基于PLC控制的氣壓式家用電梯設(shè)計(jì)

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528404)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)生活便利性的需求越來越強(qiáng)烈，電梯作為一種輸送設(shè)備，正逐步走入私人住宅。目前市面上常用的曳引式電梯對(duì)土建要求較高，螺桿式電梯噪聲大，液壓式電梯容易出現(xiàn)油液污染。結(jié)合氣壓傳動(dòng)特點(diǎn)及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[1-3]和二層住宅家用電梯的特性，提出了一種基于PLC控制的氣壓式電梯。美國(Pneumatic Vacuum Elevators，PVE)公司提出真空動(dòng)力電梯，胡津銘提出了氣動(dòng)升降梯及控制方法[4]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣壓式電梯由圓形井道、圓形轎廂、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳感器、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)、壓力測量裝置等組成，具體的如圖1所示。底座上部的井道與大氣相通，底部下部的井道形成密封空間，通過向密封空間中充氣和排氣實(shí)現(xiàn)轎廂的上升和下降。在轎廂內(nèi)安裝有樓層選擇按鈕和應(yīng)急按鈕，在廳站安裝有呼叫按鈕，并安裝有轎門關(guān)閉到位的微動(dòng)開關(guān)。

1.1 氣源發(fā)生裝置

整個(gè)電梯系統(tǒng)使用到的壓縮空氣由氣源發(fā)生裝置提供[5]，具體如圖2所示。靜音空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過油水分離器和空氣過濾器去除水分、顆粒雜質(zhì)等得到較為純凈的氣體進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。通過減壓閥，向密封井道提供壓力恒定的空氣。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，壓力繼電器觸點(diǎn)斷開使空氣壓縮機(jī)停止，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)，壓力繼電器觸點(diǎn)閉合使空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)。

1.井道壁 2.井道 3.導(dǎo)向塊 4.轎廂 5.底座 6.重量傳感器 7.密封空間 8.手動(dòng)放氣閥 9.排氣口 10.進(jìn)氣口 11、12.磁性開關(guān) 13.制動(dòng)塊 14.制動(dòng)槽 15.制動(dòng)氣缸 16.壓力變送器圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.靜音空氣壓縮機(jī) 2.油水分離器 3.空氣過濾器 4.儲(chǔ)氣罐 5.壓力繼電器 6.減壓閥圖2 氣源發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 井道密封結(jié)構(gòu)

井道采用摩擦系數(shù)小、耐磨性強(qiáng)的特殊聚碳酸酯材料，底座四周安裝有摩擦性和耐磨性良好且具有一定弧度的氟塑料墊圈，墊圈與底座之間用彈簧連接，墊圈與井道內(nèi)壁接觸，具體如圖3所示。在密封空間內(nèi)壓縮空氣和彈簧力的作用下，氟塑料墊圈緊緊的貼合在井道內(nèi)壁上，從而實(shí)現(xiàn)了良好的密封效果。

1.3 轎廂導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

圓形轎廂在圓形井道中有垂直運(yùn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由度。若轎廂在運(yùn)行過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，轎廂門和廳門將出現(xiàn)錯(cuò)位，影響乘坐的舒適性。為防止轎廂在井道內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在井道壁上對(duì)稱開了2條導(dǎo)向槽，在轎廂上對(duì)稱設(shè)置了4個(gè)導(dǎo)向塊，導(dǎo)向塊一端與轎廂固定，另一端可沿導(dǎo)向槽上下運(yùn)動(dòng)，具體如圖1、圖4所示。

1.井道 2. 氟塑料墊圈 3.彈簧 4.底座圖3 井道密封結(jié)構(gòu)圖

1.井道壁 2.導(dǎo)向槽 3.導(dǎo)向塊 4.轎廂圖4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖

1.4 轎廂制動(dòng)機(jī)構(gòu)

轎廂是依靠轎廂上下的氣體壓力差停留在某一層。氣體具有阻尼和可壓縮性，當(dāng)人或物從轎廂出來或進(jìn)入轎廂時(shí)，轎廂內(nèi)的重量會(huì)產(chǎn)生突變，而密封空間內(nèi)氣體壓力不會(huì)發(fā)生突變，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)轎廂上升或下降的現(xiàn)象(如圖5所示)，影響了乘坐效果。為使轎廂能夠靜止停留，準(zhǔn)確平層，在轎廂底部設(shè)置了制動(dòng)機(jī)構(gòu)，并在井道壁上開了制動(dòng)槽，如圖1所示。當(dāng)轎廂到達(dá)目的層時(shí)，向制動(dòng)氣缸無桿腔充氣，推動(dòng)制動(dòng)塊進(jìn)入井道壁上的制動(dòng)槽，從而將轎廂固定；當(dāng)轎廂需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，向制動(dòng)氣缸有桿腔充氣，制動(dòng)塊退出制動(dòng)槽，具體如圖6所示。

