基于 PLC的電梯安全保護控制系統(tǒng)設計

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市建設也日新月異，尤其是高層建筑不斷增加，電梯的安全問題也引起了人們的關注。高層建筑電梯故障常導致剪切、擠壓等事故，對乘坐電梯的人員安全具有很大的威脅。以現(xiàn)有的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造為研究對象，設計一套具有轎廂意外移動保護功能的控制系統(tǒng)。分析了電梯安全保護系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并總結電梯轎廂意外移動的原因與電梯實際使用情況，設計了一套基于 PLC的安全保護控制器。對安全控制系統(tǒng)總體方案的設計以及軟件與硬件結構的設計做了簡要介紹，最后對電梯保護控制系統(tǒng)的功能與應用效果進行了試驗性測試，測試結果顯示系統(tǒng)達到了設計目標，對于電梯意外移動的保護具有重要意義。

關鍵詞：電梯;意外移動;控制系統(tǒng);PLC;安全保護

中圖分類號：TU857文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0255-03

Design of Elevator Safety Protection Control System Based on PLC

Li Hui

（Quanzhou Branch， Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Quanzhou， Fujian 362010， China）

Abstract： With the continuous development of China′s social economy， urban construction is also changing with each passing day， especially the increasing number of high-rise buildings， the safety problem of elevator has also attracted people′s attention. High rise building elevator failure often leads to shear， extrusion and other accidents， which has a great threat to the safety of people taking the elevator. Taking the transformation of the existing elevator safety monitoring system as the research object， a control system with the function of car accidental movement protection was designed. The research status of the elevator safety protection system was analyzed， the causes of the unexpected movement of the elevator car and the actual use of the elevator were summarized， and a set of safety protection controller based on PLC was designed. The design of the overall scheme of the safety control system and the design of the software and hardware structure were briefly introduced. Finally， the function and application effect of the elevator protection control system were tested experimentally. The test results show that the system has reached the design goal， and has great significance for the protection of the elevator unexpected movement.Key words： elevator; accidental movement; control system; PLC; safety protection

0 引言

雖然電梯在提升城市出現(xiàn)效率上起到了非常重要的作用，但電梯意外移動等安全事故也時有發(fā)生，因此對轎廂的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)對問題電梯進行提前處理，對保障生命財產(chǎn)安全具有非常重要的意義。電梯故障是控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者是人為因素導致，轎廂在控制系統(tǒng)紊亂的情況下出現(xiàn)制動失效就會導致轎廂的意外移動，因此設計一套電梯安全保護系統(tǒng)具有重要意義。

電梯的工作原理相對比較簡單，如圖1所示，鋼絲繩兩端分別連接著對重與轎廂，電梯通過鋼絲與曳引輪之間的摩擦力產(chǎn)生驅(qū)動力。為了防止轎廂的意外移動，需在電梯上設計安全鉗、緩沖器、限速器、門鎖、超速保護等裝置。其中門鎖主要是針對指定樓層開門動作與樓層數(shù)之間安全開關;緩沖器的作用主要是吸收轎廂或?qū)χ亟德鋾r產(chǎn)生的沖擊力，能夠使轎廂緩慢著地[1]。

意外移動是指轎廂在控制系統(tǒng)故障或制動失效的情況下，且沒有觸發(fā)電梯被動安全保護時處于失控狀態(tài)。意外移動很容易導致安全事故的發(fā)生，曾發(fā)生過電梯達到指定層后，轎廂門在開啟到最大極限位置時，轎廂突然開始向上運動，導致安全事故。電梯轎廂意外移動對安全威脅大，因此設計一套電梯意外移動保護系統(tǒng)可顯著提高設備的安全性能，保障使用者的安全[2]。

1 方案總體設計

可編程控制器（PLC）在現(xiàn)代工業(yè)自動化中扮演了一個非常重要的角色，因其性能優(yōu)良而被廣泛地應用?；?PLC 設計一套電梯轎廂意外位移的監(jiān)控與保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對轎廂狀態(tài)的實時監(jiān)控，并根據(jù)實際情況采取保護措施。有效提高了電梯的安全性能。下面分別從3個方面介紹保護監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案[3]。

1.1 檢測方案

電梯運行情況的邏輯簡圖結構比較簡單，可以確定需檢測的狀態(tài)為：門開合狀態(tài)與繼電器工作狀態(tài)的分析與判斷，并可據(jù)此判斷轎門安裝裝置工作狀態(tài)。圖2所示為電梯檢測流程。首先判斷轎廂運行的情況，然后確定轎廂是否關門正常，如果出現(xiàn)異常則發(fā)出反饋信號。結合是否有動作命令和轎廂狀態(tài)傳感數(shù)據(jù)可判斷轎廂的運行情況，并判斷可能出現(xiàn)意外移動的情況[4]。

