【正文】 鎮(zhèn)居民生產(chǎn)、生活不可或缺的垂直交通工具，在提升公眾的生產(chǎn)、生活效率與質(zhì)量的同時(shí)，其安全工作也成為一項(xiàng)民生工程，其安全狀況倍受公 眾與媒體關(guān)注。從 2020年開始，平均每年電梯事故起數(shù)在 40 起、死亡人數(shù)在 30 人左右。 (二 )近年事故原因分類 近年電梯事故中，違章操作引發(fā)的事故較為突出，事故中受到傷害的人員以普通乘客最多。 ● 事故中受傷害人員中普通乘客 50%，維護(hù)保養(yǎng)人員 13%，安裝工人 12%，電梯操作人員 4%，其它包括保安等未經(jīng)培訓(xùn)的人員 21%。上海、北京等幾個(gè)城市在用電梯數(shù)量已超過(guò) 10 萬(wàn)臺(tái)。上海超過(guò)紐約成為全世界 電梯 最多的城市。隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑物規(guī)模越來(lái)越大，樓層越來(lái)越多，對(duì)電梯的調(diào)速精度、調(diào)速范圍等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求。而對(duì)現(xiàn)代電梯而言，應(yīng)具有高度的安全性。在設(shè) 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 3 3 計(jì)電梯的時(shí)候，對(duì)機(jī)械零部件和電器元件都采取了很大的安全 系數(shù)和保險(xiǎn)系數(shù)。在國(guó)外，已“法規(guī)”實(shí)行電梯制造、安裝和維修一體化，實(shí)行由各制造企業(yè)認(rèn)可的法規(guī)認(rèn)證的專業(yè)安裝隊(duì)伍維修單位，承擔(dān)安裝調(diào)試、定期維修和檢查試驗(yàn)，從而為電梯運(yùn)行的可靠性和安全性提供了保證。美國(guó)一家保險(xiǎn)公司對(duì)電梯的安全性做過(guò)認(rèn)真地調(diào)查和科學(xué)計(jì)算，其結(jié)論是：乘電梯比走樓梯安全 5 倍。 目前，由 可編程序控制器 (PLC)和微機(jī)組成的電梯運(yùn)行邏輯控制系統(tǒng)，正以很快的速度發(fā)展著?？删幊绦蚩刂破?，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制要求，同時(shí)也照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，摒棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的表達(dá)方式，獨(dú)具風(fēng)格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語(yǔ)言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學(xué)，調(diào)試和查錯(cuò)都很容易。這樣就破除了“電腦”的神秘感，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用。 PLC 現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱 (PLC、 CAD／ CAM、 ROBOT)之一，以其可靠性、邏輯功能強(qiáng)、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能，易與計(jì)算機(jī)接口、能對(duì)模擬量進(jìn)行控制、具備高速記數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，取代由大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、記數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)的繼電一接觸控制系統(tǒng)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì) 五 層電梯的硬件部分作分析，看需要什么樣的開關(guān)，電機(jī)，信號(hào)燈等。 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 4 4 第二章 電梯的概述 電梯工作原理 曳引繩兩端分別連著轎廂和對(duì)重，纏繞在曳引輪和導(dǎo)向輪上，曳引電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器變速后帶動(dòng)曳引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，靠曳引繩與曳引輪摩擦產(chǎn)生的 牽引力 ，實(shí)現(xiàn)轎廂和對(duì)重的升降運(yùn)動(dòng)，達(dá)到運(yùn)輸目的。常閉 塊式制動(dòng)器 在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)松閘，使電梯運(yùn)轉(zhuǎn)，在失電情況下制動(dòng)，使轎廂停止升降，并在指定層站上維持其靜止?fàn)顟B(tài)，供人員和貨物出入。