圖5 轎廂與層站地面之間的關(guān)系示意圖

1.5 轎廂調(diào)速機(jī)構(gòu)

為改善乘客乘坐的舒適性，通過改變充氣和排氣量的方法，對(duì)轎廂上下行運(yùn)動(dòng)實(shí)行分段速控制[5-7]，具體如圖7所示。

1.制動(dòng)塊 2.制動(dòng)槽 3.制動(dòng)氣缸圖6 圖5 轎廂與層站地面之間的關(guān)系示意圖

1.減壓閥 2.換向閥 3.調(diào)速閥 4.換向閥 5.充氣口 6.稱重傳感器 7.壓力變送器 8.磁性開關(guān)1 9.磁性開關(guān)2 10.排氣口 11.調(diào)速閥 12、13.換向閥 14.消聲器圖7 調(diào)速機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)轎廂需要上行時(shí)，換向閥2被打開，壓縮空氣通過換向閥2和調(diào)速閥3進(jìn)入密封空間，壓縮空氣推動(dòng)轎廂低速上行，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間后，換向閥4被打開，進(jìn)入密封空間的壓縮空氣量增大，轎廂快速上行。當(dāng)轎廂上的磁性開關(guān)1有信號(hào)時(shí)，轎廂即將到達(dá)目的樓層，將換向閥4關(guān)閉，減小充氣量，轎廂低速上行，當(dāng)轎廂上的磁性開關(guān)2也有信號(hào)時(shí)，轎廂到達(dá)指定樓層，關(guān)閉換向閥2，轎廂停止上行。當(dāng)轎廂需要下行時(shí)，換向閥13打開，密封空間內(nèi)的壓縮空氣排出，在重力作用下，轎廂低速下行，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間后，換向閥12被打開，排氣量增大，轎廂快速下行。當(dāng)磁性開關(guān)2有信號(hào)時(shí)，轎廂即將到達(dá)目的樓層，換向閥12關(guān)閉，減小排氣量，轎廂低速下行，當(dāng)磁性開關(guān)1也有信號(hào)時(shí)，轎廂到達(dá)指定樓層，關(guān)閉換向閥13，轎廂停止下行[8]。

1.6 壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)

當(dāng)轎廂的載重發(fā)生變化時(shí)，需要及時(shí)調(diào)整密封空間氣體的壓力，使得轎廂處于一種平衡狀態(tài)。設(shè)轎廂和底座的質(zhì)量為G/kg，轎廂內(nèi)載重物質(zhì)量為Q/kg，井道截面積為S/m2，密封空間氣體壓力為p/MPa(表壓力)，則轎廂受力平衡方程為：

pS·106=(G+Q) g

(1)

式中,p—— 密封空間氣體壓力，MPa

S—— 井道截面積，m2

G—— 轎廂和底座的質(zhì)量，kg

Q—— 轎廂內(nèi)載重物質(zhì)量，kg

隨著轎廂內(nèi)載重物Q的不同，密封空間氣體壓力p是不同的。需要根據(jù)Q的不同，進(jìn)行密封空間氣體壓力p的實(shí)時(shí)調(diào)整，具體匹配曲線如圖8所示。在轎廂底部設(shè)置了一個(gè)稱重傳感器，將轎廂內(nèi)載重物重量Q實(shí)時(shí)傳遞給控制器；在密封空間內(nèi)安裝有一個(gè)壓力變送器，將密封空間氣體壓力p實(shí)時(shí)傳遞給控制器，控制器根據(jù)p和Q的匹配關(guān)系，控制相關(guān)閥門的開啟，實(shí)現(xiàn)密封空間氣體壓力p的調(diào)整。

