可編程控制器電梯事故及狀態(tài)模擬研究

宋長奇 張翼 高士育

摘 要：電梯作為高層建筑的垂直運輸工具，作用突顯，電梯的安全性尤為重要，但隨著高層建筑數(shù)量的不斷上升，電梯運行故障日益增多。本文以采用可編程控制器的電梯系統(tǒng)為研究對象，從電梯控制方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析電梯事故的各種運行狀態(tài)，探尋事故原因。同時，通過模擬電梯限速器安全事故，調(diào)整實際電梯結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)，提出了創(chuàng)新性的電梯制停機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;電梯機(jī)械系統(tǒng);電梯制動器;電梯故障

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0022-03

Research on Elevator Accident and State Simulation of Programmable Controller

SONG Changqi ZHANG Yi GAO Shiyu

（Department of Computer Science and Electrical Engineering， East University of Heilongjiang，Harbin Heilongjiang 150066）

Abstract： As a vertical transportation tool for high-rise buildings， the role of the elevator is prominent， and the safety of the elevator is particularly important， however， with the rising number of high-rise buildings， elevator operation failures are increasing. Taking the elevator system using a programmable controller as the research object， this paper started from the elevator control method and mechanical structure， analyzed various operating states of the elevator accident， and explored the cause of the accident. At the same time， an innovative design scheme of the elevator stopping and mechanical system was proposed by simulating the safety accident of the elevator speed governor， adjusting the actual elevator structure and operating state.

Keywords： programmable controller;elevator mechanical system;elevator brake;elevator failure

目前，電梯的主要控制形式分為兩種：傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)和現(xiàn)代電梯控制系統(tǒng)。其中，傳統(tǒng)電梯控制形式以繼電器控制系統(tǒng)最為常見，而現(xiàn)代電梯控制形式主要由兩種系統(tǒng)決定，一是基于可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的電梯控制系統(tǒng)，二是微型計算機(jī)電梯控制系統(tǒng)。以基于可編程控制器的電梯系統(tǒng)為研究對象，本文從電梯控制方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析電梯事故的各種運行狀態(tài)，然后明確事故原因，同時模擬電梯限速器安全事故，調(diào)整電梯結(jié)構(gòu)和實際運行狀態(tài)，提出創(chuàng)新性的電梯制停機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方案。

傳統(tǒng)的繼電器電梯控制系統(tǒng)已經(jīng)不能達(dá)到現(xiàn)代電梯的使用標(biāo)準(zhǔn)，其主要存在故障檢查煩瑣、檢測工作量大、繼電器設(shè)備容易損壞、設(shè)備可靠性和安全性比可編程控制器電梯系統(tǒng)低等缺陷。近年來，可編程控制器電梯系統(tǒng)逐漸廣泛應(yīng)用于電梯控制領(lǐng)域，但該系統(tǒng)不是完美的，也存在相應(yīng)問題。因此，有必要從電梯控制系統(tǒng)和使用運行狀態(tài)來分析電梯故障事故。電梯機(jī)械系統(tǒng)由5個子系統(tǒng)組成，即電梯驅(qū)動運行系統(tǒng)、電梯運行轎廂和平衡對重系統(tǒng)、電梯導(dǎo)軌及曳引繩導(dǎo)向裝置系統(tǒng)、電梯開關(guān)門系統(tǒng)、電梯機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能安全防護(hù)裝置。其中，電梯開關(guān)門系統(tǒng)包括層門和廳門開關(guān)狀態(tài)系統(tǒng)（因為電梯允許通行的裝置是轎廂，所以必須配備由層門和廳門組成的電梯安全運行保護(hù)裝置）。

1 可編程控制器系統(tǒng)在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用

可編程控制器系統(tǒng)主要用微處理器作為控制元件，其主要有中央控制單元、存儲器、數(shù)據(jù)的輸入輸出單元、互信端口、I/O擴(kuò)展端口和電源等元器件。其中，中央控制單元一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)[1]。同時，可編程控制器還用一種集成組合式的控制器系統(tǒng)，將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元和通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系，而裝有CPU的單元被稱為CPU模塊，其他單元被稱為擴(kuò)展模塊[2]。

可編程控制器主要有以下特點：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，平均故障間隔時間可達(dá)5年;配套齊全，功能完善，實用性強(qiáng);編程簡單，使用方便;體積小，質(zhì)量輕，能耗較低;系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)建的工作量小，具有自診斷功能，維護(hù)方便，容易改造[3]。

