CN103381983A

CN103381983A - 基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器

Info

Publication number: CN103381983A
Application number: CN2013103475991A
Authority: CN
Inventors: 李洪儒; 张军; 刘筝; 徐海宁; 王晓雯; 刘晓松; 郑强; 周枫; 李玲玲
Original assignee: SHENZYANG HUIBO AUTOMATED INSTRUMENTATION CO Ltd
Current assignee: Shanghai Zhenhua Port Machinery (Group) Longchang lifting equipment (Dongtai) Co., Ltd.; Shenyang Academy of Instrumentation Science Co Ltd
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-08-12
Also published as: CN103381983B

Abstract

一种基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器，解决了现有控制方案中平层精度低，安装维护工作量大、成本高，安全可靠性差等问题。其包括电源电路、PLC、轿厢控制电路、电磁制动电路、状态指示电路，其技术要点是：电源电路、光电编码器、自修正电路、自校准电路、越限保护电路、数据录入电路以及轿厢控制电路的输出端分别与PLC的输入端相连，PLC的输出端分别与变频驱动电路、过载保护电路、电磁制动电路、状态指示电路、GPRS通讯电路的输入端相连，过载保护电路的输出端与电机的输入端相连；光电编码器固定在电机的电机轴上。采用光电编码器控制升降机运行，系统复杂程度显著降低，并且极大地提高了安全可靠性，降低了安装维护的工作量及成本。

Description

基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器

技术领域

本发明涉及升降机电气控制技术领域，具体说是一种基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器，主要适用于龙门起重机、装/卸船机等设备的高塔或矿井中的齿轮升降机。

背景技术

众所周知，齿轮升降机是一种专供工作人员上下的升降机械，齿轮升降机控制器是该设备中的核心部件，相当于该升降机械设备的大脑或神经中枢，用于控制齿轮升降机的运行，实现设备运行方式的控制、运行状态的管理与记录以及相应的安全防护功能。

目前，常用的齿轮升降机控制器采用磁敏双稳态开关进行定位，同时通过干簧继电器对平层位置进行检测。在轿厢上下运行过程中，磁敏双稳态开关受到安装在轿厢上的磁铁的作用，通断状态发生翻转并保持，开关的通断状态输入到PLC(可编程控制器)中，PLC根据各开关状态判定轿厢所处的位置，并输出相应的运行速度指令。到达平层位置点后，干簧继电器动作，输出脉冲信号到PLC，PLC输出停止指令。

但是现有的升降机控制器存在以下缺点：1. 平层定位完全依赖干簧继电器的动作，平层精度低，故障率高。2. 磁敏双稳态开关和干簧继电器内部采用机械触点结构，一旦受到振动冲击影响，机械触点结构易发生异常，因层站数增加而应用大量开关时，故障率呈指数倍上升。3. 敷设的随行信号电缆过多，在多层站数时尤为明显，增加了安装及维护成本、同时故障率显著提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器，从根本上解决了现有控制方案中平层精度低，安装维护工作量大、成本高，安全可靠性差等问题。采用光电编码器控制升降机运行，仅保留一个磁敏双稳态开关用于位置校准，系统复杂程度显著降低，并且极大地提高了安全可靠性，降低了安装维护的工作量及成本。

本发明解决以上问题的技术方案是：该基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器包括电源电路、PLC、轿厢控制电路、电磁制动电路、状态指示电路，其特征在于：所述齿轮升降机智能控制器设置在控制器柜体内，控制器柜体左右两侧分别设置排风口和进风口，柜体底部设有排水口，柜门上安装若干控制开关按钮；电源电路、光电编码器、自修正电路、自校准电路、越限保护电路、数据录入电路以及轿厢控制电路的输出端分别与PLC的输入端相连，PLC的输出端分别与变频驱动电路、过载保护电路、电磁制动电路、状态指示电路、GPRS通讯电路的输入端相连，其中变频驱动电路的输出端分别与GPRS通讯电路、升降机电机的输入端相连，过载保护电路的输出端与电机的输入端相连；光电编码器固定在电机的电机轴上。

