基于PLC控制的气压式家用电梯设计

(中山职业技术学院 机电工程学院，广东 中山 528404)

引言

随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，对生活便利性的需求越来越强烈，电梯作为一种输送设备，正逐步走入私人住宅。目前市面上常用的曳引式电梯对土建要求较高，螺杆式电梯噪声大，液压式电梯容易出现油液污染。结合气压传动特点及其在工业生产中的应用[1-3]和二层住宅家用电梯的特性，提出了一种基于PLC控制的气压式电梯。美国(Pneumatic Vacuum Elevators，PVE)公司提出真空动力电梯，胡津铭提出了气动升降梯及控制方法[4]。

1 结构设计

气压式电梯由圆形井道、圆形轿厢、导向机构、传感器、制动机构、进排气机构、压力测量装置等组成，具体的如图1所示。底座上部的井道与大气相通，底部下部的井道形成密封空间，通过向密封空间中充气和排气实现轿厢的上升和下降。在轿厢内安装有楼层选择按钮和应急按钮，在厅站安装有呼叫按钮，并安装有轿门关闭到位的微动开关。

1.1 气源发生装置

整个电梯系统使用到的压缩空气由气源发生装置提供[5]，具体如图2所示。静音空气压缩机产生的压缩空气经过油水分离器和空气过滤器去除水分、颗粒杂质等得到较为纯净的气体进入储气罐。通过减压阀，向密封井道提供压力恒定的空气。当储气罐内的气压达到预设值时，压力继电器触点断开使空气压缩机停止，当储气罐内气压低于预设值时，压力继电器触点闭合使空气压缩机启动。

1.井道壁 2.井道 3.导向块 4.轿厢 5.底座 6.重量传感器 7.密封空间 8.手动放气阀 9.排气口 10.进气口 11、12.磁性开关 13.制动块 14.制动槽 15.制动气缸 16.压力变送器图1 系统结构框图

1.静音空气压缩机 2.油水分离器 3.空气过滤器 4.储气罐 5.压力继电器 6.减压阀图2 气源发生装置结构图

1.2 井道密封结构

井道采用摩擦系数小、耐磨性强的特殊聚碳酸酯材料，底座四周安装有摩擦性和耐磨性良好且具有一定弧度的氟塑料垫圈，垫圈与底座之间用弹簧连接，垫圈与井道内壁接触，具体如图3所示。在密封空间内压缩空气和弹簧力的作用下，氟塑料垫圈紧紧的贴合在井道内壁上，从而实现了良好的密封效果。

1.3 轿厢导向机构

圆形轿厢在圆形井道中有垂直运动和水平转动2个自由度。若轿厢在运行过程中出现转动，轿厢门和厅门将出现错位，影响乘坐的舒适性。为防止轿厢在井道内转动，在井道壁上对称开了2条导向槽，在轿厢上对称设置了4个导向块，导向块一端与轿厢固定，另一端可沿导向槽上下运动，具体如图1、图4所示。

1.井道 2. 氟塑料垫圈 3.弹簧 4.底座图3 井道密封结构图

1.井道壁 2.导向槽 3.导向块 4.轿厢图4 导向机构示意图

1.4 轿厢制动机构

轿厢是依靠轿厢上下的气体压力差停留在某一层。气体具有阻尼和可压缩性，当人或物从轿厢出来或进入轿厢时，轿厢内的重量会产生突变，而密封空间内气体压力不会发生突变，此时会出现轿厢上升或下降的现象(如图5所示)，影响了乘坐效果。为使轿厢能够静止停留，准确平层，在轿厢底部设置了制动机构，并在井道壁上开了制动槽，如图1所示。当轿厢到达目的层时，向制动气缸无杆腔充气，推动制动块进入井道壁上的制动槽，从而将轿厢固定；当轿厢需要运动时，向制动气缸有杆腔充气，制动块退出制动槽，具体如图6所示。

图5 轿厢与层站地面之间的关系示意图

1.5 轿厢调速机构

为改善乘客乘坐的舒适性，通过改变充气和排气量的方法，对轿厢上下行运动实行分段速控制[5-7]，具体如图7所示。

1.制动块 2.制动槽 3.制动气缸图6 图5 轿厢与层站地面之间的关系示意图

1.减压阀 2.换向阀 3.调速阀 4.换向阀 5.充气口 6.称重传感器 7.压力变送器 8.磁性开关1 9.磁性开关2 10.排气口 11.调速阀 12、13.换向阀 14.消声器图7 调速机构示意图

当轿厢需要上行时，换向阀2被打开，压缩空气通过换向阀2和调速阀3进入密封空间，压缩空气推动轿厢低速上行，当到达预设时间后，换向阀4被打开，进入密封空间的压缩空气量增大，轿厢快速上行。当轿厢上的磁性开关1有信号时，轿厢即将到达目的楼层，将换向阀4关闭，减小充气量，轿厢低速上行，当轿厢上的磁性开关2也有信号时，轿厢到达指定楼层，关闭换向阀2，轿厢停止上行。当轿厢需要下行时，换向阀13打开，密封空间内的压缩空气排出，在重力作用下，轿厢低速下行，当到达预设时间后，换向阀12被打开，排气量增大，轿厢快速下行。当磁性开关2有信号时，轿厢即将到达目的楼层，换向阀12关闭，减小排气量，轿厢低速下行，当磁性开关1也有信号时，轿厢到达指定楼层，关闭换向阀13，轿厢停止下行[8]。

