電梯雙電源供電裝置PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

張德民，劉洪錦，高強，王旭

（1.天津理工大學 自動化學院，天津 300384；2.天津市復雜工業(yè)系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384）

1 引言

電梯是高層建筑中的重要交通運輸設(shè)備，經(jīng)常由于供電系統(tǒng)故障導致電梯無法啟動、急?；驉炄说葐栴}發(fā)生，給電梯的使用者帶來極大的傷害。為此，電梯供電系統(tǒng)采用了雙電源設(shè)計，即常用電源和備用電源，但是常見的雙電源設(shè)計中沒有考慮電梯環(huán)境的特殊要求，使其在使用中很難發(fā)揮應(yīng)有的作用。本文專門設(shè)計了一種采用S7－300PLC控制的電梯雙電源供電切換裝置，具有后備電池供電、語音提示和無線救援等特殊功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

電梯雙電源供電裝置主要包括：后備電池單元、主回路檢測單元、PLC控制單元、轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)、語音播放器和無線救援單元，參見圖1。下面具體說明每部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 雙電源轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The scheme of double power supply device

2.1 后備電池單元

傳統(tǒng)的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制電源來自常用或者備用電源，當常用電源盒、備用電源都斷電時，整個轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制部件因為沒有電而無法工作，因此不能進行故障記錄和狀態(tài)恢復等一系列操作。

為克服上述缺點，電梯專用雙電源轉(zhuǎn)換裝置采用了后備電池設(shè)計方法，實現(xiàn)了在線和離線兩種方式下的轉(zhuǎn)換。由于有后備電池單元給控制系統(tǒng)提供直流電源，即使在常用電源盒、備用電源都出現(xiàn)故障（包括斷電、缺相、欠壓等情況），轉(zhuǎn)換裝置的控制部分仍然可以離線式運行，包括故障記錄查詢、常用備用切換和狀態(tài)恢復等。

后備電池單元的工作原理，參見圖2。

圖2 后備電池單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The scheme of back－up battery module

后備電池單元在常用／備用電源主回路上通過三相變壓器降壓取電，得到交流24V電源AC 24V－N和AC 24V－R，再經(jīng)過三相整流濾波電路得到直流電源DC 24V－N和DC 24V－R。DC 24 V－N和DC 24V－R分別經(jīng)過單向二極管D1－N和D1－R匯總到一起，得到直流電源DC 24V－NR。DC 24V－NR經(jīng)過穩(wěn)壓電路后得到穩(wěn)壓直流電源DC 24V。DC 24V又分成2個分支，第1個分支：PLC控制單元；第2個分支電池充電電路。當常用和備用電源主回路都出現(xiàn)故障時，后備電池通過放電電路向PLC控制單元輸送24V直流電源。

2.2 主回路檢測單元

主回路檢測單元負責常用、備用電源主回路的電源參數(shù)檢測，包括斷電、缺相和欠壓。如果常用或備用電源出現(xiàn)上述故障，主回路檢測單元會自動向PLC控制單元發(fā)出主回路故障信號，作為常用、備用轉(zhuǎn)換的判斷依據(jù)。主回路檢測單元的工作原理如圖3所示，常用和備用主回路采用相同的設(shè)計方法，常用主回路檢測單元輸出信號是MAIN－OK－N，備用主回路檢測單元輸出信號是MAIN－OK－R。當輸出信號為高電平（DC 24V）時，表示主回路正常，否則表示故障。

圖3 主回路檢測單元原理圖Fig.3 The scheme of main power test module

2.3 PLC控制單元

PLC控制單元是整個轉(zhuǎn)換裝置的控制部分，它的工作電源由后備電池單元提供；它的輸入信號來自常用、備用主回路檢測單元、轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)行程開關(guān)和操作鍵盤；它的輸出信號去向包括3部分，第1部分：轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)；第2部分：電梯語音播放器；第3部分：電梯無線救援。PLC控制單元的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 PLC控制單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The scheme of PLC control module

2.4 轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)

轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)是一套機械裝置，它通過一臺雙向交流電機旋轉(zhuǎn)帶動齒條直線運動，將常用或備用電源的斷路器合上或者斷開。常用和備用之間的動作是相斥的，即常用合閘時備用斷開；反之，備用合閘時常用斷開。轉(zhuǎn)換機構(gòu)還可以實現(xiàn)常用和備用同時斷開的動作，即雙分動作。

轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)的電機由PLC控制單元發(fā)送來的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)2個信號控制旋轉(zhuǎn)方向。

常用合閘、備用合閘和雙分動作執(zhí)行的反饋信號通過安裝在執(zhí)行機構(gòu)上的行程開關(guān)實現(xiàn)，PLC控制單元根據(jù)行程反饋信號可以防止合閘過程中出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of switching actor

2.5 電梯語音播放器

電梯環(huán)境對雙電源轉(zhuǎn)換裝置有著特殊的要求，尤其在電梯運行中常用或備用電源出現(xiàn)突發(fā)性故障導致電梯急停，電梯轎廂是一個相對封閉的環(huán)境，那么轎廂里的乘客會受到驚嚇而感到恐慌。為此，在電梯雙電源轉(zhuǎn)換器中設(shè)計了語音播放器。當電梯主回路電源發(fā)生故障而無法運行時，安裝在轎廂的應(yīng)急燈會自動打開，同時反復播放故障說明，使乘客得到安慰。根據(jù)電梯主回路電源故障的類型，設(shè)計了以下故障提示。

1）電梯主回路常用電源故障，正在轉(zhuǎn)換到備用電源運行。

2）電梯主回路常用和備用電源故障，電梯無法運行，請按下操作盤上的緊急報警按鈕、撥打操作盤上的報警電話。

3）電梯主回路恢復正常供電，電梯在校正運行中，請握好扶手，不要依靠轎門，開門后注意觀察平層位置，防止發(fā)生跌落。

這3條故障提示分別對應(yīng)電梯主回路的3種供電狀態(tài)，由PLC控制單元根據(jù)主回路的故障狀態(tài)來判斷播放哪一條提示。當常用電源出現(xiàn)故障時，如果備用電源正常，則播放第1條；如果備用電源也出現(xiàn)故障，則播放第2條；當電梯主回路常用電源恢復正常時，播放第3條。

電梯語音播放器包括控制信號、語音芯片、放大器和揚聲器等部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。在語音芯片中固化了上述3條提示音，與3個控制信號一一對應(yīng)。

圖6 語音播放器的結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structure diagram of audio player

2.6 電梯無線救援單元

在電梯發(fā)生主回路電源故障之后，電梯的運行會受到一定的影響，甚至發(fā)生電梯安全事故，這是因為：發(fā)生電源故障時，如果電梯正在運行中，因失去動力而急停，可能會沖撞安全回路，造成安全回路動作，如蹲底或沖頂造成的底坑緩沖器、極限開關(guān)動作；超速造成的安全鉗、夾繩器動作等等。當電梯主回路電源恢復正常時，這些安全回路的開關(guān)是不能自動復位的，必須由電梯維保員手動復位。

另外，電梯主回路發(fā)生電源故障時，即使電梯沒有發(fā)生急停，如果電梯內(nèi)有乘客，因為不知道電源故障多長時間會解決，也很有必要及時將乘客解救出來。

這就是常說的“電梯悶人”，現(xiàn)在大部分電梯轎廂里的對講機和電話基本上不能正常使用。電梯轎廂又是密閉的金屬殼體，如果沒有安裝手機信號放大器，手機基本上沒有信號，被關(guān)的乘客無法與外界聯(lián)系，只能靠大聲呼救。

在上述情況下，電梯無線救援器會自動向電梯維保員發(fā)送救援信息，維保員會在最短的時間內(nèi)趕到事故現(xiàn)場，進行故障處置和解救乘客。

電梯無線救援器內(nèi)部有一個救援信息表，由故障信號輸入點、故障短信描述和手機號碼組成。故障輸入點分別來自PLC控制單元和電梯安全回路，這樣由雙電源轉(zhuǎn)換器、電梯控制器和無線救援器共同構(gòu)成一個在線式的電梯故障無線短信救援系統(tǒng)。

電梯無線救援器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括控制信號、短信存儲器、手機模塊、SIM卡等部分。

圖7 無線救援模塊的結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure diagram of wireless message module

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有嚴格的要求。目前市場上的雙電源轉(zhuǎn)換裝置多采用單片機控制，雖然在生產(chǎn)成本上有一定的優(yōu)勢，但是在穩(wěn)定性和可靠性方面有所欠缺，為此本裝置采用S7－300PLC作為主要的控制器，另外輔以主回路檢測器、語音播放器和無線救援器構(gòu)成一套模塊化的控制系統(tǒng)，PLC輸入輸出信號如表1所示。