所述电磁制动电路包括由PLC控制的电磁制动器，自校准电路包括固定在轿厢的运行轨道上的磁敏开关，变频驱动电路包括变频器、变压器、相序保护继电器，电源电路的输出端与变频器的输入端之间设有控制开关QF1，变频器的输出端与电机的输入端之间串联有常开继电器常开触点KM1、KM2；变压器上设有三路次级输出端I、II、III，控制开关QF1的输出端与变压器的输如端之间设有控制开关QF2，电磁制动器设置在变压器的次级输出端I上，变压器次级输出端I与电磁制动器的输入端之间设有整流桥QL1，变压器次级输出端II上设有PLC，变压器次级输出端II与PLC的输入端之间设有整流桥QL2，变压器次级输出端III上设有轿厢控制电路，变压器次级输出端III与轿厢控制电路的输入端之间设有控制开关QF3，控制开关QF2与控制开关QF3的输出端i之间设有相序保护继电器；轿厢控制电路包括串联后并联在控制开关QF3输出端ii上的门锁开关、轿厢门开关、轿厢天窗开关、急停开关、限位开关。

本发明的有益效果是：平层定位精度提高。采用光电编码器代替磁敏双稳态开关对升降机进行运行定位，并通过GPRS通讯模块将升降机运行状态发送到网络上。光电编码器安装在电机轴上，电机轴转动时，光电编码器输出正交脉冲信号到PLC，PLC对脉冲进行加减计数，可以得到不同位置的计数值。在正式运行前，通过检修操作对各个平层点的位置进行校准并保存。正常运行时，根据呼梯信号，PLC计算出目标计数值，并与当前计数值比较，满足条件后，发出停止指令。本发明具有参考点校准功能，可有效消除长期运行后的累积误差，在一层站上方减速点位置安装一个磁敏双稳态开关，该开关的位置也经过校准。运行中，轿厢经过该开关时，当前计数值被重置，即位置被重新校准。本发明还具有平层位置自修正功能，可有效克服长期运行后运行特性变化所带来的平层偏差增大的现象，每一次平层动作结束后，进行一次平层误差的计算，将计算结果保存并对下一次平层动作进行反向补偿。控制器柜体内设有PLC、变频器和GPRS通讯模块。PLC和变频器的RS485端口与GPRS通讯模块的RS485数据端口相连。GPRS通讯模块安装有外接天线。控制器运行时，PLC和变频器的运行状态数据发送到GPRS通讯模块中。GPRS通讯模块将收到的数据发送到网络上。

运行安全靠。变频器VS的输出端与电机M之间串联有继电器的常开触点KM4、KM5，只有在继电器的常开触点KM4、KM5同时动作后，电机M才能启动。若继电器的常开触点KM4、KM5能够同时动作，则表示控制电路供电正常，因此采用串联的常开触点KM4、KM5使电路更加安全可靠。即使KM4和KM5中有一个元件故障，控制器也不会误动作，而引发安全事故。相序保护继电器JXW只有在输入端相序正确且不缺相的情况下，输出继电器才会动作，接通控制电源回路。若越限异常情况发生时，限位开关SQ7或SQ8动作，继电器线圈KA1或KA2得电，常闭极限开关KM1或KM2动作，切断相应的PLC输出信号10.05或10.04，变频器VS控制端S2或S1失去控制信号后立即停止驱动电机M，从而实现越限保护功能。

安装维护工作量减小，降低成本。由于电磁制动器YB和接触器均含有机械结构，其动作均有一定的延时，且易受电压、磨损、老化的影响而变化，由此引起平层位置发生变化。平层自修正功能即针对以上情况而设计，每次平层操作完成后，轿厢停止，此时，PLC读取计数值，并与校准标准值进行比较，计算出误差。下一次运行时，根据误差值，对平层点的目标计数值进行调整，达到修正的目的。如：目标点的计数值为1000，但由于惯性原因实际停止时的计数值为1005，偏差为+5。下一次运行时，则将目标计数值调整为1000-5=995，即在计数值达到995时发出停止运行的指令，此时惯性使得将轿厢继续运行+5的距离，最终停止在1000，正是预期的平层位置。其他原因引起平层位置的变化，也都可以通过该功能实现修正，保证平层精度不会受到影响。该功能无需人工干预，完全实现自动化。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构组成图；

