基于PLC控制的氣壓式家用電梯設計

(中山職業技術學院 機電工程學院，廣東 中山 528404)

引言

隨著社會經濟的發展，人們生活水平的提高，對生活便利性的需求越來越強烈，電梯作為一種輸送設備，正逐步走入私人住宅。目前市面上常用的曳引式電梯對土建要求較高，螺桿式電梯噪聲大，液壓式電梯容易出現油液污染。結合氣壓傳動特點及其在工業生產中的應用[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)公司提出真空動力電梯，胡津銘提出了氣動升降梯及控制方法[4]。

1 結構設計

氣壓式電梯由圓形井道、圓形轎廂、導向機構、傳感器、制動機構、進排氣機構、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現轎廂的上升和下降。在轎廂內安裝有樓層選擇按鈕和應急按鈕，在廳站安裝有呼叫按鈕，并安裝有轎門關閉到位的微動開關。

1.1 氣源發生裝置

整個電梯系統使用到的壓縮空氣由氣源發生裝置提供[5]，具體如圖2所示。靜音空氣壓縮機產生的壓縮空氣經過油水分離器和空氣過濾器去除水分、顆粒雜質等得到較為純凈的氣體進入儲氣罐。通過減壓閥，向密封井道提供壓力恒定的空氣。當儲氣罐內的氣壓達到預設值時，壓力繼電器觸點斷開使空氣壓縮機停止，當儲氣罐內氣壓低于預設值時，壓力繼電器觸點閉合使空氣壓縮機啟動。

1.井道壁 2.井道 3.導向塊 4.轎廂 5.底座 6.重量傳感器 7.密封空間 8.手動放氣閥 9.排氣口 10.進氣口 11、12.磁性開關 13.制動塊 14.制動槽 15.制動氣缸 16.壓力變送器圖1 系統結構框圖

1.靜音空氣壓縮機 2.油水分離器 3.空氣過濾器 4.儲氣罐 5.壓力繼電器 6.減壓閥圖2 氣源發生裝置結構圖

1.2 井道密封結構

井道采用摩擦系數小、耐磨性強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，墊圈與井道內壁接觸，具體如圖3所示。在密封空間內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壁上，從而實現了良好的密封效果。

1.3 轎廂導向機構

圓形轎廂在圓形井道中有垂直運動和水平轉動2個自由度。若轎廂在運行過程中出現轉動，轎廂門和廳門將出現錯位，影響乘坐的舒適性。為防止轎廂在井道內轉動，在井道壁上對稱開了2條導向槽，在轎廂上對稱設置了4個導向塊，導向塊一端與轎廂固定，另一端可沿導向槽上下運動，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 井道密封結構圖

1.井道壁 2.導向槽 3.導向塊 4.轎廂圖4 導向機構示意圖

1.4 轎廂制動機構

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，當人或物從轎廂出來或進入轎廂時，轎廂內的重量會產生突變，而密封空間內氣體壓力不會發生突變，此時會出現轎廂上升或下降的現象(如圖5所示)，影響了乘坐效果。為使轎廂能夠靜止停留，準確平層，在轎廂底部設置了制動機構，并在井道壁上開了制動槽，如圖1所示。當轎廂到達目的層時，向制動氣缸無桿腔充氣，推動制動塊進入井道壁上的制動槽，從而將轎廂固定；當轎廂需要運動時，向制動氣缸有桿腔充氣，制動塊退出制動槽，具體如圖6所示。

圖5 轎廂與層站地面之間的關系示意圖

1.5 轎廂調速機構

為改善乘客乘坐的舒適性，通過改變充氣和排氣量的方法，對轎廂上下行運動實行分段速控制[5-7]，具體如圖7所示。

1.制動塊 2.制動槽 3.制動氣缸圖6 圖5 轎廂與層站地面之間的關系示意圖

1.減壓閥 2.換向閥 3.調速閥 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1 9.磁性開關2 10.排氣口 11.調速閥 12、13.換向閥 14.消聲器圖7 調速機構示意圖