表1 PLC輸入輸出信號表Tab.1 PLC I／O signal list

3.1 S7－300PLC輸入信號

在電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置控制中，S7－300PLC的輸入信號包括操作面板、主回路電源檢測、執(zhí)行機構(gòu)行程反饋、電梯安全回路聯(lián)鎖等信號。

操作面板控制信號。根據(jù)電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置的控制需要，操作面板上設(shè)計了以下操作開關(guān)。

手動／自動控制方式選擇開關(guān)：按下后，選擇自動控制方式，否則手動控制方式。

手動常用合閘：按下后，執(zhí)行機構(gòu)將常用電源合閘。

手動備用合閘：按下后，執(zhí)行機構(gòu)將備用電源合閘。

手動雙分：按下后，執(zhí)行機構(gòu)將常用電源、備用電源都斷開，處于雙分狀態(tài)。

自動自投自復：當常用電源故障后，接通備用電源，在常用電源恢復正常后，再自動轉(zhuǎn)換到常用電源合閘。

自動自投不自復：當常用電源故障后，接通備用電源，在常用電源恢復正常后，不再自動轉(zhuǎn)換到常用電源合閘。

主回路電源檢測信號：包括常用電源檢測正常信號和備用電源檢測正常信號。

執(zhí)行機構(gòu)行程反饋信號，表示執(zhí)行機構(gòu)輸出動作的執(zhí)行情況，提高執(zhí)行輸出到位的可靠性，包括常用合閘到位行程開關(guān)信號、備用合閘到位行程開關(guān)信號和雙分到位行程開關(guān)信號。

電梯安全回路聯(lián)鎖信號：當電梯由于某種原因?qū)е缕浒踩芈酚|發(fā)而不能自動恢復運行時，電梯向S7－300PLC發(fā)出安全回路聯(lián)鎖信號，雙電源轉(zhuǎn)換裝置將自動執(zhí)行雙分操作，防止電梯故障進一步擴大而導致設(shè)備損壞或任務(wù)傷亡。

3.2 S7－300PLC輸出信號

S7－300PLC的輸出信號包括如下幾種。

操作面板指示燈信號，包括常用電源正常、備用電源正常、常用電源合閘、備用電源合閘、手動方式、自動方式、自動自投自復、自動自投不自復指示燈。

執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動信號，包括常用合閘繼電器和備用合閘繼電器控制信號。

語音播放器播放控制信號，包括3個輸出信號，分別對應(yīng)語音播放器的3條語音。

無線救援器發(fā)送控制信號，包括2個輸出信號，分別對應(yīng)主回路電源故障和電梯安全回路故障。

電梯主回路電源故障聯(lián)鎖信號，當常用電源和備用電源經(jīng)檢測均發(fā)生故障時，S7－300PLC會向電梯控制系統(tǒng)發(fā)出“主回路電源故障聯(lián)鎖信號”，電梯控制系統(tǒng)在收到此信號后，會保持靜止狀態(tài)，以免運行過程中發(fā)生意外事故。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 控制任務(wù)規(guī)劃

電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置的軟件部分包括多個子模塊任務(wù)，主要任務(wù)包括：操作面板信號采集與指示刷新、常用備用電源檢測與合閘、語音播放器、無線救援器和電梯聯(lián)鎖信號控制等。

4.2 控制流程設(shè)計

在S7－300PLC中，這些任務(wù)是順序重復執(zhí)行的，因此要根據(jù)不同模塊的功能和相互關(guān)系安排好執(zhí)行的次序，本系統(tǒng)軟件部分的控制流程如圖8所示。

圖8 軟件主流程圖Fig.8 The main control flow chart

5 結(jié)論

本文結(jié)合電梯雙電源轉(zhuǎn)換裝置的特殊要求，分析了雙電源轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)與功能，提出了一種以S7－300PLC為主的控制方法，特別是將主回路電源故障和電梯安全回路故障進行了信號聯(lián)鎖控制，同時采用了語音播放故障錄音和發(fā)送無線短信等方法來提高電梯的運行穩(wěn)定性，縮短電梯救援的等候時間，為保證安全乘坐電梯提供一種有效的手段。

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