基于PLC與變頻器的船用載貨電梯控制系統研究

沈小波，胡緒昌，項衛東，孟海輝

（中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

基于PLC與變頻器的船用載貨電梯控制系統研究

沈小波，胡緒昌，項衛東，孟海輝

（中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

某型船用載貨電梯采用PLC控制。PLC單獨使用時，在控制裝置在使用過程中存在一些不足，會出現運行不穩定、能耗大、噪音大等問題。通過加裝變頻器對某型船的PLC單獨控制的系統進行系統的升級改造，介紹了基于 PLC 與變頻器的電梯控制系統硬件組成方案及邏輯控制程序。仿真結果表明加裝變頻器后，電梯故障率降低，提高了電梯運行的安全性和可靠性。

載貨電梯 變頻器 PLC

0 引言

PLC，其英文為Programmable Logic Controller，簡稱為可編程序控制器，在各類電氣設備中應用比較廣泛。在船船上很多電氣設備也都是由PLC控制系統來進行控制，例如：船舶主機、減搖鰭、空壓機、輔鍋爐、客梯和載貨電梯等。在某型船上，減搖鰭和載貨電梯的控制系統就是由PLC來進行控制。雖然PLC具有其編程的語言高級化、系統控制響應速度快、系統存儲容量大、樣品品種多和控制模型智能等優點，但是該裝置在使用時，在安全和節能方面還存在不足。本文以某型船用載貨電梯為例，闡述其基于PLC與變頻器聯合控制系統在控制過程中的優點。

某型船用電梯是上世紀 70 年代生產安裝的產品，控制系統最初是包括繼電器和選層器，最初的控制系統在控制電梯運行時存在著電機起動電流大、電梯運行噪聲響、電梯停靠準確率差、設備故障頻發重等問題，加上電梯機械設備運行時間長，系統電氣元件失靈、控制線路老化現象嚴重，經常會出現限位開關失靈、電梯轎廂沖頂、亂平層、電梯運行失速等危險情況。雖然在中修改造中用PLC來代替了最老式的繼電器，但是電梯外圍的設備并沒有升級改造，致使至今故障率依然居高不下，且配件難以購買，檢修維護難度相當大。該裝置在日常使用中，發現控制電路的接觸器和限位開關發生故障的概率比較高，運行負載的能力也不強，運行時要控制在額定負荷的60%內，且在運行中不但噪音大、運行不穩定，還會因為電機剎車的短時性、不緩和性會出現安全隱患。因此，本文將根據電梯現有的PLC控制系統，增加變頻器對電梯進行聯合控制。

1 基本方案的選擇

1.1 某型船用載貨電梯主要技術性能參數

額定載重量/kg 600

靜止載重/kg 900

額定速度/ms-10.5

曳引機型號 船用曳引機YCJ-6/0.5

電動機型號 船用起重交流三相異步

電動機JZ2-H-33-4/12

電機功率/kW 8.5/3.5

控制方式 轎外按鈕PLC控制

最高提升高度/m 14.2

PLC型號 三菱FX2N-48MR

1.2 變頻器的選擇

根據電梯牽引電動機的功率，聯合控制系統可以用 器件IGBT 來作電梯電動機的變頻拖動模塊，系統的變頻器部分用電梯專用的變頻器來進行調頻調壓，（其型號為： VS-676GL5-JJL7C4022），并用 DSP來對數據信號進行處理，得到對電梯拖動系統的控制信號，從而提高電梯在運行過程中的安全性和節能性。

1.3 變頻系統電梯拖動及運行工況分析

電梯基于變頻器與PLC的聯合控制系統，在變頻器方面采用了變頻調壓與調速技術，從而改善了電梯在運行中異步拖動電動機隨運行速度而變化的轉速-轉矩機械特性，使其轉速-轉矩運行曲線更加平穩，且電動機在不同轉速工作情況下，其機械特性曲線幾乎均保持彼此平行。電梯電動機在變頻系統中隨轉速變化的曲線如圖 1 所示：

