液壓電梯控制系統(tǒng)

馬牧樂(lè)　陳鵬程

摘要：液壓電梯是一種安全環(huán)保，噪聲小同時(shí)故障率低，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用較為廣泛的產(chǎn)品。針對(duì)液壓電梯的控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)RS485通訊的方法來(lái)取代傳統(tǒng)的低壓電器組合控制和昂貴的PLC控制，并在電梯的運(yùn)行中增加一些保證電梯安全運(yùn)行的裝置和功能。

關(guān)鍵詞：液壓電梯;控制系統(tǒng);安全運(yùn)行;柱塞運(yùn)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU857

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.15913/j.cnki.kj ycx.2019.10.031

1 電梯運(yùn)行原理

1.1 電梯的整體構(gòu)成

液壓電梯（ hydrauliclift）是依靠液壓驅(qū)動(dòng)的電梯。液壓電梯是通過(guò)液壓動(dòng)力源，把油壓人油缸使柱塞作直線運(yùn)動(dòng)，直接或通過(guò)鋼絲繩間接地使轎廂運(yùn)動(dòng)的電梯。液壓電梯是機(jī)、電、電子、液壓一體化的產(chǎn)品，由泵站系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、轎廂、門(mén)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)這幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立但又相互聯(lián)系配合的系統(tǒng)組成。電梯上行時(shí)，由液壓泵站提供電梯上行所需的動(dòng)力壓差，由液壓泵站上的閥組控制液壓油的流量，液壓油推動(dòng)液壓油缸中柱塞來(lái)廂，從而實(shí)現(xiàn)電梯的上行運(yùn)動(dòng)。

電梯下行時(shí)，打開(kāi)閥組，利用轎廂自重（客（貨）的重量）造成的壓差，使液壓油回流液壓油箱中，實(shí)現(xiàn)電梯的下行運(yùn)動(dòng)（由閥組控制速度）。

液壓電梯的壓力傳遞是靠液體壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作壓力由負(fù)載的大小，即油缸柱塞受的力決定。運(yùn)動(dòng)速度的傳遞按液體溶劑變化相等的原則進(jìn)行，因此只要改變向油缸輸出的流量，就可相應(yīng)改變柱塞運(yùn)動(dòng)的速度。

1.2 液壓電梯的速度控制及液壓閥

液壓電梯控制系統(tǒng)中，改變油泵向油缸輸出的油量就可以改變電梯的運(yùn)行速度。這種閥與所設(shè)計(jì)的液壓電梯控制組件連接在一起，可以控制電梯從啟動(dòng)到停止的全部速度變化，所以，液壓電梯的速度控制實(shí)際上是液壓系統(tǒng)的流量控制。以GMV泵站為例，泵站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制類(lèi)型的比較

用常用的低壓電器組合對(duì)液壓電梯進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要會(huì)運(yùn)用開(kāi)關(guān)器件，包括按鍵開(kāi)關(guān)、接觸開(kāi)關(guān)、繼電器，在電梯的運(yùn)行過(guò)程中包含了各種線路上的自鎖和互鎖設(shè)計(jì)，而且這其中會(huì)包含很多中間繼電器，繼電器的開(kāi)合是硬性的，不僅會(huì)造成電梯響應(yīng)上的延遲（但是這個(gè)過(guò)程可以調(diào)試，但調(diào)試過(guò)程十分漫長(zhǎng)且復(fù)雜），而且繼電器長(zhǎng)時(shí)間使用后本身會(huì)有損耗，后期的維護(hù)和檢修也比較復(fù)雜，如果電梯出現(xiàn)了問(wèn)題，很難找出是哪一個(gè)繼電器出現(xiàn)問(wèn)題，所以這種控制類(lèi)型一般都運(yùn)用在簡(jiǎn)單的傳輸電梯上，比如餐廳菜品在樓上和樓下的運(yùn)送。

PLC電梯控制的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性較好，但PLC一般用于高層的電梯控制上，如果使用在樓層不高的電梯或價(jià)格高昂、后期檢修維護(hù)復(fù)雜的貨梯，都會(huì)造成不便，考慮到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，可選擇單片機(jī)來(lái)對(duì)電梯運(yùn)行進(jìn)行控制。隨著工業(yè)應(yīng)用等的需求不斷增加，對(duì)高速、高可靠性和低成本的通信介質(zhì)的要求也隨之提高。

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。所以，本電梯控制CPU選擇AT8960S2單片機(jī)來(lái)控制，因?yàn)樗膽?yīng)用比較廣泛，并且成本低、操作控制簡(jiǎn)單、功耗較低、運(yùn)行可靠性強(qiáng)。PLC能實(shí)現(xiàn)的功能它同樣可以實(shí)現(xiàn)。

2.2 串行通信原理

由于電梯的每一層都要有一個(gè)控制器來(lái)接收信息，從而使電梯升降，整個(gè)電梯的控制利用多機(jī)通訊系統(tǒng)，但是這種通訊不一定是同時(shí)的，所以，單片機(jī)的通訊方式要采用半雙工通訊方式，而RS485通訊裝置更適合這種通訊方式，真正實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)總線連接，相比于RS232和RS422等可以承載更多負(fù)載，所以選擇RS485作為電梯控制的接口。整個(gè)通訊過(guò)程分三個(gè)主要階段：發(fā)送機(jī)處理輸入數(shù)據(jù)、通信和主接收機(jī)對(duì)樓層上的開(kāi)關(guān)器件使能。在第一階段，發(fā)送機(jī)判斷輸入的鍵值，將其打包處理;第二階段，即通信階段，把打包處理好的數(shù)值發(fā)送給寄存器，再?gòu)募拇嫫靼l(fā)送給接收機(jī);第三階段，即接收機(jī)使能階段，把打包好的數(shù)據(jù)處理后還原原來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)線路控制對(duì)應(yīng)樓層上的開(kāi)關(guān)器件。此時(shí)，接收機(jī)清除接收緩沖區(qū)及相關(guān)變量，準(zhǔn)備與主機(jī)下次通信。任何一次完整的通信過(guò)程都是由發(fā)送機(jī)方發(fā)起的，接收機(jī)上的單片機(jī)在無(wú)鍵值輸入的情況下都處在接收狀態(tài)。

