基于PLC的船用變頻載貨電梯設(shè)計(jì)

張松濤， 余鳳豪， 吉 哲

(海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽蚌埠 233012)

0 引言

船用載貨電梯用于船舶上運(yùn)送貨物，目前多采用單速或雙速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速性能弱，變速時(shí)有級(jí)差，運(yùn)行穩(wěn)定性不好，且運(yùn)行效率低。變頻器能夠?qū)θ喈惒诫妱?dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以有效改善電梯的性能，提高效率，但曾因價(jià)格昂貴而主要應(yīng)用于載客電梯，隨著變頻器性價(jià)比的提高，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。電梯控制系統(tǒng)主要有繼電器-接觸器控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，繼電器-接觸器控制的電梯控制系統(tǒng)的工藝性差、運(yùn)行的可靠性與安全性較低;計(jì)算機(jī)控制的電梯在智能控制方面有強(qiáng)大的功能，但設(shè)計(jì)復(fù)雜、抗干擾能力差、維修難度大;PLC控制的電梯功能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)，且維護(hù)方便［1-2］。為了提高船用載貨電梯的綜合性能，把變頻器應(yīng)用到其調(diào)速系統(tǒng)中，并用PLC進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了6層船用變頻載貨電梯的控制系統(tǒng)。

1 總體控制功能

1.1 電梯運(yùn)行狀態(tài)

電梯設(shè)置兩種運(yùn)行狀態(tài)，即檢修狀態(tài)和工作狀態(tài)。檢修狀態(tài)時(shí)，設(shè)置上行和下行低速點(diǎn)動(dòng)控制，工作狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行正常的載貨運(yùn)行。運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)置在曳引電動(dòng)機(jī)附近的電梯控制箱內(nèi)，控制箱內(nèi)還設(shè)置有檢修狀態(tài)時(shí)的上行和下行點(diǎn)動(dòng)控制按鈕、各種故障報(bào)警燈、1個(gè)蜂鳴器和報(bào)警復(fù)位按鈕。

1.2 呼叫控制

載貨電梯的呼叫按鈕設(shè)置于每層甲板的層門(mén)旁，轎廂內(nèi)不設(shè)按鈕。每層甲板的層門(mén)旁設(shè)置一個(gè)操縱盒，里面除了 1、2、3、4、5、6 層甲板的 6 個(gè)呼叫按鈕外，還均設(shè)置1個(gè)急停按鈕、1個(gè)允許運(yùn)行指示燈、1個(gè)占用指示燈、1個(gè)故障報(bào)警燈、1個(gè)超載報(bào)警燈和蜂鳴器，在每層甲板的操縱盒里按下指定層的呼叫按鈕，電梯都會(huì)駛至該層。呼叫不設(shè)置記憶功能，電梯在占用時(shí)，按下呼叫按鈕，均無(wú)效，只有在電梯空閑時(shí)，才可進(jìn)行召喚。

1.3 開(kāi)關(guān)門(mén)控制

在載運(yùn)貨物的過(guò)程中，電梯層門(mén)和轎廂門(mén)需長(zhǎng)期開(kāi)起以便裝卸貨物，其開(kāi)起與關(guān)閉均通過(guò)人工進(jìn)行，開(kāi)起與關(guān)閉的狀態(tài)通過(guò)傳感器進(jìn)行監(jiān)控。

1.4 安全保護(hù)

船舶的工作環(huán)境惡劣，電梯更易發(fā)生故障，為保證設(shè)備的安全，設(shè)置了多種保護(hù)措施，主要有工作環(huán)境保護(hù)、超載保護(hù)、超速保護(hù)、門(mén)聯(lián)鎖保護(hù)、上下限位保護(hù)、熱保護(hù)、斷繩保護(hù)、斷相錯(cuò)相保護(hù)和彈簧緩沖保護(hù)等。工作環(huán)境保護(hù)［3］，由于船用載貨電梯只能工作在一定的海況下，需要有船舶橫傾和縱傾狀態(tài)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另外，還有井道溫度傳感器、濕度傳感器和控制系統(tǒng)絕緣測(cè)量裝置，監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給PLC，PLC把監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而判斷能否允許電梯運(yùn)行;超載保護(hù)在曳引輪上設(shè)置傳感器，一旦轎廂超載，不允許電梯運(yùn)行并發(fā)出警報(bào);超速保護(hù)利用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量曳引輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確定電梯的運(yùn)行速度，電梯超速后進(jìn)行保護(hù)，并控制安全鉗剎停轎廂和對(duì)重，確保設(shè)備的安全運(yùn)行;門(mén)聯(lián)鎖保護(hù)，電梯的轎廂門(mén)和所有層門(mén)均關(guān)閉后，電梯才能運(yùn)行;上下限位保護(hù)用于保護(hù)電梯在制定的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行;熱保護(hù)用于保護(hù)曳引電動(dòng)機(jī)，防止其過(guò)載。本文介紹的電梯采用了3根曳引鋼絲繩，每根鋼絲繩均安裝了傳感器，一旦鋼絲繩斷裂，即可發(fā)出警告，并保護(hù)停車;斷相錯(cuò)相保護(hù)用于防止電源斷相和錯(cuò)相;彈簧緩沖保護(hù)裝置起沖頂和撞底保護(hù)的作用。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電梯的PLC控制系統(tǒng)主要由信號(hào)控制系統(tǒng)和拖動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分組成，其基本組成結(jié)構(gòu)［4-5］如圖1 所示。

