轿门和开关门系统、机械安全保护系统等组成。其中曳引系统由曳引轮、曳引绳、导向轮、反绳轮等部件组成。导向系统由导轨架、导轨、导靴等部件组成。厅轿门和开关门系统由轿门、厅门、开关门机构、门锁等部件组成。机械安全保护系统主要由缓冲器、限速器和安全钳、制动器、门锁等部件组成。（一） 曳引系统电梯曳引系统的作用是输出并传递动力，从而使电梯完成向上或向下的运动。其主要组成部分有：曳引轮、曳引绳、导向轮、反绳轮。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做上下运动。其组成部分包括：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风机、速度反馈装置（光码盘）、惯性轮等。根据电动机之间是否有减速箱，又可以分为有齿曳引机和无齿曳引机。2、减速器对于有齿轮曳引机，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，以适应电梯运行的要求。根据减速器的不同结构，常采用蜗轮蜗杆传动和斜齿轮传动两种。减速器多采用蜗轮蜗杆传动。3、曳引轮曳引轮是嵌挂曳引钢丝绳的轮子，也成曳引绳轮或驱绳轮，绳的两端分别与轿厢和对重装置连接。对于有齿轮曳引机，它安装在减速器中的蜗轮轴上，而对于无齿轮曳引机则装在制动器的旁侧，与电动机轴、制动器轴在同一轴线上。当曳引轮转动时，通过曳引绳和曳引轮之间的摩擦力(也叫曳引力)，驱动轿厢和对重装置上下运动。所以说，它是电梯赖以运行的主要部件之一。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。除了安全钳外，只有它能使工作中的电梯轿厢停止运行。另外，它还对轿厢与厅们地坎平层时的准确度起着重要作用。对于有齿轮曳引机，制动器安装在电动机的旁边，即在电动机轴与蜗轮轴相连的制动轮处。若是无齿轮曳引机则安装在电动机与曳引轮之间。制动器通常由制动电磁铁、制动臂、制动瓦块和制动弹簧等组成。（二） 轿厢和对重装置、导向系统在曳引电梯中，轿厢和对重悬挂于曳引轮两侧。轿厢是运送乘客或货物的承载部件，也是乘客唯一能看到的电梯结构部分；电梯的轿厢体包括轿厢底、轿厢壁、轿厢顶和轿厢门等组成。对重平衡装置由对重和补偿装置组成；对重的作用是为了减轻电动机的负担，提高曳引效率。电梯的导向系统由导轨、导靴和导轨架组成。作用是保证轿厢和对重始终在垂直方向上运动，不允许倾斜或在水平方向移动。（三） 电梯的门系统电梯的门系统包括：轿门（轿厢门）、厅门（层门）、开关门机构、安全装置以及附属的零部件。对于电梯特别是客梯来讲，门系统是不可或缺的安全保护措施，它可以有效的防止侯梯人员和物品坠入井道或者轿内人员和物品与井道相碰撞而发生危险。对于电梯，无论是轿门还是厅门，均由门扇、门滑轮、门靴、门地坎、门导轨等部件组成。厅门和轿门均由门滑轮悬挂在各自的门导轨上，下部通过门靴(滑块)与各自的门地坎配合。对同一部电梯，其厅门必须和轿门是同一类型的。电梯门按运动方式不同可分为两类即滑动门和旋转门。滑动门按其开门方向又可分为中分式、旁开式和直分式三种。电梯轿门、厅门的开关操作有手动开关与自动开关两种，所对应的开关门机构有手动和自动两种。手动方式目前在电梯上的使用已很少见。自动开门机除了能自动开启、闭合轿厢门外，还具有自动调速的功能，因此，自动开门机主要由减速装置和执行装置组成。（四） 机械安全保护系统电梯作为垂直运行的交通工具，应具有足够的安全措施，否则在运行中，一旦出现超速或者失控，将会带来无法估计的人员伤亡与经济损失。为了确保电梯的安全运行，必须设置一定的安全装置，这些装置主要有：限速器、安全钳、缓冲器、及终端超越保护装置等。1、 限速器限速器部分主要由限速器、钢丝绳和张紧装置等组成，一般安装在电梯机房或隔音层的地面上。按其动作原理不同限速器可以分为摆锤式和离心式两种。