曳引智能升降機控制器設計

摘要：設計了一款曳引智能升降機控制器，主要是通過可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）技術、變頻器矢量控制技術、無線遠程傳輸（簡稱“遠傳”）通信技術實現升降機控制器的運行、平層定位、運行狀態信號遠傳、信息處理和故障檢修等功能。該控制器主要應用于集裝箱碼頭起重機人員以及部分貨物的運輸工作，由于碼頭的環境惡劣，因此在設計上增加了特殊天氣條件下的設備保護功能。

關鍵詞：控制器；矢量控制；遠傳監測

中圖分類號：TP273；TN92 文獻標識碼：A

0 引言

升降機是專供特種工作人員搭乘的升降設備，主要應用于碼頭上的卸船機。隨著集裝箱運輸船舶逐漸大型化，對岸邊集裝箱起重機提出了更高的要求，在碼頭運輸中岸橋起重機是維持運輸的保障[1]。同時，岸橋升降機作為岸橋上運輸人員以及貨物的重要設備，升降機控制器的性能隨著碼頭運輸行業的發展逐漸向自動化、智能化、信息化方向提升。

曳引升降機控制器是曳引升降機的神經中樞，主要負責控制曳引升降機設備的運行，同時保護設備以及人身安全。目前市場上流行的升降機主要分為曳引和齒條兩種，齒條升降機通過齒輪和齒條嚙合的方式實現設備升降。由于齒條升降機的機械結構主要靠齒輪齒條，因此維護難度大。與齒條升降機相比，曳引升降機的機械結構較為簡單，其主要是利用鋼絲繩的牽引實現設備升降，維護也相對簡單。隨著曳引升降機的快速發展，其安全性已經達到齒條電梯的水平，目前在市場上已經占據主流地位。

1 系統整體設計

1.1 系統主要功能

曳引升降機控制器具備自動控制、安全防護、人機交互和數據遠程傳輸（簡稱“遠傳”）等功能。①自動控制：控制器可根據各種操作指令完成設備的不同運行動作，如上運行、下運行、檢修、急停等，同時具備顯示轎廂所在位置以及呼叫顯示功能；②安全保護：控制器必須具備可靠的保護功能，特殊情況下必須具備立即停車功能，同時具備對特殊環境的保護，如大風停止運行、設備超載保護等功能；③人機交互：對設備運行狀態進行可視化顯示，如內部呼梯、外部呼梯、運行、檢修、步上、步下、所在樓層、目標樓層、變頻器電流、變頻器電壓、變頻器功率、變頻器故障、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）故障和PLC輸入/輸出口狀態；④數據遠傳：具備4G/5G信號的通信功能，將控制器的信息通過無線模塊以無線傳輸的方式傳輸至后臺管理軟件。

1.2 系統控制設計

升降機控制器整體結構如圖1所示。

升降機控制器控制部分主要由PLC、變頻器、變頻電機、4G/5G遠傳模塊、觸摸屏和轎廂組成。其中，PLC是控制器的核心，負責完成所有的邏輯控制[2]；變頻器主要是控制變頻電機實現轎廂的上下行，同時實現對速度的控制；4G/5G遠傳模塊是將控制器的各種信息以無線的方式傳輸至監控平臺，使工作人員了解設備的運行信息以及各種故障問題[3]；觸摸屏主要是實現系統的可視化，顯示控制器的各種運行信息，使操作人員能夠更好地了解設備當前的運行狀態。

2 電路設計

2.1 供電回路設計

供電回路主要是完成升降機控制器的電源引入，合理分配各個設備的供電，并實現漏電、過電流、欠電壓等保護。供電基本電路如圖2所示。

（1）斷路器QF1、QF2：實現對電壓及過電流的保護。

（2）接觸器KM1：實現控制變頻器的供電吸合及斷開。

（3）接觸器KM2B、KM2A：實現對變頻電機（M）的抱閘控制，其抱閘信號通過PLC給定。

（4）相位保護器XW：負責對主電源相序進行監測，避免相序錯誤以及欠電所造成的人員及設備的損失。

（5）變頻機VS：通過頻率控制電機速度。

（6）變頻電機M：將電能轉換為機械能。

2.2 控制回路設計

控制回路主要是通過PLC的輸入點和輸出點，完成升降機控制器的邏輯設計。

（1）L+/M+：直流24 V電源，主要為信號點供電。

（2）L/N：交流220 V電源，主要為PLC供電。

（3）Ia0.0-a0.7/Ib.0-b0.7/Ic0.0-c0.7：信號輸入端，主要是采集運行信號和控制指令信號。具體信號包括以下幾個方面。①編碼器A與編碼器B：主要讀取正交編碼器脈沖；②定位開關信號：負責位置校準；③門聯鎖信號：包括安全繩、門關閉狀態，起到保護人身安全和設備安全的作用；④運行信號/故障信號：主要檢測變頻器的運行狀態；

