(武漢工程科技學(xué)院,湖北武漢 430200)

1 電梯業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展過程

1.1 電梯控制系統(tǒng)的發(fā)展

電梯控制系統(tǒng)的發(fā)展主要包括兩個(gè)階段,首先是繼電控制系統(tǒng),它作為一種原始的控制系統(tǒng),主要應(yīng)用在電梯產(chǎn)品的初始時(shí)期,通過邏輯電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行控制作用。該系統(tǒng)所需要的元器件數(shù)量較多,在安裝和調(diào)試方面十分復(fù)雜,并且系統(tǒng)運(yùn)行中容易出現(xiàn)干擾問題,已經(jīng)逐漸被淘汰。其次是PLC控制系統(tǒng),該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢,在安裝調(diào)試方面十分便捷,并且控制性能較好,系統(tǒng)的使用年限也較長,應(yīng)用十分廣泛[1]。

1.2 PLC起源與發(fā)展

PLC技術(shù)最早起源于20世紀(jì)60年代末,由美國數(shù)字設(shè)備公司研制出第一款可編程邏輯控制器PDP-14,主要應(yīng)用與汽車制造領(lǐng)域。隨著時(shí)間推移,PLC技術(shù)體系日益成熟,通過采用CPU微處理器,使得PLC技術(shù)使用功能持續(xù)完善,大幅提高了PLC的可靠性與數(shù)據(jù)處理能力。另外,通過現(xiàn)代智能技術(shù)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(shù)特點(diǎn)

1.3.1 運(yùn)行可靠及抗干擾

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

其次,在系統(tǒng)運(yùn)行期間,主要受到脈沖式與瞬時(shí)性干擾影響,PLC控制系統(tǒng)在多次掃描后進(jìn)行響應(yīng),瞬時(shí)干擾很難對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)造成明顯影響,這將有效預(yù)防和減少系統(tǒng)誤動作的出現(xiàn),在客觀層面上增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。

1.3.2 編程簡單

PLC系統(tǒng)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(tǒng)編程難度較低。

1.3.3 組態(tài)靈活

與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比,PLC系統(tǒng)創(chuàng)新性采取了積木式結(jié)構(gòu),不但降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與程序開發(fā)難度。同時(shí),在電梯控制系統(tǒng)使用期間,隨著使用需求的變化,技術(shù)人員可以對PLC系統(tǒng)積木結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新組合調(diào)整,以此來改變電梯控制系統(tǒng)的規(guī)模及功能結(jié)構(gòu),切實(shí)滿足電梯使用需求,避免出現(xiàn)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(tǒng)安裝階段,工作人員僅需將執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(xiàn)安裝質(zhì)量問題。同時(shí),在系統(tǒng)檢測電路中設(shè)置診斷指示器,當(dāng)指示器發(fā)出故障信號時(shí),工作人員根據(jù)信號情況鎖定具體故障點(diǎn),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(shù)的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

為充分發(fā)揮PLC技術(shù)優(yōu)勢,技術(shù)人員需要結(jié)合實(shí)際使用需求與系統(tǒng)情況,樹立正確的技術(shù)應(yīng)用思路,并遵循總體設(shè)計(jì)原則:在條件允許前提下,將滿足被控對象實(shí)際控制要求為首要目的,在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)基礎(chǔ)上,發(fā)揮PLC技術(shù)優(yōu)勢,如能耗低、編程簡單與抗干擾等,確保PLC系統(tǒng)安全可靠[3]。

2.2 一般設(shè)計(jì)步驟

2.2.1 確定控制范圍

為保證所開發(fā)PLC電梯控制系統(tǒng)滿足實(shí)際使用需求,不會出現(xiàn)使用功能缺失與閑置問題。因此,技術(shù)人員需要提前對相關(guān)信息資料進(jìn)行采集分析,如被控對象特點(diǎn)與現(xiàn)場環(huán)境等,在其基礎(chǔ)上繪制狀態(tài)流程圖,明確技術(shù)指標(biāo),如PLC系統(tǒng)可靠性與安全性要求等。同時(shí),正確認(rèn)識PLC控制任務(wù)及要求,以及機(jī)械運(yùn)動與電氣元件間的關(guān)系。