图2 限速器、安全钳的连杆系统1-限速器钢丝绳；2-安全开关；3-连杆；4-复位弹簧；5、6-提拉杆该装置能够反映轿厢或者对重的实际运行速度，当电梯的运行速度达到或者超过设定的极限值时（额定速度的115%以上），限速器停止运转，并借助绳轮的摩擦力或者绳机构提拉起安装在轿厢梁上的连杆机构，通过机械动作发出信号，切断控制电路，同时迫使安全钳动作，从而使轿厢强行制停在导轨上，所以限速器是在电梯超速，并在超速达到临界值时起检测及操纵作用。它与安全钳要连在一起使用。当电梯正常运行时，限速器不起作用。张紧装置由支架、张紧轮和配重组成。它的作用是使钢丝绳张紧，保证钢丝绳与限速器之间有足够的摩擦力，以准确地反映轿厢的运行速度。张紧轮安装在张紧装置的支架轴上，可以灵活地转动调整其配重的质量可以调整钢丝绳的张力。2、 安全钳安全钳由制停和操纵两部分组成，设在轿厢架下的横梁上，并成对的同时在导轨上使用。制停部分常称为安全钳，通常成对的安装在轿厢架下的横梁上；操纵部分是一组连杆系统，由限速器动作时同步操纵。安全钳是与限速器配套使用的超速保护装置。当轿厢或者对重超速运行或者出现突然情况时，安全钳能够接受限速器的操纵，以机械动作将电梯轿厢紧急制停，并夹持在导轨上，为电梯的运行提供最后的综合的安全保证。按其动作过程的不同安全钳可分为瞬时式安全钳和滑移式安全钳。3、 缓冲器缓冲器是电梯极限位置的最后一道安全装置。当所有保护措施都失效时，带有较大速度与能量的轿厢便会冲向底层或顶层，造成机毁人亡的严重后果。因此，必须设置一种能吸收、消耗轿厢能量的装置，以减少损失。缓冲器恰是这样一种能吸收或消耗轿厢能量的装置。4、 终端超越保护装置终端超越保护装置是为了防止电梯的电气系统失灵，轿厢越过上、下端站后仍继续运行，继而发生冲顶或撞底事故，而在轿厢导轨的上、下终端支架上安装的装置。终端超越保护装置一般由强迫减速开关、限位开关和极限开关部分，以及相应的打板、碰轮、钢丝绳等组成。强迫减速开关是为防止电梯失控时造成冲顶或撞底的第一道防线。当电锑出现失控，轿厢已到达顶层或底层面不能减速停车时，装在轿厢上的打板就会随轿厢的运行而与强迫减速开关的碰轮相接触，使开关内的触点发出指令信号，迫使电梯停驶。限位开关是为了防止电梯冲顶或撞底的第二道防线。当轿厢超出顶层或底层的位置而强迫减速开关又未能使电梯减速停驶时，上限位开关或下限位开关动作，迫使电梯停止运行。电梯因限位开关动作而被迫停驶时，仍能应答层楼召唤信号，并可以向相反方向继续运行。当电梯失控后，第一道及第二道防线均不能使电梯停止工作时，轿厢的上或下开关打扳就会随着电梯的继续运行去碰撞装在井道内的第三道防线极限开关的碰轮。因碰轮动作，使极限开关断开电源，迫使电梯立即停止运行。三、 电梯的电力拖动系统电力拖动系统是电梯驱动执行部件完成相应运动的动力来源。在电梯中的主要运动有轿厢的升降运动和轿门及厅门的开关运动。无论是轿厢的升降运动，还是轿门及厅门的开关运动，在控制上多采用闭环控制方式。电力拖动系统的功能要求可以阐述如下：a) 有足够的驱动力和制动力，能够驱动轿厢、轿门及厅门完成必要的运动和可靠地静止；b) 在运动中有正确的速度控制，以保证有良好的舒适性和平层的准确度；c) 动作灵活、反应迅速，在特殊情况下能够迅速制停；d) 系统工作效率高，节省能量；e) 运行平稳、安静，噪声小于国家标准要求；f) 对周围电磁环境无超标的污染；g) 动作可靠，维修量小，寿命长。（一） 轿厢升降运动常见电力拖动形式轿厢运动的常用电力拖动方式主要分为直流和交流两种。其中，直流拖动方式中常见以下四种： 单相励磁、发电机组供电的直流电机拖动； 三相励磁、发电机组供电的直流电机拖动； 晶闸管供电的直流电机拖动； 斩波控制的直流电机拖动。