图2是本发明实施例的电气原理图；

图3是图2变频器部分的控制结构示意图；

图4是本发明实施例的光电编码器安装图；

图5是本发明实施例的柜体外形图。

附图主要符号说明：VS变频器、PLC可编程控制器、CM GPRS通讯模块、EC光电编码器、JXW相序保护继电器、QL1~QL2整流桥、YB电磁制动器、TC变压器、ANT天线、MCS磁敏开关、QF1~3控制开关、FU1~4断路器、SQ1～4门锁开关、SQ5轿厢门开关、SQ6轿厢天窗开关、SQ7~8限位开关、QS1~2急停开关、1电机、2电机轴、3减速机、4光电编码器、5控制器柜体、6控制开关按钮、7进风口、8排水口、9排风口。

具体实施方式

根据图1~5详细阐述本发明的结构。该基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器包括电源电路、PLC、轿厢控制电路、电磁制动电路、状态指示电路等部分。齿轮升降机智能控制器设置在控制器柜体内，控制器柜体采用不锈钢制作，控制器柜体左右两侧分别设置排风口9和进风口7，柜体底部设有排水口8，柜门上安装若干控制开关按钮6（主要包括急停按钮、照明按钮、检修按钮、步上按钮、步下按钮）。电源电路、光电编码器、自修正电路、自校准电路、越限保护电路、数据录入电路以及轿厢控制电路的输出端分别与PLC的输入端相连，PLC的输出端分别与变频驱动电路、过载保护电路、电磁制动电路、状态指示电路、GPRS通讯电路的输入端相连，其中变频驱动电路的输出端分别与GPRS通讯电路、升降机电机的输入端相连，过载保护电路的输出端与电机的输入端相连；光电编码器固定在电机的电机轴上。

其中，PLC可选用欧姆龙CP1E-N40CDR+CP1W-CIF11，变频器VS可选用安川的CIMR-HB4A0031FAA，GPRS通讯模块可选用四信的F2103，电机可选用ABB 的380V 11kw三相异步电机，光电编码器EC可选用海德汉的ERN400。图2中，将需要连接在一起的导线用相同的线号表示。

380V/50Hz三相电源输出端与控制开关QF1输入端U1、V1、W1相连，控制开关QF1的输出端U2、V2、W2分别与变频器VS的主回路电源输入端R、S、T和控制开关QF2的输入端相连。变频器VS的主回路U、V、W输出端分别连接到继电器的常开触点KM4的触点

Figure 2013103475991100002DEST_PATH_IMAGE001

上，继电器的常开触点KM4的触点

分别连接到继电器的常开触点KM5的触点

上，继电器的常开触点KM5的触点

连接电机M的输入端。变频器VS的B1、B2端连接制动电阻RB。变频器VS的A+、B-端连接GPRS通讯模块CM的A+、B-端，变频器VS的控制端SC串联继电器的常开触点KM7后，与PLC输出端COM3相连；变频器VS的控制端S7与PLC的输出端10.07连接；变频器VS的控制端S6与PLC的输出端10.06相连；变频器VS的控制端S2串联继电器常闭触点KM1后与PLC的输出端10.05相连，变频器VS的控制端S1串联继电器常闭触点KM2后与PLC的输出端10.04相连；变频器VS的输出端MA与PLC的输入端0.07相连；变频器VS的输出端M2与PLC的输入端0.08相连。控制开关QF2的输出端U5、V5、W5与相序保护继电器JXW的输入端L1、L2、L3相连，控制开关QF2的输出端U5、W5还与变压器TC的380V输入端相连。