2.2.2 制定技術(shù)方案

在已知信息基礎(chǔ)上,結(jié)合電梯系統(tǒng)控制與使用需求,科學(xué)制定技術(shù)方案,在方案中明確以下內(nèi)容:第一,合理選擇系統(tǒng)控制方式與運(yùn)行方式,如自動控制與手動控制方式。第二,明確系統(tǒng)中設(shè)置的電氣元件,如傳感器、限位開關(guān)、電動閥與指示燈等元件設(shè)備。第三,明確輸入信號、輸出信號與PLC驅(qū)動信號類型,以此為依據(jù),合理選擇可編程邏輯控制器型號與功能模塊種類數(shù)量。

2.2.3 PLC系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

技術(shù)人員做好設(shè)備選型與I/O硬件配置工作,將被控對象特點(diǎn)為主要依據(jù),正確處理技術(shù)先進(jìn)與經(jīng)濟(jì)適宜二者關(guān)系,在滿足電梯系統(tǒng)實(shí)際控制需求的前提下,準(zhǔn)確計(jì)算可編程邏輯控制器與各類電氣元件的最佳配置數(shù)量,確定PLC輸入及輸出地址。隨后,根據(jù)已知信息繪制梯形圖,編寫電梯控制程序系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)啟動/轉(zhuǎn)速與轎內(nèi)指令等功能[4]。

2.2.4 調(diào)試運(yùn)行

在PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后,對系統(tǒng)開展模擬調(diào)試運(yùn)行試驗(yàn),觀察系統(tǒng)在不同工況條件下的運(yùn)行情況是否符合預(yù)期要求,對調(diào)試過程與各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行記錄,根據(jù)調(diào)試結(jié)果對系統(tǒng)程序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。并將系統(tǒng)程序固化至EPROM。

2.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.3.1 可靠性設(shè)計(jì)

運(yùn)行可靠是PLC技術(shù)的核心優(yōu)勢,也是電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要內(nèi)容。在可靠性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),技術(shù)人員需要遵循可靠性分配原則,將設(shè)計(jì)范圍涵蓋冗余設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安裝等方面。

2.3.2 安全性設(shè)計(jì)

為強(qiáng)化PLC電梯控制系統(tǒng)的應(yīng)急處理能力,減小運(yùn)行故障與突發(fā)問題對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)造成的影響,應(yīng)開展安全性設(shè)計(jì)工作。例如,在電梯控制系統(tǒng)中的主要回路以及設(shè)備中設(shè)計(jì)事故按鈕,由非半導(dǎo)體機(jī)電元件構(gòu)成安全回路。如此,在電梯控制系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)故障問題時(shí),安全回路與PLC保持獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài),并通過按下事故按鈕實(shí)現(xiàn)緊急停車,確保電梯控制系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài),不會造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

基于PLC 技術(shù)所開發(fā)電梯控制系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性特征,可以隨著系統(tǒng)使用需求的變化,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模塊進(jìn)行升級改造。因此,為便于電梯控制系統(tǒng)的升級與擴(kuò)展改造,技術(shù)人員需要嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范,盡可量配置安裝標(biāo)準(zhǔn)電氣元件,避免在系統(tǒng)升級改造期間產(chǎn)生不必要的沖突。

2.4 編程語言

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

2.5 硬件設(shè)計(jì)

