基于 PLC的电梯安全保护控制系统设计

摘要：随着我国社会经济的不断发展，城市建设也日新月异，尤其是高层建筑不断增加，电梯的安全问题也引起了人们的关注。高层建筑电梯故障常导致剪切、挤压等事故，对乘坐电梯的人员安全具有很大的威胁。以现有的电梯安全监控系统的改造为研究对象，设计一套具有轿厢意外移动保护功能的控制系统。分析了电梯安全保护系统的研究现状，并总结电梯轿厢意外移动的原因與电梯实际使用情况，设计了一套基于 PLC的安全保护控制器。对安全控制系统总体方案的设计以及软件与硬件结构的设计做了简要介绍，最后对电梯保护控制系统的功能与应用效果进行了试验性测试，测试结果显示系统达到了设计目标，对于电梯意外移动的保护具有重要意义。

关键词：电梯;意外移动;控制系统;PLC;安全保护

中图分类号：TU857文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0255-03

Design of Elevator Safety Protection Control System Based on PLC

Li Hui

（Quanzhou Branch， Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Quanzhou， Fujian 362010， China）

Abstract： With the continuous development of China′s social economy， urban construction is also changing with each passing day， especially the increasing number of high-rise buildings， the safety problem of elevator has also attracted people′s attention. High rise building elevator failure often leads to shear， extrusion and other accidents， which has a great threat to the safety of people taking the elevator. Taking the transformation of the existing elevator safety monitoring system as the research object， a control system with the function of car accidental movement protection was designed. The research status of the elevator safety protection system was analyzed， the causes of the unexpected movement of the elevator car and the actual use of the elevator were summarized， and a set of safety protection controller based on PLC was designed. The design of the overall scheme of the safety control system and the design of the software and hardware structure were briefly introduced. Finally， the function and application effect of the elevator protection control system were tested experimentally. The test results show that the system has reached the design goal， and has great significance for the protection of the elevator unexpected movement.Key words： elevator; accidental movement; control system; PLC; safety protection

0 引言

虽然电梯在提升城市出现效率上起到了非常重要的作用，但电梯意外移动等安全事故也时有发生，因此对轿厢的运行状态进行监控，根据系统对问题电梯进行提前处理，对保障生命财产安全具有非常重要的意义。电梯故障是控制系统出现故障，或者是人为因素导致，轿厢在控制系统紊乱的情况下出现制动失效就会导致轿厢的意外移动，因此设计一套电梯安全保护系统具有重要意义。

电梯的工作原理相对比较简单，如图1所示，钢丝绳两端分别连接着对重与轿厢，电梯通过钢丝与曳引轮之间的摩擦力产生驱动力。为了防止轿厢的意外移动，需在电梯上设计安全钳、缓冲器、限速器、门锁、超速保护等装置。其中门锁主要是针对指定楼层开门动作与楼层数之间安全开关;缓冲器的作用主要是吸收轿厢或对重降落时产生的冲击力，能够使轿厢缓慢着地[1]。

意外移动是指轿厢在控制系统故障或制动失效的情况下，且没有触发电梯被动安全保护时处于失控状态。意外移动很容易导致安全事故的发生，曾发生过电梯达到指定层后，轿厢门在开启到最大极限位置时，轿厢突然开始向上运动，导致安全事故。电梯轿厢意外移动对安全威胁大，因此设计一套电梯意外移动保护系统可显著提高设备的安全性能，保障使用者的安全[2]。

1 方案总体设计

可编程控制器（PLC）在现代工业自动化中扮演了一个非常重要的角色，因其性能优良而被广泛地应用。基于 PLC 设计一套电梯轿厢意外位移的监控与保护系统，该系统可实现对轿厢状态的实时监控，并根据实际情况采取保护措施。有效提高了电梯的安全性能。下面分别从3个方面介绍保护监控系统的设计方案[3]。

1.1 检测方案

电梯运行情况的逻辑简图结构比较简单，可以确定需检测的状态为：门开合状态与继电器工作状态的分析与判断，并可据此判断轿门安装装置工作状态。图2所示为电梯检测流程。首先判断轿厢运行的情况，然后确定轿厢是否关门正常，如果出现异常则发出反馈信号。结合是否有动作命令和轿厢状态传感数据可判断轿厢的运行情况，并判断可能出现意外移动的情况[4]。

