摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)也日新月異，尤其是高層建筑不斷增加，電梯的安全問題也引起了人們的關(guān)注。高層建筑電梯故障常導(dǎo)致剪切、擠壓等事故，對(duì)乘坐電梯的人員安全具有很大的威脅。以現(xiàn)有的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一套具有轎廂意外移動(dòng)保護(hù)功能的控制系統(tǒng)。分析了電梯安全保護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)電梯轎廂意外移動(dòng)的原因與電梯實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)了一套基于 PLC的安全保護(hù)控制器。對(duì)安全控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)以及軟件與硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要介紹，最后對(duì)電梯保護(hù)控制系統(tǒng)的功能與應(yīng)用效果進(jìn)行了試驗(yàn)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)于電梯意外移動(dòng)的保護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電梯;意外移動(dòng);控制系統(tǒng);PLC;安全保護(hù)

中圖分類號(hào)：TU857文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0255-03

Design of Elevator Safety Protection Control System Based on PLC

Li Hui

（Quanzhou Branch， Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Quanzhou， Fujian 362010， China）

Abstract： With the continuous development of China′s social economy， urban construction is also changing with each passing day， especially the increasing number of high-rise buildings， the safety problem of elevator has also attracted people′s attention. High rise building elevator failure often leads to shear， extrusion and other accidents， which has a great threat to the safety of people taking the elevator. Taking the transformation of the existing elevator safety monitoring system as the research object， a control system with the function of car accidental movement protection was designed. The research status of the elevator safety protection system was analyzed， the causes of the unexpected movement of the elevator car and the actual use of the elevator were summarized， and a set of safety protection controller based on PLC was designed. The design of the overall scheme of the safety control system and the design of the software and hardware structure were briefly introduced. Finally， the function and application effect of the elevator protection control system were tested experimentally. The test results show that the system has reached the design goal， and has great significance for the protection of the elevator unexpected movement.Key words： elevator; accidental movement; control system; PLC; safety protection

0 引言

雖然電梯在提升城市出現(xiàn)效率上起到了非常重要的作用，但電梯意外移動(dòng)等安全事故也時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)轎廂的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)問題電梯進(jìn)行提前處理，對(duì)保障生命財(cái)產(chǎn)安全具有非常重要的意義。電梯故障是控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者是人為因素導(dǎo)致，轎廂在控制系統(tǒng)紊亂的情況下出現(xiàn)制動(dòng)失效就會(huì)導(dǎo)致轎廂的意外移動(dòng)，因此設(shè)計(jì)一套電梯安全保護(hù)系統(tǒng)具有重要意義。

電梯的工作原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，如圖1所示，鋼絲繩兩端分別連接著對(duì)重與轎廂，電梯通過鋼絲與曳引輪之間的摩擦力產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。為了防止轎廂的意外移動(dòng)，需在電梯上設(shè)計(jì)安全鉗、緩沖器、限速器、門鎖、超速保護(hù)等裝置。其中門鎖主要是針對(duì)指定樓層開門動(dòng)作與樓層數(shù)之間安全開關(guān);緩沖器的作用主要是吸收轎廂或?qū)χ亟德鋾r(shí)產(chǎn)生的沖擊力，能夠使轎廂緩慢著地[1]。

意外移動(dòng)是指轎廂在控制系統(tǒng)故障或制動(dòng)失效的情況下，且沒有觸發(fā)電梯被動(dòng)安全保護(hù)時(shí)處于失控狀態(tài)。意外移動(dòng)很容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，曾發(fā)生過電梯達(dá)到指定層后，轎廂門在開啟到最大極限位置時(shí)，轎廂突然開始向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致安全事故。電梯轎廂意外移動(dòng)對(duì)安全威脅大，因此設(shè)計(jì)一套電梯意外移動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)可顯著提高設(shè)備的安全性能，保障使用者的安全[2]。

1 方案總體設(shè)計(jì)

可編程控制器（PLC）在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化中扮演了一個(gè)非常重要的角色，因其性能優(yōu)良而被廣泛地應(yīng)用?；?PLC 設(shè)計(jì)一套電梯轎廂意外位移的監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)實(shí)際情況采取保護(hù)措施。有效提高了電梯的安全性能。下面分別從3個(gè)方面介紹保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[3]。

1.1 檢測(cè)方案

電梯運(yùn)行情況的邏輯簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以確定需檢測(cè)的狀態(tài)為：門開合狀態(tài)與繼電器工作狀態(tài)的分析與判斷，并可據(jù)此判斷轎門安裝裝置工作狀態(tài)。圖2所示為電梯檢測(cè)流程。首先判斷轎廂運(yùn)行的情況，然后確定轎廂是否關(guān)門正常，如果出現(xiàn)異常則發(fā)出反饋信號(hào)。結(jié)合是否有動(dòng)作命令和轎廂狀態(tài)傳感數(shù)據(jù)可判斷轎廂的運(yùn)行情況，并判斷可能出現(xiàn)意外移動(dòng)的情況[4]。