2.5.1 控制方式選擇

在系統(tǒng)控制方式選擇環(huán)節(jié),常見控制方式有單機(jī)控制、遠(yuǎn)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(shù)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況合理選擇,具體如下:(1)單機(jī)控制。在采取這一控制方式時(shí),所開發(fā)電梯控制系統(tǒng)中僅分布少量輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn),由單臺可編程邏輯控制器來控制多個(gè)電氣設(shè)備,這類控制方式也被稱作為集中控制方式,以動作順序?yàn)橐罁?jù)來排列各項(xiàng)控制對象,且控制位置相對較為集中,當(dāng)前主要被用于流水線控制領(lǐng)域。(2)遠(yuǎn)程I/O控制。這類控制系統(tǒng)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(jìn)行遠(yuǎn)程控制,適用于工業(yè)現(xiàn)場。(3)分布式控制。在系統(tǒng)中設(shè)置若干數(shù)量可編程邏輯控制器,由數(shù)據(jù)通信線將多臺PLC 連接成整體性系統(tǒng),且各臺PLC 保持獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。如此,PLC 與被控對象出現(xiàn)故障時(shí),并不會對其他設(shè)備與系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)造成明顯影響,系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠,但系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度與建設(shè)成本較大。

2.5.2 PLC機(jī)型選擇

PLC機(jī)型選擇時(shí),技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)使用需求,從結(jié)構(gòu)、控制功能、通信聯(lián)網(wǎng)與存儲量等多個(gè)方面進(jìn)行分析,評估各型號PLC的單項(xiàng)分?jǐn)?shù),選擇配置總體評分最高的PLC設(shè)備。例如,從物理結(jié)構(gòu)層面來看,整體式PLC具有結(jié)構(gòu)簡單與價(jià)格低廉的優(yōu)勢,但會削弱電梯控制系統(tǒng)的擴(kuò)展能力與靈活性。而模塊式PLC具有適用范圍廣與擴(kuò)展容易的優(yōu)勢,在出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí),可以直接更換故障模塊來恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài),但是,這類PLC的采購價(jià)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(diào)制控制、電壓空間矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制四種,技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)控制需求加以合理選擇。以正弦脈寬調(diào)制控制方式為例,其具有能耗低、控制簡單與機(jī)械性能好等優(yōu)勢。但是,當(dāng)變頻器處于低頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí),會大幅削弱變頻器靜態(tài)調(diào)速以及轉(zhuǎn)矩性能,偶爾出現(xiàn)運(yùn)行故障。

2.5.4 電源選擇

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況來看,電源是干擾引入的重要途徑,如果PLC系統(tǒng)電源選擇不當(dāng),將會提高系統(tǒng)誤操作問題出現(xiàn)概率。因此,為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,可選擇小畸變穩(wěn)壓器的電源或橋式全波整流電源。同時(shí),在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行期間出現(xiàn)供電異常與電壓大幅波動現(xiàn)象時(shí),則使用穩(wěn)壓電源替代原有電源進(jìn)行供電。而在負(fù)載電流值較大時(shí),則采取外設(shè)電源供電方式。

2.6 程序設(shè)計(jì)

基于PLC系統(tǒng)控制方式,明確電梯控制程序的設(shè)計(jì)流程與思路。例如,PLC技術(shù)開發(fā)單臺電梯控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。在系統(tǒng)運(yùn)行期間,轎廂控制面板、層面火警開關(guān)與井道行程開關(guān)等設(shè)備持續(xù)向PLC中輸入控制信號、指令信號、消防信號等數(shù)據(jù),PLC依次轉(zhuǎn)入輸入采樣、用戶程序執(zhí)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(tǒng)開展開/關(guān)門、上/下行與停站等操作。

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

3 結(jié)語

綜上所述,在電梯控制系統(tǒng)中,PLC技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用較為常見的控制技術(shù),可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、響應(yīng)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(shù)手段。因此,技術(shù)人員需要提高PLC技術(shù)重視程度與應(yīng)用力度,全面掌握PLC技術(shù)要點(diǎn),持續(xù)完善技術(shù)應(yīng)用體系,為電梯控制技術(shù)的全面改進(jìn)提供方向。