淺析基于變頻技術的電梯PLC 控制系統(tǒng)設計

陳俊錄

（青海中特檢特種設備檢測有限公司，青海 西寧 810000）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，居民生活質量有了明顯提高。高層建筑成為許多居民的首選。電梯在人們的生活中越來越常見。為了更好地滿足人們的需要，電梯系統(tǒng)必須具有先進的技術和完善的功能。電梯是現(xiàn)代建筑必不可少的一部分。由于樓宇自動化程度越來越高，要求電梯不僅具有良好的性能，而且要求節(jié)能、舒適和安全。為了滿足這一要求，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)不能滿足當今社會的要求。為了滿足人們對高層建筑需求，擴大和改善樓宇自動化水平等方面提出了更高水平的要求，因此，電梯必須具有先進、可靠、安全、節(jié)能和舒適等特點。同時由于現(xiàn)在城市建設過程中高層建筑越來越多，并且也更加復雜和密集。因此，要控制系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和可靠性，以保證樓宇自動化系統(tǒng)安全運行并順利完成各種工作任務。

1 電梯控制系統(tǒng)的工作原理

電梯控制系統(tǒng)是一個復雜的過程，包含很多環(huán)節(jié)，涉及多個專業(yè)。由于電梯控制系統(tǒng)的工作環(huán)境相對惡劣，所以對控制系統(tǒng)的要求比較高。傳統(tǒng)的電梯系統(tǒng)是繼電器控制系統(tǒng)，這種電梯控制系統(tǒng)雖然穩(wěn)定性好，可靠性高，但是存在很多不足，比如，繼電器控制系統(tǒng)主要由按鈕組成，一般需要安裝在轎廂的頂部；由于電梯運行過程中，各種干擾信號很多，而且經(jīng)常變化；傳統(tǒng)電梯沒有任何故障提示或者警告信息。為了實現(xiàn)良好的抗干擾性能和可靠性以及節(jié)約能源，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)很難滿足當前要求。為了更好地滿足現(xiàn)代建筑技術要求和滿足現(xiàn)代樓宇自動化水平，我們設計了基于PLC 的電梯控制系統(tǒng)。PLC 是工業(yè)自動化中一種重要的硬件設備。PLC 作為一種編程語言廣泛應用于工業(yè)生產過程中。PLC具有邏輯運算、順序控制、定時和計數(shù)等功能。它是工業(yè)生產過程中常用的編程語言，具有簡單易用、靈活性強、可擴展性等特點。在電梯設計中采用PLC 對變頻器進行控制可以實現(xiàn)多種功能。根據(jù)功能要求我們將變頻電梯分為井道速度和運行兩個方面，以下分別闡述這兩個方面的設計方法。（1）在井道速度方面，變頻電梯主要分為4 個部分：①是轎廂速度；②對重；③平層裝置；④驅動裝置。其中轎廂速度為曳引速度、對重速度和轎廂速度的綜合，電梯的速度由曳引電機通過電磁離合器來實現(xiàn)。曳引電動機依靠電力電子元件實現(xiàn)正轉和反轉等功能。因為有電磁離合器的存在，在一定程度上可以提高電梯運行過程中的安全性和穩(wěn)定性，同時減少了能耗。其中轎廂運行主要用于運輸乘客或貨物；對重運行主要用于平衡轎廂重量；平層裝置主要用于自動扶梯和自動人行道；驅動裝置主要是為了直接驅動電梯車輪或實現(xiàn)負載逆轉等功能。（2）在控制方面，變頻器是通過改變電機的旋轉方向來控制電機速度的裝置。目前，國內電梯普遍采用永磁同步無刷變頻技術；首先確定了電梯系統(tǒng)控制方案，然后通過三菱FX2N 系列PLC編程軟件編寫程序實現(xiàn)不同功能：如對重定位、轎廂運行、平層裝置、驅動裝置和變頻驅動裝置等的控制要求，完成電梯的啟動、停止和工作過程，以及不同模式下的切換功能等。最后，通過上位機界面實現(xiàn)電梯運行過程中的各種監(jiān)控顯示和報警功能。（3）在安全保護方面，電梯會受到多種干擾因素影響安全工作。因此，設計中采用了各種保護措施來實現(xiàn)電梯安全可靠運行。在轎廂運行方面通過轎廂定位和自動停止功能實現(xiàn)安全保護；在對重運行方面，通過制動功能實現(xiàn)對曳引電動機的制動保護；在平層裝置方面，通過限制曳引輪速度避免轎廂打滑等保護功能；在驅動裝置方面，通過采用防溜車功能防止驅動裝置溜車。此外，還可以設置其他各種安全保護措施。為了保證電梯運行過程中不受外界干擾影響，同時減少能源消耗、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，本系統(tǒng)中還設計了一個自啟動系統(tǒng)來完成各種自我保護和故障提示功能。通過電梯自啟動功能來實現(xiàn)轎廂內無人時自動啟動并實現(xiàn)運行過程中的安全保護；通過設置防溜車保護功能來實現(xiàn)轎廂內有人時自動停止運行并實現(xiàn)轎廂內無人時的安全保護；通過設置緊急報警功能來實現(xiàn)轎廂內緊急情況下的安全保護；通過設置轎廂內緊急情況下的制動器制動功能來實現(xiàn)轎廂內無人時自動停止運行并實現(xiàn)應急救援功能；還可以設置電梯故障自檢和報警功能來實現(xiàn)電梯故障情況下的安全保護，其中包括，電梯在轎廂里檢測到異常情況后停止運行并報警，同時能顯示故障情況下的動作狀態(tài)；如果電梯出現(xiàn)嚴重故障，則可按下自檢按鈕，發(fā)出警報并顯示故障發(fā)生時所處位置的指示燈。