1.2 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案

PLC 控制器主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的分析、存儲(chǔ)，分析電梯是否處于正常工作狀態(tài)，并根據(jù)電梯控制信號(hào)同步分析判斷電梯是否存在危險(xiǎn)行為。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)還可向電梯管理人員進(jìn)行短信推送報(bào)警，設(shè)備進(jìn)行聲光報(bào)警。結(jié)合本研究的特點(diǎn)以及需實(shí)現(xiàn)的電梯保護(hù)功能，測(cè)量傳感器采用非接觸的方式，避免對(duì)原設(shè)備狀態(tài)造成影響[5]。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電梯保護(hù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此 PLC控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，PLC中央處理單元的設(shè)備連接口主要連接了包括編譯器、打印機(jī)、LPROM 寫入器、上位計(jì)算機(jī)、可編譯終端等。PLC具備擴(kuò)展接口，根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置了特殊功能需求的功能擴(kuò)展單元，方便后期對(duì)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，PLC控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示[6]。同時(shí)與系統(tǒng)連接的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶管理存儲(chǔ)器，設(shè)備不同的功能分區(qū)，方便用戶對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并根據(jù)需要在中央控制器兩側(cè)設(shè)置輸入單元與輸出單元[7]。

2 保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電梯轎廂意外移動(dòng)一般的故障原因包括制動(dòng)器機(jī)械卡滯、控制器接觸粘連、控制器過度磨損或者是電氣系統(tǒng)被人為損壞導(dǎo)致電路短路。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯轎廂意外移動(dòng)的保護(hù)與監(jiān)控，下面對(duì)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)備選型做簡(jiǎn)要說明。

2.1 裝置的總體設(shè)計(jì)

為了達(dá)到無接觸式對(duì)轎廂狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，選用了激光觸點(diǎn)式位移傳感器對(duì)轎廂速度進(jìn)行測(cè)量，通過各接觸點(diǎn)的輔助接觸點(diǎn)識(shí)別設(shè)備工作狀態(tài)。保護(hù)控制系統(tǒng)的主控制器采用 PLC控制器完成，PLC綜合分析各傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并基于設(shè)定邏輯做出判斷[8]。電梯控制對(duì)與控制器相連，控制器與制動(dòng)器與各類傳感器相連，從而構(gòu)成了控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

控制系統(tǒng)在分析轎廂運(yùn)行與控制信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)轎廂狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)出現(xiàn)意外移動(dòng)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以控制電梯控制回路接觸器斷開，鋼絲繩制動(dòng)器在原有制動(dòng)器不起作用的情況下也可以通過夾持鋼絲繩，使轎廂平穩(wěn)停止。控制系統(tǒng)基于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊向監(jiān)控人員發(fā)送報(bào)警短信，及時(shí)通知救援，綜合可編程序控制器、輸入、輸出各模塊，繪制系統(tǒng)硬件連接圖如圖4所示[9]。

2.2 硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型

控制系統(tǒng)主要的硬件包括激光位移傳感器、運(yùn)行接觸器、抱閘接觸器、斷電設(shè)備、緊急制停裝置、轎廂門傳感器以及 PLC控制器等，對(duì)控制系統(tǒng)的主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行說明。首先是 PLC控制器的選型，采用了日本三菱的 FX2N-80MR型 PLC控制器[10];本系統(tǒng)選用了型號(hào)為 CS5-RS400型激光位移傳感器。斷電裝置主要作用是系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到電梯有潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以切斷電路以防止電力存在時(shí)電梯驅(qū)動(dòng)力會(huì)對(duì)電梯制動(dòng)造成嚴(yán)重影響。為了到達(dá)設(shè)計(jì)目的，選擇自帶交流接觸器的斷電裝置，選擇德國(guó)西門子 RS500型電器斷電裝置。

轎廂意外移動(dòng)的一個(gè)非常重要的原因就是電梯本身的制停機(jī)構(gòu)不能滿足使用要求，因此需要選擇可靠性好的制動(dòng)器。根據(jù)實(shí)際功能需求，選擇某電梯設(shè)備有限公司生產(chǎn)的鋼絲繩制動(dòng)器，該制動(dòng)器額定工作速度小于或等于2.5 m/s ，額定啟動(dòng)載重量 W=680～1450 kg ，系統(tǒng)總質(zhì)量為1980～6100 kg[11]。PLC 控制器選擇了日本三菱的 FX2N-80MR 型控制器，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線通信功能，具有遠(yuǎn)程服務(wù)功能，可通過短信自動(dòng)向服務(wù)人員提供信息，對(duì)于管理人員具有重要的幫助作用。