從圖1可知，當電梯的總重量大于電梯的配重，且在做上升運動時，電梯拖動電動機的運行曲線為曲線 1，此時拖動電動機的理想轉速要比實際轉速大，即其轉速的轉差率為：

式（1）中：n0為電梯拖動電動機在理想狀態下運行的轉速；n 為電梯拖動電動機的實際運行轉速。根據其轉矩的平衡方程可知，其拖動系統中的電磁功率為：

式（2）中Pm為轉子等效電路上的損耗，即為其電磁功率；I2為轉子回路上的等效電流；R2為轉子回路等效的總電阻；s為運行時速度的轉差率。

當電梯的總重量大于電梯的配重，且電梯是在下降運行時，拖動電動機的轉速-轉矩運行曲線為上述圖1中的曲線3，此時電機實際運行轉速要大于理想運行轉速，其轉速轉差率為：

2 基于 PLC 與變頻器的電梯控制系統硬件組成方案

2.1 控制系統組成

基于PLC與變頻器的電梯聯合控制系統，其邏輯控制核心選用三菱公司生產的FX2N-48MR型號PLC來代替老式的繼電器。利用其來采集并處理電梯的各種信號以及DSP反饋給PLC的反饋信號，從而實現了對電梯的聯合控制；在控制系統中，還增加了脈沖發生器PG，一起來形成調速控制的閉環；還選用了歐姆龍公司生產的光電開關來作為系統中對樓層的計數、選層、平層、開關門限位開關等信號進行發生的裝置。其聯合系統的邏輯組成結構如圖2 所示：

圖2 基于PLC與變頻器的電梯調頻調壓調速節能控制系統

2.2 工作原理

由圖 2 可知，該聯合控制系統采用PLC 來集中處理電梯系統中產生的各種信號，然后通過PLC控制系統中的DSP來進行處理和邏輯運算，得到系統所需要的正確控制信號(如電梯拖動電機正轉及反轉、電梯拖動電機的加速、勻速及減速、電動機運行啟動及停止運行等信號)、樓層呼叫信號、電梯向上運行或向下運行的方向信號和門開關的限位開關信號等；同時系統中的變頻器會將電梯的運行情況和相應的參數傳輸給控制的PLC，使得PLC可以更好地控制電梯的運行。系統中的變頻器根據DSP 運算處理分析得到的控制信號來控制電梯控制系統中電梯拖動電動機的運轉狀況和運行速度，從而達到改善電梯控制系統的安全穩定性和經濟性。

另外，在系統中，變頻器與PG脈沖發生器形成了閉環控制，同時，該變頻器還具有轉差率自動補償、轉矩自動補償等功能及以及“S”運行曲線的特性。這些功能使得電梯在該控制系統下的運行性能大大改善，維護和操作更加安全可靠。

3 基于PLC與變頻器的電梯控制系統邏輯控制程序

電梯基于PLC與變頻器聯合控制系統的構成和控制邏輯比較復雜，需要對電梯電動機實現的控制功能多、操控點分散。 但對于整個聯合控制系統來說，其啟動控制的運行邏輯可以按照：開門和關門→選擇停靠樓層→電動機選擇轉動方向→電動機起動→電動機加速運動→電動機勻速運動→電動機制減速→轎廂平層停靠→電機停止的運行流程來進行邏輯的編程。電梯控制程序邏輯編程的流程圖如圖 3 所示。

3.1 開關門的控制程序

電梯聯合控制系統中控制電梯開關門的子系統是一個相對獨立的小控制單元，其主要用來控制電梯轎廂門的開啟和關閉。電梯門分為電梯的轎廂門和電梯的廳門。在電梯的運行過程中，電梯的轎廂門由專門的拖動電動機負責牽引拖動，從而實現對電梯轎廂門開關的控制；當電梯運行還未到達該樓層的位置開關時，電梯的廳門則始終被控制于閉鎖禁止開啟的狀態，電梯轎廂門限位開關此時有一個串聯連接的閉鎖作用，提高了對電梯門廳控制的安全性。

