PLC與變頻器在四層電梯教學(xué)模型中的應(yīng)用

吳卓峰

（廣東省韶關(guān)市技師學(xué)院 廣東 韶關(guān) 512028）

由于變頻器調(diào)速具備優(yōu)異的調(diào)速性能和節(jié)能潛力，目前國內(nèi)外均已研制生產(chǎn)出電梯專用變頻器。電梯拖動調(diào)速方式以調(diào)頻調(diào)速為主流，PLC與變頻器在電梯控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。在控制系統(tǒng)中，PLC主要完成邏輯控制，變頻器主要完成拖動調(diào)速控制。近年來，我校開設(shè)了電梯安裝維修專業(yè)。因教學(xué)需要，現(xiàn)自行設(shè)計、安裝了一臺采用PLC與變頻器實現(xiàn)控制的四層電梯教學(xué)模型。設(shè)計既要考慮實際電梯的操作功能，又要考慮電梯教學(xué)演示的需要。

電梯控制要求

電梯的電氣控制系統(tǒng)分為拖動調(diào)速部分和邏輯控制部分。拖動調(diào)速部分用變頻器控制電梯升降電機(jī)來實現(xiàn)；邏輯控制部分用PLC實現(xiàn)，可充分發(fā)揮系統(tǒng)接線簡單、可靠性高、維護(hù)方便的特點(diǎn)；主拖動采用三相交流異步電動機(jī)進(jìn)行拖動，集選控制，有/無司機(jī)方式；門機(jī)驅(qū)動采用直流門電動機(jī)。

電梯控制過程

有司機(jī)操縱 司機(jī)接通基站總電源鑰匙開關(guān)，打開電梯門進(jìn)入轎廂，將有/無司機(jī)操縱轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至有司機(jī)位置，通過開關(guān)門按鈕控制關(guān)門。當(dāng)PLC接收到乘客發(fā)出的請求信號及安全保護(hù)信號后，PLC將對內(nèi)存進(jìn)行順序掃描，選擇相應(yīng)的控制程序，通過輸出端發(fā)出信號，控制繼電器動作，使電梯正常啟動、加速運(yùn)行。當(dāng)電梯運(yùn)行接近?？康膶訕菚r，PLC接收到感應(yīng)器發(fā)出的減速信號后，自動斷開運(yùn)行，通過變頻器開始減速，控制電梯進(jìn)入換速、平層、停車。待電梯?？繉诱竞螅緳C(jī)通過按鈕控制打開電梯門，以完成接送客的任務(wù)。

無司機(jī)操縱 在無司機(jī)操縱的情況下，電梯的開關(guān)門、啟動、加速、換速、平層及停車均通過PLC自動控制。電梯開門時間可根據(jù)需要設(shè)置。

檢修慢車狀態(tài) 在需要檢修時，可通過檢修慢車開關(guān)來控制。當(dāng)接通檢修慢車開關(guān)時，PLC檢修控制程序起作用，司機(jī)只能通過按鈕操縱電梯慢速運(yùn)行。（1）停電保持。電梯在正常運(yùn)行過程中，若突然停電，PLC將保存停電的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在電源重新接通時，將自動恢復(fù)停電時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，控制電梯運(yùn)行。（2）應(yīng)急處理。電梯在運(yùn)行過程中，PLC不斷對各輸入信號進(jìn)行識別，對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常信號（如安全保護(hù)裝置動作等）將采取相應(yīng)的安全措施，以防止事故發(fā)生。

消防開關(guān) 當(dāng)按下安裝在基站的消防按鈕（帶自鎖）時，則實現(xiàn)下列功能：消除門廳、轎內(nèi)呼叫等所有呼叫信號；將門關(guān)閉，斷開開門回路；電梯如果正處于上行中，則立即在最近層?？?，不開門，然后返回基站，如果電梯處于下行中，直接駛向基站；開門中的電梯，立即關(guān)門，返回基站。

電梯拖動調(diào)速和邏輯控制系統(tǒng)的選用

由于是教學(xué)模型，所以變頻器和拖動電動機(jī)沒有采用電梯專用的設(shè)備，只用了現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備。PLC系統(tǒng)采用三菱FX1N系列PLC，根據(jù)四層四站電梯的控制要求，選用FX1N-60MR，30點(diǎn)輸入，30點(diǎn)輸出，滿足系統(tǒng)I/O點(diǎn)要求。變頻器選用三菱的FR-A540-1.5K-CH型變頻器，額定電壓380V，額定功率1.5KW，三相交流供電，額定輸出電流4A。拖動電動機(jī)采用YS6324型電動機(jī)，其功率為180W，額定電壓380V，Y形接法，轉(zhuǎn)速1400r/min。與電動機(jī)配套的減速器變比為1／50。