2 系統(tǒng)的主要功能

（1）電梯發(fā)生故障時，PLC 可以在1 分鐘內控制電梯停止運行。同時，PLC 可以準確定位故障所在位置，并在故障發(fā)生后發(fā)出警報；（2）在電梯出現(xiàn)異常時，可以用觸摸屏顯示出來。觸摸屏上顯示各種信息，比如，當前樓層、當前時間、電梯的狀態(tài)等?？梢愿鶕?jù)這些信息對電梯進行管理，方便操作人員了解當前電梯的狀態(tài)；（3）當變頻器發(fā)生故障時，PLC 可以通過通訊模塊向變頻器發(fā)送命令，使其停止運行；（4）當電梯出現(xiàn)故障時，通過PLC 對變頻器的控制可以使其恢復運行。

3 PLC 硬件組成

本文采用三菱FX2N 系列PLC，該PLC 的典型特點是結構緊湊、功能強大、運行穩(wěn)定可靠、性能價格比高。它具有多種輸入輸出類型，可以靈活地進行功能分配，并且具有良好的抗干擾能力。此外，它具有較強的網(wǎng)絡通信能力。它可以通過網(wǎng)絡通信控制多臺電機或多臺電梯，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、處理和存儲。它還可以通過遠程監(jiān)控來進行管理和維護，實現(xiàn)更大的控制功能。該控制系統(tǒng)采用三菱FX2N 系列PLC 作為控制核心。根據(jù)實際需要，我們選擇了三菱FX2N 系列PLC 中的FX2N-64MT系列作為本控制系統(tǒng)的控制核心。

3.1 PLC 的選擇

PLC 選擇時要考慮以下幾個方面：（1）對于一般的控制系統(tǒng)，可以直接選用小型的PLC，如三菱FX-3C；（2）對于特殊場合需要高可靠性、高可移性和特殊功能的控制系統(tǒng)，則應選擇一些高性能的PLC。如三菱FX2N-64MT 型可編程控制器。由于電梯運行速度快，要求系統(tǒng)具有快速響應能力。而可編程控制器既可以進行數(shù)字運算又能實現(xiàn)模擬運算，所以選用了具有高速高精度特點的PLC 進行模擬量及數(shù)字量運算。而PLC 可編程控制器的性能主要由CPU 的性能決定。

