沈意平，賓光富，王送來

(湖南科技大學(xué)機械設(shè)備健康維護(hù)省重點實驗室，湖南湘潭 411201)

0 引言

電梯包括機械傳動和電氣控制兩部分，其安全性、可靠性、舒適性和快速停站準(zhǔn)確性要求很高。隨著生活水平和工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，電梯的調(diào)速精度、調(diào)速范圍等靜態(tài)和動態(tài)特性要求也越來越高，尤其需要開展電梯的節(jié)能性設(shè)計［1］?？删幊炭刂破鱌LC是一種以微處理器為核心實現(xiàn)數(shù)字控制的專用計算機，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸?shù)雀鱾€行業(yè)。PLC控制器具有可靠性高、適用性廣、抗干擾性強、體積小、重量輕、能耗低等特點，而且易于與計算機通訊、具備高速計數(shù)與位控等優(yōu)異性能，因此它不僅能提供良好的調(diào)速性能，而且能節(jié)約運行成本［2］。通過采用PLC和變頻器聯(lián)合控制方式，設(shè)計了電梯控制系統(tǒng)硬件和軟件，利用組態(tài)軟件進(jìn)行了仿真實驗。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠滿足安全性、可靠性和穩(wěn)定性等基本要求，有利于實現(xiàn)電梯運行的高效性和舒適性。

1 電梯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為滿足電梯運行安全、可靠的運輸需求，電梯控制系統(tǒng)需具有以下基本控制性能需求［3］。

(1)電梯位置的確定與顯示

轎廂及門廳中需設(shè)有電梯樓層標(biāo)識，以便乘客實時看到電梯運行的樓層位置。電梯運行時，需提供準(zhǔn)確的樓層位置信息，以準(zhǔn)確實現(xiàn)電梯制動等控制需求。

(2)轎廂內(nèi)的運行指令及門廳的召喚信號

轎廂內(nèi)乘客按下的電梯運行的目的樓層為內(nèi)選信號，需要被記憶并亮燈顯示;門廳內(nèi)候乘人員按下的上行或下行按鈕為外呼信號，也需要記憶并亮燈顯示上行或下行，并在召喚得到滿足時能自動取消。

(3)電梯自動運行時的信號響應(yīng)

電梯上行時，遇到上層有上行呼號信號則在該層停下電梯，停車時取消該層上行信號并關(guān)閉對應(yīng)的顯示燈，電梯門開。電梯上行時對下行的召喚信號不處理，下行時則對上行的如喚信號不處理。電梯停止時，可手動按鈕控制開門、關(guān)門，也可等到開/關(guān)門定時時間完成后自動關(guān)門。

(4)轎廂的啟動及運行

電梯必須要等轎廂上行或下行方向確定、轎廂和門層門都關(guān)好才能啟動運行。電梯開門過程中電梯必須停止運行，電梯運行要求先加速運行，后穩(wěn)定運行。

(5)轎廂的平層停車

轎廂運行后需在平層狀態(tài)才停車開門，平層是指電梯轎廂的底面與門廳的“地平面”相平齊，通常要求相差不得超過5 mm。平層停車過程要求電梯先減速后制動，這樣能夠保證平層停車的準(zhǔn)確性，同時也能帶給乘客極大的舒適感。

(6)安全防護(hù)措施

電梯運行要求采取多重安全防護(hù)措施，包括鋼絲繩斷裂、沖頂與墩底、轎廂內(nèi)人員的跌落等保護(hù)，還應(yīng)配有消防、緊急求救、逃生等多項措施。

(7)特殊的性能指標(biāo)

在現(xiàn)代生活過程中，為了滿足電梯乘客的舒適度，要求電梯電機具有良好的加減速曲線控制能力。電梯還需要根據(jù)轎廂內(nèi)重量變化對平層進(jìn)行控制，這需要電梯電機具有高精確度的平層控制能力。筆者采用日本安川公司的Varispeed F7系列變頻器和三菱FX2n－80MR型PLC開發(fā)電梯運行控制系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)工作原理如圖1所示。其中，電梯的位置信號由旋轉(zhuǎn)編碼器提供，電梯的調(diào)速部分采用高性能的矢量控制變頻器，利用光電編碼器測量曳引電機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成變換矢量控制系統(tǒng)(PG)。電路的邏輯部分由PLC來實現(xiàn)，PLC接受并顯示來自現(xiàn)場的召喚和位置等信號，且控制門電機實現(xiàn)電梯開關(guān)門動作。

圖1 系統(tǒng)硬件工作原理圖

根據(jù)系統(tǒng)硬件工作原理，設(shè)計的電梯控制線路主要包括轎內(nèi)指令與廳門召喚線路、指層線路、定向平層線路、啟動線路、平層線路、拖動線路。這些線路之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 電梯運行控制線路圖