圖1 PLC安裝接線圖

圖2 變頻器外部接線圖

控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的作用及其梯形圖實現(xiàn)

根據(jù)電梯工作的不同工作過程，劃分出若干個功能電路，構(gòu)成控制程序。PLC、變頻控制系統(tǒng)安裝接線圖如圖1和圖2所示。由于整體程序結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，下面僅對幾個重要部分的設(shè)計方法進(jìn)行說明。

層樓繼電器電路的實現(xiàn) 層樓信號可以指示電梯所在的位置（指層），為下一步的選向、選層及指令和召喚的消除提供可靠信息。每一層對應(yīng)一個層樓繼電器，電梯在哪一層，對應(yīng)樓層的層樓繼電器就會動作。本文主要采用數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)計算、數(shù)據(jù)比較處理等功能指令來實現(xiàn)層樓電路控制。啟用數(shù)據(jù)寄存器D0，電梯在最下層端站時可將1送入D0，在最上層端站時可將最高層數(shù)4送入D0；電梯每上升一層，接近開關(guān)X0閉合一次，D0將自動加一，電樓每下降一層，接近開關(guān)X0閉合一次，D0將自動減一，這樣使D0中存放的始終是層數(shù)。然后，將D0分別與1、2、3、4相比較，等于幾就說明電梯在幾層，這時驅(qū)動對應(yīng)的層樓繼電器，實現(xiàn)層樓繼電器電路。樓層的顯示由Y1、Y2、Y3以二進(jìn)制的形式將數(shù)據(jù)輸出到BCD譯碼器上，從而顯示出電梯在幾層。如圖3所示。

圖3 四層四站層樓繼電器梯形圖

指令回路 操縱盤上裝有與層數(shù)數(shù)字相符的按鈕是指令按鈕，按鈕內(nèi)裝有指示燈。乘客進(jìn)入電梯按下指令按鈕，該指令被登記，相應(yīng)的指示燈亮；當(dāng)電梯到達(dá)預(yù)選的層樓時，相應(yīng)的指令被消除，指示燈熄滅。指令的這些登記與消除功能由指令電路完成，指令回路梯形圖如下頁圖4所示。

圖4 指令回路梯形圖

召喚回路 召喚是梯外乘用人員向電梯發(fā)出的呼喚信號。在下端站安裝一個上行召喚按鈕，上端站安裝一個下行召喚按鈕，中間站安裝上行召喚和下行召喚兩個按鈕，各按鈕內(nèi)均裝有指示燈。當(dāng)按向上或向下按鈕時，控制系統(tǒng)就會記憶該信號，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)電梯到達(dá)目的層樓時，指示燈熄滅。一般情況下，電梯采用順向截車、逆向呼叫記憶的選層方式，即先響應(yīng)與運(yùn)行方向相同的召喚，保留與運(yùn)行方向相反的召喚。待反向運(yùn)行時，電梯到達(dá)目的層樓才平層消號。另外，若電梯在直駛運(yùn)行時不響應(yīng)召喚，則應(yīng)保留此召喚?？梢?，召喚回路與電梯的運(yùn)行方向及是否直駛關(guān)系密切。為此，在召喚回路中加入了反映直駛和方向監(jiān)視的繼電器M1和M2。如圖5所示。

圖5 召喚回路梯形圖

選向回路 電梯方向的選擇，實際就是將指令和召喚的位置與電梯實際位置相比較。若前者在上（位置的上、下），電梯則選擇向上；否則，則選擇向下。首先由層樓繼電器形成選向鏈，然后將每層的指令和召喚對應(yīng)接入。一般情況下，指令選向優(yōu)先，所以只有電梯門關(guān)閉后召喚才參與選向。決定電梯的運(yùn)行方向有以下三種情況：（1）自然選向。在自然選向狀態(tài)，電梯可自動判斷，選擇方向。（2）強(qiáng)迫選向。若電梯工作在有司機(jī)方式，可通過操縱箱上的向上或向下按鈕，來干預(yù)電梯的運(yùn)行方向，即強(qiáng)迫使其向上或向下運(yùn)行。（3）檢修選向。若電梯工作在檢修狀態(tài)，同樣可使用向上或向下按鈕，使電梯以檢修的速度向上或向下運(yùn)行。電梯的選向回路梯形圖如圖6所示。