圖1 電梯的PLC控制系統(tǒng)示意圖

主要硬件包括PLC、變頻器、控制箱、操縱盒、信號(hào)顯示、安全保護(hù)系統(tǒng)、電源與拖動(dòng)系統(tǒng)等。PLC為控制系統(tǒng)的核心，來(lái)自控制箱、操縱盒、信號(hào)裝置和安全保護(hù)系統(tǒng)等的外部信號(hào)通過(guò)輸入接口送入PLC內(nèi)部，PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理，再經(jīng)過(guò)輸出單元分別向變頻器發(fā)出上行、下行、變速和停止等信號(hào)，向樓層顯示和占用信號(hào)燈發(fā)出顯示信號(hào)，故障時(shí)向報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)的控制。

2.2 變頻調(diào)速

變頻器通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，使三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能大大改善，且能節(jié)約一定的能源。本文選用安川電機(jī)公司生產(chǎn)的VS-616G5型變頻器［6］，其頻率控制范圍為0.1～400 Hz，調(diào)速范圍廣，具有功能全、體積小、保護(hù)功能完善、維修性能好等優(yōu)點(diǎn)［7］。由于載貨電梯一般只用來(lái)載運(yùn)貨物，其加減速過(guò)程中的舒適性無(wú)需考慮，因此在確保安全的前提下，選用高速的船用電動(dòng)機(jī)，盡量讓電梯高速運(yùn)行，以提高運(yùn)行效率，其運(yùn)行速度根據(jù)距離的遠(yuǎn)近自適應(yīng)調(diào)整，距離近時(shí)以低速運(yùn)行，距離遠(yuǎn)時(shí)，以較高速度運(yùn)行。

2.3 旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測(cè)量裝置，安裝在被測(cè)軸上并隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)量(主要為轉(zhuǎn)角)，并將它們轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出。把旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸與曳引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸直接相連，就可以檢測(cè)出電梯的轎廂運(yùn)行速度及所處的位置，相對(duì)于傳統(tǒng)的靠傳感器和繼電器來(lái)測(cè)量轎廂的速度和位置，大大簡(jiǎn)化了線路，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，也便于檢修［8-9］。

2.4 樓層顯示

用7段LED顯示器顯示，為了節(jié)省PLC的輸出端，用4點(diǎn)輸出BCD碼，經(jīng)CD4511芯片譯碼后送7段數(shù)碼顯示，CD4511的A～D數(shù)據(jù)輸入端接PLC的4個(gè)輸出端，其輸出端接7段LED顯示器的7個(gè)輸入引腳。

2.5 PLC 的選型

經(jīng)過(guò)計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)共有23個(gè)輸入信號(hào)和30個(gè)輸出信號(hào)，選用控制功能強(qiáng)、可靠性高的西門(mén)子S7-200 CPU226基本單元(24入，16出)，外加EM223擴(kuò)展模塊(16入，16出)，能夠滿足本系統(tǒng)的要求，并留有余量。系統(tǒng)所需總內(nèi)存字?jǐn)?shù)=開(kāi)關(guān)量I/O總點(diǎn)數(shù)×(10～15)+模擬量I/O總點(diǎn)數(shù) ×(150～250)［7］，再按約 30% 預(yù)留余量，估算本系統(tǒng)需要約1 K字節(jié)的內(nèi)存容量，選用的PLC也能滿足要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

S7-200的編程控制采用STEP7，其功能強(qiáng)大、使用方便、簡(jiǎn)單易學(xué)，設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖2所示。

圖2 電梯的PLC控制流程圖

3.1 呼叫信號(hào)控制

考慮載貨電梯的工作實(shí)際，電梯在工作時(shí)，只應(yīng)答最先下達(dá)的呼叫指令，后續(xù)呼叫均無(wú)效，直至電梯空閑時(shí)(占用指示燈滅)，才可繼續(xù)呼叫。

3.2 選向控制

電梯的選向利用比較指令判斷來(lái)完成，把獲得的呼叫指令與電梯當(dāng)前位置進(jìn)行比較，若甲板層號(hào)大于當(dāng)前層，則上行，小于則下行，等于則不動(dòng)。

3.3 速度控制

電梯的速度控制包括電梯的起動(dòng)、加速、全速、減速運(yùn)行，直至停止。電梯起動(dòng)時(shí)，PLC向變頻器下達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)起動(dòng)指令，并根據(jù)距離確定全速運(yùn)行的速度，電源頻率從0逐漸升高，直至穩(wěn)定運(yùn)行，接近目標(biāo)樓層后開(kāi)始減速，到達(dá)平層位置時(shí)，頻率降低至0，電動(dòng)機(jī)停止并制動(dòng)。

3.4 報(bào)警信號(hào)控制

當(dāng)電梯超載時(shí)，會(huì)向操縱盒和控制箱發(fā)出過(guò)載聲光信號(hào)，待過(guò)載消除后，報(bào)警自行消失;當(dāng)電梯發(fā)生故障時(shí)，會(huì)向操縱盒和控制箱發(fā)出聲光信號(hào)，操縱盒里的故障指示燈會(huì)亮，在控制箱里會(huì)有具體的故障部位燈光指示，按下復(fù)位按鈕后，報(bào)警會(huì)解除;如果層門(mén)和轎廂門(mén)沒(méi)有關(guān)閉到位，會(huì)有語(yǔ)音提醒，關(guān)閉到位后，提醒自行取消。

4 結(jié)語(yǔ)

船用載貨電梯采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，能改善載貨電梯的運(yùn)行性能、提高效率、節(jié)約能源，PLC可適應(yīng)船舶惡劣的工作環(huán)境、可靠性高、維護(hù)方便，把變頻器和PLC結(jié)合起來(lái)進(jìn)行船用載貨電梯的控制，可提高船用載貨電梯的綜合性能。

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