補(bǔ)償裝置用來(lái)補(bǔ)償曳引繩運(yùn)動(dòng)中的 張力 和重量變化，使曳引電動(dòng)機(jī)負(fù)載穩(wěn)定，轎廂得以準(zhǔn)確?？俊Ｖ甘竞艚邢到y(tǒng)隨時(shí)顯示轎廂的運(yùn)動(dòng)方向和所在樓層位置。 電梯結(jié)構(gòu)及分類 (1)電梯的結(jié)構(gòu) 電梯的機(jī)械部分是電梯的軀體，同時(shí)電子電氣是電梯的神經(jīng)和大腦。它由曳引系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、對(duì)重裝置、電力拖動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等組成。 (2)電梯的分類 電梯的分類非常豐富，根據(jù)使用性質(zhì)、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)行速度、有無(wú)司機(jī)、操縱控制方式等不同，有多種分類方法。 表 21 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較 比較項(xiàng)目 繼電器控制 PLC控制 對(duì)生產(chǎn)工藝變 化的適應(yīng)性 需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與接線 .適應(yīng)性差 只需對(duì)程序進(jìn)行修改 .適應(yīng)性強(qiáng) 控制功能的實(shí)現(xiàn) 通過(guò)對(duì)繼電器進(jìn)行硬接線完成相應(yīng)的控制功能 對(duì)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)所需控制要求 控制的實(shí)時(shí)性 機(jī)械動(dòng)作時(shí)間常數(shù)大，實(shí)時(shí)性差 微處理器控制，實(shí)時(shí)性非常好 復(fù)雜控創(chuàng)能力 極差 很強(qiáng) 可靠性 元器件多、觸點(diǎn)多，容易出現(xiàn)故障 采用大規(guī)模集成電路 .絕大部分是軟繼電器，可靠性高 柔韌性和靈活性 差 具有種類齊全的擴(kuò)展單元，擴(kuò)展靈活 占用空間與安裝 控制柜體積大、笨重，安較施工工作量大 體積小，重量輕，安裝工作量 小 使用壽命 易損、壽命短 壽命長(zhǎng) 維護(hù) 復(fù)雜、工作量大 工作量小 價(jià)格 極低 較高 所以本系統(tǒng)最終能夠選擇以 PLC 控制電梯的運(yùn)行方式。為保證電梯運(yùn)行的安全性，電梯的開關(guān)門信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)必須是互鎖的，也就是說(shuō)，當(dāng)故障報(bào)警信號(hào)有效時(shí)，開關(guān)門信號(hào)都不會(huì)顯示，同時(shí)樓層指示燈也不會(huì)亮。呼叫信號(hào)要一直保持到電梯到達(dá)該層后且呼叫信號(hào)的指示與電梯的運(yùn)行方向相同時(shí)才會(huì)被撤消。但是上下行指示燈不能同時(shí)亮，各個(gè)樓層的指示燈也 不可以同時(shí)亮。在行車過(guò)程中，如果故障報(bào)警信號(hào)有效，則任何操作都無(wú)效，指示燈也不亮。 電梯控制系統(tǒng)總體方案的確定 本系統(tǒng)是主要由 PLC、變頻器、控制箱、顯示器、曳引電動(dòng)機(jī)組成的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 VVVF）。本系統(tǒng)的硬件框圖如圖 22 所示。通過(guò)分析研究電梯的實(shí)際運(yùn)行情況和控制規(guī)律，從而設(shè)計(jì)開發(fā)出電梯聯(lián)動(dòng)控制程序，使得 PLC 能夠控制電梯的運(yùn)行操作。 PLC 首先接收來(lái)自電梯的呼梯信號(hào)、平層信號(hào)，然后根據(jù)這些輸入信號(hào)的狀態(tài)，通過(guò)其內(nèi)部一系列復(fù)雜的控制程序 ，對(duì)各種信號(hào)的邏輯關(guān)系有序的進(jìn)行處理，最后向直流門控電機(jī)、變頻器和各類顯示器適時(shí)地發(fā)出開關(guān)量控制信號(hào)，對(duì)電梯實(shí)施控制。 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 7 7 在 PLC 向變頻器發(fā)出開關(guān)量控制信號(hào)的同時(shí)，為了滿足電梯的要求，變頻器又需要通過(guò)鼠籠式曳引電動(dòng)機(jī)同軸連接的脈沖發(fā)生器和 PG 卡，對(duì)電動(dòng)機(jī)完成速度檢測(cè)及反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)脈沖的相序，可判斷出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并可以根據(jù)脈沖的頻率測(cè)得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本章給出了五層電梯的硬件設(shè)計(jì)包括電梯的調(diào)速系統(tǒng)、井道信號(hào)系統(tǒng)、電梯的硬件選型以及各硬件的參數(shù)設(shè)置?？