3 裝置的軟件實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂意外移動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，就需要控制系統(tǒng)具有良好的軟件控制系統(tǒng)以及功能完備的硬件系統(tǒng)。轎廂意外移動(dòng)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是基于硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及對(duì)安全制動(dòng)器的控制，通過測(cè)量轎廂的位置、運(yùn)行速度、控制指令等可以判斷轎廂所處的位置[12]。

轎廂意外移動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)以可編程控制器為核心，通過各類信號(hào)傳感器判斷轎廂所處狀態(tài)，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯轎廂的保護(hù)。基于三菱 PLC編程軟件：GX works2編程軟件對(duì)軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，該編程軟件具有較好的交互性，方便使用，為用戶提供了良好的設(shè)計(jì)界面，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)軟件界面，并最終完成了軟件系統(tǒng)的編程。以下為電梯意外移動(dòng)梯形圖;電梯自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下到達(dá)平層位置，上門區(qū)開關(guān)SMK、上平層開關(guān)SPK、下平層開關(guān)XPK、下門區(qū)開關(guān)XMK 全部被井道隔磁板插入后處于動(dòng)作狀態(tài)，X12＼X13＼X14＼X15常閉信號(hào)斷開，系統(tǒng)輸出開門，門鎖 X11斷開，關(guān)門限位 X26接通，開門到位后 X25斷開，此時(shí)當(dāng)轎廂發(fā)生向上移動(dòng)，上門區(qū)開關(guān)和上平層開關(guān)都脫離隔磁板，對(duì)應(yīng)的X14和X12相繼先后接通，反之當(dāng)轎廂發(fā)生向下移動(dòng)，下門區(qū)開關(guān)和下平層開關(guān)都脫離隔磁板，對(duì)應(yīng)的 X15和X13相繼先后接通，使內(nèi)部繼電器 M565自鎖后始終保持，此時(shí)PLC輸出Y3使DK接觸器動(dòng)作，達(dá)到制停轎廂的目的。同時(shí)外部七段碼顯示器顯示 E1提示維修工作人員電梯發(fā)生了意外移動(dòng)故障，需要將電梯置于檢修狀態(tài)后，關(guān)好電梯門才能解除內(nèi)部自鎖狀態(tài)，恢復(fù)正常運(yùn)行，當(dāng)然控制系統(tǒng)內(nèi)部的其他電路也會(huì)將 M565繼電器關(guān)聯(lián)進(jìn)去，防止電梯再次啟動(dòng)運(yùn)行。PLC控制程序如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

基于三菱 PLC 編程軟件 GX works2完成對(duì)保護(hù)控制系統(tǒng)軟件的構(gòu)建，在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成對(duì)轎廂意外移動(dòng)的控制保護(hù)綜合系統(tǒng)進(jìn)行了功能性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)可異常檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，并可發(fā)出預(yù)警信息。對(duì)電梯意外移動(dòng)情況進(jìn)行模擬測(cè)試，保護(hù)控制系統(tǒng)可及時(shí)制停轎廂，防止轎廂意外移動(dòng)。

測(cè)試結(jié)果證明轎廂意外移動(dòng)檢測(cè)裝置的系統(tǒng)是電梯安全保護(hù)的一個(gè)重要的裝置，能夠根據(jù)不同意外移動(dòng)的成因分析可能會(huì)出現(xiàn)的事故，并采取措施對(duì)轎廂進(jìn)行保護(hù)。通過對(duì)該系統(tǒng)的分析與研究，有助于了解電梯意外移動(dòng)保護(hù)的控制特點(diǎn)，對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

5 結(jié)束語

電梯的意外移動(dòng)對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了一個(gè)非常重大的安全問題，為了提高電梯的安全性能，從源頭出發(fā)，增加設(shè)計(jì)一套電梯意外移動(dòng)控制保護(hù)系統(tǒng)具有十分重要的意義。以現(xiàn)有電梯系統(tǒng)升級(jí)改造為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一套具有轎廂意外移動(dòng)保護(hù)與控制的系統(tǒng)。首先介紹了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)以PLC為控制核心，分別從保護(hù)系統(tǒng)軟件與硬件兩方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，列舉了PLC控制器的工作原理圖，最后實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯意外移動(dòng)的控制保護(hù)。解決了電梯轎廂意外移動(dòng)安全保護(hù)問題，可以為電梯意外移動(dòng)保護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立提供良好參考。

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作者簡(jiǎn)介：李輝（1979-），男，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)殡娞荨⑵鹬貦C(jī)械、叉車等特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。（編輯：王智圣）