1.6 压力调整机构

当轿厢的载重发生变化时，需要及时调整密封空间气体的压力，使得轿厢处于一种平衡状态。设轿厢和底座的质量为G/kg，轿厢内载重物质量为Q/kg，井道截面积为S/m2，密封空间气体压力为p/MPa(表压力)，则轿厢受力平衡方程为：

pS·106=(G+Q) g

(1)

式中,p—— 密封空间气体压力，MPa

S—— 井道截面积，m2

G—— 轿厢和底座的质量，kg

Q—— 轿厢内载重物质量，kg

随着轿厢内载重物Q的不同，密封空间气体压力p是不同的。需要根据Q的不同，进行密封空间气体压力p的实时调整，具体匹配曲线如图8所示。在轿厢底部设置了一个称重传感器，将轿厢内载重物重量Q实时传递给控制器；在密封空间内安装有一个压力变送器，将密封空间气体压力p实时传递给控制器，控制器根据p和Q的匹配关系，控制相关阀门的开启，实现密封空间气体压力p的调整。

图8 压力p与载重量Q的关系

如图7所示，当Q变小时，控制器将电磁换向阀13打开，密封空间内的气体经调速阀11和换向阀13排出，当压力p减小到合适时，关闭电磁换向阀13。当Q变大时，控制器将换向阀2打开，压缩空气经换向阀2、调速阀3充入密封空间，当压力p增大到合适时，关闭换向阀2。

1.7 应急自救

某种原因导致轿厢下部的井道出现破坏时，轿厢在重力作用下下降，当轿厢运行到破坏点以下时，轿厢和井道壁之间又形成密封空间，随着轿厢的下行，密封空间的气体被压缩，压力逐步增大，形成了一个气体阻尼装置，减缓轿厢下行速度，直至缓慢停止，保护电梯内的人员不会受到伤害。在井道底部安装有手动排气阀，并由备用电池控制，在电梯故障或停电困人的时候，按下轿厢内部的应急按钮，接通手动排气阀门电路，密封空间的压缩空气通过手动排气阀释放到井道外，电梯依靠自重慢慢下降，到站时，松开应急按钮即可。

2 硬件设计及I/O分配

PLC具有高可靠性、强抗干扰能力、使用灵活等优点，在电梯控制中应用广泛。根据需要，选择FX1N-24MT-001型PLC，有24个I/O点基本单位，晶体管输出，直流24 V输出。

2.1 PLC地址分配

根据系统的功能要求和动作原理，PLC I/O分配表[6,9]如表1所示。

表1 PLC I/O分配表

2.2 硬件接线

由于轿厢载重量Q和密封空间压力p是连续变化的模拟量，需要使用模拟量输入模块FX2N-2AD转换成数字量，然后传输到PLC中。气压式电梯的PLC硬件接线图[10-11]如图9所示，手动应急装置的硬件接线图如图10所示。

3 软件设计

根据气压式电梯的控制功能和I/O分配，系统的软件设计流程图[12-13]如图11所示。在程序中采用了数据寄存器D100、D101，用以存放轿厢载重量Q和密封空间压力p对应的数字量。

4 应用测试分析

通过合适的通信端口，将编译好的程序下载到PLC中。当在2楼按下下呼按钮时，轿厢上行，能够在2楼进行准确平层，制动气缸启动，将轿厢锁住。当人进入轿厢时，能够及时向密封空间充气，关好轿厢门，按下轿内1楼按钮时，制动气缸复位，轿厢先是低速下行，然后快速下行，快到1楼时再低速下行，最后准确停止在1楼。轿厢门没有关好时，轿厢不会运行。关闭设备电源，按下轿内紧急按钮，手动排气阀打开，轿厢缓慢下行。气压式电梯与曳引式电梯对比情况如表2所示。应用效果良好，符合设计要求。

图9 PLC硬件接线图

图10 应急自救按钮接线图

5 结论

(1) 气压式电梯没有对重，没有钢丝绳，占地面积小，节约建筑空间；

(2) 气压式电梯不需要机房、专用井道、缓冲器、限速器等装置，对土建要求非常低；

(3) 气压式电梯不会发生冲顶、蹲底的情况，可以利用后备电池，来实现困人自救，在电梯故障或停电困人的时候，按下轿厢内部的应急按钮，接通排气阀门电路后的密封空间空气会缓慢释放到井道外，电梯会靠自重慢慢下降；

表2 气压式电梯与曳引式电梯对比情况

图11 气压式家用电梯软件控制流程图

(4) 气压式电梯结构简单，不容易发生故障，易损件少，可以省去后期维护维修烦恼。