1.2 檢測裝置設計方案

PLC 控制器主要是實現(xiàn)對檢測信號的分析、存儲，分析電梯是否處于正常工作狀態(tài)，并根據(jù)電梯控制信號同步分析判斷電梯是否存在危險行為。當設備出現(xiàn)故障時，控制保護系統(tǒng)還可向電梯管理人員進行短信推送報警，設備進行聲光報警。結合本研究的特點以及需實現(xiàn)的電梯保護功能，測量傳感器采用非接觸的方式，避免對原設備狀態(tài)造成影響[5]。

1.3 控制系統(tǒng)設計方案

電梯保護控制系統(tǒng)的結構比較簡單，因此 PLC控制系統(tǒng)并不復雜，PLC中央處理單元的設備連接口主要連接了包括編譯器、打印機、LPROM 寫入器、上位計算機、可編譯終端等。PLC具備擴展接口，根據(jù)實際需求，設置了特殊功能需求的功能擴展單元，方便后期對系統(tǒng)功能的擴展，PLC控制器系統(tǒng)設計方案如圖3所示[6]。同時與系統(tǒng)連接的存儲器包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶管理存儲器，設備不同的功能分區(qū)，方便用戶對存儲數(shù)據(jù)進行管理，并根據(jù)需要在中央控制器兩側設置輸入單元與輸出單元[7]。

2 保護系統(tǒng)設計

電梯轎廂意外移動一般的故障原因包括制動器機械卡滯、控制器接觸粘連、控制器過度磨損或者是電氣系統(tǒng)被人為損壞導致電路短路。為了實現(xiàn)對電梯轎廂意外移動的保護與監(jiān)控，下面對控制系統(tǒng)的總體結構與硬件設備選型做簡要說明。

2.1 裝置的總體設計

為了達到無接觸式對轎廂狀態(tài)的監(jiān)測，選用了激光觸點式位移傳感器對轎廂速度進行測量，通過各接觸點的輔助接觸點識別設備工作狀態(tài)。保護控制系統(tǒng)的主控制器采用 PLC控制器完成，PLC綜合分析各傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并基于設定邏輯做出判斷[8]。電梯控制對與控制器相連，控制器與制動器與各類傳感器相連，從而構成了控制系統(tǒng)的整體結構。

控制系統(tǒng)在分析轎廂運行與控制信號的基礎上，對轎廂狀態(tài)進行識別，當出現(xiàn)意外移動時執(zhí)行機構可以控制電梯控制回路接觸器斷開，鋼絲繩制動器在原有制動器不起作用的情況下也可以通過夾持鋼絲繩，使轎廂平穩(wěn)停止?？刂葡到y(tǒng)基于遠程監(jiān)測模塊向監(jiān)控人員發(fā)送報警短信，及時通知救援，綜合可編程序控制器、輸入、輸出各模塊，繪制系統(tǒng)硬件連接圖如圖4所示[9]。

2.2 硬件設備的設計與選型

控制系統(tǒng)主要的硬件包括激光位移傳感器、運行接觸器、抱閘接觸器、斷電設備、緊急制停裝置、轎廂門傳感器以及 PLC控制器等，對控制系統(tǒng)的主要設備的設計與選型進行說明。首先是 PLC控制器的選型，采用了日本三菱的 FX2N-80MR型 PLC控制器[10];本系統(tǒng)選用了型號為 CS5-RS400型激光位移傳感器。斷電裝置主要作用是系統(tǒng)在監(jiān)測到電梯有潛在風險時，可以切斷電路以防止電力存在時電梯驅(qū)動力會對電梯制動造成嚴重影響。為了到達設計目的，選擇自帶交流接觸器的斷電裝置，選擇德國西門子 RS500型電器斷電裝置。

轎廂意外移動的一個非常重要的原因就是電梯本身的制停機構不能滿足使用要求，因此需要選擇可靠性好的制動器。根據(jù)實際功能需求，選擇某電梯設備有限公司生產(chǎn)的鋼絲繩制動器，該制動器額定工作速度小于或等于2.5 m/s ，額定啟動載重量 W=680～1450 kg ，系統(tǒng)總質(zhì)量為1980～6100 kg[11]。PLC 控制器選擇了日本三菱的 FX2N-80MR 型控制器，并通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)無線通信功能，具有遠程服務功能，可通過短信自動向服務人員提供信息，對于管理人員具有重要的幫助作用。