1.2 检测装置设计方案

PLC 控制器主要是实现对检测信号的分析、存储，分析电梯是否处于正常工作状态，并根据电梯控制信号同步分析判断电梯是否存在危险行为。当设备出现故障时，控制保护系统还可向电梯管理人员进行短信推送报警，设备进行声光报警。结合本研究的特点以及需实现的电梯保护功能，测量传感器采用非接触的方式，避免对原设备状态造成影响[5]。

1.3 控制系统设计方案

电梯保护控制系统的结构比较简单，因此 PLC控制系统并不复杂，PLC中央处理单元的设备连接口主要连接了包括编译器、打印机、LPROM 写入器、上位计算机、可编译终端等。PLC具备扩展接口，根据实际需求，设置了特殊功能需求的功能扩展单元，方便后期对系统功能的扩展，PLC控制器系统设计方案如图3所示[6]。同时与系统连接的存储器包括系统程序存储器和用户管理存储器，设备不同的功能分区，方便用户对存储数据进行管理，并根据需要在中央控制器两侧设置输入单元与输出单元[7]。

2 保护系统设计

电梯轿厢意外移动一般的故障原因包括制动器机械卡滞、控制器接触粘连、控制器过度磨损或者是电气系统被人为损坏导致电路短路。为了实现对电梯轿厢意外移动的保护与监控，下面对控制系统的总体结构与硬件设备选型做简要说明。

2.1 装置的总体设计

为了达到无接触式对轿厢状态的监测，选用了激光触点式位移传感器对轿厢速度进行测量，通过各接触点的辅助接触点识别设备工作状态。保护控制系统的主控制器采用 PLC控制器完成，PLC综合分析各传感器所采集的数据，并基于设定逻辑做出判断[8]。电梯控制对与控制器相连，控制器与制动器与各类传感器相連，从而构成了控制系统的整体结构。

控制系统在分析轿厢运行与控制信号的基础上，对轿厢状态进行识别，当出现意外移动时执行机构可以控制电梯控制回路接触器断开，钢丝绳制动器在原有制动器不起作用的情况下也可以通过夹持钢丝绳，使轿厢平稳停止。控制系统基于远程监测模块向监控人员发送报警短信，及时通知救援，综合可编程序控制器、输入、输出各模块，绘制系统硬件连接图如图4所示[9]。

2.2 硬件设备的设计与选型

控制系统主要的硬件包括激光位移传感器、运行接触器、抱闸接触器、断电设备、紧急制停装置、轿厢门传感器以及 PLC控制器等，对控制系统的主要设备的设计与选型进行说明。首先是 PLC控制器的选型，采用了日本三菱的 FX2N-80MR型 PLC控制器[10];本系统选用了型号为 CS5-RS400型激光位移传感器。断电装置主要作用是系统在监测到电梯有潜在风险时，可以切断电路以防止电力存在时电梯驱动力会对电梯制动造成严重影响。为了到达设计目的，选择自带交流接触器的断电装置，选择德国西门子 RS500型电器断电装置。

轿厢意外移动的一个非常重要的原因就是电梯本身的制停机构不能满足使用要求，因此需要选择可靠性好的制动器。根据实际功能需求，选择某电梯设备有限公司生产的钢丝绳制动器，该制动器额定工作速度小于或等于2.5 m/s ，额定启动载重量 W=680～1450 kg ，系统总质量为1980～6100 kg[11]。PLC 控制器选择了日本三菱的 FX2N-80MR 型控制器，并通过远程监测系统无线通信功能，具有远程服务功能，可通过短信自动向服务人员提供信息，对于管理人员具有重要的帮助作用。

3 装置的软件实现

要实现对轿厢意外移动监测与控制，就需要控制系统具有良好的软件控制系统以及功能完备的硬件系统。轿厢意外移动保护监控系统软件是基于硬件结构基础之上，系统需实现对轿厢状态的监测以及对安全制动器的控制，通过测量轿厢的位置、运行速度、控制指令等可以判断轿厢所处的位置[12]。

