基于PLC的船用變頻載貨電梯設計

張松濤， 余鳳豪， 吉 哲

(海軍蚌埠士官學校，安徽蚌埠 233012)

0 引言

船用載貨電梯用于船舶上運送貨物，目前多采用單速或雙速交流電動機驅動，調速性能弱，變速時有級差，運行穩定性不好，且運行效率低。變頻器能夠對三相異步電動機實現平滑的無級調速，可以有效改善電梯的性能，提高效率，但曾因價格昂貴而主要應用于載客電梯，隨著變頻器性價比的提高，其應用范圍越來越廣泛。電梯控制系統主要有繼電器-接觸器控制系統、計算機控制系統和PLC控制系統，繼電器-接觸器控制的電梯控制系統的工藝性差、運行的可靠性與安全性較低;計算機控制的電梯在智能控制方面有強大的功能，但設計復雜、抗干擾能力差、維修難度大;PLC控制的電梯功能強大、運行可靠、抗干擾能力強，且維護方便［1-2］。為了提高船用載貨電梯的綜合性能，把變頻器應用到其調速系統中，并用PLC進行控制，設計了6層船用變頻載貨電梯的控制系統。

1 總體控制功能

1.1 電梯運行狀態

電梯設置兩種運行狀態，即檢修狀態和工作狀態。檢修狀態時，設置上行和下行低速點動控制，工作狀態時，進行正常的載貨運行。運行狀態轉換開關設置在曳引電動機附近的電梯控制箱內，控制箱內還設置有檢修狀態時的上行和下行點動控制按鈕、各種故障報警燈、1個蜂鳴器和報警復位按鈕。

1.2 呼叫控制

載貨電梯的呼叫按鈕設置于每層甲板的層門旁，轎廂內不設按鈕。每層甲板的層門旁設置一個操縱盒，里面除了 1、2、3、4、5、6 層甲板的 6 個呼叫按鈕外，還均設置1個急停按鈕、1個允許運行指示燈、1個占用指示燈、1個故障報警燈、1個超載報警燈和蜂鳴器，在每層甲板的操縱盒里按下指定層的呼叫按鈕，電梯都會駛至該層。呼叫不設置記憶功能，電梯在占用時，按下呼叫按鈕，均無效，只有在電梯空閑時，才可進行召喚。

1.3 開關門控制

在載運貨物的過程中，電梯層門和轎廂門需長期開起以便裝卸貨物，其開起與關閉均通過人工進行，開起與關閉的狀態通過傳感器進行監控。

1.4 安全保護

船舶的工作環境惡劣，電梯更易發生故障，為保證設備的安全，設置了多種保護措施，主要有工作環境保護、超載保護、超速保護、門聯鎖保護、上下限位保護、熱保護、斷繩保護、斷相錯相保護和彈簧緩沖保護等。工作環境保護［3］，由于船用載貨電梯只能工作在一定的海況下，需要有船舶橫傾和縱傾狀態傳感器進行監測，另外，還有井道溫度傳感器、濕度傳感器和控制系統絕緣測量裝置，監測結果反饋給PLC，PLC把監測結果與預設值進行比對，進而判斷能否允許電梯運行;超載保護在曳引輪上設置傳感器，一旦轎廂超載，不允許電梯運行并發出警報;超速保護利用旋轉編碼器測量曳引輪的轉速，進而確定電梯的運行速度，電梯超速后進行保護，并控制安全鉗剎停轎廂和對重，確保設備的安全運行;門聯鎖保護，電梯的轎廂門和所有層門均關閉后，電梯才能運行;上下限位保護用于保護電梯在制定的區間內運行;熱保護用于保護曳引電動機，防止其過載。本文介紹的電梯采用了3根曳引鋼絲繩，每根鋼絲繩均安裝了傳感器，一旦鋼絲繩斷裂，即可發出警告，并保護停車;斷相錯相保護用于防止電源斷相和錯相;彈簧緩沖保護裝置起沖頂和撞底保護的作用。

2 硬件設計

2.1 PLC控制系統設計

電梯的PLC控制系統主要由信號控制系統和拖動控制系統兩部分組成，其基本組成結構［4-5］如圖1 所示。

圖1 電梯的PLC控制系統示意圖

主要硬件包括PLC、變頻器、控制箱、操縱盒、信號顯示、安全保護系統、電源與拖動系統等。PLC為控制系統的核心，來自控制箱、操縱盒、信號裝置和安全保護系統等的外部信號通過輸入接口送入PLC內部，PLC進行邏輯運算與處理，再經過輸出單元分別向變頻器發出上行、下行、變速和停止等信號，向樓層顯示和占用信號燈發出顯示信號，故障時向報警系統發出聲光報警信號，從而實現電梯運行狀態的控制。

