沈小波，胡緒昌，項(xiàng)衛(wèi)東，孟海輝

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

基于PLC與變頻器的船用載貨電梯控制系統(tǒng)研究

沈小波，胡緒昌，項(xiàng)衛(wèi)東，孟海輝

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

某型船用載貨電梯采用PLC控制。PLC單獨(dú)使用時(shí)，在控制裝置在使用過程中存在一些不足，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定、能耗大、噪音大等問題。通過加裝變頻器對某型船的PLC單獨(dú)控制的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)改造，介紹了基于 PLC 與變頻器的電梯控制系統(tǒng)硬件組成方案及邏輯控制程序。仿真結(jié)果表明加裝變頻器后，電梯故障率降低，提高了電梯運(yùn)行的安全性和可靠性。

載貨電梯 變頻器 PLC

0 引言

PLC，其英文為Programmable Logic Controller，簡稱為可編程序控制器，在各類電氣設(shè)備中應(yīng)用比較廣泛。在船船上很多電氣設(shè)備也都是由PLC控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制，例如：船舶主機(jī)、減搖鰭、空壓機(jī)、輔鍋爐、客梯和載貨電梯等。在某型船上，減搖鰭和載貨電梯的控制系統(tǒng)就是由PLC來進(jìn)行控制。雖然PLC具有其編程的語言高級(jí)化、系統(tǒng)控制響應(yīng)速度快、系統(tǒng)存儲(chǔ)容量大、樣品品種多和控制模型智能等優(yōu)點(diǎn)，但是該裝置在使用時(shí)，在安全和節(jié)能方面還存在不足。本文以某型船用載貨電梯為例，闡述其基于PLC與變頻器聯(lián)合控制系統(tǒng)在控制過程中的優(yōu)點(diǎn)。

某型船用電梯是上世紀(jì) 70 年代生產(chǎn)安裝的產(chǎn)品，控制系統(tǒng)最初是包括繼電器和選層器，最初的控制系統(tǒng)在控制電梯運(yùn)行時(shí)存在著電機(jī)起動(dòng)電流大、電梯運(yùn)行噪聲響、電梯?？繙?zhǔn)確率差、設(shè)備故障頻發(fā)重等問題，加上電梯機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長，系統(tǒng)電氣元件失靈、控制線路老化現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)限位開關(guān)失靈、電梯轎廂沖頂、亂平層、電梯運(yùn)行失速等危險(xiǎn)情況。雖然在中修改造中用PLC來代替了最老式的繼電器，但是電梯外圍的設(shè)備并沒有升級(jí)改造，致使至今故障率依然居高不下，且配件難以購買，檢修維護(hù)難度相當(dāng)大。該裝置在日常使用中，發(fā)現(xiàn)控制電路的接觸器和限位開關(guān)發(fā)生故障的概率比較高，運(yùn)行負(fù)載的能力也不強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)要控制在額定負(fù)荷的60%內(nèi)，且在運(yùn)行中不但噪音大、運(yùn)行不穩(wěn)定，還會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)剎車的短時(shí)性、不緩和性會(huì)出現(xiàn)安全隱患。因此，本文將根據(jù)電梯現(xiàn)有的PLC控制系統(tǒng)，增加變頻器對電梯進(jìn)行聯(lián)合控制。

1 基本方案的選擇

1.1 某型船用載貨電梯主要技術(shù)性能參數(shù)

額定載重量/kg 600

靜止載重/kg 900

額定速度/ms-10.5

曳引機(jī)型號(hào) 船用曳引機(jī)YCJ-6/0.5

電動(dòng)機(jī)型號(hào) 船用起重交流三相異步

電動(dòng)機(jī)JZ2-H-33-4/12

電機(jī)功率/kW 8.5/3.5

控制方式 轎外按鈕PLC控制

最高提升高度/m 14.2

PLC型號(hào) 三菱FX2N-48MR

1.2 變頻器的選擇

根據(jù)電梯牽引電動(dòng)機(jī)的功率，聯(lián)合控制系統(tǒng)可以用 器件IGBT 來作電梯電動(dòng)機(jī)的變頻拖動(dòng)模塊，系統(tǒng)的變頻器部分用電梯專用的變頻器來進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓，（其型號(hào)為： VS-676GL5-JJL7C4022），并用 DSP來對數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，得到對電梯拖動(dòng)系統(tǒng)的控制信號(hào)，從而提高電梯在運(yùn)行過程中的安全性和節(jié)能性。

1.3 變頻系統(tǒng)電梯拖動(dòng)及運(yùn)行工況分析

電梯基于變頻器與PLC的聯(lián)合控制系統(tǒng)，在變頻器方面采用了變頻調(diào)壓與調(diào)速技術(shù)，從而改善了電梯在運(yùn)行中異步拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)隨運(yùn)行速度而變化的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，使其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩運(yùn)行曲線更加平穩(wěn)，且電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工作情況下，其機(jī)械特性曲線幾乎均保持彼此平行。電梯電動(dòng)機(jī)在變頻系統(tǒng)中隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖 1 所示：

