浅谈人货两用施工升降机电气控制系统的改进设计

摘要：文章从升降机设备的控制要求及控制方案的确定入手，介绍了以PLC和变频器为控制核心，实现施工升降机安全动作的电气控制柜的设计。根据升降机的控制要求，谈了电气原理图的设计，并对升降机关键部分动作流程进行了分析，最后点出其设计的控制系统是由调压调频装置和可编程序控制器组成，实现对施工升降机的启动、加减速、制动过程的无级调速。

关键词：升降机；电气原理图；PLC

1.升降机设备的控制要求及控制方案的确定

1.1 控制要求

（1）控制元器件：用变频器控制，保证电机的启动和停止都能像电梯一样平稳实现。通过多档开关的切换，可分别进行匀速运行和加速运行，同时可以在任意位置精确停止。

（2）安全保护装置：升降机要有齐全的安全保护装置，主机上要有双向匀速式安全器，每只吊篮上设有限限速和防坠双重功能的安全装置。同时，要求有上、下限位，门机电联锁以及超重限制器等全方位的保护。

（3）控制要求：一个控制柜里面要有两套控制设备，即要能实现同时控制两台升降机的功能。

1.2 电气控制方案的确定

对于升降机的控制方式，因为本机要求实现的功能是能同时实现对两台机器的操控，若由传统继电——接触器控制，将会显得比较复杂，接线工作量大。同时，由于复杂的控制系统，不但增加了控制系统的误动作率和故障率，而且大大增加了柜子的体积。另外一方面，不同的客户可能会有不同要求，传统的控制方案工作程序固定将不能灵活的满足客户的要求。

基于上述原因，控制柜以PLC为核心对升降机设备进行控制，可以同时实现对两台设备的控制，极大缩小了柜子的体积，而且控制灵活。

2.电气原理图的设计

2.1主回路电路图的设计

由上述控制要求得知，要实现升降机的功能，至少需要三种电源：（1）变频器与制动器的工作电源 （ 380V ）；（2）PLC的工作电源 （220V）；（3）低压控制部分继电——接触器的动作电源（36V）。

因此需要一个变压器对三相电源进行分配。控制柜还需装有照明灯、风扇、三头插座等附件以方便用户的使用，风扇起柜内的散热作用。

从安全保护角度来看 ，为了防止电源断相引起的安全問题，在电机主回路上还需要接一个断相保护器。

照明灯、风扇、插座属于220V电源，分别由QF3、QF4、QF5来控制接通与断开，其中风扇的接通与否取决于主回路是否吸合。在设计上采用一对KM1与KM2的常开触点并联，同时与QF4串联。因为控制柜要求同时控制两台设备，所以从变压器上分出两路36V电源为两套控制回路供电。380V电源则向变频器供电。

2.2控制原理图的设计

2.2.1 PLC的I/O分配表

PLC输入输出，见表1。

2.2.2 PLC的控制程序

2.2.3 PLC外围硬件接线

本设计的控制要求是由一台PLC控制两台升降设备的动作，因此在接线部分有两路的输入和输出，根据上面输入输出的分配，X00、X01、X02、X03分别是主回路的吸合、上升、下降与加速。他们的动作是通过现场操纵台上一个多档开关来实现转换的。一般情况下，在升降机刚启动的时候，选择低速挡上升或下降。当达到一定高度时，可将开关打到加速档，PLC的输出信号（Y00、Y10、Y11、Y13分别是对应的输出信号）传递到变频器内，控制变频器的输出频率，使设备加速上升或下降。X04至X13是保护装置的接入，通过他们的动作，给PLC一个保护动作的输入信号。各类保护装置一般以常闭触点的形式接入PLC，如附图1。其中X07是变频器给出的信号，当变频器发生故障时数字输出DO1给出一个24V的输入信号给PLC，经过PLC内部程序的转换由Y06输出故障指示，故障指示灯亮。此时，可通过按故障复位按钮，X23将得到的输入信号通过PLC的输出端Y12送给变频器，变频器故障复位，停止工作，电机抱闸。

2.3 电机控制回路的设计

（1）低压部分主控回路接线说明。低压部分主控回路的主要内容包括电铃、主回路的控制和变频器的制动控制。该部分使用的是36V电源。电铃和电铃的开关都需要在升降机使用现场进行安装。其作用是提醒到达或启动，由人工控制。KM1接触器是控制变频器的启停，该部分由PLC来控制。KM2控制的是制动电机的通断，TA/TC为一对常开触点。在变频器正常运行状态下，即电机在正常运行过程中，触点接通，电磁抱闸得电，抱闸松开。当变频器运行频率达到频率下限时，该副触点自动断开（从得到断开信号到触点断开可通过内部参数设置，具体设置参数将在下面进一步探讨）抱闸夹紧。上面提到的故障复位后，变频器停机，抱闸断电夹紧。即当变频器发生故障后，按变频器的故障复位按钮，就可以让电机瞬间抱闸，防止意外发生。