圖8 壓力p與載重量Q的關(guān)系

如圖7所示，當(dāng)Q變小時(shí)，控制器將電磁換向閥13打開，密封空間內(nèi)的氣體經(jīng)調(diào)速閥11和換向閥13排出，當(dāng)壓力p減小到合適時(shí)，關(guān)閉電磁換向閥13。當(dāng)Q變大時(shí)，控制器將換向閥2打開，壓縮空氣經(jīng)換向閥2、調(diào)速閥3充入密封空間，當(dāng)壓力p增大到合適時(shí)，關(guān)閉換向閥2。

1.7 應(yīng)急自救

某種原因?qū)е罗I廂下部的井道出現(xiàn)破壞時(shí)，轎廂在重力作用下下降，當(dāng)轎廂運(yùn)行到破壞點(diǎn)以下時(shí)，轎廂和井道壁之間又形成密封空間，隨著轎廂的下行，密封空間的氣體被壓縮，壓力逐步增大，形成了一個(gè)氣體阻尼裝置，減緩轎廂下行速度，直至緩慢停止，保護(hù)電梯內(nèi)的人員不會(huì)受到傷害。在井道底部安裝有手動(dòng)排氣閥，并由備用電池控制，在電梯故障或停電困人的時(shí)候，按下轎廂內(nèi)部的應(yīng)急按鈕，接通手動(dòng)排氣閥門電路，密封空間的壓縮空氣通過手動(dòng)排氣閥釋放到井道外，電梯依靠自重慢慢下降，到站時(shí)，松開應(yīng)急按鈕即可。

2 硬件設(shè)計(jì)及I/O分配

PLC具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在電梯控制中應(yīng)用廣泛。根據(jù)需要，選擇FX1N-24MT-001型PLC，有24個(gè)I/O點(diǎn)基本單位，晶體管輸出，直流24 V輸出。

2.1 PLC地址分配

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和動(dòng)作原理，PLC I/O分配表[6,9]如表1所示。

表1 PLC I/O分配表

2.2 硬件接線

由于轎廂載重量Q和密封空間壓力p是連續(xù)變化的模擬量，需要使用模擬量輸入模塊FX2N-2AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳輸?shù)絇LC中。氣壓式電梯的PLC硬件接線圖[10-11]如圖9所示，手動(dòng)應(yīng)急裝置的硬件接線圖如圖10所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)氣壓式電梯的控制功能和I/O分配，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖[12-13]如圖11所示。在程序中采用了數(shù)據(jù)寄存器D100、D101，用以存放轎廂載重量Q和密封空間壓力p對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

4 應(yīng)用測試分析

通過合適的通信端口，將編譯好的程序下載到PLC中。當(dāng)在2樓按下下呼按鈕時(shí)，轎廂上行，能夠在2樓進(jìn)行準(zhǔn)確平層，制動(dòng)氣缸啟動(dòng)，將轎廂鎖住。當(dāng)人進(jìn)入轎廂時(shí)，能夠及時(shí)向密封空間充氣，關(guān)好轎廂門，按下轎內(nèi)1樓按鈕時(shí)，制動(dòng)氣缸復(fù)位，轎廂先是低速下行，然后快速下行，快到1樓時(shí)再低速下行，最后準(zhǔn)確停止在1樓。轎廂門沒有關(guān)好時(shí)，轎廂不會(huì)運(yùn)行。關(guān)閉設(shè)備電源，按下轎內(nèi)緊急按鈕，手動(dòng)排氣閥打開，轎廂緩慢下行。氣壓式電梯與曳引式電梯對(duì)比情況如表2所示。應(yīng)用效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 PLC硬件接線圖

圖10 應(yīng)急自救按鈕接線圖

5 結(jié)論

(1) 氣壓式電梯沒有對(duì)重，沒有鋼絲繩，占地面積小，節(jié)約建筑空間；

(2) 氣壓式電梯不需要機(jī)房、專用井道、緩沖器、限速器等裝置，對(duì)土建要求非常低；

(3) 氣壓式電梯不會(huì)發(fā)生沖頂、蹲底的情況，可以利用后備電池，來實(shí)現(xiàn)困人自救，在電梯故障或停電困人的時(shí)候，按下轎廂內(nèi)部的應(yīng)急按鈕，接通排氣閥門電路后的密封空間空氣會(huì)緩慢釋放到井道外，電梯會(huì)靠自重慢慢下降；

表2 氣壓式電梯與曳引式電梯對(duì)比情況

圖11 氣壓式家用電梯軟件控制流程圖

(4) 氣壓式電梯結(jié)構(gòu)簡單，不容易發(fā)生故障，易損件少，可以省去后期維護(hù)維修煩惱。