变压器TC有三路次级输出，I路输出为AC220V，其中的火线上串联有断路器FU1，断路器FU1的输出端串联常开触点KM2后与继电器线圈KA3的一端相连，火线端同时还与整流桥QL1的其中一个交流输入端相连；AC220V的零线端串联继电器的常开触点KM4后与继电器线圈KA3的另一端相连，零线端同时还与整流桥QL1的另一个交流输入端相连。整流桥QL1的两个直流输出端分别串联两组继电器的常开触点KM6后与电机M上的电磁制动器YB相连。I路输出为电磁制动器YB提供电源。

II路输出为AC26V，其中的火线端与断路器FU2输入端相连，断路器FU2的输出端与整流桥QL2的其中一个交流输入端相连；AC26V的零线端与整流桥QL2的另一个交流输入端相连。整流桥QL2的输出端为直流电，正极为L2+，负极为M2。II路输出为其他低压控制回路提供电源，如PLC。

III路输出为AC220V，其火线061接断路器FU3的输入端，FU3的输出端和零线接控制开关QF3的输入端，控制开关QF3的火线输出端接相序保护继电器JXW的触点，继电器线圈KA4、KA5接在控制开关QF3两个输出端之间。相序保护继电器JXW的输出端i串联继电器的常开触点KM4后，与PLC的电源输入端L1相连。控制开关QF3的输出端ii串联继电器的常开触点KM5后与PLC的电源输入端L2/N相连。III路输出为开关SQ1~6等提供电源。

控制开关QF3的输出端i串联限位开关SQ7后与继电器线圈KA2的一端相连，控制开关QF3的输出端i串联限位开关SQ8后与继电器线圈KA1的一端相连，继电器线圈KA1、KA2的另一端与控制开关QF3的输出端ii相连。继电器线圈KA7的一端与控制开关QF3的输出端ii相连，继电器线圈KA7的另一端串联一至四层的门锁开关SQ1～SQ4、轿厢门开关SQ5、轿厢天窗开关SQ6、急停开关QS1和QS2、继电器的常开触点KM3。

PLC的24V直流输出端L1+与断路器FU4的输入端相连，断路器FU4的输出端接到导线350上。变频器VS的信号输入端M1、MC与导线350相连。PLC的输入端COM0接M1，PLC的输入端0.06、350分别接继电器的常开触点KM7；PLC的输入端0.07、350分别接变频器VS的信号输出端MA、MC；PLC的输入端350、0.08分别接变频器VS的信号输出端M1、M2。光电编码器EC的信号输出端C、D分别接PLC的输入端0.00、0.01。光电编码器EC的电源输入端分别与导线350、M1相连，磁敏开关MCS的一端与PLC的输入端0.09相连，磁敏开关MCS的另一端与导线350相连。

继电器的常开触点KM1接在PLC的输入端0.11与导线350之间；继电器的常开触点KM2接在PLC输入端0.10与导线350之间。检修开关SA6的接在PLC的输入端1.00与导线350之间。选层按钮SB1～SB4的一端顺次与PLC的输入端1.01～1.04相连，选层按钮SB1～SB4的另一端接在导线350上。呼梯按钮SD1～SD4的一端顺次与PLC的输入端1.05～1.08相连，呼梯按钮SD1～SD4另一端都接在导线350上。坠梯按钮SB8的一端与PLC的输入端1.09相连，坠梯按钮SB8的另一端接在导线350上。步上按钮SB5和步下按钮SB6的一端顺次与PLC的输入端1.10、1.11相连，步上按钮SB5和步下按钮SB6的另一端都接在检修开关SA6（即导线320）上。PLC的输出端COM0与继电器线圈KA7（即导线121）相连，PLC的输出端10.00与继电器线圈KA6的输入端相连，继电器线圈KA6的另一端接在QF3的输出端ii上。 GPRS模块CM的电源输入端分别与导线350、M1相连，GPRS模块CM的信号输入端分别接在PLC的信号输出端A+、B-上，GPRS模块CM外接天线ANT。

PLC的输入信号包括：1.控制电路故障和运行状态信号0.06~0.08；2.光电编码器EC的信号0.00、0.01；3.磁敏开关MCS信号0.09；4.极限开关信号0.10、0.11；5.检修信号1.00、1.09~1.11；6.选层信号：1.01~1.04；7. 呼梯信号：1.05~1.08。

