張德民，劉洪錦，高強(qiáng)，王旭

（1.天津理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384；2.天津市復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

1 引言

電梯是高層建筑中的重要交通運(yùn)輸設(shè)備，經(jīng)常由于供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致電梯無(wú)法啟動(dòng)、急?；驉炄说葐栴}發(fā)生，給電梯的使用者帶來(lái)極大的傷害。為此，電梯供電系統(tǒng)采用了雙電源設(shè)計(jì)，即常用電源和備用電源，但是常見的雙電源設(shè)計(jì)中沒有考慮電梯環(huán)境的特殊要求，使其在使用中很難發(fā)揮應(yīng)有的作用。本文專門設(shè)計(jì)了一種采用S7－300PLC控制的電梯雙電源供電切換裝置，具有后備電池供電、語(yǔ)音提示和無(wú)線救援等特殊功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

電梯雙電源供電裝置主要包括：后備電池單元、主回路檢測(cè)單元、PLC控制單元、轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)、語(yǔ)音播放器和無(wú)線救援單元，參見圖1。下面具體說(shuō)明每部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 雙電源轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The scheme of double power supply device

2.1 后備電池單元

傳統(tǒng)的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制電源來(lái)自常用或者備用電源，當(dāng)常用電源盒、備用電源都斷電時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制部件因?yàn)闆]有電而無(wú)法工作，因此不能進(jìn)行故障記錄和狀態(tài)恢復(fù)等一系列操作。

為克服上述缺點(diǎn)，電梯專用雙電源轉(zhuǎn)換裝置采用了后備電池設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在線和離線兩種方式下的轉(zhuǎn)換。由于有后備電池單元給控制系統(tǒng)提供直流電源，即使在常用電源盒、備用電源都出現(xiàn)故障（包括斷電、缺相、欠壓等情況），轉(zhuǎn)換裝置的控制部分仍然可以離線式運(yùn)行，包括故障記錄查詢、常用備用切換和狀態(tài)恢復(fù)等。

后備電池單元的工作原理，參見圖2。

圖2 后備電池單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The scheme of back－up battery module

后備電池單元在常用／備用電源主回路上通過三相變壓器降壓取電，得到交流24V電源AC 24V－N和AC 24V－R，再經(jīng)過三相整流濾波電路得到直流電源DC 24V－N和DC 24V－R。DC 24 V－N和DC 24V－R分別經(jīng)過單向二極管D1－N和D1－R匯總到一起，得到直流電源DC 24V－NR。DC 24V－NR經(jīng)過穩(wěn)壓電路后得到穩(wěn)壓直流電源DC 24V。DC 24V又分成2個(gè)分支，第1個(gè)分支：PLC控制單元；第2個(gè)分支電池充電電路。當(dāng)常用和備用電源主回路都出現(xiàn)故障時(shí)，后備電池通過放電電路向PLC控制單元輸送24V直流電源。

2.2 主回路檢測(cè)單元

主回路檢測(cè)單元負(fù)責(zé)常用、備用電源主回路的電源參數(shù)檢測(cè)，包括斷電、缺相和欠壓。如果常用或備用電源出現(xiàn)上述故障，主回路檢測(cè)單元會(huì)自動(dòng)向PLC控制單元發(fā)出主回路故障信號(hào)，作為常用、備用轉(zhuǎn)換的判斷依據(jù)。主回路檢測(cè)單元的工作原理如圖3所示，常用和備用主回路采用相同的設(shè)計(jì)方法，常用主回路檢測(cè)單元輸出信號(hào)是MAIN－OK－N，備用主回路檢測(cè)單元輸出信號(hào)是MAIN－OK－R。當(dāng)輸出信號(hào)為高電平（DC 24V）時(shí)，表示主回路正常，否則表示故障。

圖3 主回路檢測(cè)單元原理圖Fig.3 The scheme of main power test module

2.3 PLC控制單元

PLC控制單元是整個(gè)轉(zhuǎn)換裝置的控制部分，它的工作電源由后備電池單元提供；它的輸入信號(hào)來(lái)自常用、備用主回路檢測(cè)單元、轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程開關(guān)和操作鍵盤；它的輸出信號(hào)去向包括3部分，第1部分：轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)；第2部分：電梯語(yǔ)音播放器；第3部分：電梯無(wú)線救援。PLC控制單元的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 PLC控制單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The scheme of PLC control module

2.4 轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一套機(jī)械裝置，它通過一臺(tái)雙向交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒條直線運(yùn)動(dòng)，將常用或備用電源的斷路器合上或者斷開。常用和備用之間的動(dòng)作是相斥的，即常用合閘時(shí)備用斷開；反之，備用合閘時(shí)常用斷開。轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)常用和備用同時(shí)斷開的動(dòng)作，即雙分動(dòng)作。

轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)由PLC控制單元發(fā)送來(lái)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)2個(gè)信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)方向。

常用合閘、備用合閘和雙分動(dòng)作執(zhí)行的反饋信號(hào)通過安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)，PLC控制單元根據(jù)行程反饋信號(hào)可以防止合閘過程中出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of switching actor

