宋长奇 张翼 高士育

摘 要：电梯作为高层建筑的垂直运输工具，作用突显，电梯的安全性尤为重要，但随着高层建筑数量的不断上升，电梯运行故障日益增多。本文以采用可编程控制器的电梯系统为研究对象，从电梯控制方式和机械结构出发，分析电梯事故的各种运行状态，探寻事故原因。同时，通过模拟电梯限速器安全事故，调整实际电梯结构和运行状态，提出了创新性的电梯制停机械系统设计方案。

关键词：可编程控制器;电梯机械系统;电梯制动器;电梯故障

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0022-03

Research on Elevator Accident and State Simulation of Programmable Controller

SONG Changqi ZHANG Yi GAO Shiyu

（Department of Computer Science and Electrical Engineering， East University of Heilongjiang，Harbin Heilongjiang 150066）

Abstract： As a vertical transportation tool for high-rise buildings， the role of the elevator is prominent， and the safety of the elevator is particularly important， however， with the rising number of high-rise buildings， elevator operation failures are increasing. Taking the elevator system using a programmable controller as the research object， this paper started from the elevator control method and mechanical structure， analyzed various operating states of the elevator accident， and explored the cause of the accident. At the same time， an innovative design scheme of the elevator stopping and mechanical system was proposed by simulating the safety accident of the elevator speed governor， adjusting the actual elevator structure and operating state.

Keywords： programmable controller;elevator mechanical system;elevator brake;elevator failure

目前，电梯的主要控制形式分为两种：传统继电器控制系统和现代电梯控制系统。其中，传统电梯控制形式以继电器控制系统最为常见，而现代电梯控制形式主要由两种系统决定，一是基于可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的电梯控制系统，二是微型计算机电梯控制系统。以基于可编程控制器的电梯系统为研究对象，本文从电梯控制方式和机械结构出发，分析电梯事故的各种运行状态，然后明确事故原因，同时模拟电梯限速器安全事故，调整电梯结构和实际运行状态，提出创新性的电梯制停机械系统设计方案。

传统的继电器电梯控制系统已经不能达到现代电梯的使用标准，其主要存在故障检查烦琐、检测工作量大、继电器设备容易损坏、设备可靠性和安全性比可编程控制器电梯系统低等缺陷。近年来，可编程控制器电梯系统逐渐广泛应用于电梯控制领域，但该系统不是完美的，也存在相应问题。因此，有必要从电梯控制系统和使用运行状态来分析电梯故障事故。电梯机械系统由5个子系统组成，即电梯驱动运行系统、电梯运行轿厢和平衡对重系统、电梯导轨及曳引绳导向装置系统、电梯开关门系统、电梯机械结构和功能安全防护装置。其中，电梯开关门系统包括层门和厅门开关状态系统（因为电梯允许通行的装置是轿厢，所以必须配备由层门和厅门组成的电梯安全运行保护装置）。

1 可编程控制器系统在电梯领域的应用

可编程控制器系统主要用微处理器作为控制元件，其主要有中央控制单元、存储器、数据的输入输出单元、互信端口、I/O扩展端口和电源等元器件。其中，中央控制单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内[1]。同时，可编程控制器还用一种集成组合式的控制器系统，将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元和通信单元等分别做成相应的电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互联系，而装有CPU的单元被称为CPU模块，其他单元被称为扩展模块[2]。

可编程控制器主要有以下特点：可靠性高，抗干扰能力强，平均故障间隔时间可达5年;配套齐全，功能完善，实用性强;编程简单，使用方便;体积小，质量轻，能耗较低;系统设计构建的工作量小，具有自诊断功能，维护方便，容易改造[3]。

可编程控制器具有良好的控制性能，能滿足一般工业生产的需要，同时其紧紧结合信息技术，不断完善自身功能。继电器控制系统已经不能完全满足现代化工业生产的需要，虽然其故障检查简单方便，但极易损坏，在日常生活中，电梯使用频率较高，容易出现故障，大大降低了电梯的可靠性和安全性。因而，对传统的继电器电梯控制系统进行改进势在必行。目前，可编程控制器已逐渐应用于电梯系统控制中，功能逐步完善，安全系数也大大提升。

可编程控制器应用于电梯控制系统的优势为：简化电路设计，去掉大部分不必要的继电器，控制系统简单;电梯控制系统采用可编程控制器自动控制，可靠性大大提高;对于复杂的控制系统，可以快速地增加或改变相应功能;设有故障报警显示系统，发现问题自动检测，大大提高电梯的安全保护性能;可编程控制器更改控制方案时无须改动硬件接线[4]。

在可编程控制器控制电路的过程中，当主系统动作时，可编程控制器将进入循环模式，这也是进行逻辑判别的过程，根据电梯门系统外部的呼梯按钮或者其他输入信号来执行电梯的升、降、停等输出信号。可编程控制器采用的是微电子控制技术，大量开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。在电梯控制系统中，可编程控制器能与各项逻辑开关控制相协调，以达到电梯升降的目的。

2 电梯机械设备系统组成

电梯设备系统的运行是由机械系统完成的，机械系统是电梯系统的重要组成部分，其中主要包括门系统、轿厢系统、曳引系统、重量平衡系统、导向系统和安全保护系统等。

2.1 门系统

门系统主要由轿门、层门、开关门系统及门附属零部件组成。在电梯运行的过程中，为了保证轿厢及层站人员安全，厅门和轿厢门处于关闭状态。其两个门系统保持闭合状态，同时厅门要配备门锁装置，防止层站人员在使用电梯的过程中跌入井道，发生事故。

