一款基于PLC的梯級滾輪可靠性測試裝置設計

鄭 杰，曹懷志，鄭志華

（林肯電梯（中國）有限公司，浙江嘉興 314415）

0 引言

根據(jù)文獻[1]中G1.5實驗裝置規(guī)定：擁有自動扶梯和自動人行道[2]生產(chǎn)許可的電梯生產(chǎn)廠家必須配備梯級（踏板）滾輪可靠性試驗裝置（以下簡稱滾輪可靠性試驗裝置）。這不僅是國家市場監(jiān)督總局對廠家生產(chǎn)擁有生產(chǎn)資質(zhì)的硬性要求，更是自動扶梯和自動人行道生產(chǎn)廠家能夠確保自己所生產(chǎn)的產(chǎn)品安全可靠的必要條件之一。目前，在浙江特檢內(nèi)，滾輪可靠性試驗裝置總體占地約10 m2，高度約1.7 m，機構復雜，體積龐大，所以對于生產(chǎn)企業(yè)來說開發(fā)一款價格便宜、體積小、智能化控制的滾輪可靠性試驗裝置尤為迫切。

1 系統(tǒng)設計與控制

1.1 硬件設計

圖1所示為滾輪可靠性試驗裝置結(jié)構示意圖，其硬件主要由PLC、電機、蜂鳴器、變頻器、指示燈1、指示燈2、指示燈3、指示燈4、指示燈5、UKS開關1、UKS開關2、UKS開關3等組成。邏輯控制最核心的工作由PLC完成，電機通過圓弧形同步帶傳動設計與主輪連接，蜂鳴器在測試完成或者安全開關觸發(fā)信號時產(chǎn)生聲音提示，變頻器控制電機在啟動時轉(zhuǎn)速由0逐漸增大到額定輸出，在停止時控制電機轉(zhuǎn)速由額定速度逐漸減少到0，這樣使得啟動和停止時更加的平穩(wěn)，防止了突然加載扭矩或者突然扭矩為0時系統(tǒng)產(chǎn)生竄動，指示燈1顏色設定為綠色，在設備停止時做顏色提示，指示燈2顏色設定為紅色，在設備啟動時做顏色提示，指示燈3顏色設定為黃色，在UKS開關1斷開時做顏色提示，指示燈4顏色設定為黃色，在UKS開關2斷開時做顏色提示，指示燈5顏色設定為黃色，在UKS開關3斷開時做顏色提示，UKS開關1，安裝在頂部，可以用于檢測測試滾輪是否安裝到位，同時可以檢測杠桿組件是否破壞、長桿是否撓度過大，UKS開關2，安裝在后門側(cè)，可以用于檢測后門是否關閉，UKS開關3，安裝在前門側(cè)，可以用于檢測前門是否關閉。

圖1 滾輪可靠性試驗裝置結(jié)構示意圖

1.2 系統(tǒng)控制

1.2 .1控制邏輯

控制系統(tǒng)邏輯如圖2程序流程圖所示。程序開始后首先判斷前門、后門與配重塊處的UKS開關是否閉合，只要其中有1個開關處于斷開狀態(tài)，則電機停轉(zhuǎn)，停止指示燈亮，蜂鳴器嘯叫，程序結(jié)束；如果UKS開關全部閉合，則判斷運行的時間是否已經(jīng)達到試驗要求時長，如果時間還未達到，則運行指示燈亮，電機開始運轉(zhuǎn)。因PLC屬于“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作模式[3]，所以啟動后程序會在上述邏輯內(nèi)循環(huán)判斷，如果在測試過程中所有的UKS開關一直處于閉合狀態(tài)，那么只有測試時間符合設定值時，電機才會停轉(zhuǎn)，然后停止指示燈亮，蜂鳴器嘯叫，程序結(jié)束。如果在測試過程中有外力因素（如門被打開）或者結(jié)構性因素（如杠桿件疲勞破壞、滾輪安裝不到位運行中晃動脫落等）等原因引起UKS開關斷開時，程序在判斷UKS開關是否閉合時會進入“否”的邏輯，電機就會停轉(zhuǎn)，同時以燈光方式提示斷開的UKS開關的位置，裝置以蜂鳴方式聲音提醒，從而達到了設備運行時的安全性以及故障可追溯性的目的，這對操作人員的安全保護和設備的故障清除具有十分重要的意義。

