基于PLC与变频器的船用载货电梯控制系统研究

沈小波，胡绪昌，项卫东，孟海辉

（中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431）

基于PLC与变频器的船用载货电梯控制系统研究

沈小波，胡绪昌，项卫东，孟海辉

（中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431）

某型船用载货电梯采用PLC控制。PLC单独使用时，在控制装置在使用过程中存在一些不足，会出现运行不稳定、能耗大、噪音大等问题。通过加装变频器对某型船的PLC单独控制的系统进行系统的升级改造，介绍了基于 PLC 与变频器的电梯控制系统硬件组成方案及逻辑控制程序。仿真结果表明加装变频器后，电梯故障率降低，提高了电梯运行的安全性和可靠性。

载货电梯 变频器 PLC

0 引言

PLC，其英文为Programmable Logic Controller，简称为可编程序控制器，在各类电气设备中应用比较广泛。在船船上很多电气设备也都是由PLC控制系统来进行控制，例如：船舶主机、减摇鳍、空压机、辅锅炉、客梯和载货电梯等。在某型船上，减摇鳍和载货电梯的控制系统就是由PLC来进行控制。虽然PLC具有其编程的语言高级化、系统控制响应速度快、系统存储容量大、样品品种多和控制模型智能等优点，但是该装置在使用时，在安全和节能方面还存在不足。本文以某型船用载货电梯为例，阐述其基于PLC与变频器联合控制系统在控制过程中的优点。

某型船用电梯是上世纪 70 年代生产安装的产品，控制系统最初是包括继电器和选层器，最初的控制系统在控制电梯运行时存在着电机起动电流大、电梯运行噪声响、电梯停靠准确率差、设备故障频发重等问题，加上电梯机械设备运行时间长，系统电气元件失灵、控制线路老化现象严重，经常会出现限位开关失灵、电梯轿厢冲顶、乱平层、电梯运行失速等危险情况。虽然在中修改造中用PLC来代替了最老式的继电器，但是电梯外围的设备并没有升级改造，致使至今故障率依然居高不下，且配件难以购买，检修维护难度相当大。该装置在日常使用中，发现控制电路的接触器和限位开关发生故障的概率比较高，运行负载的能力也不强，运行时要控制在额定负荷的60%内，且在运行中不但噪音大、运行不稳定，还会因为电机刹车的短时性、不缓和性会出现安全隐患。因此，本文将根据电梯现有的PLC控制系统，增加变频器对电梯进行联合控制。

1 基本方案的选择

1.1 某型船用载货电梯主要技术性能参数

额定载重量/kg 600

静止载重/kg 900

额定速度/ms-10.5

曳引机型号 船用曳引机YCJ-6/0.5

电动机型号 船用起重交流三相异步

电动机JZ2-H-33-4/12

电机功率/kW 8.5/3.5

控制方式 轿外按钮PLC控制

最高提升高度/m 14.2

PLC型号 三菱FX2N-48MR

1.2 变频器的选择

根据电梯牵引电动机的功率，联合控制系统可以用 器件IGBT 来作电梯电动机的变频拖动模块，系统的变频器部分用电梯专用的变频器来进行调频调压，（其型号为： VS-676GL5-JJL7C4022），并用 DSP来对数据信号进行处理，得到对电梯拖动系统的控制信号，从而提高电梯在运行过程中的安全性和节能性。

1.3 变频系统电梯拖动及运行工况分析

电梯基于变频器与PLC的联合控制系统，在变频器方面采用了变频调压与调速技术，从而改善了电梯在运行中异步拖动电动机随运行速度而变化的转速-转矩机械特性，使其转速-转矩运行曲线更加平稳，且电动机在不同转速工作情况下，其机械特性曲线几乎均保持彼此平行。电梯电动机在变频系统中随转速变化的曲线如图 1 所示：

从图1可知，当电梯的总重量大于电梯的配重，且在做上升运动时，电梯拖动电动机的运行曲线为曲线 1，此时拖动电动机的理想转速要比实际转速大，即其转速的转差率为：

式（1）中：n0为电梯拖动电动机在理想状态下运行的转速；n 为电梯拖动电动机的实际运行转速。根据其转矩的平衡方程可知，其拖动系统中的电磁功率为：

式（2）中Pm为转子等效电路上的损耗，即为其电磁功率；I2为转子回路上的等效电流；R2为转子回路等效的总电阻；s为运行时速度的转差率。

当电梯的总重量大于电梯的配重，且电梯是在下降运行时，拖动电动机的转速-转矩运行曲线为上述图1中的曲线3，此时电机实际运行转速要大于理想运行转速，其转速转差率为：

2 基于 PLC 与变频器的电梯控制系统硬件组成方案

2.1 控制系统组成

基于PLC与变频器的电梯联合控制系统，其逻辑控制核心选用三菱公司生产的FX2N-48MR型号PLC来代替老式的继电器。利用其来采集并处理电梯的各种信号以及DSP反馈给PLC的反馈信号，从而实现了对电梯的联合控制；在控制系统中，还增加了脉冲发生器PG，一起来形成调速控制的闭环；还选用了欧姆龙公司生产的光电开关来作为系统中对楼层的计数、选层、平层、开关门限位开关等信号进行发生的装置。其联合系统的逻辑组成结构如图2 所示：

