基于PLC的船用变频载货电梯设计

2012-08-28张松涛余凤豪

电机与控制应用 2012年10期

张松涛，余凤豪，吉哲

(海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠 233012)

0 引言

船用载货电梯用于船舶上运送货物，目前多采用单速或双速交流电动机驱动，调速性能弱，变速时有级差，运行稳定性不好，且运行效率低。变频器能够对三相异步电动机实现平滑的无级调速，可以有效改善电梯的性能，提高效率，但曾因价格昂贵而主要应用于载客电梯，随着变频器性价比的提高，其应用范围越来越广泛。电梯控制系统主要有继电器-接触器控制系统、计算机控制系统和PLC控制系统，继电器-接触器控制的电梯控制系统的工艺性差、运行的可靠性与安全性较低;计算机控制的电梯在智能控制方面有强大的功能，但设计复杂、抗干扰能力差、维修难度大;PLC控制的电梯功能强大、运行可靠、抗干扰能力强，且维护方便［1-2］。为了提高船用载货电梯的综合性能，把变频器应用到其调速系统中，并用PLC进行控制，设计了6层船用变频载货电梯的控制系统。

1 总体控制功能

1.1 电梯运行状态

电梯设置两种运行状态，即检修状态和工作状态。检修状态时，设置上行和下行低速点动控制，工作状态时，进行正常的载货运行。运行状态转换开关设置在曳引电动机附近的电梯控制箱内，控制箱内还设置有检修状态时的上行和下行点动控制按钮、各种故障报警灯、1个蜂鸣器和报警复位按钮。

1.2 呼叫控制

载货电梯的呼叫按钮设置于每层甲板的层门旁，轿厢内不设按钮。每层甲板的层门旁设置一个操纵盒，里面除了 1、2、3、4、5、6 层甲板的 6 个呼叫按钮外，还均设置1个急停按钮、1个允许运行指示灯、1个占用指示灯、1个故障报警灯、1个超载报警灯和蜂鸣器，在每层甲板的操纵盒里按下指定层的呼叫按钮，电梯都会驶至该层。呼叫不设置记忆功能，电梯在占用时，按下呼叫按钮，均无效，只有在电梯空闲时，才可进行召唤。

1.3 开关门控制

在载运货物的过程中，电梯层门和轿厢门需长期开起以便装卸货物，其开起与关闭均通过人工进行，开起与关闭的状态通过传感器进行监控。

1.4 安全保护

船舶的工作环境恶劣，电梯更易发生故障，为保证设备的安全，设置了多种保护措施，主要有工作环境保护、超载保护、超速保护、门联锁保护、上下限位保护、热保护、断绳保护、断相错相保护和弹簧缓冲保护等。工作环境保护［3］，由于船用载货电梯只能工作在一定的海况下，需要有船舶横倾和纵倾状态传感器进行监测，另外，还有井道温度传感器、湿度传感器和控制系统绝缘测量装置，监测结果反馈给PLC，PLC把监测结果与预设值进行比对，进而判断能否允许电梯运行;超载保护在曳引轮上设置传感器，一旦轿厢超载，不允许电梯运行并发出警报;超速保护利用旋转编码器测量曳引轮的转速，进而确定电梯的运行速度，电梯超速后进行保护，并控制安全钳刹停轿厢和对重，确保设备的安全运行;门联锁保护，电梯的轿厢门和所有层门均关闭后，电梯才能运行;上下限位保护用于保护电梯在制定的区间内运行;热保护用于保护曳引电动机，防止其过载。本文介绍的电梯采用了3根曳引钢丝绳，每根钢丝绳均安装了传感器，一旦钢丝绳断裂，即可发出警告，并保护停车;断相错相保护用于防止电源断相和错相;弹簧缓冲保护装置起冲顶和撞底保护的作用。

2 硬件设计

2.1 PLC控制系统设计

电梯的PLC控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成，其基本组成结构［4-5］如图1 所示。

图1 电梯的PLC控制系统示意图

主要硬件包括PLC、变频器、控制箱、操纵盒、信号显示、安全保护系统、电源与拖动系统等。PLC为控制系统的核心，来自控制箱、操纵盒、信号装置和安全保护系统等的外部信号通过输入接口送入PLC内部，PLC进行逻辑运算与处理，再经过输出单元分别向变频器发出上行、下行、变速和停止等信号，向楼层显示和占用信号灯发出显示信号，故障时向报警系统发出声光报警信号，从而实现电梯运行状态的控制。

2.2 变频调速

变频器通过改变电源频率实现三相异步电动机的无级调速，使三相异步电动机的调速性能大大改善，且能节约一定的能源。本文选用安川电机公司生产的VS-616G5型变频器［6］，其频率控制范围为0.1～400 Hz，调速范围广，具有功能全、体积小、保护功能完善、维修性能好等优点［7］。由于载货电梯一般只用来载运货物，其加减速过程中的舒适性无需考虑，因此在确保安全的前提下，选用高速的船用电动机，尽量让电梯高速运行，以提高运行效率，其运行速度根据距离的远近自适应调整，距离近时以低速运行，距离远时，以较高速度运行。

2.3 旋转编码器

旋转编码器是一种旋转式测量装置，安装在被测轴上并随被测轴一起转动，用来测量转动量(主要为转角)，并将它们转换成脉冲信号输出。把旋转编码器的转轴与曳引电动机的转轴直接相连，就可以检测出电梯的轿厢运行速度及所处的位置，相对于传统的靠传感器和继电器来测量轿厢的速度和位置，大大简化了线路，提高了系统运行的可靠性，也便于检修［8-9］。

2.4 楼层显示

用7段LED显示器显示，为了节省PLC的输出端，用4点输出BCD码，经CD4511芯片译码后送7段数码显示，CD4511的A～D数据输入端接PLC的4个输出端，其输出端接7段LED显示器的7个输入引脚。

2.5 PLC 的选型

经过计算，现场共有23个输入信号和30个输出信号，选用控制功能强、可靠性高的西门子S7-200 CPU226基本单元(24入，16出)，外加EM223扩展模块(16入，16出)，能够满足本系统的要求，并留有余量。系统所需总内存字数=开关量I/O总点数×(10～15)+模拟量I/O总点数 ×(150～250)［7］，再按约 30% 预留余量，估算本系统需要约1 K字节的内存容量，选用的PLC也能满足要求。