淺談人貨兩用施工升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘要：文章從升降機(jī)設(shè)備的控制要求及控制方案的確定入手，介紹了以PLC和變頻器為控制核心，實(shí)現(xiàn)施工升降機(jī)安全動(dòng)作的電氣控制柜的設(shè)計(jì)。根據(jù)升降機(jī)的控制要求，談了電氣原理圖的設(shè)計(jì)，并對(duì)升降機(jī)關(guān)鍵部分動(dòng)作流程進(jìn)行了分析，最后點(diǎn)出其設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是由調(diào)壓調(diào)頻裝置和可編程序控制器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工升降機(jī)的啟動(dòng)、加減速、制動(dòng)過程的無級(jí)調(diào)速。

關(guān)鍵詞：升降機(jī)；電氣原理圖；PLC

1.升降機(jī)設(shè)備的控制要求及控制方案的確定

1.1 控制要求

（1）控制元器件：用變頻器控制，保證電機(jī)的啟動(dòng)和停止都能像電梯一樣平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)。通過多檔開關(guān)的切換，可分別進(jìn)行勻速運(yùn)行和加速運(yùn)行，同時(shí)可以在任意位置精確停止。

（2）安全保護(hù)裝置：升降機(jī)要有齊全的安全保護(hù)裝置，主機(jī)上要有雙向勻速式安全器，每只吊籃上設(shè)有限限速和防墜雙重功能的安全裝置。同時(shí)，要求有上、下限位，門機(jī)電聯(lián)鎖以及超重限制器等全方位的保護(hù)。

（3）控制要求：一個(gè)控制柜里面要有兩套控制設(shè)備，即要能實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制兩臺(tái)升降機(jī)的功能。

1.2 電氣控制方案的確定

對(duì)于升降機(jī)的控制方式，因?yàn)楸緳C(jī)要求實(shí)現(xiàn)的功能是能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)機(jī)器的操控，若由傳統(tǒng)繼電——接觸器控制，將會(huì)顯得比較復(fù)雜，接線工作量大。同時(shí)，由于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，不但增加了控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作率和故障率，而且大大增加了柜子的體積。另外一方面，不同的客戶可能會(huì)有不同要求，傳統(tǒng)的控制方案工作程序固定將不能靈活的滿足客戶的要求。

基于上述原因，控制柜以PLC為核心對(duì)升降機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)設(shè)備的控制，極大縮小了柜子的體積，而且控制靈活。

2.電氣原理圖的設(shè)計(jì)

2.1主回路電路圖的設(shè)計(jì)

由上述控制要求得知，要實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的功能，至少需要三種電源：（1）變頻器與制動(dòng)器的工作電源 （ 380V ）；（2）PLC的工作電源 （220V）；（3）低壓控制部分繼電——接觸器的動(dòng)作電源（36V）。

因此需要一個(gè)變壓器對(duì)三相電源進(jìn)行分配?？刂乒襁€需裝有照明燈、風(fēng)扇、三頭插座等附件以方便用戶的使用，風(fēng)扇起柜內(nèi)的散熱作用。

從安全保護(hù)角度來看 ，為了防止電源斷相引起的安全問題，在電機(jī)主回路上還需要接一個(gè)斷相保護(hù)器。

照明燈、風(fēng)扇、插座屬于220V電源，分別由QF3、QF4、QF5來控制接通與斷開，其中風(fēng)扇的接通與否取決于主回路是否吸合。在設(shè)計(jì)上采用一對(duì)KM1與KM2的常開觸點(diǎn)并聯(lián)，同時(shí)與QF4串聯(lián)。因?yàn)榭刂乒褚笸瑫r(shí)控制兩臺(tái)設(shè)備，所以從變壓器上分出兩路36V電源為兩套控制回路供電。380V電源則向變頻器供電。

2.2控制原理圖的設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC的I/O分配表

PLC輸入輸出，見表1。

2.2.2 PLC的控制程序

2.2.3 PLC外圍硬件接線

本設(shè)計(jì)的控制要求是由一臺(tái)PLC控制兩臺(tái)升降設(shè)備的動(dòng)作，因此在接線部分有兩路的輸入和輸出，根據(jù)上面輸入輸出的分配，X00、X01、X02、X03分別是主回路的吸合、上升、下降與加速。他們的動(dòng)作是通過現(xiàn)場(chǎng)操縱臺(tái)上一個(gè)多檔開關(guān)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。一般情況下，在升降機(jī)剛啟動(dòng)的時(shí)候，選擇低速擋上升或下降。當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)，可將開關(guān)打到加速檔，PLC的輸出信號(hào)（Y00、Y10、Y11、Y13分別是對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)）傳遞到變頻器內(nèi)，控制變頻器的輸出頻率，使設(shè)備加速上升或下降。X04至X13是保護(hù)裝置的接入，通過他們的動(dòng)作，給PLC一個(gè)保護(hù)動(dòng)作的輸入信號(hào)。各類保護(hù)裝置一般以常閉觸點(diǎn)的形式接入PLC，如附圖1。其中X07是變頻器給出的信號(hào)，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)數(shù)字輸出DO1給出一個(gè)24V的輸入信號(hào)給PLC，經(jīng)過PLC內(nèi)部程序的轉(zhuǎn)換由Y06輸出故障指示，故障指示燈亮。此時(shí)，可通過按故障復(fù)位按鈕，X23將得到的輸入信號(hào)通過PLC的輸出端Y12送給變頻器，變頻器故障復(fù)位，停止工作，電機(jī)抱閘。