2.2 變頻調速

變頻器通過改變電源頻率實現三相異步電動機的無級調速，使三相異步電動機的調速性能大大改善，且能節約一定的能源。本文選用安川電機公司生產的VS-616G5型變頻器［6］，其頻率控制范圍為0.1～400 Hz，調速范圍廣，具有功能全、體積小、保護功能完善、維修性能好等優點［7］。由于載貨電梯一般只用來載運貨物，其加減速過程中的舒適性無需考慮，因此在確保安全的前提下，選用高速的船用電動機，盡量讓電梯高速運行，以提高運行效率，其運行速度根據距離的遠近自適應調整，距離近時以低速運行，距離遠時，以較高速度運行。

2.3 旋轉編碼器

旋轉編碼器是一種旋轉式測量裝置，安裝在被測軸上并隨被測軸一起轉動，用來測量轉動量(主要為轉角)，并將它們轉換成脈沖信號輸出。把旋轉編碼器的轉軸與曳引電動機的轉軸直接相連，就可以檢測出電梯的轎廂運行速度及所處的位置，相對于傳統的靠傳感器和繼電器來測量轎廂的速度和位置，大大簡化了線路，提高了系統運行的可靠性，也便于檢修［8-9］。

2.4 樓層顯示

用7段LED顯示器顯示，為了節省PLC的輸出端，用4點輸出BCD碼，經CD4511芯片譯碼后送7段數碼顯示，CD4511的A～D數據輸入端接PLC的4個輸出端，其輸出端接7段LED顯示器的7個輸入引腳。

2.5 PLC 的選型

經過計算，現場共有23個輸入信號和30個輸出信號，選用控制功能強、可靠性高的西門子S7-200 CPU226基本單元(24入，16出)，外加EM223擴展模塊(16入，16出)，能夠滿足本系統的要求，并留有余量。系統所需總內存字數=開關量I/O總點數×(10～15)+模擬量I/O總點數 ×(150～250)［7］，再按約 30% 預留余量，估算本系統需要約1 K字節的內存容量，選用的PLC也能滿足要求。

3 軟件設計

S7-200的編程控制采用STEP7，其功能強大、使用方便、簡單易學，設計的程序流程圖如圖2所示。

圖2 電梯的PLC控制流程圖

3.1 呼叫信號控制

考慮載貨電梯的工作實際，電梯在工作時，只應答最先下達的呼叫指令，后續呼叫均無效，直至電梯空閑時(占用指示燈滅)，才可繼續呼叫。

3.2 選向控制

電梯的選向利用比較指令判斷來完成，把獲得的呼叫指令與電梯當前位置進行比較，若甲板層號大于當前層，則上行，小于則下行，等于則不動。

3.3 速度控制

電梯的速度控制包括電梯的起動、加速、全速、減速運行，直至停止。電梯起動時，PLC向變頻器下達正轉或反轉起動指令，并根據距離確定全速運行的速度，電源頻率從0逐漸升高，直至穩定運行，接近目標樓層后開始減速，到達平層位置時，頻率降低至0，電動機停止并制動。

3.4 報警信號控制

當電梯超載時，會向操縱盒和控制箱發出過載聲光信號，待過載消除后，報警自行消失;當電梯發生故障時，會向操縱盒和控制箱發出聲光信號，操縱盒里的故障指示燈會亮，在控制箱里會有具體的故障部位燈光指示，按下復位按鈕后，報警會解除;如果層門和轎廂門沒有關閉到位，會有語音提醒，關閉到位后，提醒自行取消。

4 結語

船用載貨電梯采用變頻器進行調速控制，能改善載貨電梯的運行性能、提高效率、節約能源，PLC可適應船舶惡劣的工作環境、可靠性高、維護方便，把變頻器和PLC結合起來進行船用載貨電梯的控制，可提高船用載貨電梯的綜合性能。

［1］劉霞.PLC在電梯控制系統中的應用［J］.電氣應用，2008，27(4):49-51.

［2］陳美謙.基于PLC/MCGS的電梯系統研究［D］.廈門:廈門大學，2007.

［3］牽松玲.PLC控制交流變頻調速控制系統在船用電梯中的應用［J］.船舶工程，2009，31(增刊):109-112.

［4］何強.基于變頻技術的電梯PLC控制系統設計［D］.合肥:合肥工業大學，2010.

［5］羅鋒華，房馳.西門子S7-200 PLC及變頻器在電梯控制系統中的應用［J］.電機與控制應用，2010，37(11):42-45.

［6］安川電機.Varispeed-616G5使用說明書［G］.2003.

［7］鄭學偉.基于PLC的電梯控制系統［D］.天津:天津大學，2006.

［8］孫后環，白崇哲.基于PLC脈沖選層的電梯控制系統［J］.電氣傳動，2003(1):36-39.

［9］金海旻.基于PLC的四層電梯控制系統的設計［D］.內蒙古:內蒙古大學，2011.