2.5 電梯語(yǔ)音播放器

電梯環(huán)境對(duì)雙電源轉(zhuǎn)換裝置有著特殊的要求，尤其在電梯運(yùn)行中常用或備用電源出現(xiàn)突發(fā)性故障導(dǎo)致電梯急停，電梯轎廂是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，那么轎廂里的乘客會(huì)受到驚嚇而感到恐慌。為此，在電梯雙電源轉(zhuǎn)換器中設(shè)計(jì)了語(yǔ)音播放器。當(dāng)電梯主回路電源發(fā)生故障而無(wú)法運(yùn)行時(shí)，安裝在轎廂的應(yīng)急燈會(huì)自動(dòng)打開，同時(shí)反復(fù)播放故障說(shuō)明，使乘客得到安慰。根據(jù)電梯主回路電源故障的類型，設(shè)計(jì)了以下故障提示。

1）電梯主回路常用電源故障，正在轉(zhuǎn)換到備用電源運(yùn)行。

2）電梯主回路常用和備用電源故障，電梯無(wú)法運(yùn)行，請(qǐng)按下操作盤上的緊急報(bào)警按鈕、撥打操作盤上的報(bào)警電話。

3）電梯主回路恢復(fù)正常供電，電梯在校正運(yùn)行中，請(qǐng)握好扶手，不要依靠轎門，開門后注意觀察平層位置，防止發(fā)生跌落。

這3條故障提示分別對(duì)應(yīng)電梯主回路的3種供電狀態(tài)，由PLC控制單元根據(jù)主回路的故障狀態(tài)來(lái)判斷播放哪一條提示。當(dāng)常用電源出現(xiàn)故障時(shí)，如果備用電源正常，則播放第1條；如果備用電源也出現(xiàn)故障，則播放第2條；當(dāng)電梯主回路常用電源恢復(fù)正常時(shí)，播放第3條。

電梯語(yǔ)音播放器包括控制信號(hào)、語(yǔ)音芯片、放大器和揚(yáng)聲器等部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。在語(yǔ)音芯片中固化了上述3條提示音，與3個(gè)控制信號(hào)一一對(duì)應(yīng)。

圖6 語(yǔ)音播放器的結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structure diagram of audio player

2.6 電梯無(wú)線救援單元

在電梯發(fā)生主回路電源故障之后，電梯的運(yùn)行會(huì)受到一定的影響，甚至發(fā)生電梯安全事故，這是因?yàn)椋喊l(fā)生電源故障時(shí)，如果電梯正在運(yùn)行中，因失去動(dòng)力而急停，可能會(huì)沖撞安全回路，造成安全回路動(dòng)作，如蹲底或沖頂造成的底坑緩沖器、極限開關(guān)動(dòng)作；超速造成的安全鉗、夾繩器動(dòng)作等等。當(dāng)電梯主回路電源恢復(fù)正常時(shí)，這些安全回路的開關(guān)是不能自動(dòng)復(fù)位的，必須由電梯維保員手動(dòng)復(fù)位。

另外，電梯主回路發(fā)生電源故障時(shí)，即使電梯沒有發(fā)生急停，如果電梯內(nèi)有乘客，因?yàn)椴恢离娫垂收隙嚅L(zhǎng)時(shí)間會(huì)解決，也很有必要及時(shí)將乘客解救出來(lái)。

這就是常說(shuō)的“電梯悶人”，現(xiàn)在大部分電梯轎廂里的對(duì)講機(jī)和電話基本上不能正常使用。電梯轎廂又是密閉的金屬殼體，如果沒有安裝手機(jī)信號(hào)放大器，手機(jī)基本上沒有信號(hào)，被關(guān)的乘客無(wú)法與外界聯(lián)系，只能靠大聲呼救。

在上述情況下，電梯無(wú)線救援器會(huì)自動(dòng)向電梯維保員發(fā)送救援信息，維保員會(huì)在最短的時(shí)間內(nèi)趕到事故現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行故障處置和解救乘客。

電梯無(wú)線救援器內(nèi)部有一個(gè)救援信息表，由故障信號(hào)輸入點(diǎn)、故障短信描述和手機(jī)號(hào)碼組成。故障輸入點(diǎn)分別來(lái)自PLC控制單元和電梯安全回路，這樣由雙電源轉(zhuǎn)換器、電梯控制器和無(wú)線救援器共同構(gòu)成一個(gè)在線式的電梯故障無(wú)線短信救援系統(tǒng)。

電梯無(wú)線救援器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括控制信號(hào)、短信存儲(chǔ)器、手機(jī)模塊、SIM卡等部分。

圖7 無(wú)線救援模塊的結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure diagram of wireless message module