2.3 電機(jī)控制回路的設(shè)計(jì)

（1）低壓部分主控回路接線說明。低壓部分主控回路的主要內(nèi)容包括電鈴、主回路的控制和變頻器的制動(dòng)控制。該部分使用的是36V電源。電鈴和電鈴的開關(guān)都需要在升降機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。其作用是提醒到達(dá)或啟動(dòng)，由人工控制。KM1接觸器是控制變頻器的啟停，該部分由PLC來控制。KM2控制的是制動(dòng)電機(jī)的通斷，TA/TC為一對(duì)常開觸點(diǎn)。在變頻器正常運(yùn)行狀態(tài)下，即電機(jī)在正常運(yùn)行過程中，觸點(diǎn)接通，電磁抱閘得電，抱閘松開。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率下限時(shí)，該副觸點(diǎn)自動(dòng)斷開（從得到斷開信號(hào)到觸點(diǎn)斷開可通過內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)將在下面進(jìn)一步探討）抱閘夾緊。上面提到的故障復(fù)位后，變頻器停機(jī)，抱閘斷電夾緊。即當(dāng)變頻器發(fā)生故障后，按變頻器的故障復(fù)位按鈕，就可以讓電機(jī)瞬間抱閘，防止意外發(fā)生。

與TA/TC觸點(diǎn)并聯(lián)的開關(guān)SB2有兩個(gè)作用。第一是當(dāng)?shù)趸@在高空時(shí)變頻器發(fā)生故障后抱閘，吊籃里的人或貨物就可以通過該按鈕來處理應(yīng)急時(shí)的安全降落。第二個(gè)作用是，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試的過程中，如果當(dāng)變頻器接入后，因?yàn)樗哂兴俣瓤刂乒δ?，永遠(yuǎn)也不會(huì)超速。這樣就無法檢測(cè)出限速保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性。所以，在變頻器接入前按下該按鈕，抱閘松開讓電機(jī)自由運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣就可以檢測(cè)限速裝置的安全性。

（2）變頻器的硬件接線說明。變頻器的輸入端子分?jǐn)?shù)字輸入端子和模擬量輸入端子。輸出端子有1個(gè)多功能數(shù)字輸出端子，1個(gè)多功能繼電器輸出端子（即TA/TC）。如需增加輸入輸出端子，可分別選配輸入輸出擴(kuò)展卡。本設(shè)計(jì)用到的變頻器接線需要四個(gè)數(shù)字量輸入端子和1個(gè)數(shù)字輸出、1個(gè)繼電器輸出。DI0、DI1、DI2、DI3四個(gè)輸入端子分別用作上升、下降、故障復(fù)位和加速。其輸入的信號(hào)由上文提到的PLC輸出信號(hào)來給出。變頻器的輸出中TA/TC用于制動(dòng)輸出，DO1用作故障輸出。

3.升降機(jī)關(guān)鍵部分動(dòng)作流程的分析

本設(shè)計(jì)是以PLC為控制核心，通過對(duì)變頻器的控制完成升降機(jī)的動(dòng)作流程。對(duì)于升降機(jī)而言，其動(dòng)作較為簡(jiǎn)單，但是對(duì)運(yùn)行的可靠性和安全性有很高的要求。因此，各種保護(hù)裝置的動(dòng)作執(zhí)行，都由PLC的程序來完成。另外，變頻器控制升降起停時(shí)，控制系統(tǒng)中需要引起注意的是防止溜鉤的控制。在電磁制動(dòng)器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。電磁制動(dòng)器在通電到斷電（或從斷電到通電）之間是需要時(shí)間的，大約0.6秒（視型號(hào)和大小而定，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中可以通過是否出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象來判斷電磁抱閘的動(dòng)作時(shí)間大?。?。因此，變頻器如過早地停止輸出，容易出現(xiàn)溜鉤。另一方面，變頻器必須避免在電磁制動(dòng)器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生“過流”而跳閘的誤動(dòng)作。