3.2 變頻裝置

本系統(tǒng)選用三菱FX2N-64MT 系列中的FX2N-317B 作為變頻器，該變頻器為矢量控制型變頻器，具有速度平滑、過載能力強等特點。通過本變頻器可調節(jié)電機的速度，使電機的轉速達到最佳狀態(tài)，從而保證電梯的正常運行。變頻器由PLC 控制，且PLC 本身具有頻率、電流、電壓的測量功能。此外，為了實現(xiàn)變頻功能，本電梯還增加了一個按鈕開關控制電機正反轉的功能。變頻器輸出信號由電流互感器進行采集和轉換，經(jīng)光耦隔離后送至PLC 輸入端。PLC 輸入信號為輸出信號，直接接到變頻器上。同時還增加了一個輸出繼電器和一個接觸器以控制電梯運行時的安全開關裝置。這兩個觸點分別連接到電動機的2 個主觸點上，可實現(xiàn)控制電機的通斷。

4 PLC 程序設計

為了實現(xiàn)PLC 的程序設計，首先，在PLC 的I/O 端口上連接變頻器的輸入和輸出。然后，在PLC 程序中設定變頻器的最大輸出頻率為0.5Hz，并且可以根據(jù)實際情況進行適當調整。同時，為了使變頻器與電梯系統(tǒng)能夠正常工作，在PLC 程序中還要設定電梯轎廂的最大平層距離為600mm。當轎廂達到600mm 時，變頻器需要停止工作，發(fā)出復位信號，使電梯回到原點。另外，為了使電梯能夠平穩(wěn)、安全地運行，需要在電梯上安裝緊急制動裝置。同時還應該在PLC 程序中加入緊急制動功能，以確保發(fā)生火災或地震時能快速地切斷電源來保證電梯的安全運行。

4.1 變頻器

變頻器是一種交流電動機調速裝置，它是通過改變電機旋轉磁場的大小來改變電動機的轉速。變頻器由功率開關管、整流器、逆變器和斬波器組成，它還具有一定的控制功能，在某些場合下也能起到調速的作用。通常，變頻器在控制電路中會有比較多的輸出端，當其輸出端短路時，變頻器將無法正常工作。為了確保變頻器能夠正常工作，通常要在PLC 程序中加入短路保護功能，這就是控制電路與PLC 之間要相互配合。另外，由于電梯的額定電流較大，所以變頻器還應設置一定的限流保護功能。

另外，還要設置變頻器的安全保護功能，當出現(xiàn)機械故障、電氣故障等情況時，變頻器要及時進行自我保護或自動停機。

4.2 轎廂最大平層距離

當電梯轎廂到達指定位置后，將向左或者向右移動一個轎廂距離。為了避免轎廂距離的變化影響電梯運行的平穩(wěn)性，需要設定轎廂最大平層距離為600mm。因為電梯轎廂的重量在電梯運行時是不斷變化的，當電梯運行到某一層時，就需要將這一層作為起始位置，如果轎廂沒有達到起始位置，那么就會以一個新的運行方向繼續(xù)運行。這就造成了一個現(xiàn)象，即電梯在運行的過程中會出現(xiàn)上下跳動現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象的產生，在PLC 程序中設定了一個暫停指令。在程序設計中，如果電梯是靜止的狀態(tài)下到達該層停止運行，那么就會以停止方向作為新的初始位置。反之，就是以開始位置作為新的初始位置。

4.3 緊急制動

緊急制動是指當電梯的運行速度超過規(guī)定速度時，必須采取緊急措施來防止電梯突然啟動。在正常情況下，變頻器輸出頻率為0.5Hz，當發(fā)生緊急情況時，變頻器的輸出頻率也會隨之改變，這種情況下，如果將輸出頻率設定為1Hz，那么當變頻器的輸出頻率發(fā)生改變時，電梯就會產生緊急制動的現(xiàn)象。而當變頻電壓達到1.5V時，變頻器則會停止工作。當變頻器停止工作后，PLC程序就需要對其進行復位操作。同時，為了確保電梯在緊急情況下的安全性和可靠性，必須將電梯緊急制動裝置和PLC 系統(tǒng)進行連接。利用PLC 的CPU 進行控制的優(yōu)點是，可以靈活地對電梯運行速度進行控制，而且還可以對PLC 系統(tǒng)的通信方式進行設定。