1.2.2 輸入與輸出

圖3所示為輸入輸出配置圖。輸入端由啟動按鈕、停止按鈕、UKS開關1、UKS開關2、UKS開關3組成，輸出端由變頻器、警示燈1、警示燈2、警示燈3、警示燈4、警示燈5、蜂鳴器組成，共占用5個輸入端口，7個輸出端口。西門子PLC入門款S7-200SMARTCR40[4]擁有4路100Hz高頻記數(shù)，2個通訊端口，40個I/O口，其程序編譯軟件為STEP 7 MicroWIN SMART[5]，此款軟件具備先進的程序結(jié)構和強大的向?qū)Чδ?，并融入帶狀菜單和移動式窗口設計，同時具備軟件編輯、程序模擬、實時監(jiān)控的功能，使軟件友好，編輯高效。所以此款PLC完全能滿足滾輪可靠性試驗裝置的設計要求。

圖2 程序流程圖

圖3 輸入輸出配置圖

2 機械設計

根據(jù)參考文獻[6]附頁AA滾輪形式試驗要求規(guī)定：試驗線速度應當?shù)扔谶m用的自動扶梯和自動人行道最大名義速度；用作自動扶梯主輪的滾輪實驗時的加載壓力和運行時間至少為1 300 N、250 h。

2.1 結(jié)構設計

圖4所示為滾輪可靠性試驗裝置結(jié)構圖。滾輪通過滾輪連接件與杠桿連接在一起，配重塊連接在杠桿的遠端，通過杠桿原理，配重塊的重力在滾輪處被放大，并且使?jié)L輪和大輪壓在一起，用雙螺母將M16×150六角螺栓固定在框架的上方使螺栓下端貼在杠桿的上端，但是并不施加額外的向下的力，以防止可能出現(xiàn)的杠桿上竄。利用杠桿原理將輪滾處受力放大倍數(shù)后，設備的整體外尺寸長×寬×高為1 300 mm×280 mm×585 mm。

2.2 滾輪的安裝、拆卸與設備停用

圖5所示為滾輪的安裝、拆卸與設備停用。在滾輪安裝、拆卸狀態(tài)時，將M16×150六角螺栓從頂面拆下后安裝在配重塊支撐件中，杠桿微微向上傾斜，滾輪與大輪之間沒有擠壓力，配重塊的重力和M16×150六角螺栓提供的支撐力平衡，此時即可用套筒將滾輪背后的安裝螺母擰下，完成滾輪的安裝、拆卸。當設備停用時沒有滾輪，配重塊放置于設備底部，此時上方的UKS開關處于斷開狀態(tài)，由上文描述可知，即便設備上電，電機也不會啟動。

2.3 設計計算

2.3.1 校核電機選型、傳動比

電機參數(shù)：功率P=160 W；扭矩N1=8.5 N·m；轉(zhuǎn)動軸齒數(shù)Z1=28。電扶梯最大名義速度v1=0.65 m/s，滾輪處所受壓力大小FN=1 300 N，滾輪到轉(zhuǎn)動軸的距離L1=95 mm，配重塊重心到轉(zhuǎn)動軸的距離L2=950 mm，配重塊總質(zhì)量G=13 kg，圓弧齒同步帶傳動設計，取系數(shù)[7]KA=2，大輪處齒輪齒數(shù)[8]Z2=45，大輪半徑r=120 mm，傳動效率[9]ζ=98%，大輪與滾輪之間的摩擦系數(shù)取[9]μ=0.15。則有：

圖5 滾輪的安裝、拆卸與設備停用狀態(tài)

電機的轉(zhuǎn)速：

大輪的轉(zhuǎn)速：

大輪邊緣處的線速度：

大輪處的扭矩：

滾輪與大輪的摩擦力：

由上述計算可知：v≥v1；fmax≥f，所以電機和傳動比滿足設計要求。

2.3.2 關鍵機械件的校核

在滾輪可靠性裝置中設計中，需對杠桿件以及轉(zhuǎn)軸進行受力校核。杠桿件的強度校核其彎曲應力[10]求得，其剛度可以由卡式定理[10]直接求得，轉(zhuǎn)軸的受力是剪切破壞。上述受力計算過于簡單，不再展開論述。

大輪邊緣處可克服的最大摩擦力：

3 結(jié)束語

此款梯級滾輪可靠性測試裝置引入PLC進行智能控制，使測試過程安全可靠；使用西門子入門級的PLC使得造價低廉；機械結(jié)構方面利用杠桿原理使裝置尺寸小巧便于移動和安裝。這滿足了自動扶梯和自動人行道生產(chǎn)廠家對于這類裝置的需求。