圖6 電梯選向回路梯形圖

電梯運(yùn)行線路 運(yùn)行線路是電梯控制系統(tǒng)的核心部分。電梯是由曳引電動機(jī)拖動，電動機(jī)工作受運(yùn)行線路的控制，以形成如下頁圖7所示的速度曲線。由PLC控制變頻器決定電梯何時啟動加速，何時運(yùn)行，何時減速，何時平層停車。PLC完成定向后向變頻器發(fā)出方向的速度信號，以在變頻器中自行設(shè)定的加速度值啟動電機(jī)，達(dá)到最大速度后勻速運(yùn)行。當(dāng)電梯響應(yīng)呼叫到達(dá)目的層的減速點(diǎn)時，PLC切斷高速度信號輸出，此時，變頻器以自行設(shè)定的減速度值將最大速度減至爬行速度。當(dāng)變頻器的頻率下降到所設(shè)定值時，機(jī)械制動器馬上動作，對電動機(jī)實施電磁抱閘，電梯平層停車。電梯的主要性能指標(biāo)（額定速度、舒適感、平層精度等）由運(yùn)行線路決定。（1）啟動。電梯的啟動，方向是首要條件，門鎖（廳門轎門是否關(guān)好）等安全因素也是必要的。（2）減速。當(dāng)電梯選中某層，意味著將在車達(dá)到換速點(diǎn)就應(yīng)減速，為平層停車做準(zhǔn)備。（3）平層停車。當(dāng)減速運(yùn)行到平層點(diǎn)時，說明轎門門檻與廳門門檻基本平齊，可以停車，并實施電磁抱閘。一般平層感應(yīng)器置于轎廂頂上。如下頁圖8所示，當(dāng)上、下平層感應(yīng)器全部動作后，表示到平層點(diǎn)。運(yùn)行線路控制的梯形圖如圖9所示。

圖7 電梯運(yùn)行速度曲線圖

圖8 平層感應(yīng)器位置圖

圖9 運(yùn)行線路控制的梯形圖

電梯門的控制 門電路是電梯控制系統(tǒng)中較為獨(dú)立的單元。它的作用是實現(xiàn)電梯門的開或關(guān)。電梯的門有兩種：（1）轎門，即轎廂的門。門電路通常指轎廂的門控制線路。轎門由專門的門電動機(jī)拖動，實現(xiàn)開或關(guān)。（2）廳門，即各層門廳的門。廳門只能由轎門帶動實現(xiàn)開或關(guān)。一般情況下，當(dāng)轎廂到達(dá)某層停車后，轎廂門上的門刀會自動插入廳門的門鎖中，使門鎖打開，此時廳門在轎門的帶動下實現(xiàn)開或關(guān)。電梯若沒到該層，其廳處于鎖閉狀態(tài)，不能打開，這是安全保障的要求。門電路和控制系統(tǒng)的聯(lián)系就在于這一點(diǎn)，由各廳門和轎門的門鎖電氣限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)串聯(lián)后，作為門鎖信號（X13）。X13為ON，表示全部門安全關(guān)閉，可正常運(yùn)行，否則不能運(yùn)行。開或關(guān)門由門電動機(jī)驅(qū)動，通過開、關(guān)繼電器控制M的正、反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。（1）開門情況。上班開門、按鈕開門、觸板開門和門區(qū)提前開門。（2）關(guān)門情況。下班關(guān)門、按鈕關(guān)門、停站自動延時關(guān)門和強(qiáng)迫向上（向下）啟動關(guān)門。門電路的控制梯形圖如圖10所示。

圖10 門電路的控制梯形圖

PLC與變頻器控制的四層電梯教學(xué)模型，能較好地滿足教學(xué)演示的要求，充分體現(xiàn)了PLC與變頻器的優(yōu)越性。電梯教學(xué)模型的研制，對今后改善專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和PLC技術(shù)、變頻技術(shù)應(yīng)用的開展能起到一定的促進(jìn)作用。

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