浅析基于变频技术的电梯PLC 控制系统设计

陈俊录

（青海中特检特种设备检测有限公司，青海 西宁 810000）

随着社会经济的发展，居民生活质量有了明显提高。高层建筑成为许多居民的首选。电梯在人们的生活中越来越常见。为了更好地满足人们的需要，电梯系统必须具有先进的技术和完善的功能。电梯是现代建筑必不可少的一部分。由于楼宇自动化程度越来越高，要求电梯不仅具有良好的性能，而且要求节能、舒适和安全。为了满足这一要求，传统的继电器控制系统不能满足当今社会的要求。为了满足人们对高层建筑需求，扩大和改善楼宇自动化水平等方面提出了更高水平的要求，因此，电梯必须具有先进、可靠、安全、节能和舒适等特点。同时由于现在城市建设过程中高层建筑越来越多，并且也更加复杂和密集。因此，要控制系统具有足够的稳定性和可靠性，以保证楼宇自动化系统安全运行并顺利完成各种工作任务。

1 电梯控制系统的工作原理

电梯控制系统是一个复杂的过程，包含很多环节，涉及多个专业。由于电梯控制系统的工作环境相对恶劣，所以对控制系统的要求比较高。传统的电梯系统是继电器控制系统，这种电梯控制系统虽然稳定性好，可靠性高，但是存在很多不足，比如，继电器控制系统主要由按钮组成，一般需要安装在轿厢的顶部；由于电梯运行过程中，各种干扰信号很多，而且经常变化；传统电梯没有任何故障提示或者警告信息。为了实现良好的抗干扰性能和可靠性以及节约能源，传统继电器控制系统很难满足当前要求。为了更好地满足现代建筑技术要求和满足现代楼宇自动化水平，我们设计了基于PLC 的电梯控制系统。PLC 是工业自动化中一种重要的硬件设备。PLC 作为一种编程语言广泛应用于工业生产过程中。PLC具有逻辑运算、顺序控制、定时和计数等功能。它是工业生产过程中常用的编程语言，具有简单易用、灵活性强、可扩展性等特点。在电梯设计中采用PLC 对变频器进行控制可以实现多种功能。根据功能要求我们将变频电梯分为井道速度和运行两个方面，以下分别阐述这两个方面的设计方法。（1）在井道速度方面，变频电梯主要分为4 个部分：①是轿厢速度；②对重；③平层装置；④驱动装置。其中轿厢速度为曳引速度、对重速度和轿厢速度的综合，电梯的速度由曳引电机通过电磁离合器来实现。曳引电动机依靠电力电子元件实现正转和反转等功能。因为有电磁离合器的存在，在一定程度上可以提高电梯运行过程中的安全性和稳定性，同时减少了能耗。其中轿厢运行主要用于运输乘客或货物；对重运行主要用于平衡轿厢重量；平层装置主要用于自动扶梯和自动人行道；驱动装置主要是为了直接驱动电梯车轮或实现负载逆转等功能。（2）在控制方面，变频器是通过改变电机的旋转方向来控制电机速度的装置。目前，国内电梯普遍采用永磁同步无刷变频技术；首先确定了电梯系统控制方案，然后通过三菱FX2N 系列PLC编程软件编写程序实现不同功能：如对重定位、轿厢运行、平层装置、驱动装置和变频驱动装置等的控制要求，完成电梯的启动、停止和工作过程，以及不同模式下的切换功能等。最后，通过上位机界面实现电梯运行过程中的各种监控显示和报警功能。（3）在安全保护方面，电梯会受到多种干扰因素影响安全工作。因此，设计中采用了各种保护措施来实现电梯安全可靠运行。在轿厢运行方面通过轿厢定位和自动停止功能实现安全保护；在对重运行方面，通过制动功能实现对曳引电动机的制动保护；在平层装置方面，通过限制曳引轮速度避免轿厢打滑等保护功能；在驱动装置方面，通过采用防溜车功能防止驱动装置溜车。此外，还可以设置其他各种安全保护措施。为了保证电梯运行过程中不受外界干扰影响，同时减少能源消耗、实现节能环保，本系统中还设计了一个自启动系统来完成各种自我保护和故障提示功能。通过电梯自启动功能来实现轿厢内无人时自动启动并实现运行过程中的安全保护；通过设置防溜车保护功能来实现轿厢内有人时自动停止运行并实现轿厢内无人时的安全保护；通过设置紧急报警功能来实现轿厢内紧急情况下的安全保护；通过设置轿厢内紧急情况下的制动器制动功能来实现轿厢内无人时自动停止运行并实现应急救援功能；还可以设置电梯故障自检和报警功能来实现电梯故障情况下的安全保护，其中包括，电梯在轿厢里检测到异常情况后停止运行并报警，同时能显示故障情况下的动作状态；如果电梯出现严重故障，则可按下自检按钮，发出警报并显示故障发生时所处位置的指示灯。

