PLC 技術在電梯控制系統的應用*

(武漢工程科技學院,湖北武漢 430200)

1 電梯業控制系統發展過程

1.1 電梯控制系統的發展

電梯控制系統的發展主要包括兩個階段,首先是繼電控制系統,它作為一種原始的控制系統,主要應用在電梯產品的初始時期,通過邏輯電路實現整個系統運行控制作用。該系統所需要的元器件數量較多,在安裝和調試方面十分復雜,并且系統運行中容易出現干擾問題,已經逐漸被淘汰。其次是PLC控制系統,該系統具有良好的應用優勢,在安裝調試方面十分便捷,并且控制性能較好,系統的使用年限也較長,應用十分廣泛[1]。

1.2 PLC起源與發展

PLC技術最早起源于20世紀60年代末,由美國數字設備公司研制出第一款可編程邏輯控制器PDP-14,主要應用與汽車制造領域。隨著時間推移,PLC技術體系日益成熟,通過采用CPU微處理器,使得PLC技術使用功能持續完善,大幅提高了PLC的可靠性與數據處理能力。另外,通過現代智能技術的融入,逐漸滿足人們對電梯更多的功能性需求。

1.3 PLC技術特點

1.3.1 運行可靠及抗干擾

首先,多數可編程邏輯控制器均采取微電子技術,使用工業級或是軍用級電子器件,在實際運行期間,不易出現電子器件故障損壞問題,提高了系統的運行效率,并且其診斷功能可以自動診斷與處理絕大多數運行故障,提高系統的穩定性能。

其次,在系統運行期間,主要受到脈沖式與瞬時性干擾影響,PLC控制系統在多次掃描后進行響應,瞬時干擾很難對系統運行狀態造成明顯影響,這將有效預防和減少系統誤動作的出現,在客觀層面上增強了系統抗干擾能力。

1.3.2 編程簡單

PLC系統編程語言由控制梯形圖及命令語句組成,并具有可塑性與靈活性特征,系統編程難度較低。

1.3.3 組態靈活

與傳統繼電器控制系統相比,PLC系統創新性采取了積木式結構,不但降低了系統設計與程序開發難度。同時,在電梯控制系統使用期間,隨著使用需求的變化,技術人員可以對PLC系統積木結構進行重新組合調整,以此來改變電梯控制系統的規模及功能結構,切實滿足電梯使用需求,避免出現功能缺失與閑置問題[2]。

1.3.4 易于安裝

在PLC電梯控制系統安裝階段,工作人員僅需將執行機構與可編程邏輯控制器I/O接口端子加以連接,即可完成PLC安裝,整體安裝步驟較為簡單,不易出現安裝質量問題。同時,在系統檢測電路中設置診斷指示器,當指示器發出故障信號時,工作人員根據信號情況鎖定具體故障點,直接更換全新的插入式部件來替換故障模塊即可。

2 基于PLC技術的電梯控制系統設計

2.1 總體設計原則

為充分發揮PLC技術優勢,技術人員需要結合實際使用需求與系統情況,樹立正確的技術應用思路,并遵循總體設計原則:在條件允許前提下,將滿足被控對象實際控制要求為首要目的,在實現這一目標基礎上,發揮PLC技術優勢,如能耗低、編程簡單與抗干擾等,確保PLC系統安全可靠[3]。

2.2 一般設計步驟

2.2.1 確定控制范圍

為保證所開發PLC電梯控制系統滿足實際使用需求,不會出現使用功能缺失與閑置問題。因此,技術人員需要提前對相關信息資料進行采集分析,如被控對象特點與現場環境等,在其基礎上繪制狀態流程圖,明確技術指標,如PLC系統可靠性與安全性要求等。同時,正確認識PLC控制任務及要求,以及機械運動與電氣元件間的關系。

2.2.2 制定技術方案

在已知信息基礎上,結合電梯系統控制與使用需求,科學制定技術方案,在方案中明確以下內容:第一,合理選擇系統控制方式與運行方式,如自動控制與手動控制方式。第二,明確系統中設置的電氣元件,如傳感器、限位開關、電動閥與指示燈等元件設備。第三,明確輸入信號、輸出信號與PLC驅動信號類型,以此為依據,合理選擇可編程邏輯控制器型號與功能模塊種類數量。

2.2.3 PLC系統軟硬件設計

技術人員做好設備選型與I/O硬件配置工作,將被控對象特點為主要依據,正確處理技術先進與經濟適宜二者關系,在滿足電梯系統實際控制需求的前提下,準確計算可編程邏輯控制器與各類電氣元件的最佳配置數量,確定PLC輸入及輸出地址。隨后,根據已知信息繪制梯形圖,編寫電梯控制程序系統,并實現啟動/轉速與轎內指令等功能[4]。

2.2.4 調試運行

在PLC電梯控制系統設計完畢后,對系統開展模擬調試運行試驗,觀察系統在不同工況條件下的運行情況是否符合預期要求,對調試過程與各項指標進行記錄,根據調試結果對系統程序進行優化調整。并將系統程序固化至EPROM。

2.3 主要設計內容

2.3.1 可靠性設計

運行可靠是PLC技術的核心優勢,也是電梯控制系統設計重要內容。在可靠性設計環節,技術人員需要遵循可靠性分配原則,將設計范圍涵蓋冗余設計、環境設計、系統安裝等方面。