与TA/TC触点并联的开关SB2有两个作用。第一是当吊篮在高空时变频器发生故障后抱闸，吊篮里的人或货物就可以通过该按钮来处理应急时的安全降落。第二个作用是，在现场进行调试的过程中，如果当变频器接入后，因为它具有速度控制功能，永远也不会超速。这样就无法检测出限速保护装置的动作可靠性。所以，在变频器接入前按下该按钮，抱闸松开让电机自由运转，这样就可以检测限速装置的安全性。

（2）变频器的硬件接线说明。变频器的输入端子分数字输入端子和模拟量输入端子。输出端子有1个多功能数字输出端子，1个多功能继电器输出端子（即TA/TC）。如需增加输入输出端子，可分别选配输入输出扩展卡。本设计用到的变频器接线需要四个数字量输入端子和1个数字输出、1个继电器输出。DI0、DI1、DI2、DI3四个输入端子分别用作上升、下降、故障复位和加速。其输入的信号由上文提到的PLC输出信号来给出。变频器的输出中TA/TC用于制动输出，DO1用作故障输出。

3.升降机关键部分动作流程的分析

本设计是以PLC为控制核心，通过对变频器的控制完成升降机的动作流程。对于升降机而言，其动作较为简单，但是对运行的可靠性和安全性有很高的要求。因此，各种保护装置的动作执行，都由PLC的程序来完成。另外，变频器控制升降起停时，控制系统中需要引起注意的是防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间的，大约0.6秒（视型号和大小而定，在现场调试中可以通过是否出现溜钩现象来判断电磁抱闸的动作时间大小）。因此，变频器如过早地停止输出，容易出现溜钩。另一方面，变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。

基于上述分析，控制方法是当重物在高空停止时，设定一个起始停止频率。当变频器工作频率下降至该起始频率时，变频器将输出一个频率到达信号给制动电磁铁，使其断电抱闸。同时设定一个下限频率保持时间t1。t1要求略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸的时间，最后变频器频率下降到零。

同理，给重物升降过程中设定一个升降起始频率。当变频器的工作频率上升到该频率时，将暂停上升。为了确保当制动器松开后，变频器已经能够控制住重物升降而不会溜钩，所以，在变频器达到起始频率的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间。当变频器已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令”，使电磁制动器开始通电。设定一个起始频率的维持时间t2，t2的长短应大于电磁制动器从通电到松开所需要的时间，变频器工作頻率上升到所需频率。

本控制系统有直接运行和加速运行两种运行方式。当主回路吸合后，操纵台将指令控制器切换到上升，按下上升点动按钮，PLC的输出端给变频器一个正转指令，吊篮上升。当到达指定高度后，松开按钮，变频器工作频率迅速下降，但仍然具有较大的转矩。当到达指定频率时，电磁制动器断电抱闸，可以实现吊篮平稳停止。下降则通过按下降按钮完成。

4.结论

施工升降机是建筑施工中必不可少的人、货垂直运输机械。自1973年第一台国产齿轮齿条式施工升降机生产以来，历经40多年的发展，国产升降机在结构形式、功能用途、性能质量、安全装置等多方面都有了很大的变化和发展。对于施工升降机而言，控制系统是施工升降机的关键部分，决定着整机性能的优劣。普通升降机的控制方式都是通过接触器控制来实现，速度单一、启制动冲击大，对结构和机构损坏较严重，电气元件也易损坏，且运行速度比较低，一般为34 m/min～38m/min，既影响施工速度也影响了施工企业的效益。若单纯地提高速度，则将造成加速度过大，结构及机构所受冲击过大而加快齿轮齿条及制动盘的磨损，从而降低运行的可靠性。

本设计的控制系统由调压调频装置（VVVF）和可编程序控制器（PLC）组成，实现了施工升降机的启动、加减速、制动过程的无级调速，减小了启制动时齿轮齿条的冲击，提高了施工升降机运行过程中的平稳性和舒适感，延长了施工升降机的使用寿命，并实现了0 m/min～60 m/min的无级调速，极大地提高了工作效率。在使用过程中，可根据工作情况设置各挡运行速度，以满足高层建筑施工中不同运行速度的需要。采用计算机可编程序控制器控制，提高了控制系统智能化程度及可靠性和准确性，简化了硬件设备，与故障率较高的继电器系统相比具有极高的优越性。采用可编程序控制器的软件编程技术，使操作简化，防止误操作，增加了安全保护功能。

参考文献：

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[2]汪定宇.SC100施工升降机[J].建设机械技术与管理，1992（3）：34-35.

[3]GB/T9462-1999 塔式起重机技术条件[S].

[4]殷建国.工厂电气控制技术[M].北京：经济管理出版社，2006.

作者简介：

施邦元（1978-），男，福建省安溪县人，现安溪县西坪镇农业服务中心工作，工程师，学历本科，研究方向：机械。