焖賱t可節(jié)省時(shí)間，這對(duì)于處在快節(jié)奏的現(xiàn)代社會(huì)中的乘客是非常重 要的。 ②集中布置多臺(tái)電梯，通過(guò)電梯數(shù)量的增加來(lái)節(jié)省乘客候梯時(shí)間。 上訴三種方法中，前兩種需要增加設(shè)備投資，第三種方法通常不需要增加設(shè)備投資，因此在電梯設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用第三種方法減少起、制動(dòng)時(shí)間。因此，對(duì)電梯又提出了舒適性的要求。人在加速上升或減速下降時(shí)，加速度引起的慣性力疊加到重力之上，使人產(chǎn)生超重感，各器官承受更大的重力；而在加速下降或減速上升時(shí)，加速度產(chǎn)生的慣性力抵消部分重力，使人產(chǎn)生上浮感，感到內(nèi)臟不適，頭暈?zāi)垦！！? ②由加速度變化率引起的不適。我們用 a 來(lái)表示加速度，用ρ來(lái)表示加加速度，則當(dāng)加加速度ρ較大時(shí)，人的大腦就會(huì)感到暈眩、痛苦，它的影響比加速度 a 的影響還嚴(yán)重。 而促進(jìn)電梯舒適度的途徑有以下幾種途徑： ① 選用品質(zhì)優(yōu)良、穩(wěn)定的曳引機(jī) 曳引機(jī)是電梯運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)裝置，其性能直接關(guān)系到電梯運(yùn)行的舒適感。在電梯 S 曲線 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 9 9 加減速過(guò)程中，一般各有一兩次明顯失重或者超重感覺，并伴隨曳引機(jī)發(fā)出異響。因此， 要想使得電梯具有良好的舒適性 ,必須選用品質(zhì)優(yōu)良、穩(wěn)定的曳引機(jī) . 曳引機(jī)功率的選擇公式： N＝ QV（ 1Y） /102W 其中： W 為電梯機(jī)械傳動(dòng)效率； Y 為電梯平衡系數(shù)： Q 為電梯的額定載重量； V 為電梯的額定速度。 ② 選用品質(zhì)優(yōu)良 的驅(qū)動(dòng)電機(jī) 在保證曳引機(jī)質(zhì)量的前提下，與曳引機(jī)配套的電機(jī)的性能也直接關(guān)系到電梯的起制動(dòng)過(guò)程的性能，問(wèn)題主要表現(xiàn)為啟動(dòng)舒適感的好壞。 ③ 選用性能優(yōu)良的變頻器 異步電機(jī)矢量控制是完全基于電機(jī)參數(shù)的矢量控制，因此電機(jī)參數(shù)必須能夠進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)。因此，首先必須選用能夠進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)的變頻器。另外，需要非常好的過(guò)載能力， 110%的額定負(fù)載，必須連續(xù)運(yùn)行， 特別對(duì)于高層電梯，需要滿載運(yùn)行超過(guò) 30S 以上的，更要考慮這一點(diǎn)。通常電梯系統(tǒng)的位置信號(hào)是靠設(shè)置在井道中的位置開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。平層停車過(guò)程需在轎廂底與所停樓層 的地面相平之前開始，先要開始減速，然后再制動(dòng)，以減小沖擊，提高平層停車的精確度和乘客的舒適感。 圖 31 為電梯層門示意圖。層門上方裝有 LED 數(shù)碼管，用以顯示轎廂所在層樓位置，另外還有轎廂上行和下行指示燈。按下該按鈕的同時(shí)向左轉(zhuǎn)是消防關(guān)門開關(guān)， X14 觸點(diǎn)閉合，電梯門關(guān)閉；向右轉(zhuǎn)是消防開門開關(guān)， X11 觸點(diǎn)閉合，電梯門打開。電梯樓層顯示采用 7段 LED 數(shù)碼管顯示，圖中顯示電梯目前處于三樓的位置。在近 20 年的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了由模擬控制到全數(shù)字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 兩個(gè)大發(fā)展過(guò)程。 (2)變頻器的選型 ★變頻器容量計(jì)算 變頻器的功率可根據(jù)曳引機(jī)電機(jī)功率、電梯運(yùn)行速度、電梯載重與配重進(jìn)行計(jì)算。在最大載重下，電梯上升所需曳引功率為 2P : 2 1 2 3 1[ ( ) ]P W W W g F v? ? ? ? (31) 其中 1 2 3( + ) +F K W W W g ?? 為摩擦力， ? 