电梯双电源供电装置PLC控制系统设计

张德民，刘洪锦，高强，王旭

（1.天津理工大学 自动化学院，天津 300384；2.天津市复杂工业系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

1 引言

电梯是高层建筑中的重要交通运输设备，经常由于供电系统故障导致电梯无法启动、急停或闷人等问题发生，给电梯的使用者带来极大的伤害。为此，电梯供电系统采用了双电源设计，即常用电源和备用电源，但是常见的双电源设计中没有考虑电梯环境的特殊要求，使其在使用中很难发挥应有的作用。本文专门设计了一种采用S7－300PLC控制的电梯双电源供电切换装置，具有后备电池供电、语音提示和无线救援等特殊功能。

2 系统结构与功能设计

电梯双电源供电装置主要包括：后备电池单元、主回路检测单元、PLC控制单元、转换执行机构、语音播放器和无线救援单元，参见图1。下面具体说明每部分的结构设计。

图1 双电源转换装置结构图Fig.1 The scheme of double power supply device

2.1 后备电池单元

传统的双电源转换开关的控制电源来自常用或者备用电源，当常用电源盒、备用电源都断电时，整个转换开关的控制部件因为没有电而无法工作，因此不能进行故障记录和状态恢复等一系列操作。

为克服上述缺点，电梯专用双电源转换装置采用了后备电池设计方法，实现了在线和离线两种方式下的转换。由于有后备电池单元给控制系统提供直流电源，即使在常用电源盒、备用电源都出现故障（包括断电、缺相、欠压等情况），转换装置的控制部分仍然可以离线式运行，包括故障记录查询、常用备用切换和状态恢复等。

后备电池单元的工作原理，参见图2。

图2 后备电池单元结构图Fig.2 The scheme of back－up battery module

后备电池单元在常用／备用电源主回路上通过三相变压器降压取电，得到交流24V电源AC 24V－N和AC 24V－R，再经过三相整流滤波电路得到直流电源DC 24V－N和DC 24V－R。DC 24 V－N和DC 24V－R分别经过单向二极管D1－N和D1－R汇总到一起，得到直流电源DC 24V－NR。DC 24V－NR经过稳压电路后得到稳压直流电源DC 24V。DC 24V又分成2个分支，第1个分支：PLC控制单元；第2个分支电池充电电路。当常用和备用电源主回路都出现故障时，后备电池通过放电电路向PLC控制单元输送24V直流电源。

2.2 主回路检测单元

主回路检测单元负责常用、备用电源主回路的电源参数检测，包括断电、缺相和欠压。如果常用或备用电源出现上述故障，主回路检测单元会自动向PLC控制单元发出主回路故障信号，作为常用、备用转换的判断依据。主回路检测单元的工作原理如图3所示，常用和备用主回路采用相同的设计方法，常用主回路检测单元输出信号是MAIN－OK－N，备用主回路检测单元输出信号是MAIN－OK－R。当输出信号为高电平（DC 24V）时，表示主回路正常，否则表示故障。

图3 主回路检测单元原理图Fig.3 The scheme of main power test module

2.3 PLC控制单元

PLC控制单元是整个转换装置的控制部分，它的工作电源由后备电池单元提供；它的输入信号来自常用、备用主回路检测单元、转换执行机构行程开关和操作键盘；它的输出信号去向包括3部分，第1部分：转换执行机构；第2部分：电梯语音播放器；第3部分：电梯无线救援。PLC控制单元的结构图如图4所示。

图4 PLC控制单元结构图Fig.4 The scheme of PLC control module

2.4 转换执行机构

转换执行机构是一套机械装置，它通过一台双向交流电机旋转带动齿条直线运动，将常用或备用电源的断路器合上或者断开。常用和备用之间的动作是相斥的，即常用合闸时备用断开；反之，备用合闸时常用断开。转换机构还可以实现常用和备用同时断开的动作，即双分动作。

转换执行机构的电机由PLC控制单元发送来的正转、反转2个信号控制旋转方向。

常用合闸、备用合闸和双分动作执行的反馈信号通过安装在执行机构上的行程开关实现，PLC控制单元根据行程反馈信号可以防止合闸过程中出现过冲现象。转换执行机构的结构图如图5所示。

图5 转换执行机构的结构图Fig.5 The structure diagram of switching actor

2.5 电梯语音播放器

电梯环境对双电源转换装置有着特殊的要求，尤其在电梯运行中常用或备用电源出现突发性故障导致电梯急停，电梯轿厢是一个相对封闭的环境，那么轿厢里的乘客会受到惊吓而感到恐慌。为此，在电梯双电源转换器中设计了语音播放器。当电梯主回路电源发生故障而无法运行时，安装在轿厢的应急灯会自动打开，同时反复播放故障说明，使乘客得到安慰。根据电梯主回路电源故障的类型，设计了以下故障提示。

1）电梯主回路常用电源故障，正在转换到备用电源运行。

2）电梯主回路常用和备用电源故障，电梯无法运行，请按下操作盘上的紧急报警按钮、拨打操作盘上的报警电话。

3）电梯主回路恢复正常供电，电梯在校正运行中，请握好扶手，不要依靠轿门，开门后注意观察平层位置，防止发生跌落。

这3条故障提示分别对应电梯主回路的3种供电状态，由PLC控制单元根据主回路的故障状态来判断播放哪一条提示。当常用电源出现故障时，如果备用电源正常，则播放第1条；如果备用电源也出现故障，则播放第2条；当电梯主回路常用电源恢复正常时，播放第3条。