從圖1可知，當(dāng)電梯的總重量大于電梯的配重，且在做上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，電梯拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行曲線為曲線 1，此時(shí)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的理想轉(zhuǎn)速要比實(shí)際轉(zhuǎn)速大，即其轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差率為：

式（1）中：n0為電梯拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)在理想狀態(tài)下運(yùn)行的轉(zhuǎn)速；n 為電梯拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速。根據(jù)其轉(zhuǎn)矩的平衡方程可知，其拖動(dòng)系統(tǒng)中的電磁功率為：

式（2）中Pm為轉(zhuǎn)子等效電路上的損耗，即為其電磁功率；I2為轉(zhuǎn)子回路上的等效電流；R2為轉(zhuǎn)子回路等效的總電阻；s為運(yùn)行時(shí)速度的轉(zhuǎn)差率。

當(dāng)電梯的總重量大于電梯的配重，且電梯是在下降運(yùn)行時(shí)，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩運(yùn)行曲線為上述圖1中的曲線3，此時(shí)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速要大于理想運(yùn)行轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率為：

2 基于 PLC 與變頻器的電梯控制系統(tǒng)硬件組成方案

2.1 控制系統(tǒng)組成

基于PLC與變頻器的電梯聯(lián)合控制系統(tǒng)，其邏輯控制核心選用三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR型號(hào)PLC來代替老式的繼電器。利用其來采集并處理電梯的各種信號(hào)以及DSP反饋給PLC的反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對電梯的聯(lián)合控制；在控制系統(tǒng)中，還增加了脈沖發(fā)生器PG，一起來形成調(diào)速控制的閉環(huán)；還選用了歐姆龍公司生產(chǎn)的光電開關(guān)來作為系統(tǒng)中對樓層的計(jì)數(shù)、選層、平層、開關(guān)門限位開關(guān)等信號(hào)進(jìn)行發(fā)生的裝置。其聯(lián)合系統(tǒng)的邏輯組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示：

圖2 基于PLC與變頻器的電梯調(diào)頻調(diào)壓調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)

2.2 工作原理

由圖 2 可知，該聯(lián)合控制系統(tǒng)采用PLC 來集中處理電梯系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種信號(hào)，然后通過PLC控制系統(tǒng)中的DSP來進(jìn)行處理和邏輯運(yùn)算，得到系統(tǒng)所需要的正確控制信號(hào)(如電梯拖動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)、電梯拖動(dòng)電機(jī)的加速、勻速及減速、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行啟動(dòng)及停止運(yùn)行等信號(hào))、樓層呼叫信號(hào)、電梯向上運(yùn)行或向下運(yùn)行的方向信號(hào)和門開關(guān)的限位開關(guān)信號(hào)等；同時(shí)系統(tǒng)中的變頻器會(huì)將電梯的運(yùn)行情況和相應(yīng)的參數(shù)傳輸給控制的PLC，使得PLC可以更好地控制電梯的運(yùn)行。系統(tǒng)中的變頻器根據(jù)DSP 運(yùn)算處理分析得到的控制信號(hào)來控制電梯控制系統(tǒng)中電梯拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和運(yùn)行速度，從而達(dá)到改善電梯控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

另外，在系統(tǒng)中，變頻器與PG脈沖發(fā)生器形成了閉環(huán)控制，同時(shí)，該變頻器還具有轉(zhuǎn)差率自動(dòng)補(bǔ)償、轉(zhuǎn)矩自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ芗耙约啊癝”運(yùn)行曲線的特性。這些功能使得電梯在該控制系統(tǒng)下的運(yùn)行性能大大改善，維護(hù)和操作更加安全可靠。

3 基于PLC與變頻器的電梯控制系統(tǒng)邏輯控制程序

電梯基于PLC與變頻器聯(lián)合控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制邏輯比較復(fù)雜，需要對電梯電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制功能多、操控點(diǎn)分散。 但對于整個(gè)聯(lián)合控制系統(tǒng)來說，其啟動(dòng)控制的運(yùn)行邏輯可以按照：開門和關(guān)門→選擇?？繕菍印妱?dòng)機(jī)選擇轉(zhuǎn)動(dòng)方向→電動(dòng)機(jī)起動(dòng)→電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)動(dòng)→電動(dòng)機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)→電動(dòng)機(jī)制減速→轎廂平層停靠→電機(jī)停止的運(yùn)行流程來進(jìn)行邏輯的編程。電梯控制程序邏輯編程的流程圖如圖 3 所示。

3.1 開關(guān)門的控制程序

電梯聯(lián)合控制系統(tǒng)中控制電梯開關(guān)門的子系統(tǒng)是一個(gè)相對獨(dú)立的小控制單元，其主要用來控制電梯轎廂門的開啟和關(guān)閉。電梯門分為電梯的轎廂門和電梯的廳門。在電梯的運(yùn)行過程中，電梯的轎廂門由專門的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)牽引拖動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對電梯轎廂門開關(guān)的控制；當(dāng)電梯運(yùn)行還未到達(dá)該樓層的位置開關(guān)時(shí)，電梯的廳門則始終被控制于閉鎖禁止開啟的狀態(tài)，電梯轎廂門限位開關(guān)此時(shí)有一個(gè)串聯(lián)連接的閉鎖作用，提高了對電梯門廳控制的安全性。