PLC的输出信号包括：1.抱闸控制信号：10.00；2.呼梯显示信号：11.01~11.04；3.电钟信号：11.00；4.运行状态显示信号：10.01~10.03、11.05~11.07；5.变频器VS控制信号：10.04~10.07、COM3；6.通讯信号：A+、B-。

控制器的工作原理：控制开关QF1~3以及断路器FU1~4依次合闸后，控制器得电进入工作状态。首先，PLC根据光电编码器EC的计数值和各个层站的校准值确定当前位置，输出当前所在运行状态显示信号（层位指示信号）10.01~10.03、11.07。当有呼梯信号或选层信号时，呼梯灯亮（呼梯显示信号11.01~11.04），PLC确定运行方向和目标位置的计数值，此时如果门连锁保护回路正常（即控制开关QF3输出端i与控制开关QF3输出端ii之间连通）且变频器VS正常（M1-M2与MA-MC能同时闭合），PLC输出上行或下行信号10.04、10.05，同时输出上行或下行的指示灯信号11.05、11.06。门连锁保护电路连通，则常开触点KM7动作，PLC输出的COM3接通变频器VS的控制端SC。当正常运行时，常开触点KM1、KM2未动作KM7动作，变频器VS的控制端S1、S2、SC接通，输入变频器VS的信号有效，同时10.00信号有效，继电器线圈KA6得电，四组常开触点KM6动作，电磁制动器YB得电制动停止，电机M在变频器VS的驱动下运行。

电机1运行时，随着电机轴2旋转，安装电机轴2上的光电编码器4持续输出脉冲信号到PLC的输入端0.00、0.01。(即PLC内部的高速计数器输入端口)可对输入脉冲进行计数，即时读出计数值。高速计数器的计数值与轿厢的位置相对应，通过读取计数值确定轿厢的位置，再与各层站的平层位置和减速位置进行比较。当计数器数值与目标层站的减速位置一致后，PLC输出信号10.06到变频器的S6端，控制变频器VS以3Hz的低速运行，为平层作准备。当计数器值与目标层站的平层位置一致后，PLC输出10.00信号失效，继电器线圈KA6失电，常开触点KM6断开，电磁制动器YB复位，PLC向变频器VS的控制端S1、S2、S6、S7、SC输出的信号10.04~10.07、COM3全部失效，电机轴2被电磁制动器YB锁死，轿厢停止，电钟信号11.00输出有效，持续0.5s，发出到站提示音。以上为正常操作时一个完整的动作过程。

若越限异常情况发生时，限位开关SQ7或SQ8动作，继电器线圈KA1或KA2得电，常闭极限开关KM1或KM2动作，切断相应的PLC输出信号10.05或10.04，变频器VS控制端S2或S1失去控制信号后立即停止驱动电机M，从而实现越限保护功能。

运行中若出现门连锁安全回路异常，即控制开关QF3输出端i、ii之间断开，也会导致继电器线圈KA7失电，常开触点KM7断开，继电器VS控制端SC失去PLC的COM3输出信号，变频器VS停止驱动电机M。

当需要进行检修时，将检修开关SA6接通，PLC向变频器VS的控制端S7输出信号10.07，变频器VS以10Hz的低速运行。步上按钮SB5和步下按钮SB6按下时，PLC给出上行或下行信号10.04、10.05，变频器VS以点动方式驱动电机M运行。

本发明的控制器还具有位置自校准功能。该功能所用的磁敏开关MCS安装在轿厢的运行轨道上，每次轿厢经过时，安装在轿厢上的磁铁引起开关状态翻转。磁敏开关MCS和磁铁的安装位置固定，因此可以用磁敏开关MCS的翻转信号触发对计数器值的校准操作。如：当光电编码器EC异常，丢失部分脉冲信号，经过维修后恢复正常，这时计数器数值与实际位置存在一定偏差。此时，可通过检修操作，使得轿厢步进运行经过磁敏开关MCS，触发计数器数值的校准，即用存储的标准值代替当前值。校准后，计数值恢复正常，定位又恢复到初始的精度。另外，由于运行中电气干扰等原因出现的计数误差也可通过该功能消除。