2 系统的主要功能

（1）电梯发生故障时，PLC 可以在1 分钟内控制电梯停止运行。同时，PLC 可以准确定位故障所在位置，并在故障发生后发出警报；（2）在电梯出现异常时，可以用触摸屏显示出来。触摸屏上显示各种信息，比如，当前楼层、当前时间、电梯的状态等。可以根据这些信息对电梯进行管理，方便操作人员了解当前电梯的状态；（3）当变频器发生故障时，PLC 可以通过通讯模块向变频器发送命令，使其停止运行；（4）当电梯出现故障时，通过PLC 对变频器的控制可以使其恢复运行。

3 PLC 硬件组成

本文采用三菱FX2N 系列PLC，该PLC 的典型特点是结构紧凑、功能强大、运行稳定可靠、性能价格比高。它具有多种输入输出类型，可以灵活地进行功能分配，并且具有良好的抗干扰能力。此外，它具有较强的网络通信能力。它可以通过网络通信控制多台电机或多台电梯，并可实现数据交换、处理和存储。它还可以通过远程监控来进行管理和维护，实现更大的控制功能。该控制系统采用三菱FX2N 系列PLC 作为控制核心。根据实际需要，我们选择了三菱FX2N 系列PLC 中的FX2N-64MT系列作为本控制系统的控制核心。

3.1 PLC 的选择

PLC 选择时要考虑以下几个方面：（1）对于一般的控制系统，可以直接选用小型的PLC，如三菱FX-3C；（2）对于特殊场合需要高可靠性、高可移性和特殊功能的控制系统，则应选择一些高性能的PLC。如三菱FX2N-64MT 型可编程控制器。由于电梯运行速度快，要求系统具有快速响应能力。而可编程控制器既可以进行数字运算又能实现模拟运算，所以选用了具有高速高精度特点的PLC 进行模拟量及数字量运算。而PLC 可编程控制器的性能主要由CPU 的性能决定。

3.2 变频装置

本系统选用三菱FX2N-64MT 系列中的FX2N-317B 作为变频器，该变频器为矢量控制型变频器，具有速度平滑、过载能力强等特点。通过本变频器可调节电机的速度，使电机的转速达到最佳状态，从而保证电梯的正常运行。变频器由PLC 控制，且PLC 本身具有频率、电流、电压的测量功能。此外，为了实现变频功能，本电梯还增加了一个按钮开关控制电机正反转的功能。变频器输出信号由电流互感器进行采集和转换，经光耦隔离后送至PLC 输入端。PLC 输入信号为输出信号，直接接到变频器上。同时还增加了一个输出继电器和一个接触器以控制电梯运行时的安全开关装置。这两个触点分别连接到电动机的2 个主触点上，可实现控制电机的通断。

4 PLC 程序设计

为了实现PLC 的程序设计，首先，在PLC 的I/O 端口上连接变频器的输入和输出。然后，在PLC 程序中设定变频器的最大输出频率为0.5Hz，并且可以根据实际情况进行适当调整。同时，为了使变频器与电梯系统能够正常工作，在PLC 程序中还要设定电梯轿厢的最大平层距离为600mm。当轿厢达到600mm 时，变频器需要停止工作，发出复位信号，使电梯回到原点。另外，为了使电梯能够平稳、安全地运行，需要在电梯上安装紧急制动装置。同时还应该在PLC 程序中加入紧急制动功能，以确保发生火灾或地震时能快速地切断电源来保证电梯的安全运行。

4.1 变频器

变频器是一种交流电动机调速装置，它是通过改变电机旋转磁场的大小来改变电动机的转速。变频器由功率开关管、整流器、逆变器和斩波器组成，它还具有一定的控制功能，在某些场合下也能起到调速的作用。通常，变频器在控制电路中会有比较多的输出端，当其输出端短路时，变频器将无法正常工作。为了确保变频器能够正常工作，通常要在PLC 程序中加入短路保护功能，这就是控制电路与PLC 之间要相互配合。另外，由于电梯的额定电流较大，所以变频器还应设置一定的限流保护功能。