2 電梯控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)硬件設(shè)計要求，以三菱公司生產(chǎn)的FX2n系列PLC作為主機進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計［4］。該型PLC能夠?qū)崿F(xiàn)自動開關(guān)門、自動平層、轎內(nèi)和門廳信號指示、電梯安全運行保護(hù)等功能。設(shè)計電梯開關(guān)門控制、電梯到站指示、門廳召喚指示，電梯啟動和運行方向選擇，電梯運行及速度變換等來完成電梯整個系統(tǒng)的電氣控制，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計框圖

電梯各樓層的廳外設(shè)有召喚箱，起點和終點只需設(shè)置一個召喚按鈕，中間各樓層設(shè)置兩個召喚按鈕。電梯內(nèi)部安裝設(shè)置樓層指令按鈕的轎廂操縱盒，乘客按下的目的樓層信號被登記，門廳外乘客的召喚信號也被登記。電梯上行時，登記的目的樓層信號和上行召喚信號逐一執(zhí)行，直到運行至目的樓層信號登記最高樓層或者下行召喚信號的最高樓層，電梯下行時運行流程相同。電梯控制系統(tǒng)的流程如圖4所示。

圖4 電梯程序控制流程圖

3 電梯控制系統(tǒng)仿真實驗

組態(tài)軟件廣泛用于工業(yè)自動化系統(tǒng)的控制和管理，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、過程控制。北京三維力控科技公司推出的面向方案的HMI/SCADA平臺軟件基于主流的32位Windows平臺，具有多樣的I/O驅(qū)動接口和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，能夠方便連接現(xiàn)場的運行設(shè)備，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與處理［5］。筆者采用這種力控監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計了電梯控制仿真系統(tǒng)，包括PLC、計算機和組態(tài)軟件。PLC為控制裝置，在組態(tài)軟件的畫面中生成的虛擬電梯為控制對象，可通過計算機屏幕觀察虛擬電梯的運行情況。PLC的輸入信號可以從PLC的開關(guān)輸入輸出端輸入，也可在組態(tài)軟件的畫面中用鼠標(biāo)點擊按鈕輸入，采用自帶RS－232C和RS－422轉(zhuǎn)接電路編程電纜實現(xiàn)與計算機通信。仿真實驗的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該電梯仿真控制對象是指在計算機上運行事先編寫好的應(yīng)用程序，用軟件來代替硬件工作，借助于計算機顯示來觀察控制的過程及結(jié)果。以5層電梯控制系統(tǒng)為例，根據(jù)圖4設(shè)計其仿真程序執(zhí)行流程圖，采用組態(tài)軟件設(shè)計的控制系統(tǒng)模型仿真界面如圖6所示，其中召喚按鈕用增強型開關(guān)組成。

圖5 電梯控制仿真系統(tǒng)圖

圖6 電梯控制系統(tǒng)仿真界面

各指示燈用紅色圓形圖案代表，當(dāng)對應(yīng)指示燈的輸出端得電，指示燈顯示。電梯當(dāng)前的樓層位置用七段位編碼器顯示，電梯的上下行的方向用上、下箭頭形狀的指示燈表示。按下轎廂內(nèi)的選層按鈕或轎廂外的召喚按鈕后，對應(yīng)的指示燈亮，旁邊的紅色圓形圖案顯示。當(dāng)電梯達(dá)到指定的樓層時，指示燈滅，紅色圓形圖案消失。通過組態(tài)仿真模擬控制系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，該控制方案可實現(xiàn)對電梯運行速度的無級調(diào)速，能夠滿足現(xiàn)代電梯運行的基本性能需求，提高電梯運行的可靠性和舒適性，并且還能有效降低電梯的運行成本。

4 結(jié)語

基于可編程控制器和變頻器相結(jié)合的電梯控制系統(tǒng)，采用PLC進(jìn)行邏輯控制，可方便實現(xiàn)現(xiàn)代電梯的基本控制功能需求。通過PLC與變頻器聯(lián)合完成電梯曳引系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)了電梯的無級調(diào)速。同時，采用目前較先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)電梯位置確認(rèn)和電梯平層減速控制，利用三菱FX2nPLC特有的高速計數(shù)功能，通過PLC與旋轉(zhuǎn)編碼器之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了電梯的高效控制。筆者采用力控組態(tài)軟件進(jìn)行了電梯控制系統(tǒng)仿真實驗，結(jié)果表明采用PLC與變頻器聯(lián)合方式能夠保證電梯運行的安全性和可靠性，節(jié)約了電能，從而使電梯的運行成本降低。

［1］ 李 朋，羅 飛，許玉格，等.電梯驅(qū)動與能量回饋一體化控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化儀表，2011，32(11):76－78.

［2］ 喬東凱.可編程控制器和變頻器在電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機械工程與自動化，2007(6):151－152.

［3］ 常國蘭.電梯自動控制技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［4］ 楊青杰.三菱FX系列PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計指南［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［5］ 陳繼文，范文利，李彥鳳，等.基于PLC的電梯控制仿真系統(tǒng)研究［J］.機械與電子，2008(7):55－57.