交流拖动方式中，则有以下几种常用方式： 双速交流异步电机定子串电阻调速拖动； 交流调压-能耗制动的交流异步电机拖动； 交流调压-涡流制动的交流异步电机拖动； 交流调压-反接制动的交流异步电机拖动； 变压变频（VVVF）交流异步电机拖动； 永磁同步电动机拖动。上述各种拖动方式中，发电机组供电的直流电机拖动方式由于能耗大、技术落后已不再生产，只有少量旧梯还在运行。而于20世纪七八十年代出现的变压变领(VVVF)交流异步电机拖动方式由于其优异的性能和逐步降低的价格而大受青睐，占据了新装电梯的大部分。永磁同步电动机拖动方式近几年开始在快速、高速无齿电梯中应用，是很有发展前途的电梯拖动方式。（二） 轿门及厅门开关运动轿门及厅门开关运动的电力拖动方式主要有以下几种： 直流电动机电枢串、并联电阻调速拖动方式； 直流电动机斩波调压调速拖动方式； 交流异步电动机VVVF变频调速拖动方式； 力矩异步电动机拖动方式； 伺服电动机拖动方式。其中，直流电动机电枢串、并联电阻调速拖动方式通过改变电枢电路所串、并联电阻的阻值来改变电动机的转速，实现开(关)门过程的“慢一快一慢”的要求。这种调速方式在早年的电梯中普遍采用，由于运行过程中需要不断地切换电枢回路的电阻，其切换用的开关容易出故障，造成维修工作量增大，可取性差，效率较低，目前已较少采用。直流电动机斩波调压调速拖动方式采用大功率晶体管组成的无触点开关通过改变导通占空比实现直流调压调速，这种方法可靠性好，效率高，可以平滑地调速，是直流电动机电枢串、并联电阻调速拖动方式的替代方法。交流异步电动机VVVF变频调速拖动方式是近些年出现的新型调速方法。这种调速方法较直流电动机斩波调压调速拖动方式更好，由于采用交流异步电动机，其结构简单，没有电刷换向器部件，可靠性进一步提高，采用VVVF变频调速控制运行平稳，效率更高，是当前电梯开关门电路中较普遍采用的方法。力矩异步电动机具有较大转矩，能够承受长时间的堵转而不会烧坏，由力矩异步电动机驱动的开关门方式适宜用于环境较差、容易出现堵卡门现象的电梯中。伺服电动机拖动方式是近几年出现的电梯开关门方式，这种方法由于采用伺服电动机作驱动电机，其反应灵活，响应迅速，是一种有发展前途的开关门方式。（三） 电梯拖动控制系统的原理电梯拖动控制系统原理如图3所示，主驱动曳引电动机经减速器与曳引轮连接，曳引轮两侧悬挂轿厢和对重，测速发动机与电动机通州安装，其输出电压与转速成正比，输出电压uf作为系统的反馈电压与给定电压ug进行比较，得出偏差信号u，经电压放大器放大，再经功率放大电路得到电动机的电枢电压（对于交流电动机还有频率f）。图3 电梯拖动控制系统原理若电动机的转速由于某种原因突然下降（如电源波动或导轨不直等），该系统就会出现以下控制过程，控制的结果是电机转速回升，达到期望值为止。nufu=(ng-uf)uKugn本系统中，电动机是控制对象，电动机轴上的转速n是被控制量。转速n经测速发电机测出并转换成适量的电压后，再经反馈通道送至电压放大器的入端与速度给定电压比较后，控制电动机的转速，从而构成一个闭环控制系统。四、 电梯的控制系统（一） 电梯电路中的主要电器部件1. 操纵盘 2. 层楼显示器 3. 呼梯按钮盒 4. 检修开关盒 5. 平层装置 6. 旋转编码器 7. 轿厢位置检测装置 8. 电气控制柜 （二） 电梯的信号控制电梯的信号控制可以分为单梯信号控制、双（三）梯并联控制和梯群控制三种。为了实现电梯的信号控制，过去大多是采用继电器逻辑线路，这种方法具有原理简单、直观的特点，但是通用性差，接线复杂，故障率高，逐渐被PLC和微机控制系统所取代。PLC或微机具有可靠性高、通用性强和灵活的特点。 1、单台电梯的信号控制单台电梯的控制方式有手柄操纵控制、按钮控制、信号控制和集选控制等。目前，在乘客电梯中几乎全部采用集选控制方式。有关国家规范标准将集选控制方式定义为：将层门外上下召唤信号、轿厢内选层信号和其他各种专用信号加以综合分析、判断后，自动决定轿厢运行的无司机控制。可见集选控制是一种全自动电梯控制方式。