电梯语音播放器包括控制信号、语音芯片、放大器和扬声器等部分，其结构图如图6所示。在语音芯片中固化了上述3条提示音，与3个控制信号一一对应。

图6 语音播放器的结构图Fig.6 The structure diagram of audio player

2.6 电梯无线救援单元

在电梯发生主回路电源故障之后，电梯的运行会受到一定的影响，甚至发生电梯安全事故，这是因为：发生电源故障时，如果电梯正在运行中，因失去动力而急停，可能会冲撞安全回路，造成安全回路动作，如蹲底或冲顶造成的底坑缓冲器、极限开关动作；超速造成的安全钳、夹绳器动作等等。当电梯主回路电源恢复正常时，这些安全回路的开关是不能自动复位的，必须由电梯维保员手动复位。

另外，电梯主回路发生电源故障时，即使电梯没有发生急停，如果电梯内有乘客，因为不知道电源故障多长时间会解决，也很有必要及时将乘客解救出来。

这就是常说的“电梯闷人”，现在大部分电梯轿厢里的对讲机和电话基本上不能正常使用。电梯轿厢又是密闭的金属壳体，如果没有安装手机信号放大器，手机基本上没有信号，被关的乘客无法与外界联系，只能靠大声呼救。

在上述情况下，电梯无线救援器会自动向电梯维保员发送救援信息，维保员会在最短的时间内赶到事故现场，进行故障处置和解救乘客。

电梯无线救援器内部有一个救援信息表，由故障信号输入点、故障短信描述和手机号码组成。故障输入点分别来自PLC控制单元和电梯安全回路，这样由双电源转换器、电梯控制器和无线救援器共同构成一个在线式的电梯故障无线短信救援系统。

电梯无线救援器的结构如图7所示，主要包括控制信号、短信存储器、手机模块、SIM卡等部分。

图7 无线救援模块的结构图Fig.7 The structure diagram of wireless message module

3 控制系统硬件设计

电梯双电源转换装置对控制系统的稳定性和可靠性有严格的要求。目前市场上的双电源转换装置多采用单片机控制，虽然在生产成本上有一定的优势，但是在稳定性和可靠性方面有所欠缺，为此本装置采用S7－300PLC作为主要的控制器，另外辅以主回路检测器、语音播放器和无线救援器构成一套模块化的控制系统，PLC输入输出信号如表1所示。

表1 PLC输入输出信号表Tab.1 PLC I／O signal list

3.1 S7－300PLC输入信号

在电梯双电源转换装置控制中，S7－300PLC的输入信号包括操作面板、主回路电源检测、执行机构行程反馈、电梯安全回路联锁等信号。

操作面板控制信号。根据电梯双电源转换装置的控制需要，操作面板上设计了以下操作开关。

手动／自动控制方式选择开关：按下后，选择自动控制方式，否则手动控制方式。

手动常用合闸：按下后，执行机构将常用电源合闸。

手动备用合闸：按下后，执行机构将备用电源合闸。

手动双分：按下后，执行机构将常用电源、备用电源都断开，处于双分状态。

自动自投自复：当常用电源故障后，接通备用电源，在常用电源恢复正常后，再自动转换到常用电源合闸。

自动自投不自复：当常用电源故障后，接通备用电源，在常用电源恢复正常后，不再自动转换到常用电源合闸。

主回路电源检测信号：包括常用电源检测正常信号和备用电源检测正常信号。

执行机构行程反馈信号，表示执行机构输出动作的执行情况，提高执行输出到位的可靠性，包括常用合闸到位行程开关信号、备用合闸到位行程开关信号和双分到位行程开关信号。

电梯安全回路联锁信号：当电梯由于某种原因导致其安全回路触发而不能自动恢复运行时，电梯向S7－300PLC发出安全回路联锁信号，双电源转换装置将自动执行双分操作，防止电梯故障进一步扩大而导致设备损坏或任务伤亡。

3.2 S7－300PLC输出信号

S7－300PLC的输出信号包括如下几种。

操作面板指示灯信号，包括常用电源正常、备用电源正常、常用电源合闸、备用电源合闸、手动方式、自动方式、自动自投自复、自动自投不自复指示灯。

执行机构驱动信号，包括常用合闸继电器和备用合闸继电器控制信号。

语音播放器播放控制信号，包括3个输出信号，分别对应语音播放器的3条语音。

无线救援器发送控制信号，包括2个输出信号，分别对应主回路电源故障和电梯安全回路故障。

电梯主回路电源故障联锁信号，当常用电源和备用电源经检测均发生故障时，S7－300PLC会向电梯控制系统发出“主回路电源故障联锁信号”，电梯控制系统在收到此信号后，会保持静止状态，以免运行过程中发生意外事故。

4 控制系统软件设计

4.1 控制任务规划

电梯双电源转换装置的软件部分包括多个子模块任务，主要任务包括：操作面板信号采集与指示刷新、常用备用电源检测与合闸、语音播放器、无线救援器和电梯联锁信号控制等。

4.2 控制流程设计

在S7－300PLC中，这些任务是顺序重复执行的，因此要根据不同模块的功能和相互关系安排好执行的次序，本系统软件部分的控制流程如图8所示。

图8 软件主流程图Fig.8 The main control flow chart

5 结论

本文结合电梯双电源转换装置的特殊要求，分析了双电源转换装置的结构与功能，提出了一种以S7－300PLC为主的控制方法，特别是将主回路电源故障和电梯安全回路故障进行了信号联锁控制，同时采用了语音播放故障录音和发送无线短信等方法来提高电梯的运行稳定性，缩短电梯救援的等候时间，为保证安全乘坐电梯提供一种有效的手段。

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