可忽略不計(jì)。 ★變頻器制動(dòng)電阻參數(shù)的計(jì)算 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 12 12 由于電梯為位能負(fù)載，電梯運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生再生能量，所以變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有制動(dòng)功能。如果采用能耗制動(dòng)方式通過(guò)制動(dòng)單元將再生能量消耗在制動(dòng)電阻上，成本較低且具有良好的使用效果。 ★變頻器的選型 電梯的調(diào)速除了對(duì)一般的工業(yè)控制的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的要求外，其舒適度的指標(biāo)通常也要考慮。 考慮以上各種因素 ， 本設(shè)計(jì)最終選用 由 佛山市特飛龍機(jī)電設(shè)備有 限公司生產(chǎn)的價(jià)格為1020 元的 歐姆龍小型變頻器 ORMON 3G3JZAB015 變頻器 三相變頻器 。其主要功能是：根據(jù)登記的內(nèi)選與外呼信號(hào)和轎廂的位置關(guān)系，確定運(yùn)行方向；當(dāng)電梯將要到達(dá)所需停站的樓層時(shí)，給曳引電動(dòng)機(jī)減速信號(hào)，使其換速；當(dāng)平層停車后，發(fā)出信號(hào)以消去已應(yīng)答的選層、呼梯信號(hào)，并指示轎廂當(dāng)前位置，選層器種類較多，通常分三大類，即機(jī)械選層器、繼電器選層器和微機(jī) 選層器。 位置檢測(cè)方法主要有如下幾種： (1)用干簧感應(yīng)器或其它位置開關(guān) 干簧感應(yīng)器如圖 34 所示。當(dāng)隔磁板沒有插入 U 型槽內(nèi)時(shí)，那么磁場(chǎng)作用下的常閉觸點(diǎn) 3 閉合；隔板插入 U 型槽時(shí)，永久磁鐵磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)隔磁板和 空氣間隙形成閉合磁路。于是根據(jù)電梯的控制要求，可將傳感器安裝在轎廂的頂部，隔磁板固定于井道相應(yīng)位置的導(dǎo)軌上。 (2)用雙穩(wěn)態(tài)磁保開關(guān) 該方法需要對(duì)磁保開關(guān)的不同狀態(tài)進(jìn)行編碼，較麻煩。 圖 35 雙穩(wěn)態(tài)磁保開關(guān) (3)采用旋轉(zhuǎn)編碼器 目前的 PLC 一般都具有專用計(jì)數(shù)單元或高速脈沖輸入端，所以為獲取電梯運(yùn)行的準(zhǔn)確位置，可采 用編碼器。 編碼器實(shí)物和原理如圖 36 所示。電梯的轎廂所處的位置及運(yùn)行速度用碼盤來(lái)檢測(cè)，檢測(cè)所得的位置及速度作為位置反饋信號(hào)和速度指示信號(hào)。 由于本文是五層電梯的控制故選用感應(yīng)器檢測(cè)轎廂位置，如圖 37 所示： 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 16 16 圖 37 電梯的平層、停層裝置示意圖 PLC 的概述及選型 (1)PLC 的概述 PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 PLC 具有以下特點(diǎn)①高可靠性，強(qiáng)抗干擾能力②配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)③重量輕、體積小、能耗低④系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造的工作量小，維護(hù)方便，易改造⑤學(xué)用容易，深受歡迎。 CPU226 的輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)為 24 入 /16 出，EM223 為 16 入 /16 出，形成輸入點(diǎn)數(shù)共 40 點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù) 32 點(diǎn)，滿足系統(tǒng)要求。 圖 38 PLC 實(shí)物圖 電梯控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)是采用 ORMON 3G2JV 型變頻器和西門子 S7200 型 PLC 組成的頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng) ,電氣控制硬件框圖如圖 39 所示。電梯的調(diào)速部分選用高性能的矢量控制變頻器。發(fā)給調(diào)速系統(tǒng)的速度信號(hào)、門機(jī)的開關(guān)門信號(hào)、 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 18 18 樓層顯示及呼叫顯示 信號(hào)。如圖 310 所示 圖 310 電梯拖動(dòng)電路電路圖 基于 PLC 的五層電梯控制系統(tǒng) 1