3 裝置的軟件實現(xiàn)

要實現(xiàn)對轎廂意外移動監(jiān)測與控制，就需要控制系統(tǒng)具有良好的軟件控制系統(tǒng)以及功能完備的硬件系統(tǒng)。轎廂意外移動保護監(jiān)控系統(tǒng)軟件是基于硬件結構基礎之上，系統(tǒng)需實現(xiàn)對轎廂狀態(tài)的監(jiān)測以及對安全制動器的控制，通過測量轎廂的位置、運行速度、控制指令等可以判斷轎廂所處的位置[12]。

轎廂意外移動保護系統(tǒng)以可編程控制器為核心，通過各類信號傳感器判斷轎廂所處狀態(tài)，并最終實現(xiàn)對電梯轎廂的保護?；谌?PLC編程軟件：GX works2編程軟件對軟件控制系統(tǒng)進行編程，該編程軟件具有較好的交互性，方便使用，為用戶提供了良好的設計界面，根據(jù)實際需求設計操作系統(tǒng)軟件界面，并最終完成了軟件系統(tǒng)的編程。以下為電梯意外移動梯形圖;電梯自動運行狀態(tài)下到達平層位置，上門區(qū)開關SMK、上平層開關SPK、下平層開關XPK、下門區(qū)開關XMK 全部被井道隔磁板插入后處于動作狀態(tài)，X12＼X13＼X14＼X15常閉信號斷開，系統(tǒng)輸出開門，門鎖 X11斷開，關門限位 X26接通，開門到位后 X25斷開，此時當轎廂發(fā)生向上移動，上門區(qū)開關和上平層開關都脫離隔磁板，對應的X14和X12相繼先后接通，反之當轎廂發(fā)生向下移動，下門區(qū)開關和下平層開關都脫離隔磁板，對應的 X15和X13相繼先后接通，使內(nèi)部繼電器 M565自鎖后始終保持，此時PLC輸出Y3使DK接觸器動作，達到制停轎廂的目的。同時外部七段碼顯示器顯示 E1提示維修工作人員電梯發(fā)生了意外移動故障，需要將電梯置于檢修狀態(tài)后，關好電梯門才能解除內(nèi)部自鎖狀態(tài)，恢復正常運行，當然控制系統(tǒng)內(nèi)部的其他電路也會將 M565繼電器關聯(lián)進去，防止電梯再次啟動運行。PLC控制程序如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

基于三菱 PLC 編程軟件 GX works2完成對保護控制系統(tǒng)軟件的構建，在硬件系統(tǒng)的基礎上完成對轎廂意外移動的控制保護綜合系統(tǒng)進行了功能性測試，測試結果顯示系統(tǒng)可異常檢測風險進行識別，并可發(fā)出預警信息。對電梯意外移動情況進行模擬測試，保護控制系統(tǒng)可及時制停轎廂，防止轎廂意外移動。

測試結果證明轎廂意外移動檢測裝置的系統(tǒng)是電梯安全保護的一個重要的裝置，能夠根據(jù)不同意外移動的成因分析可能會出現(xiàn)的事故，并采取措施對轎廂進行保護。通過對該系統(tǒng)的分析與研究，有助于了解電梯意外移動保護的控制特點，對保護人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

5 結束語

電梯的意外移動對人民的生命財產(chǎn)安全構成了一個非常重大的安全問題，為了提高電梯的安全性能，從源頭出發(fā)，增加設計一套電梯意外移動控制保護系統(tǒng)具有十分重要的意義。以現(xiàn)有電梯系統(tǒng)升級改造為研究對象，設計一套具有轎廂意外移動保護與控制的系統(tǒng)。首先介紹了控制系統(tǒng)的總體結構設計，該系統(tǒng)以PLC為控制核心，分別從保護系統(tǒng)軟件與硬件兩方面對該系統(tǒng)進行了介紹，列舉了PLC控制器的工作原理圖，最后實現(xiàn)了對電梯意外移動的控制保護。解決了電梯轎廂意外移動安全保護問題，可以為電梯意外移動保護控制系統(tǒng)的設計與建立提供良好參考。

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作者簡介：李輝（1979-），男，大學本科，工程師，研究領域為電梯、起重機械、叉車等特種設備檢驗檢測。（編輯：王智圣）