3.2 電梯指層和呼梯邏輯控制程序

對于電梯聯合控制系統中，樓層顯示控制系統設計，最關鍵的就是在電梯的轎廂內部和電梯的廳門外部能夠對電梯運行時所在的實際位置和運行方向進行動態顯示。顧客的呼梯使用信號，就是控制 PLC 能夠綜合處理各層的選層使用信號，通過PLC 內部的記憶單元和數據處理的單元對各選層使用信號進行動態分析和運算，形成此時的最優調配控制命令，并發送給變頻器，得到控制電梯拖動電動機運行的控制命令。當電動機運行時，控制系統就會自動將該控制信號刪除，為下一個信號騰出空間，避免出現控制命令重復，發生危險。

圖3 電梯控制程序邏輯編程流程圖

3.3 電梯起動和運行控制程序

電梯在開始運行前，應由控制系統根據顧客使用的呼梯使用信號和電梯轎廂內的選層使用信號，形成適時的控制命令，并將該命令傳輸給變頻器進行執行。在電梯動作運行過程中，電梯轎廂門和電梯廳門的閉鎖禁用非常重要。當電梯拖動電動機減速運行到達平層點位置，觸碰限位開關時，則PLC控制系統采集到電梯平層的信號，系統會發出停車指令，由變頻器控制電動機進行減速停車。

3.4 電梯運行速度曲線

對只有PLC控制和加裝變頻器聯合控制兩種情況下的電梯運行速度曲線進行仿真，得到速度曲線圖如圖4、圖5所示。

圖 4 PLC控制電梯運行速度曲線

圖5 加裝變頻器聯合控制后電梯運行速度曲線

從兩個速度曲線對比中可以看出，當電梯只有PLC控制時，電梯運行速度的變化比較快，尤其是在減速剎車時，這樣對設備和外圍物件的沖擊較大，對操作人員有安全危害；當加裝變頻器聯合控制時，電梯的加速和減速時間基本一致，且加速和減速都比較平緩，尤其是減速剎車時有一個平穩的過渡，這樣對設備和外圍物品的沖擊大大減小，操作人員的安全得到可靠保證。

4 結束語

基于PLC與變頻器聯合控制的電梯調速控制系統，利用PLC與變頻器對電梯控制系統進行技術升級改造后，簡化了電梯控制系統的邏輯布線結構，使電梯故障率大大降低，大大提高了電梯運行的安全性和可靠性，且節能效果明顯，對于船用載貨電梯的各項性能都有顯著提高。因此，利用基于PLC和變頻器的聯合控制系統對船用電氣設備進行控制可行、有效，為船舶電氣設備的控制改造提供了一個新思路。

[1] 羅興全. PLC控制變頻調速電梯電氣控制系統. 電氣傳動自動化, 2012, 34（3）: 40-43

[2] 鄧利紅. 基于變頻器與PLC的載貨節能環保電梯設計. 煤炭技術,2012,31（1）: 56-58

[3] 許文斌, 徐健, 張慶君. 基于PLC與變頻器的電梯節能控制系統研究. 機械與電子, 2008（35）: 241-242.

Controller System of Marine Cargo Carrying Elevator Based on PLC and Transducer

Shen Xiaobo, Hu Xuchang, Xiang Weidong, Meng Haihui
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, Jiangsu, China)

PLC controller is used in a marine cargo elevator. There are some shortcomings in the use of the PLC, such as running instability, large energy consumes, high noise and so on. The transducer is equipped for the system to upgrade PLC control system. Hardware and logic control program of elevator's control system are introduced based on PLC and transducer. Simulation results show that the malfunction of the elevator with transducer becomes low, and safer and reliabler.

cargo elevator; transducer; PLC

TP273

A

1003-4862（2015）06-0041-04

2015-03-25

沈小波（1980-），男，工程師。研究方向：船舶動力。