一款基于PLC的梯级滚轮可靠性测试装置设计

郑 杰，曹怀志，郑志华

（林肯电梯（中国）有限公司，浙江嘉兴 314415）

0 引言

根据文献[1]中G1.5实验装置规定：拥有自动扶梯和自动人行道[2]生产许可的电梯生产厂家必须配备梯级（踏板）滚轮可靠性试验装置（以下简称滚轮可靠性试验装置）。这不仅是国家市场监督总局对厂家生产拥有生产资质的硬性要求，更是自动扶梯和自动人行道生产厂家能够确保自己所生产的产品安全可靠的必要条件之一。目前，在浙江特检内，滚轮可靠性试验装置总体占地约10 m2，高度约1.7 m，机构复杂，体积庞大，所以对于生产企业来说开发一款价格便宜、体积小、智能化控制的滚轮可靠性试验装置尤为迫切。

1 系统设计与控制

1.1 硬件设计

图1所示为滚轮可靠性试验装置结构示意图，其硬件主要由PLC、电机、蜂鸣器、变频器、指示灯1、指示灯2、指示灯3、指示灯4、指示灯5、UKS开关1、UKS开关2、UKS开关3等组成。逻辑控制最核心的工作由PLC完成，电机通过圆弧形同步带传动设计与主轮连接，蜂鸣器在测试完成或者安全开关触发信号时产生声音提示，变频器控制电机在启动时转速由0逐渐增大到额定输出，在停止时控制电机转速由额定速度逐渐减少到0，这样使得启动和停止时更加的平稳，防止了突然加载扭矩或者突然扭矩为0时系统产生窜动，指示灯1颜色设定为绿色，在设备停止时做颜色提示，指示灯2颜色设定为红色，在设备启动时做颜色提示，指示灯3颜色设定为黄色，在UKS开关1断开时做颜色提示，指示灯4颜色设定为黄色，在UKS开关2断开时做颜色提示，指示灯5颜色设定为黄色，在UKS开关3断开时做颜色提示，UKS开关1，安装在顶部，可以用于检测测试滚轮是否安装到位，同时可以检测杠杆组件是否破坏、长杆是否挠度过大，UKS开关2，安装在后门侧，可以用于检测后门是否关闭，UKS开关3，安装在前门侧，可以用于检测前门是否关闭。

图1 滚轮可靠性试验装置结构示意图

1.2 系统控制

1.2 .1控制逻辑

控制系统逻辑如图2程序流程图所示。程序开始后首先判断前门、后门与配重块处的UKS开关是否闭合，只要其中有1个开关处于断开状态，则电机停转，停止指示灯亮，蜂鸣器啸叫，程序结束；如果UKS开关全部闭合，则判断运行的时间是否已经达到试验要求时长，如果时间还未达到，则运行指示灯亮，电机开始运转。因PLC属于“顺序扫描，不断循环”的工作模式[3]，所以启动后程序会在上述逻辑内循环判断，如果在测试过程中所有的UKS开关一直处于闭合状态，那么只有测试时间符合设定值时，电机才会停转，然后停止指示灯亮，蜂鸣器啸叫，程序结束。如果在测试过程中有外力因素（如门被打开）或者结构性因素（如杠杆件疲劳破坏、滚轮安装不到位运行中晃动脱落等）等原因引起UKS开关断开时，程序在判断UKS开关是否闭合时会进入“否”的逻辑，电机就会停转，同时以灯光方式提示断开的UKS开关的位置，装置以蜂鸣方式声音提醒，从而达到了设备运行时的安全性以及故障可追溯性的目的，这对操作人员的安全保护和设备的故障清除具有十分重要的意义。

1.2.2 输入与输出

图3所示为输入输出配置图。输入端由启动按钮、停止按钮、UKS开关1、UKS开关2、UKS开关3组成，输出端由变频器、警示灯1、警示灯2、警示灯3、警示灯4、警示灯5、蜂鸣器组成，共占用5个输入端口，7个输出端口。西门子PLC入门款S7-200SMARTCR40[4]拥有4路100Hz高频记数，2个通讯端口，40个I/O口，其程序编译软件为STEP 7 MicroWIN SMART[5]，此款软件具备先进的程序结构和强大的向导功能，并融入带状菜单和移动式窗口设计，同时具备软件编辑、程序模拟、实时监控的功能，使软件友好，编辑高效。所以此款PLC完全能满足滚轮可靠性试验装置的设计要求。

图2 程序流程图

图3 输入输出配置图

2 机械设计

根据参考文献[6]附页AA滚轮形式试验要求规定：试验线速度应当等于适用的自动扶梯和自动人行道最大名义速度；用作自动扶梯主轮的滚轮实验时的加载压力和运行时间至少为1 300 N、250 h。

2.1 结构设计

图4所示为滚轮可靠性试验装置结构图。滚轮通过滚轮连接件与杠杆连接在一起，配重块连接在杠杆的远端，通过杠杆原理，配重块的重力在滚轮处被放大，并且使滚轮和大轮压在一起，用双螺母将M16×150六角螺栓固定在框架的上方使螺栓下端贴在杠杆的上端，但是并不施加额外的向下的力，以防止可能出现的杠杆上窜。利用杠杆原理将轮滚处受力放大倍数后，设备的整体外尺寸长×宽×高为1 300 mm×280 mm×585 mm。

2.2 滚轮的安装、拆卸与设备停用

图5所示为滚轮的安装、拆卸与设备停用。在滚轮安装、拆卸状态时，将M16×150六角螺栓从顶面拆下后安装在配重块支撑件中，杠杆微微向上倾斜，滚轮与大轮之间没有挤压力，配重块的重力和M16×150六角螺栓提供的支撑力平衡，此时即可用套筒将滚轮背后的安装螺母拧下，完成滚轮的安装、拆卸。当设备停用时没有滚轮，配重块放置于设备底部，此时上方的UKS开关处于断开状态，由上文描述可知，即便设备上电，电机也不会启动。

2.3 设计计算

2.3.1 校核电机选型、传动比

电机参数：功率P=160 W；扭矩N1=8.5 N·m；转动轴齿数Z1=28。电扶梯最大名义速度v1=0.65 m/s，滚轮处所受压力大小FN=1 300 N，滚轮到转动轴的距离L1=95 mm，配重块重心到转动轴的距离L2=950 mm，配重块总质量G=13 kg，圆弧齿同步带传动设计，取系数[7]KA=2，大轮处齿轮齿数[8]Z2=45，大轮半径r=120 mm，传动效率[9]ζ=98%，大轮与滚轮之间的摩擦系数取[9]μ=0.15。则有：

图5 滚轮的安装、拆卸与设备停用状态

电机的转速：

大轮的转速：

大轮边缘处的线速度：

大轮处的扭矩：

滚轮与大轮的摩擦力：

由上述计算可知：v≥v1；fmax≥f，所以电机和传动比满足设计要求。

2.3.2 关键机械件的校核

在滚轮可靠性装置中设计中，需对杠杆件以及转轴进行受力校核。杠杆件的强度校核其弯曲应力[10]求得，其刚度可以由卡式定理[10]直接求得，转轴的受力是剪切破坏。上述受力计算过于简单，不再展开论述。

大轮边缘处可克服的最大摩擦力：

3 结束语

此款梯级滚轮可靠性测试装置引入PLC进行智能控制，使测试过程安全可靠；使用西门子入门级的PLC使得造价低廉；机械结构方面利用杠杆原理使装置尺寸小巧便于移动和安装。这满足了自动扶梯和自动人行道生产厂家对于这类装置的需求。