2.3.2 安全性設計

為強化PLC電梯控制系統的應急處理能力,減小運行故障與突發問題對系統運行狀態造成的影響,應開展安全性設計工作。例如,在電梯控制系統中的主要回路以及設備中設計事故按鈕,由非半導體機電元件構成安全回路。如此,在電梯控制系統運行期間出現故障問題時,安全回路與PLC保持獨立運行狀態,并通過按下事故按鈕實現緊急停車,確保電梯控制系統處于安全運行狀態,不會造成嚴重經濟損失與人員傷亡。

2.3.3 標準化設計

基于PLC 技術所開發電梯控制系統具有可擴展性特征,可以隨著系統使用需求的變化,對系統結構與功能模塊進行升級改造。因此,為便于電梯控制系統的升級與擴展改造,技術人員需要嚴格遵循相關規范,盡可量配置安裝標準電氣元件,避免在系統升級改造期間產生不必要的沖突。

2.4 編程語言

將電梯系統控制需求與控制功能為主要依據,合理選擇編程語言。以應用最為常見的梯形圖語言為例,在所開發控制系統程序中,以梯形圖圖形符號為描述方式,在梯形圖內將時間因果關系以階梯狀進行呈現。如此,在程序按特定順序掃描梯形圖時,可以準確掌握時間因果關系與條件情況。

2.5 硬件設計

2.5.1 控制方式選擇

在系統控制方式選擇環節,常見控制方式有單機控制、遠程I/O控制與分布式控制方式三種,不同方式的控制原理與適用范圍有所不同,技術人員應結合實際情況合理選擇,具體如下:(1)單機控制。在采取這一控制方式時,所開發電梯控制系統中僅分布少量輸入點與輸出點,由單臺可編程邏輯控制器來控制多個電氣設備,這類控制方式也被稱作為集中控制方式,以動作順序為依據來排列各項控制對象,且控制位置相對較為集中,當前主要被用于流水線控制領域。(2)遠程I/O控制。這類控制系統由I/O 模塊與引入控制器加以組成,具有控制對象位置分散的特征,通過I/O通道進行遠程控制,適用于工業現場。(3)分布式控制。在系統中設置若干數量可編程邏輯控制器,由數據通信線將多臺PLC 連接成整體性系統,且各臺PLC 保持獨立運行狀態。如此,PLC 與被控對象出現故障時,并不會對其他設備與系統整體運行狀態造成明顯影響,系統運行安全可靠,但系統設計難度與建設成本較大。

2.5.2 PLC機型選擇

PLC機型選擇時,技術人員應根據系統使用需求,從結構、控制功能、通信聯網與存儲量等多個方面進行分析,評估各型號PLC的單項分數,選擇配置總體評分最高的PLC設備。例如,從物理結構層面來看,整體式PLC具有結構簡單與價格低廉的優勢,但會削弱電梯控制系統的擴展能力與靈活性。而模塊式PLC具有適用范圍廣與擴展容易的優勢,在出現運行故障時,可以直接更換故障模塊來恢復系統正常運行狀態,但是,這類PLC的采購價格相對較高[5]。

2.5.3 變頻器控制方式選擇

變頻器控制方式包括正弦脈寬調制控制、電壓空間矢量控制、直接轉矩控制與矢量控制四種,技術人員應結合系統控制需求加以合理選擇。以正弦脈寬調制控制方式為例,其具有能耗低、控制簡單與機械性能好等優勢。但是,當變頻器處于低頻運行狀態時,會大幅削弱變頻器靜態調速以及轉矩性能,偶爾出現運行故障。

2.5.4 電源選擇

根據系統運行情況來看,電源是干擾引入的重要途徑,如果PLC系統電源選擇不當,將會提高系統誤操作問題出現概率。因此,為保證系統安全穩定運行,可選擇小畸變穩壓器的電源或橋式全波整流電源。同時,在系統調試運行期間出現供電異常與電壓大幅波動現象時,則使用穩壓電源替代原有電源進行供電。而在負載電流值較大時,則采取外設電源供電方式。

2.6 程序設計

基于PLC系統控制方式,明確電梯控制程序的設計流程與思路。例如,PLC技術開發單臺電梯控制系統工作流程如圖1所示。在系統運行期間,轎廂控制面板、層面火警開關與井道行程開關等設備持續向PLC中輸入控制信號、指令信號、消防信號等數據,PLC依次轉入輸入采樣、用戶程序執行與輸出刷新階段,完成可編程邏輯控制器輸出操作,控制電梯系統開展開/關門、上/下行與停站等操作。

圖1 PLC 單臺電梯控制系統工作流程圖Fig.1 Working flow chart of PLC single elevator control system

3 結語

綜上所述,在電梯控制系統中,PLC技術是一項應用較為常見的控制技術,可以進一步提高系統的運行穩定性、響應速度與抗干擾性能,是大幅度提升電梯控制水平的重要技術手段。因此,技術人員需要提高PLC技術重視程度與應用力度,全面掌握PLC技術要點,持續完善技術應用體系,為電梯控制技術的全面改進提供方向。