电磁控制器YB还具有平层自修正功能。由于电磁制动器YB和接触器均含有机械结构，其动作均有一定的延时，且易受电压、磨损、老化的影响而变化，由此引起平层位置发生变化。平层自修正功能即针对以上情况而设计，每次平层操作完成后，轿厢停止，此时，PLC读取计数值，并与校准标准值进行比较，计算出误差。下一次运行时，根据误差值，对平层点的目标计数值进行调整，达到修正的目的。如：目标点的计数值为1000，但由于惯性原因实际停止时的计数值为1005，偏差为+5。下一次运行时，则将目标计数值调整为1000-5=995，即在计数值达到995时发出停止运行的指令，此时惯性使得将轿厢继续运行+5的距离，最终停止在1000，正是预期的平层位置。其他原因引起平层位置的变化，也都可以通过该功能实现修正，保证平层精度不会受到影响。该功能无需人工干预，完全实现自动化，因此降低了维护成本。

控制器正式运行前必须要进行位置校准，就是记录下各个层站和磁敏开关MCS参考点的位置。通过在按下特定的按钮的同时上电，PLC可进入到校准模式下。在校准模式下，通过步进功能控制轿厢的运行，轿厢停靠在各个层站的目标位置后，保存该层站的计数值。运行中经过磁敏开关时，计数值也会自动保存下来。以上保存的计数值都是永久保存在PLC中，即使断电也不会丢失。

控制器中的变频器VS、PLC和GPRS通讯模块通过RS485接口交换数据。PLC和变频器的运行状态和故障状态都发送到GPRS通讯模块中，再由GPRS通讯模块发送到网络中，供用户使用。由此可见，光电编码器EC安装在电机和减速机之间，电机轴转动时，带动光电编码器EC内部的码盘转动，光电编码器EC即可输出与转速和方向相关的脉冲信号到PLC中。

Claims

1.一种基于光电编码原理的齿轮升降机智能控制器，包括电源电路、PLC、轿厢控制电路、电磁制动电路、状态指示电路，其特征在于：所述齿轮升降机智能控制器设置在控制器柜体内，控制器柜体左右两侧分别设置排风口和进风口，柜体底部设有排水口，柜门上安装若干控制开关按钮；电源电路、光电编码器、自修正电路、自校准电路、越限保护电路、数据录入电路以及轿厢控制电路的输出端分别与PLC的输入端相连，PLC的输出端分别与变频驱动电路、过载保护电路、电磁制动电路、状态指示电路、GPRS通讯电路的输入端相连，其中变频驱动电路的输出端分别与GPRS通讯电路、升降机电机的输入端相连，过载保护电路的输出端与电机的输入端相连；光电编码器固定在电机的电机轴上。

2.根据权利要求1所述的齿轮升降机智能控制器，其特征是：所述电磁制动电路包括由PLC控制的电磁制动器，自校准电路包括固定在轿厢的运行轨道上的磁敏开关，变频驱动电路包括变频器、变压器、相序保护继电器，电源电路的输出端与变频器的输入端之间设有控制开关QF1，变频器的输出端与电机的输入端之间串联有常开继电器常开触点KM1、KM2；变压器上设有三路次级输出端I、II、III，控制开关QF1的输出端与变压器的输如端之间设有控制开关QF2，电磁制动器设置在变压器的次级输出端I上，变压器次级输出端I与电磁制动器的输入端之间设有整流桥QL1，变压器次级输出端II上设有PLC，变压器次级输出端II与PLC的输入端之间设有整流桥QL2，变压器次级输出端III上设有轿厢控制电路，变压器次级输出端III与轿厢控制电路的输入端之间设有控制开关QF3，控制开关QF2与控制开关QF3的输出端i之间设有相序保护继电器；轿厢控制电路包括串联后并联在控制开关QF3输出端ii上的门锁开关、轿厢门开关、轿厢天窗开关、急停开关、限位开关。