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有嚴(yán)格的要求。目前市場(chǎng)上的雙電源轉(zhuǎn)換裝置多采用單片機(jī)控制，雖然在生產(chǎn)成本上有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在穩(wěn)定性和可靠性方面有所欠缺，為此本裝置采用S7－300PLC作為主要的控制器，另外輔以主回路檢測(cè)器、語(yǔ)音播放器和無(wú)線救援器構(gòu)成一套模塊化的控制系統(tǒng)，PLC輸入輸出信號(hào)如表1所示。

表1 PLC輸入輸出信號(hào)表Tab.1 PLC I／O signal list

3.1 S7－300PLC輸入信號(hào)

在電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置控制中，S7－300PLC的輸入信號(hào)包括操作面板、主回路電源檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程反饋、電梯安全回路聯(lián)鎖等信號(hào)。

操作面板控制信號(hào)。根據(jù)電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置的控制需要，操作面板上設(shè)計(jì)了以下操作開關(guān)。

手動(dòng)／自動(dòng)控制方式選擇開關(guān)：按下后，選擇自動(dòng)控制方式，否則手動(dòng)控制方式。

手動(dòng)常用合閘：按下后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將常用電源合閘。

手動(dòng)備用合閘：按下后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將備用電源合閘。

手動(dòng)雙分：按下后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將常用電源、備用電源都斷開，處于雙分狀態(tài)。

自動(dòng)自投自復(fù)：當(dāng)常用電源故障后，接通備用電源，在常用電源恢復(fù)正常后，再自動(dòng)轉(zhuǎn)換到常用電源合閘。

自動(dòng)自投不自復(fù)：當(dāng)常用電源故障后，接通備用電源，在常用電源恢復(fù)正常后，不再自動(dòng)轉(zhuǎn)換到常用電源合閘。

主回路電源檢測(cè)信號(hào)：包括常用電源檢測(cè)正常信號(hào)和備用電源檢測(cè)正常信號(hào)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程反饋信號(hào)，表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出動(dòng)作的執(zhí)行情況，提高執(zhí)行輸出到位的可靠性，包括常用合閘到位行程開關(guān)信號(hào)、備用合閘到位行程開關(guān)信號(hào)和雙分到位行程開關(guān)信號(hào)。

電梯安全回路聯(lián)鎖信號(hào)：當(dāng)電梯由于某種原因?qū)е缕浒踩芈酚|發(fā)而不能自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，電梯向S7－300PLC發(fā)出安全回路聯(lián)鎖信號(hào)，雙電源轉(zhuǎn)換裝置將自動(dòng)執(zhí)行雙分操作，防止電梯故障進(jìn)一步擴(kuò)大而導(dǎo)致設(shè)備損壞或任務(wù)傷亡。

3.2 S7－300PLC輸出信號(hào)

S7－300PLC的輸出信號(hào)包括如下幾種。

操作面板指示燈信號(hào)，包括常用電源正常、備用電源正常、常用電源合閘、備用電源合閘、手動(dòng)方式、自動(dòng)方式、自動(dòng)自投自復(fù)、自動(dòng)自投不自復(fù)指示燈。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，包括常用合閘繼電器和備用合閘繼電器控制信號(hào)。

語(yǔ)音播放器播放控制信號(hào)，包括3個(gè)輸出信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)語(yǔ)音播放器的3條語(yǔ)音。

無(wú)線救援器發(fā)送控制信號(hào)，包括2個(gè)輸出信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)主回路電源故障和電梯安全回路故障。

電梯主回路電源故障聯(lián)鎖信號(hào)，當(dāng)常用電源和備用電源經(jīng)檢測(cè)均發(fā)生故障時(shí)，S7－300PLC會(huì)向電梯控制系統(tǒng)發(fā)出“主回路電源故障聯(lián)鎖信號(hào)”，電梯控制系統(tǒng)在收到此信號(hào)后，會(huì)保持靜止?fàn)顟B(tài)，以免運(yùn)行過程中發(fā)生意外事故。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制任務(wù)規(guī)劃

電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置的軟件部分包括多個(gè)子模塊任務(wù)，主要任務(wù)包括：操作面板信號(hào)采集與指示刷新、常用備用電源檢測(cè)與合閘、語(yǔ)音播放器、無(wú)線救援器和電梯聯(lián)鎖信號(hào)控制等。

4.2 控制流程設(shè)計(jì)

在S7－300PLC中，這些任務(wù)是順序重復(fù)執(zhí)行的，因此要根據(jù)不同模塊的功能和相互關(guān)系安排好執(zhí)行的次序，本系統(tǒng)軟件部分的控制流程如圖8所示。

圖8 軟件主流程圖Fig.8 The main control flow chart

5 結(jié)論

本文結(jié)合電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置的特殊要求，分析了雙電源轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)與功能，提出了一種以S7－300PLC為主的控制方法，特別是將主回路電源故障和電梯安全回路故障進(jìn)行了信號(hào)聯(lián)鎖控制，同時(shí)采用了語(yǔ)音播放故障錄音和發(fā)送無(wú)線短信等方法來(lái)提高電梯的運(yùn)行穩(wěn)定性，縮短電梯救援的等候時(shí)間，為保證安全乘坐電梯提供一種有效的手段。

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