基于上述分析，控制方法是當(dāng)重物在高空停止時(shí)，設(shè)定一個(gè)起始停止頻率。當(dāng)變頻器工作頻率下降至該起始頻率時(shí)，變頻器將輸出一個(gè)頻率到達(dá)信號(hào)給制動(dòng)電磁鐵，使其斷電抱閘。同時(shí)設(shè)定一個(gè)下限頻率保持時(shí)間t1。t1要求略大于制動(dòng)電磁鐵從開始釋放到完全抱閘的時(shí)間，最后變頻器頻率下降到零。

同理，給重物升降過程中設(shè)定一個(gè)升降起始頻率。當(dāng)變頻器的工作頻率上升到該頻率時(shí)，將暫停上升。為了確保當(dāng)制動(dòng)器松開后，變頻器已經(jīng)能夠控制住重物升降而不會(huì)溜鉤，所以，在變頻器達(dá)到起始頻率的同時(shí)，變頻器將開始檢測(cè)電流，并設(shè)定檢測(cè)電流所需要的時(shí)間。當(dāng)變頻器已經(jīng)有足夠大的輸出電流時(shí)，將發(fā)出一個(gè)“松開指令”，使電磁制動(dòng)器開始通電。設(shè)定一個(gè)起始頻率的維持時(shí)間t2，t2的長(zhǎng)短應(yīng)大于電磁制動(dòng)器從通電到松開所需要的時(shí)間，變頻器工作頻率上升到所需頻率。

本控制系統(tǒng)有直接運(yùn)行和加速運(yùn)行兩種運(yùn)行方式。當(dāng)主回路吸合后，操縱臺(tái)將指令控制器切換到上升，按下上升點(diǎn)動(dòng)按鈕，PLC的輸出端給變頻器一個(gè)正轉(zhuǎn)指令，吊籃上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定高度后，松開按鈕，變頻器工作頻率迅速下降，但仍然具有較大的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定頻率時(shí)，電磁制動(dòng)器斷電抱閘，可以實(shí)現(xiàn)吊籃平穩(wěn)停止。下降則通過按下降按鈕完成。

4.結(jié)論

施工升降機(jī)是建筑施工中必不可少的人、貨垂直運(yùn)輸機(jī)械。自1973年第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)齒輪齒條式施工升降機(jī)生產(chǎn)以來，歷經(jīng)40多年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)升降機(jī)在結(jié)構(gòu)形式、功能用途、性能質(zhì)量、安全裝置等多方面都有了很大的變化和發(fā)展。對(duì)于施工升降機(jī)而言，控制系統(tǒng)是施工升降機(jī)的關(guān)鍵部分，決定著整機(jī)性能的優(yōu)劣。普通升降機(jī)的控制方式都是通過接觸器控制來實(shí)現(xiàn)，速度單一、啟制動(dòng)沖擊大，對(duì)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)損壞較嚴(yán)重，電氣元件也易損壞，且運(yùn)行速度比較低，一般為34 m/min～38m/min，既影響施工速度也影響了施工企業(yè)的效益。若單純地提高速度，則將造成加速度過大，結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)所受沖擊過大而加快齒輪齒條及制動(dòng)盤的磨損，從而降低運(yùn)行的可靠性。

本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)由調(diào)壓調(diào)頻裝置（VVVF）和可編程序控制器（PLC）組成，實(shí)現(xiàn)了施工升降機(jī)的啟動(dòng)、加減速、制動(dòng)過程的無級(jí)調(diào)速，減小了啟制動(dòng)時(shí)齒輪齒條的沖擊，提高了施工升降機(jī)運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性和舒適感，延長(zhǎng)了施工升降機(jī)的使用壽命，并實(shí)現(xiàn)了0 m/min～60 m/min的無級(jí)調(diào)速，極大地提高了工作效率。在使用過程中，可根據(jù)工作情況設(shè)置各擋運(yùn)行速度，以滿足高層建筑施工中不同運(yùn)行速度的需要。采用計(jì)算機(jī)可編程序控制器控制，提高了控制系統(tǒng)智能化程度及可靠性和準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)備，與故障率較高的繼電器系統(tǒng)相比具有極高的優(yōu)越性。采用可編程序控制器的軟件編程技術(shù)，使操作簡(jiǎn)化，防止誤操作，增加了安全保護(hù)功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李守林.高速施工升降機(jī)拖動(dòng)與控制技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2006（6）：21-23.

[2]汪定宇.SC100施工升降機(jī)[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，1992（3）：34-35.

[3]GB/T9462-1999 塔式起重機(jī)技術(shù)條件[S].

[4]殷建國(guó).工廠電氣控制技術(shù)[M].北京：經(jīng)濟(jì)管理出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：

施邦元（1978-），男，福建省安溪縣人，現(xiàn)安溪縣西坪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心工作，工程師，學(xué)歷本科，研究方向：機(jī)械。