另外，还要设置变频器的安全保护功能，当出现机械故障、电气故障等情况时，变频器要及时进行自我保护或自动停机。

4.2 轿厢最大平层距离

当电梯轿厢到达指定位置后，将向左或者向右移动一个轿厢距离。为了避免轿厢距离的变化影响电梯运行的平稳性，需要设定轿厢最大平层距离为600mm。因为电梯轿厢的重量在电梯运行时是不断变化的，当电梯运行到某一层时，就需要将这一层作为起始位置，如果轿厢没有达到起始位置，那么就会以一个新的运行方向继续运行。这就造成了一个现象，即电梯在运行的过程中会出现上下跳动现象。为了避免这一现象的产生，在PLC 程序中设定了一个暂停指令。在程序设计中，如果电梯是静止的状态下到达该层停止运行，那么就会以停止方向作为新的初始位置。反之，就是以开始位置作为新的初始位置。

4.3 紧急制动

紧急制动是指当电梯的运行速度超过规定速度时，必须采取紧急措施来防止电梯突然启动。在正常情况下，变频器输出频率为0.5Hz，当发生紧急情况时，变频器的输出频率也会随之改变，这种情况下，如果将输出频率设定为1Hz，那么当变频器的输出频率发生改变时，电梯就会产生紧急制动的现象。而当变频电压达到1.5V时，变频器则会停止工作。当变频器停止工作后，PLC程序就需要对其进行复位操作。同时，为了确保电梯在紧急情况下的安全性和可靠性，必须将电梯紧急制动装置和PLC 系统进行连接。利用PLC 的CPU 进行控制的优点是，可以灵活地对电梯运行速度进行控制，而且还可以对PLC 系统的通信方式进行设定。

5 电梯调试

（1）模拟电梯轿厢，使其能够平稳运行，并且在实际运行过程中能够自动对轿厢进行移动和停止操作。

（2）使PLC 按照设计方案中所设计的程序顺序执行，并根据现场实际运行情况进行相应调整和修改。

（3）在实验过程中，要注意保护好各种接口电路以及相关器件，避免其出现损坏，影响PLC 的正常运行。

（4）对PLC 进行实际调试过程中，要根据调试方案进行操作和试验。实验过程中，要注意对模拟电梯轿厢的各项功能以及参数进行测试。在调试过程中出现故障时，应该及时更换元件和配件。在实验完成后，应该对各种电器元件进行检查，确保其完好。

（5）为了实现对变频器的控制和检测功能，可以利用变频器的控制输出单元对电梯速度和负载进行控制。在电梯调试完成后，要按照系统调试方案的要求和步骤进行测试，并对检测结果进行分析总结。为了能够更好地完成调试任务，应该按照规定对各种接线进行检查。

（6）如果发现问题，必须及时解决并记录下来。对于现场调试发现的问题，应及时记录下来并与设计方案相比较以确定是否符合要求，确保系统功能正常。

（7）如果存在不符合要求的情况时，要及时修复和调整并记录下来，对于现场不能解决的问题应该及时反馈给设计人员，以便于技术人员进行改进和完善。

（8）当实验完成后，应将所有硬件、软件资料等整理好后交给专业技术人员进行保存和保管。并将调试报告、控制程序、仿真结果等文件整理成册移交给管理部门和相关负责人存档备查。

（9）在现场调试过程中，应该对整个系统的可靠性进行检查和测试。为了保证系统的安全可靠运行，除了要按照规定对控制系统的元器件以及连接电缆和设备进行检查外，还需要对各种重要信号、安全信号以及紧急控制信号等内容进行检查确认并做好记录工作。

（10）在实验过程中，如果出现故障时应该立即停止实验并对现场情况进行记录，并按照规定的方法和步骤进行检查和测试。如果有必要也可以到实验室进行现场检查处理和解决问题。

（11）在实际应用过程中，电梯需要在一定范围内长时间运行时必须保证安全可靠且稳定。在系统调试过程中，应该按照要求对电梯控制系统的稳定性以及可靠性进行测试和分析，保证电梯能够安全、可靠地运行而不会出现故障，并且能够平稳地运行并完成相应的工作任务。

（12）在对电梯控制系统进行调试时，需要认真对待系统测试报告中所记录的内容，根据实际情况对其有效性、可行性和准确性等方面进行分析评估，确保其符合实际要求并且能够在工程中运用并发挥重要作用。同时，应该对系统中的各个设备仪表的使用情况以及相关的参数设置情况进行详细了解并记录下来以备以后参考。

6 结语

综上所述，本文通过对基于PLC 的电梯变频技术控制系统的设计和研究，证明了该系统的可靠性和稳定性，表明采用PLC 和变频器控制可以有效地实现电梯的高效和安全运行。虽然设计过程中存在一些不足，但从实际应用效果来看，该电梯系统可以稳定、可靠地工作。因此，该设计方案是可行的，并具有良好的应用前景。