可編程控制器具有良好的控制性能，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)的需要，同時其緊緊結(jié)合信息技術(shù)，不斷完善自身功能。繼電器控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要，雖然其故障檢查簡單方便，但極易損壞，在日常生活中，電梯使用頻率較高，容易出現(xiàn)故障，大大降低了電梯的可靠性和安全性。因而，對傳統(tǒng)的繼電器電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)勢在必行。目前，可編程控制器已逐漸應(yīng)用于電梯系統(tǒng)控制中，功能逐步完善，安全系數(shù)也大大提升。

可編程控制器應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)的優(yōu)勢為：簡化電路設(shè)計，去掉大部分不必要的繼電器，控制系統(tǒng)簡單;電梯控制系統(tǒng)采用可編程控制器自動控制，可靠性大大提高;對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，可以快速地增加或改變相應(yīng)功能;設(shè)有故障報警顯示系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)問題自動檢測，大大提高電梯的安全保護(hù)性能;可編程控制器更改控制方案時無須改動硬件接線[4]。

在可編程控制器控制電路的過程中，當(dāng)主系統(tǒng)動作時，可編程控制器將進(jìn)入循環(huán)模式，這也是進(jìn)行邏輯判別的過程，根據(jù)電梯門系統(tǒng)外部的呼梯按鈕或者其他輸入信號來執(zhí)行電梯的升、降、停等輸出信號?？删幊炭刂破鞑捎玫氖俏㈦娮涌刂萍夹g(shù)，大量開關(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，可靠性高。在電梯控制系統(tǒng)中，可編程控制器能與各項邏輯開關(guān)控制相協(xié)調(diào)，以達(dá)到電梯升降的目的。

2 電梯機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)組成

電梯設(shè)備系統(tǒng)的運行是由機(jī)械系統(tǒng)完成的，機(jī)械系統(tǒng)是電梯系統(tǒng)的重要組成部分，其中主要包括門系統(tǒng)、轎廂系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)等。

2.1 門系統(tǒng)

門系統(tǒng)主要由轎門、層門、開關(guān)門系統(tǒng)及門附屬零部件組成。在電梯運行的過程中，為了保證轎廂及層站人員安全，廳門和轎廂門處于關(guān)閉狀態(tài)。其兩個門系統(tǒng)保持閉合狀態(tài)，同時廳門要配備門鎖裝置，防止層站人員在使用電梯的過程中跌入井道，發(fā)生事故。

2.2 轎廂系統(tǒng)

轎廂系統(tǒng)由兩部分組成，即轎廂架和轎廂體，其主要作用是運送人員和貨物。為了方便維保人員檢修電梯，通常在轎頂會安裝照明設(shè)備。同時，為了在出現(xiàn)事故后便于緊急救援，很多電梯在轎頂會設(shè)置安全窗。設(shè)計人員也會在轎廂安裝稱重設(shè)備，防止電梯實際載重超過額定載荷。一旦出現(xiàn)超載或超重現(xiàn)象，電梯會自動報警，提示使用人員不要繼續(xù)對電梯施加額外載荷。

2.3 曳引系統(tǒng)

曳引系統(tǒng)又叫作電梯升降系統(tǒng)，它是電梯設(shè)備系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，為電梯提供升降的動力，同時保證電梯以不同速度在井道內(nèi)垂直移動，為貨物和人員提供方便、迅速、可靠的樓層運輸。其中，曳引機(jī)、導(dǎo)向輪、限速器和曳引繩是該系統(tǒng)的重要組成部分。曳引機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后依靠機(jī)械能將重物提升，是整個系統(tǒng)的動力輸出部分?，F(xiàn)今，曳引機(jī)種類很多，從結(jié)構(gòu)來看，其主要分為渦輪蝸桿曳引機(jī)、永磁同步曳引機(jī)等。

2.4 重量平衡系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)

重量平衡系統(tǒng)在電梯運行過程中起到重量補(bǔ)償作用，它主要維持電梯一側(cè)載重和另一側(cè)對重的質(zhì)量平衡，為電梯的穩(wěn)定運行提供保證。對重、補(bǔ)償繩（或補(bǔ)償鏈）是該系統(tǒng)的主要組成部分。導(dǎo)向系統(tǒng)是保證電梯運行穩(wěn)定性和舒適性的關(guān)鍵，而安全保護(hù)系統(tǒng)是電梯發(fā)生故障時保護(hù)乘梯者安全的重要手段[5]。