2.3 電梯控制的通訊過(guò)程

主機(jī)控制PCB電路板如圖2所示。

2.3.1 主要硬件電路的設(shè)計(jì)

電梯硬件包括CPU、電路板、斷路器、電磁繼電器、開(kāi)關(guān)電源（交流220V轉(zhuǎn)直流24V）、磁控開(kāi)關(guān)等。通訊裝置由轎廂接呼盒和控制主機(jī)來(lái)完成，每一個(gè)接呼盒在通訊系統(tǒng)中扮演著從機(jī)的角色，控制主機(jī)來(lái)判斷接呼盒發(fā)送的樓層數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的鍵值，比如3樓為“0000 0100”，主機(jī)尋址成功之后，相對(duì)應(yīng)樓層的磁控開(kāi)關(guān)電平至“0”，通過(guò)與前一個(gè)輸入樓層數(shù)據(jù)的比較，主機(jī)控制電磁繼電器對(duì)液壓閥的出油口開(kāi)關(guān)（直流24V，開(kāi)通使電梯下行）和進(jìn)油口開(kāi)關(guān)（交流220V，控制電梯上行）的通斷，當(dāng)轎廂上升到對(duì)應(yīng)樓層，磁控開(kāi)關(guān)會(huì)感應(yīng)到轎廂上的磁鐵，電平至“1”，液壓閥停止工作，轎廂停止運(yùn)行。

2.3.2 電梯的軟件設(shè)計(jì)

電梯的每一個(gè)樓層的轎廂外呼梯輸入模塊控制單元為從機(jī)，從機(jī)由一個(gè)主機(jī)控制實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊。為了使電梯能夠正確地上下行，在剛啟動(dòng)電梯時(shí)，檢測(cè)電梯是否在一層，如果不在一層，電梯轎廂會(huì)自動(dòng)下行到一層直到磁控開(kāi)關(guān)感應(yīng)到，此段程序?yàn)楦呒?jí)中斷，放在電梯循環(huán)掃描尋址的While循環(huán)外，滿足這個(gè)條件之后，電梯進(jìn)入主循環(huán)進(jìn)行工作。

當(dāng)電梯準(zhǔn)備工作完成進(jìn)入完全工作狀態(tài)時(shí)，主從機(jī)均采用9 600 KB/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，各從機(jī)開(kāi)始時(shí)處于接收地址狀態(tài)，按鍵是主機(jī)系統(tǒng)的一部分，按下樓層的按鍵，主機(jī)得知目前的目標(biāo)樓層，主機(jī)發(fā)送地址幀呼叫從機(jī)，地址幀既是這個(gè)樓層對(duì)應(yīng)接呼盒上從機(jī)所屬的樓層，從機(jī)將接收到的地址內(nèi)容與本地址比較，相比于地址相符的從機(jī)，使本機(jī)的SM2=0，以便接收主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的控制電磁開(kāi)關(guān)工作的信息，其他地址不相符的從機(jī)保持SM-1的狀態(tài)。

主機(jī)通過(guò)與上一個(gè)樓層的數(shù)據(jù)比較控制液壓油的出或進(jìn)（電梯在啟動(dòng)時(shí)要先運(yùn)行到一層是因?yàn)橛幸粋€(gè)比較的數(shù)據(jù)留在寄存其中比較，從而使電梯運(yùn)行），這個(gè)步驟是在完成尋址從機(jī)，從機(jī)向主機(jī)返回確認(rèn)信息之后，主機(jī)控制液壓閥輸出對(duì)電梯上下行使能。

磁控開(kāi)關(guān)在通訊完成之后由從機(jī)使能至“0”，處于工作狀態(tài)，在電梯到達(dá)相應(yīng)樓層，開(kāi)關(guān)感知轎廂上的磁性裝置之后至高電平，從機(jī)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)為高電平之后向主機(jī)發(fā)送信息，使主機(jī)關(guān)斷輸出，電梯運(yùn)行結(jié)束。

每一個(gè)從機(jī)上都有急停按鈕，用于檢修和應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。急停按鈕對(duì)應(yīng)程序中的最高級(jí)中斷，按鍵按下之后從機(jī)向主機(jī)發(fā)送特定的數(shù)據(jù)信息，設(shè)定為“FFH”，當(dāng)主機(jī)接收之后將程序跳出主循環(huán)，執(zhí)行直接使電梯停止運(yùn)行的程序，排除故障之后，切換按鈕，電梯復(fù)位。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是對(duì)以單片機(jī)為核心的貨運(yùn)液壓電梯控制系統(tǒng)的研究，在研究過(guò)程中筆者從電梯的發(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)的電梯發(fā)展?fàn)顩r中了解到，電梯在人們的生活中扮演者重要的角色，人們對(duì)電梯的需求越來(lái)越大，同樣對(duì)電梯的要求越來(lái)越高。此研究設(shè)備針對(duì)于目前的貨運(yùn)電梯控制系統(tǒng)，了解到目前貨運(yùn)液壓電梯自動(dòng)化程度低、可靠性不高、操作復(fù)雜，致使電梯工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，降低了整體效率，所以提出了這一方案并完成了整體設(shè)計(jì)，從而為社會(huì)服務(wù)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

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