轿厢意外移动保护系统以可编程控制器为核心，通过各类信号传感器判断轿厢所处状态，并最终实现对电梯轿厢的保护。基于三菱 PLC编程软件：GX works2编程软件对软件控制系统进行编程，该编程软件具有较好的交互性，方便使用，为用户提供了良好的设计界面，根据实际需求设计操作系统软件界面，并最终完成了软件系统的编程。以下为电梯意外移动梯形图;电梯自动运行状态下到达平层位置，上门区开关SMK、上平层开关SPK、下平层开关XPK、下门区开关XMK 全部被井道隔磁板插入后处于动作状态，X12＼X13＼X14＼X15常闭信号断开，系统输出开门，门锁 X11断开，关门限位 X26接通，开门到位后 X25断开，此时当轿厢发生向上移动，上门区开关和上平层开关都脱离隔磁板，对应的X14和X12相继先后接通，反之当轿厢发生向下移动，下门区开关和下平层开关都脱离隔磁板，对应的 X15和X13相继先后接通，使内部继电器 M565自锁后始终保持，此时PLC输出Y3使DK接触器动作，达到制停轿厢的目的。同时外部七段码显示器显示 E1提示维修工作人员电梯发生了意外移动故障，需要将电梯置于检修状态后，关好电梯门才能解除内部自锁状态，恢复正常运行，当然控制系统内部的其他电路也会将 M565继电器关联进去，防止电梯再次启动运行。PLC控制程序如图5所示。

4 系统测试

基于三菱 PLC 编程软件 GX works2完成对保护控制系统软件的构建，在硬件系统的基础上完成对轿厢意外移动的控制保护综合系统进行了功能性测试，测试结果显示系统可异常检测风险进行识别，并可发出预警信息。对电梯意外移动情况进行模拟测试，保护控制系统可及时制停轿厢，防止轿厢意外移动。

测试结果证明轿厢意外移动检测装置的系统是电梯安全保护的一个重要的装置，能够根据不同意外移动的成因分析可能会出现的事故，并采取措施对轿厢进行保护。通过对该系统的分析与研究，有助于了解电梯意外移动保护的控制特点，对保护人民生命财产安全具有重要意义。

5 结束语

电梯的意外移动对人民的生命财产安全构成了一个非常重大的安全问题，为了提高电梯的安全性能，从源头出发，增加设计一套電梯意外移动控制保护系统具有十分重要的意义。以现有电梯系统升级改造为研究对象，设计一套具有轿厢意外移动保护与控制的系统。首先介绍了控制系统的总体结构设计，该系统以PLC为控制核心，分别从保护系统软件与硬件两方面对该系统进行了介绍，列举了PLC控制器的工作原理图，最后实现了对电梯意外移动的控制保护。解决了电梯轿厢意外移动安全保护问题，可以为电梯意外移动保护控制系统的设计与建立提供良好参考。

参考文献：

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[3]邓丽华，孙福强， 刘宇，等.非接触式位移传感器在动响应测试中的应用研究[J].电子技术与软件工程，2014（12）：265.

[4]薛建华，崔文生.MD720-3模块在城市供水水质监测系统中的应用[J].中国建设信息（水工业市场），2007（9）：58-62.

[5]时珏.基于物联网的矿井机电设备状态监测关键技术研究[D].太原：太原理工大学，2013.

[6]许德浩.基于 PLC控制的恒压供水系统设计[D].天津：天津大学，2012.

[7]蒋晨阳.西子电梯公司产品战略研究[D].上海：上海外国语大学，2014.

[8]张吉祥.基于物联网技术的电梯远程实时监测系统的研究[D].南京：南京林业大学，2013.

[9]金新锋.电梯实时监控与故障报警系统设计研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[10]李润娟， 贾宇向.基于 PLC的电梯控制系统设计[J].产业与科技论坛，2014， 13（1）：83-84.

[11]许少衡， 张廷锋，莫文贞.基于 PLC电梯控制系统设计的创新实验[J].中国现代教育装备，2011（3）：127-129.

[12]孙悦，韩美.浅谈老旧居民住宅电梯故障隐患评估[J].改革与开放，2009（9）：116.

作者简介：李辉（1979-），男，大学本科，工程师，研究领域为电梯、起重机械、叉车等特种设备检验检测。（编辑：王智圣）