3.2 電梯指層和呼梯邏輯控制程序

對于電梯聯(lián)合控制系統(tǒng)中，樓層顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的就是在電梯的轎廂內(nèi)部和電梯的廳門外部能夠?qū)﹄娞葸\(yùn)行時(shí)所在的實(shí)際位置和運(yùn)行方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。顧客的呼梯使用信號(hào)，就是控制 PLC 能夠綜合處理各層的選層使用信號(hào)，通過PLC 內(nèi)部的記憶單元和數(shù)據(jù)處理的單元對各選層使用信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和運(yùn)算，形成此時(shí)的最優(yōu)調(diào)配控制命令，并發(fā)送給變頻器，得到控制電梯拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的控制命令。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將該控制信號(hào)刪除，為下一個(gè)信號(hào)騰出空間，避免出現(xiàn)控制命令重復(fù)，發(fā)生危險(xiǎn)。

圖3 電梯控制程序邏輯編程流程圖

3.3 電梯起動(dòng)和運(yùn)行控制程序

電梯在開始運(yùn)行前，應(yīng)由控制系統(tǒng)根據(jù)顧客使用的呼梯使用信號(hào)和電梯轎廂內(nèi)的選層使用信號(hào)，形成適時(shí)的控制命令，并將該命令傳輸給變頻器進(jìn)行執(zhí)行。在電梯動(dòng)作運(yùn)行過程中，電梯轎廂門和電梯廳門的閉鎖禁用非常重要。當(dāng)電梯拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行到達(dá)平層點(diǎn)位置，觸碰限位開關(guān)時(shí)，則PLC控制系統(tǒng)采集到電梯平層的信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出停車指令，由變頻器控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速停車。

3.4 電梯運(yùn)行速度曲線

對只有PLC控制和加裝變頻器聯(lián)合控制兩種情況下的電梯運(yùn)行速度曲線進(jìn)行仿真，得到速度曲線圖如圖4、圖5所示。

圖 4 PLC控制電梯運(yùn)行速度曲線

圖5 加裝變頻器聯(lián)合控制后電梯運(yùn)行速度曲線

從兩個(gè)速度曲線對比中可以看出，當(dāng)電梯只有PLC控制時(shí)，電梯運(yùn)行速度的變化比較快，尤其是在減速剎車時(shí)，這樣對設(shè)備和外圍物件的沖擊較大，對操作人員有安全危害；當(dāng)加裝變頻器聯(lián)合控制時(shí)，電梯的加速和減速時(shí)間基本一致，且加速和減速都比較平緩，尤其是減速剎車時(shí)有一個(gè)平穩(wěn)的過渡，這樣對設(shè)備和外圍物品的沖擊大大減小，操作人員的安全得到可靠保證。

4 結(jié)束語

基于PLC與變頻器聯(lián)合控制的電梯調(diào)速控制系統(tǒng)，利用PLC與變頻器對電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造后，簡化了電梯控制系統(tǒng)的邏輯布線結(jié)構(gòu)，使電梯故障率大大降低，大大提高了電梯運(yùn)行的安全性和可靠性，且節(jié)能效果明顯，對于船用載貨電梯的各項(xiàng)性能都有顯著提高。因此，利用基于PLC和變頻器的聯(lián)合控制系統(tǒng)對船用電氣設(shè)備進(jìn)行控制可行、有效，為船舶電氣設(shè)備的控制改造提供了一個(gè)新思路。

[1] 羅興全. PLC控制變頻調(diào)速電梯電氣控制系統(tǒng). 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 2012, 34（3）: 40-43

[2] 鄧?yán)t. 基于變頻器與PLC的載貨節(jié)能環(huán)保電梯設(shè)計(jì). 煤炭技術(shù),2012,31（1）: 56-58

[3] 許文斌, 徐健, 張慶君. 基于PLC與變頻器的電梯節(jié)能控制系統(tǒng)研究. 機(jī)械與電子, 2008（35）: 241-242.

Controller System of Marine Cargo Carrying Elevator Based on PLC and Transducer

Shen Xiaobo, Hu Xuchang, Xiang Weidong, Meng Haihui
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, Jiangsu, China)

PLC controller is used in a marine cargo elevator. There are some shortcomings in the use of the PLC, such as running instability, large energy consumes, high noise and so on. The transducer is equipped for the system to upgrade PLC control system. Hardware and logic control program of elevator's control system are introduced based on PLC and transducer. Simulation results show that the malfunction of the elevator with transducer becomes low, and safer and reliabler.

cargo elevator; transducer; PLC

TP273

A

1003-4862（2015）06-0041-04

2015-03-25

沈小波（1980-），男，工程師。研究方向：船舶動(dòng)力。