5 電梯調試

（1）模擬電梯轎廂，使其能夠平穩(wěn)運行，并且在實際運行過程中能夠自動對轎廂進行移動和停止操作。

（2）使PLC 按照設計方案中所設計的程序順序執(zhí)行，并根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況進行相應調整和修改。

（3）在實驗過程中，要注意保護好各種接口電路以及相關器件，避免其出現(xiàn)損壞，影響PLC 的正常運行。

（4）對PLC 進行實際調試過程中，要根據(jù)調試方案進行操作和試驗。實驗過程中，要注意對模擬電梯轎廂的各項功能以及參數(shù)進行測試。在調試過程中出現(xiàn)故障時，應該及時更換元件和配件。在實驗完成后，應該對各種電器元件進行檢查，確保其完好。

（5）為了實現(xiàn)對變頻器的控制和檢測功能，可以利用變頻器的控制輸出單元對電梯速度和負載進行控制。在電梯調試完成后，要按照系統(tǒng)調試方案的要求和步驟進行測試，并對檢測結果進行分析總結。為了能夠更好地完成調試任務，應該按照規(guī)定對各種接線進行檢查。

（6）如果發(fā)現(xiàn)問題，必須及時解決并記錄下來。對于現(xiàn)場調試發(fā)現(xiàn)的問題，應及時記錄下來并與設計方案相比較以確定是否符合要求，確保系統(tǒng)功能正常。

（7）如果存在不符合要求的情況時，要及時修復和調整并記錄下來，對于現(xiàn)場不能解決的問題應該及時反饋給設計人員，以便于技術人員進行改進和完善。

（8）當實驗完成后，應將所有硬件、軟件資料等整理好后交給專業(yè)技術人員進行保存和保管。并將調試報告、控制程序、仿真結果等文件整理成冊移交給管理部門和相關負責人存檔備查。

（9）在現(xiàn)場調試過程中，應該對整個系統(tǒng)的可靠性進行檢查和測試。為了保證系統(tǒng)的安全可靠運行，除了要按照規(guī)定對控制系統(tǒng)的元器件以及連接電纜和設備進行檢查外，還需要對各種重要信號、安全信號以及緊急控制信號等內容進行檢查確認并做好記錄工作。

（10）在實驗過程中，如果出現(xiàn)故障時應該立即停止實驗并對現(xiàn)場情況進行記錄，并按照規(guī)定的方法和步驟進行檢查和測試。如果有必要也可以到實驗室進行現(xiàn)場檢查處理和解決問題。

（11）在實際應用過程中，電梯需要在一定范圍內長時間運行時必須保證安全可靠且穩(wěn)定。在系統(tǒng)調試過程中，應該按照要求對電梯控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性進行測試和分析，保證電梯能夠安全、可靠地運行而不會出現(xiàn)故障，并且能夠平穩(wěn)地運行并完成相應的工作任務。

（12）在對電梯控制系統(tǒng)進行調試時，需要認真對待系統(tǒng)測試報告中所記錄的內容，根據(jù)實際情況對其有效性、可行性和準確性等方面進行分析評估，確保其符合實際要求并且能夠在工程中運用并發(fā)揮重要作用。同時，應該對系統(tǒng)中的各個設備儀表的使用情況以及相關的參數(shù)設置情況進行詳細了解并記錄下來以備以后參考。

6 結語

綜上所述，本文通過對基于PLC 的電梯變頻技術控制系統(tǒng)的設計和研究，證明了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，表明采用PLC 和變頻器控制可以有效地實現(xiàn)電梯的高效和安全運行。雖然設計過程中存在一些不足，但從實際應用效果來看，該電梯系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠地工作。因此，該設計方案是可行的，并具有良好的應用前景。