2.2 轿厢系统

轿厢系统由两部分组成，即轿厢架和轿厢体，其主要作用是运送人员和货物。为了方便维保人员检修电梯，通常在轿顶会安装照明设备。同时，为了在出现事故后便于紧急救援，很多电梯在轿顶会设置安全窗。设计人员也会在轿厢安装称重设备，防止电梯实际载重超过额定载荷。一旦出现超载或超重现象，电梯会自動报警，提示使用人员不要继续对电梯施加额外载荷。

2.3 曳引系统

曳引系统又叫作电梯升降系统，它是电梯设备系统的关键组成部分，为电梯提供升降的动力，同时保证电梯以不同速度在井道内垂直移动，为货物和人员提供方便、迅速、可靠的楼层运输。其中，曳引机、导向轮、限速器和曳引绳是该系统的重要组成部分。曳引机将电能转化为机械能，最后依靠机械能将重物提升，是整个系统的动力输出部分。现今，曳引机种类很多，从结构来看，其主要分为涡轮蜗杆曳引机、永磁同步曳引机等。

2.4 重量平衡系统、导向系统和安全保护系统

重量平衡系统在电梯运行过程中起到重量补偿作用，它主要维持电梯一侧载重和另一侧对重的质量平衡，为电梯的稳定运行提供保证。对重、补偿绳（或补偿链）是该系统的主要组成部分。导向系统是保证电梯运行稳定性和舒适性的关键，而安全保护系统是电梯发生故障时保护乘梯者安全的重要手段[5]。

3 电梯故障分析

受机械结构和运行状态影响，可编程控制器电梯系统会出现故障。其中，开关门系统故障尤为值得关注。一是电梯开关门系统不能正常运行，导致电梯无法正常关门。二是电梯无法正常开门。三是电梯轿厢门关门夹人后，门不能自动打开。四是电梯轿厢门打开后不能自动关门。导致以上故障的主要原因有：手动/自动转换开关故障，即开关损坏或相应线路断开;关门继电器损坏或关门输出（相应线圈）对应的线路断开;开门继电器损坏或开门输出（相应线圈）对应的线路断开;电梯安全触板保护失效，触板开关故障或相应连接线路有断开现象;关门限位开关短接。

电梯制动器的机械故障主要有：电梯制动器两侧的闸瓦没用同时离开制动轮，故障原因在于制动轮两侧的间隙超过国家相关规定，以至于制动时，闸瓦无法紧密地合在制动轮表面;受运行时间的影响，制动器闸瓦会出现老化或表面碳化的现象，使其摩擦系数显著下降，导致制动力无法满足电梯的安全运行需求;电磁线圈铁心存在剩磁现象，导致制动器开闸时，电磁线圈力大于合闸时的制动弹簧力，一旦出现这种现象，电梯到站的瞬间会出现制动铁心被卡、无法闭合等问题，引发安全事故;在对制动器进行检查时，电梯维护人员在其铁心上涂抹过多油脂，随着季节的变换，铁心上沾满灰尘，阻碍制动铁心的正常运行[6]。

4 电梯制停机械系统设计

电梯制停机械系统又叫电梯制动安全系统，在电梯坠落过程中，它可以有效地减小对轿厢的撞击作用，同时减少对乘梯者的伤害。

4.1 常规电梯安全装置工作原理

电梯制停机械系统装置中，弹簧装置与电梯其他零部件必须匹配。常规电梯机械安全装置由限速器、安全钳、缓冲器等部件组成。在电梯坠落过程中，轿厢机械及其安全装置是同时联动配合的。

4.2 电梯制停机械系统工作原理及设计

在电梯坠落过程中，一旦轿厢与缓冲器接触，就会在轿厢底部产生很大的撞击作用。这时就需要轿厢底部额外增加安全弹簧，目的是减小轿厢因高速下落对缓冲器的巨大撞击力。人们可以根据电梯额定载重与安全钳加紧力的差值，得到电梯轿厢安全弹簧受到的撞击作用力。经过力学仿真和大量力学计算，结合电梯实际运行状态，利用Pro/Engineer软件，绘制出电梯制动机械安全系统的三维建模图形，电梯制动机械系统三维建模如图1所示。

5 结语

电梯是现今生活中必不可少的建筑安全设施，它为广大群众带来便利的同时也为建筑安全带来很多隐患。本文主要介绍了基于可编程控制器的电梯系统，着重分析该系统电梯事故的各种运行状态和原因，同时模拟电梯限速器安全事故，合理调整电梯结构和运行状态，最后提出创新性的电梯制停机械系统设计方案。

参考文献：

[1]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2019.

[2]张小明.电梯控制技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2014.

[3]杨青杰.三菱FX系列PLC应用系统设计指南[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]丁加璐.可编程控制器在电梯设备中的应用[J].郑州：河南科技出版社，2018.

[5]万佳.电梯运行的日常维护保养与维修要点分析[J].工业技术与实践，2017（2）：188.

[6]任天笑.我国电梯业的发展与产品的安全规范[J].中国特种设备安全，2006（6）：42-43.