3 電梯故障分析

受機(jī)械結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)影響，可編程控制器電梯系統(tǒng)會出現(xiàn)故障。其中，開關(guān)門系統(tǒng)故障尤為值得關(guān)注。一是電梯開關(guān)門系統(tǒng)不能正常運行，導(dǎo)致電梯無法正常關(guān)門。二是電梯無法正常開門。三是電梯轎廂門關(guān)門夾人后，門不能自動打開。四是電梯轎廂門打開后不能自動關(guān)門。導(dǎo)致以上故障的主要原因有：手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)故障，即開關(guān)損壞或相應(yīng)線路斷開;關(guān)門繼電器損壞或關(guān)門輸出（相應(yīng)線圈）對應(yīng)的線路斷開;開門繼電器損壞或開門輸出（相應(yīng)線圈）對應(yīng)的線路斷開;電梯安全觸板保護(hù)失效，觸板開關(guān)故障或相應(yīng)連接線路有斷開現(xiàn)象;關(guān)門限位開關(guān)短接。

電梯制動器的機(jī)械故障主要有：電梯制動器兩側(cè)的閘瓦沒用同時離開制動輪，故障原因在于制動輪兩側(cè)的間隙超過國家相關(guān)規(guī)定，以至于制動時，閘瓦無法緊密地合在制動輪表面;受運行時間的影響，制動器閘瓦會出現(xiàn)老化或表面碳化的現(xiàn)象，使其摩擦系數(shù)顯著下降，導(dǎo)致制動力無法滿足電梯的安全運行需求;電磁線圈鐵心存在剩磁現(xiàn)象，導(dǎo)致制動器開閘時，電磁線圈力大于合閘時的制動彈簧力，一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，電梯到站的瞬間會出現(xiàn)制動鐵心被卡、無法閉合等問題，引發(fā)安全事故;在對制動器進(jìn)行檢查時，電梯維護(hù)人員在其鐵心上涂抹過多油脂，隨著季節(jié)的變換，鐵心上沾滿灰塵，阻礙制動鐵心的正常運行[6]。

4 電梯制停機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

電梯制停機(jī)械系統(tǒng)又叫電梯制動安全系統(tǒng)，在電梯墜落過程中，它可以有效地減小對轎廂的撞擊作用，同時減少對乘梯者的傷害。

4.1 常規(guī)電梯安全裝置工作原理

電梯制停機(jī)械系統(tǒng)裝置中，彈簧裝置與電梯其他零部件必須匹配。常規(guī)電梯機(jī)械安全裝置由限速器、安全鉗、緩沖器等部件組成。在電梯墜落過程中，轎廂機(jī)械及其安全裝置是同時聯(lián)動配合的。

4.2 電梯制停機(jī)械系統(tǒng)工作原理及設(shè)計

在電梯墜落過程中，一旦轎廂與緩沖器接觸，就會在轎廂底部產(chǎn)生很大的撞擊作用。這時就需要轎廂底部額外增加安全彈簧，目的是減小轎廂因高速下落對緩沖器的巨大撞擊力。人們可以根據(jù)電梯額定載重與安全鉗加緊力的差值，得到電梯轎廂安全彈簧受到的撞擊作用力。經(jīng)過力學(xué)仿真和大量力學(xué)計算，結(jié)合電梯實際運行狀態(tài)，利用Pro/Engineer軟件，繪制出電梯制動機(jī)械安全系統(tǒng)的三維建模圖形，電梯制動機(jī)械系統(tǒng)三維建模如圖1所示。

5 結(jié)語

電梯是現(xiàn)今生活中必不可少的建筑安全設(shè)施，它為廣大群眾帶來便利的同時也為建筑安全帶來很多隱患。本文主要介紹了基于可編程控制器的電梯系統(tǒng)，著重分析該系統(tǒng)電梯事故的各種運行狀態(tài)和原因，同時模擬電梯限速器安全事故，合理調(diào)整電梯結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)，最后提出創(chuàng)新性的電梯制停機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2019.

[2]張小明.電梯控制技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2014.

[3]楊青杰.三菱FX系列PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]丁加璐.可編程控制器在電梯設(shè)備中的應(yīng)用[J].鄭州：河南科技出版社，2018.

[5]萬佳.電梯運行的日常維護(hù)保養(yǎng)與維修要點分析[J].工業(yè)技術(shù)與實踐，2017（2）：188.

[6]任天笑.我國電梯業(yè)的發(fā)展與產(chǎn)品的安全規(guī)范[J].中國特種設(shè)備安全，2006（6）：42-43.