當轎廂需要上行時，換向閥2被打開，壓縮空氣通過換向閥2和調速閥3進入密封空間，壓縮空氣推動轎廂低速上行，當到達預設時間后，換向閥4被打開，進入密封空間的壓縮空氣量增大，轎廂快速上行。當轎廂上的磁性開關1有信號時，轎廂即將到達目的樓層，將換向閥4關閉，減小充氣量，轎廂低速上行，當轎廂上的磁性開關2也有信號時，轎廂到達指定樓層，關閉換向閥2，轎廂停止上行。當轎廂需要下行時，換向閥13打開，密封空間內的壓縮空氣排出，在重力作用下，轎廂低速下行，當到達預設時間后，換向閥12被打開，排氣量增大，轎廂快速下行。當磁性開關2有信號時，轎廂即將到達目的樓層，換向閥12關閉，減小排氣量，轎廂低速下行，當磁性開關1也有信號時，轎廂到達指定樓層，關閉換向閥13，轎廂停止下行[8]。

1.6 壓力調整機構

當轎廂的載重發生變化時，需要及時調整密封空間氣體的壓力，使得轎廂處于一種平衡狀態。設轎廂和底座的質量為G/kg，轎廂內載重物質量為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—— 轎廂和底座的質量，kg

Q—— 轎廂內載重物質量，kg

隨著轎廂內載重物Q的不同，密封空間氣體壓力p是不同的。需要根據Q的不同，進行密封空間氣體壓力p的實時調整，具體匹配曲線如圖8所示。在轎廂底部設置了一個稱重傳感器，將轎廂內載重物重量Q實時傳遞給控制器；在密封空間內安裝有一個壓力變送器，將密封空間氣體壓力p實時傳遞給控制器，控制器根據p和Q的匹配關系，控制相關閥門的開啟，實現密封空間氣體壓力p的調整。

圖8 壓力p與載重量Q的關系

如圖7所示，當Q變小時，控制器將電磁換向閥13打開，密封空間內的氣體經調速閥11和換向閥13排出，當壓力p減小到合適時，關閉電磁換向閥13。當Q變大時，控制器將換向閥2打開，壓縮空氣經換向閥2、調速閥3充入密封空間，當壓力p增大到合適時，關閉換向閥2。

1.7 應急自救

某種原因導致轎廂下部的井道出現破壞時，轎廂在重力作用下下降，當轎廂運行到破壞點以下時，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，形成了一個氣體阻尼裝置，減緩轎廂下行速度，直至緩慢停止，保護電梯內的人員不會受到傷害。在井道底部安裝有手動排氣閥，并由備用電池控制，在電梯故障或停電困人的時候，按下轎廂內部的應急按鈕，接通手動排氣閥門電路，密封空間的壓縮空氣通過手動排氣閥釋放到井道外，電梯依靠自重慢慢下降，到站時，松開應急按鈕即可。

2 硬件設計及I/O分配

PLC具有高可靠性、強抗干擾能力、使用靈活等優點，在電梯控制中應用廣泛。根據需要，選擇FX1N-24MT-001型PLC，有24個I/O點基本單位，晶體管輸出，直流24 V輸出。

2.1 PLC地址分配

根據系統的功能要求和動作原理，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是連續變化的模擬量，需要使用模擬量輸入模塊FX2N-2AD轉換成數字量，然后傳輸到PLC中。氣壓式電梯的PLC硬件接線圖[10-11]如圖9所示，手動應急裝置的硬件接線圖如圖10所示。

3 軟件設計

根據氣壓式電梯的控制功能和I/O分配，系統的軟件設計流程圖[12-13]如圖11所示。在程序中采用了數據寄存器D100、D101，用以存放轎廂載重量Q和密封空間壓力p對應的數字量。

4 應用測試分析

通過合適的通信端口，將編譯好的程序下載到PLC中。當在2樓按下下呼按鈕時，轎廂上行，能夠在2樓進行準確平層，制動氣缸啟動，將轎廂鎖住。當人進入轎廂時，能夠及時向密封空間充氣，關好轎廂門，按下轎內1樓按鈕時，制動氣缸復位，轎廂先是低速下行，然后快速下行，快到1樓時再低速下行，最后準確停止在1樓。轎廂門沒有關好時，轎廂不會運行。關閉設備電源，按下轎內緊急按鈕，手動排氣閥打開，轎廂緩慢下行。氣壓式電梯與曳引式電梯對比情況如表2所示。應用效果良好，符合設計要求。

圖9 PLC硬件接線圖

圖10 應急自救按鈕接線圖

5 結論

(1) 氣壓式電梯沒有對重，沒有鋼絲繩，占地面積小，節約建筑空間；

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

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

表2 氣壓式電梯與曳引式電梯對比情況

圖11 氣壓式家用電梯軟件控制流程圖

(4) 氣壓式電梯結構簡單，不容易發生故障，易損件少，可以省去后期維護維修煩惱。