⑤檢修信號/步進上/步進下：在設備檢修狀態下的升降信號；⑥內呼信號：在轎廂內呼叫升降機；⑦外呼信號：在轎廂外呼叫升降機；⑧上、下極限信號（過沖信號）：可以保護設備的運行安全。

（4）Qa0.0-a0.3/Qa0.4-a0.7/Qb0.0-b0.3/Qb0.4-b0.7/Qc0.0-c0.3：信號輸出端，主要是對升降機邏輯運算結果進行輸出。具體輸出包括以下幾個方面。①運行輸出：控制升降機以50 Hz運行；②低速輸出：當減速停車或者故障介入時，控制升降機以3 Hz運行；③檢修輸出：檢修狀態下的輸出信號；④上行/下行輸出：控制升降機上行或者下行；⑤呼梯輸出：控制升降機運行到達相應的位置；⑥位置輸出：顯示升降機當前所在位置；⑦聯鎖輸出：岸橋起重機與升降機邏輯聯鎖，起重機運行后，升降機不可運行；⑧抱閘輸出：打開/關閉抱閘使能；

⑨到站輸出：到站后蜂鳴提示。

2.3 變頻回路設計

變頻器的控制方式主要有矢量控制和電壓/頻率控制兩個方向，與電壓/頻率控制相比，矢量控制具有啟動轉矩大、控制平穩、不易失步等特點。在設計上采用變頻器與編碼器形成閉環矢量控制，閉環矢量控制在參數調節優化上是一個難點，該參數直接影響乘坐升降機的舒適性。同時變頻回路需要增加濾波設計，避免變頻器的高頻諧波對編碼器高速計數的影響。

3 智能化程序設計

3.1 停車程序設計

設備上電后，首先需要對升降機位置進行校準，校準完成后，執行復位程序。復位程序執行完成后，升降機可以正常運行。程序流程如圖4所示。

3.2 位置判定程序設計

傳統的磁敏開關主要起判斷樓層位置以及樓層減速點的作用，而位置判斷程序主要利用編碼器模擬傳統的磁敏開關。具體來說，其主要通過編碼器的脈沖數量來模擬相應的磁敏開關的安裝位置，從而計算出減速平層距離，以完成平層停車。在實際應用上，由于曳引鋼絲繩的形變以及存在的機械誤差等因素，會導致平層距離點不準確。為了解決該問題，在程序中增加自動判定功能可以對每次運行取得的數據與標準值進行對比，當誤差達到一定的閾值后，需要對設備重新校準。

3.3 故障保護程序設計

在故障保護程序中增加門聯鎖、大風保護、過載保護和歷史記錄等功能。利用程序自動記錄報警時間、報警發生順序。當故障出現時，該程序第一時間記錄故障內容，為故障分析提供依據。

3.4 通信程序設計

本設備需要采取多種通信方式來實現數據采集、存儲顯示、信息遠傳等功能。

（1）利用以太網的方式實現PLC與人機界面的程序交互并且進行數據實時顯示。

（2）使用串口的通信方式實現變頻器與PLC的交互功能，完成對電機的運行時間、電機電壓、電機電流等參數的采集。

（3）將采集信息通過串口的通信方式，上傳到遠傳模塊，以4G/5G的方式上傳至監測平臺。

4 結語

隨著集裝箱運輸船舶行業的飛速發展，升降機控制器的市場需求量也在大幅增加。以PLC為控制核心，結合變頻器等關鍵設備器件，本文設計了曳引智能升降機控制器，其在自動化性能、安全性能和可維修性等方面都有顯著的提升。

參考文獻

[1] 梁毅，姚磊，宓超.自動化岸邊集裝箱起重機技術發展現狀和前景[J].集裝箱化，2024，35（4）：10-13.

[2] 柴彩彩，湯萍，王玲，等.基于PLC的電梯電氣控制系統設計[J].現代制造技術與裝備，2023，59（12）：63-65.

[3] 王珍珍，李琳.電梯控制系統串口協議測試平臺的需求與開發[J].中國電梯，2024，35（5）：68-71.