乘坐这种电梯乘客只需要做两件事：一是在候梯时按下欲向上(或向下)的呼梯按钮，二是在进入轿厢时按下欲前往楼层的选层按钮。电梯就会来接乘客，并把乘客送到目的地。目前，单台电梯的信号控制通常采用PLC或多微机控制系统。其中，前者适用于楼层较少的中低速电梯，而后者则可用于楼层数较多的高速电梯。 （1）应用可编程控制器（PLC）交流双速电梯PLC控制系统主要由曳引电动机及其拖动线路、门电机及其控制线路、PLC及控制柜、轿厢操纵盘、召唤按钮盒、层楼指示器等部分组成。与继电器控制系统相比，去掉了大部分继电器(及机械选层器)，主要由PLC实现电梯运行的自动控制。PLC控制程序包括层楼位置译码、指令、上下召唤、定向、反截、换速、开关门控制、启动和制动控制等软件模块。电梯PLC控制原理与梯形图a) 轿厢楼层位置检测方法b) 轿内指令和外召唤信号的处理c) 开关门控制d) 定向与选层换速e) 楼层位置指示图4 电梯PLC信号控制系统框图运行方式选择运行控制信号运行保护信号输入接口PLC输出接口运行方式选择运行方式选择井道信息或断电脉冲开关门信号运行方式选择拖动控制系统楼层显示呼梯信号指示运行方式指示呼梯铃/到站钟开关门控制a） 轿厢楼层位置检测方法最常用的是旋转编码器输入用于测量转角、转速及位移当转动旋转编码器的转轴时，输出端发送出与转角对应的脉冲数。通过累计脉冲数量可直接算出转角和相应的位置行程。PLC一般都有高速脉冲输入端或专用计数单元。因而在电梯PLC控制系统中，可使用旋转编码器检测电梯运行过程中轿厢所处楼层位置。b） 轿内指令和外召唤信号的处理内指令信号处理包括信号登记、显示及本层停车消号。信号的登记采用自锁原理，软件上采用逻辑与运算指令实现，不论电梯上行还是下行，当轿厢运行至有内指令要求的楼层时，均需换速停车，并消除登记信号，不需反向保号。厅外召唤信号同样需要进行登记，显示本层停车信号，此外还应具有反向运行保号和直驶保号功能。具体程序如下图所示。图5 内指令（左）及外召唤（右）信号处理程序 图5（左）所示程序中，01000115为116层轿内指令按钮信号输入，10001015为116层楼层位置信号。采用锁存指令KEEP(11)进行内选信号登记和消除。内指令信号作为锁存器的置位输入，轿厢位置信号以及急停0001与检修0002信号作为复位输入，正常运行状态下0001与0002均为ON，当打急停或检修时0001或0002为OFF，与本层位置信号一样对内指令消号。图5（右）所示程序中0500，0501分别为上行和下行状态，0008为直驶信号，02000214、03010315分别为上召唤和下召唤信号;15001514、16011615分别为上召唤和下召唤信号登记通道。10001015为楼层位置信号，信号登记和消号原理与内指令相同，使用跳转指令JMPJME实现直驶和反向保号，当直驶时0008为OFF，不管上运行还是下运行，所有外召唤信号均保持。内选外呼信号显示方法有很多种，使用较多的显示方式是独立显示，即每一个PLC输出点直接驱动一个内选或外呼指示灯，这一方法虽然线路比较简单，查线维护方便，但占用PLC输出点较多。c） 开关门控制根据电梯的控制要求，开门的条件有本层开门、停车状态按轿内开门按钮，关门过程中碰安全触板或有光电检测信号重新开门，正常运行换速平层停车自动开门。d） 定向与选层换速确定电梯运行方向与选层换速直接相关，通常在编制定向程序中适当考虑选层换速的要求，并为换速控制作信号准备。电梯PLC控制系统根据楼层位置检测方法不同，有按距离原则换速和按时间原则换速两种方式。旋转编码器脉冲输入PLC，通过设置PLC高速计数器指令的上下限数值便可准确地按距离(脉冲数)换速。换速的条件是，有选层信号且轿厢运行至该层站时，电梯换速平层停车。换速程序可采用逻辑与运算指令。e） 楼层位置指示电梯楼层位置指示方法主要有层灯和数码管，用PLC控制