图2 基于PLC与变频器的电梯调频调压调速节能控制系统

2.2 工作原理

由图 2 可知，该联合控制系统采用PLC 来集中处理电梯系统中产生的各种信号，然后通过PLC控制系统中的DSP来进行处理和逻辑运算，得到系统所需要的正确控制信号(如电梯拖动电机正转及反转、电梯拖动电机的加速、匀速及减速、电动机运行启动及停止运行等信号)、楼层呼叫信号、电梯向上运行或向下运行的方向信号和门开关的限位开关信号等；同时系统中的变频器会将电梯的运行情况和相应的参数传输给控制的PLC，使得PLC可以更好地控制电梯的运行。系统中的变频器根据DSP 运算处理分析得到的控制信号来控制电梯控制系统中电梯拖动电动机的运转状况和运行速度，从而达到改善电梯控制系统的安全稳定性和经济性。

另外，在系统中，变频器与PG脉冲发生器形成了闭环控制，同时，该变频器还具有转差率自动补偿、转矩自动补偿等功能及以及“S”运行曲线的特性。这些功能使得电梯在该控制系统下的运行性能大大改善，维护和操作更加安全可靠。

3 基于PLC与变频器的电梯控制系统逻辑控制程序

电梯基于PLC与变频器联合控制系统的构成和控制逻辑比较复杂，需要对电梯电动机实现的控制功能多、操控点分散。 但对于整个联合控制系统来说，其启动控制的运行逻辑可以按照：开门和关门→选择停靠楼层→电动机选择转动方向→电动机起动→电动机加速运动→电动机匀速运动→电动机制减速→轿厢平层停靠→电机停止的运行流程来进行逻辑的编程。电梯控制程序逻辑编程的流程图如图 3 所示。

3.1 开关门的控制程序

电梯联合控制系统中控制电梯开关门的子系统是一个相对独立的小控制单元，其主要用来控制电梯轿厢门的开启和关闭。电梯门分为电梯的轿厢门和电梯的厅门。在电梯的运行过程中，电梯的轿厢门由专门的拖动电动机负责牵引拖动，从而实现对电梯轿厢门开关的控制；当电梯运行还未到达该楼层的位置开关时，电梯的厅门则始终被控制于闭锁禁止开启的状态，电梯轿厢门限位开关此时有一个串联连接的闭锁作用，提高了对电梯门厅控制的安全性。

3.2 电梯指层和呼梯逻辑控制程序

对于电梯联合控制系统中，楼层显示控制系统设计，最关键的就是在电梯的轿厢内部和电梯的厅门外部能够对电梯运行时所在的实际位置和运行方向进行动态显示。顾客的呼梯使用信号，就是控制 PLC 能够综合处理各层的选层使用信号，通过PLC 内部的记忆单元和数据处理的单元对各选层使用信号进行动态分析和运算，形成此时的最优调配控制命令，并发送给变频器，得到控制电梯拖动电动机运行的控制命令。当电动机运行时，控制系统就会自动将该控制信号删除，为下一个信号腾出空间，避免出现控制命令重复，发生危险。

图3 电梯控制程序逻辑编程流程图

3.3 电梯起动和运行控制程序

电梯在开始运行前，应由控制系统根据顾客使用的呼梯使用信号和电梯轿厢内的选层使用信号，形成适时的控制命令，并将该命令传输给变频器进行执行。在电梯动作运行过程中，电梯轿厢门和电梯厅门的闭锁禁用非常重要。当电梯拖动电动机减速运行到达平层点位置，触碰限位开关时，则PLC控制系统采集到电梯平层的信号，系统会发出停车指令，由变频器控制电动机进行减速停车。

3.4 电梯运行速度曲线

对只有PLC控制和加装变频器联合控制两种情况下的电梯运行速度曲线进行仿真，得到速度曲线图如图4、图5所示。

图 4 PLC控制电梯运行速度曲线

图5 加装变频器联合控制后电梯运行速度曲线

从两个速度曲线对比中可以看出，当电梯只有PLC控制时，电梯运行速度的变化比较快，尤其是在减速刹车时，这样对设备和外围物件的冲击较大，对操作人员有安全危害；当加装变频器联合控制时，电梯的加速和减速时间基本一致，且加速和减速都比较平缓，尤其是减速刹车时有一个平稳的过渡，这样对设备和外围物品的冲击大大减小，操作人员的安全得到可靠保证。

4 结束语

基于PLC与变频器联合控制的电梯调速控制系统，利用PLC与变频器对电梯控制系统进行技术升级改造后，简化了电梯控制系统的逻辑布线结构，使电梯故障率大大降低，大大提高了电梯运行的安全性和可靠性，且节能效果明显，对于船用载货电梯的各项性能都有显著提高。因此，利用基于PLC和变频器的联合控制系统对船用电气设备进行控制可行、有效，为船舶电气设备的控制改造提供了一个新思路。

[1] 罗兴全. PLC控制变频调速电梯电气控制系统. 电气传动自动化, 2012, 34（3）: 40-43

[2] 邓利红. 基于变频器与PLC的载货节能环保电梯设计. 煤炭技术,2012,31（1）: 56-58

[3] 许文斌, 徐健, 张庆君. 基于PLC与变频器的电梯节能控制系统研究. 机械与电子, 2008（35）: 241-242.

Controller System of Marine Cargo Carrying Elevator Based on PLC and Transducer

Shen Xiaobo, Hu Xuchang, Xiang Weidong, Meng Haihui
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, Jiangsu, China)

PLC controller is used in a marine cargo elevator. There are some shortcomings in the use of the PLC, such as running instability, large energy consumes, high noise and so on. The transducer is equipped for the system to upgrade PLC control system. Hardware and logic control program of elevator's control system are introduced based on PLC and transducer. Simulation results show that the malfunction of the elevator with transducer becomes low, and safer and reliabler.

cargo elevator; transducer; PLC

TP273

A

1003-4862（2015）06-0041-04

2015-03-25

沈小波（1980-），男，工程师。研究方向：船舶动力。