智能化建筑升降机自动平层系统设计

文:深圳市英威腾电气股份有限公司 孟令彭2022年第一期

建筑升降机是现代建筑施工垂直运输的重要设备,传统升降机采用工频驱动电机直接启动并运行至工频频率,具有启动冲击大,调速范围有限,舒适度差,自动化程度低等不足。目前,随着基础建设的飞速发展,工地施工对建筑升降机效率值、智能化、安全性的要求越来越高,特别是对于升降机操作的简易性和人性化更加重视。本文主要讲述了一种建筑升降机的智能化驱动器,通过编码器脉冲计算标定楼层并进行自动平层运行的实现方法以及智能化升降机系统的设计思路。智能化建筑升降机系统采用模块化设计,集成变频器驱动、抱闸制动、语音播报、自动平层、限位保护、逻辑控制、超载保护、物联网等组成一体化的驱动核心,实际使用时只需要连接外围操作台、限位开关、销轴传感器以及平层编码器即可实现升降机的正常运行。

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图 1 智能化升降机系统图

1.总体方案

智能化升降机驱动器控制中心为一块集成逻辑板,逻辑板扩展有PLC控制卡,使用IVC编程环境,对控制算法和各部分功能进行编程实现,逻辑板作为数据传输与处理器,连接变频器驱动、物联网模块、外围信号、语音播报模块,HMI 人机界面,通过SCI通讯和CAN通讯,进行实时数据解析与传输,保障系统正常运行。

作为智能化升降机系统的逻辑处理单元,PLC控制卡负责运行逻辑、功能保护、语音信号触发等功能的实现,PLC 卡与逻辑板之间通过SCI通讯传输运行指令并下发给其他处理单元进行数据交互。

2.自动平层功能设计

2.1.自动平层控制逻辑

自动平层功能实现需要在吊笼上安装增量型编码器,通过自身轴连齿轮与标准节齿轮进行啮合,随吊笼上下运行并进行计数。PLC通过读取增量型编码器脉冲数据来计算运行高度,作为楼层标定以及实时运行高度的数据来源。

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图 2 智能化升降机系统部件通讯结构图

要实现自动平层首先要进行各楼层的数据标定,一般默认在下限位时是一层位置,由于实际应用中可能要标定的楼层数量较多,如果每层数据都独立设计一个程序块进行数据保存时,程序会很繁琐,并且影响到PLC的处理速度,因此采用变址对应法,将楼层编号与高度数据通过变址一一对应,可大大简化程序设计工作。执行时使用操作台手柄手动将吊笼开到二层位置,PLC内部的双向计数器记录此时的脉冲数据,然后通过HMI上的楼层标定开关,标定此位置为二层,PLC通过变址对应将“二楼”编号与此时的脉冲数据对应存储起来。同样原理,手动将吊笼开到三楼位置,设置标定楼层为“三楼”,点击楼层标定开关,将“三楼”编号与此时的脉冲数据对应存储,其他楼层以此类推,这样就实现了楼层与脉冲值的对应,为后续的自动平层功能建立了基本条件。

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图 3 楼层标定 PLC 程序段

由于智能化升降机系统采用减速停机的方式,当到达目标楼层后再停机,最终的停机位置会超出目标楼层的高度, 造成平层精度达不到要求。因此采用停车阈值的方式进行修正与优化。根据吊笼载重量,运行速度,减速时间等条件, 计算出实际的停车距离,并将其折算的脉冲值设定为停车阈值,当系统运行至阈值脉冲后,系统开始减速停机,根据之前的计算,最终停机位置刚好处于目标楼层高度,最终平层精度可达±5mm。

2.2.刹车距离数据处理

停车距离计算采用拉格朗日插值算法,模型如下:

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式中:n组数据为插值点;x为自变量;L(x)为因变量。拉格朗日插值算法流程如图4所示。

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图 4 算法流程

当操作台模式选择开关打到自动模式后,系统将进入自动平层模式中,此时系统将根据编码器计数值,判断当前吊笼所在的位置,当操作员在HMI上选择所要前往的目标楼层后,系统将根据目标楼层脉冲与当前位置脉冲做对比,判断运行方向是上行或下行,然后根据脉冲差值,判断运行档位是要高速还是低速,当操作员给定执行信号后,系统将自动前往目标楼层,当到达目标楼层后停机。 

首先需要检测吊笼重量,吊笼重量是自重与载重之和, 通常选用两个销轴传感器共同承载吊笼重量,销轴传感器为双剪切梁结构,分别安插于吊笼两端的立柱耳板与驱动连接部件之间,驱动器量程5T,输出4-20ma电流信号,逻辑板根据此模拟量信号解析除吊笼重量。

然后实验采集n组吊笼实测载重与相应的制动距离为插值点,由于吊笼上行制动与下行制动时重力分别为阻碍和促进滑行,即吊笼在不同运行方向下制动距离关于重力的拉格朗日插值函数不同,所以需要分别采集。另外为提高测试精度,插值点应均匀选取,可以通过手动操作升降机在就位速度状态下,分别使吊笼在空载,1/4载,半载,3/4载和满载分别上行制动5次,下行制动5次,将采集到的重量信息与制动距离做为拉格朗日插值算法的两个变量,储存在逻辑板处理器中。

实际运行时,通过检测吊笼实际重量,并将其作为自变量,运用之前存储的插值点,基于拉格朗日插值算法预算当前运行方向与重力状态下的制动距离,换算成阈值脉冲,作为停车开始的参考值。

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2.3.实验数据验证

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3.结语

本文设计了一种智能化施工升降机自动平层系统,介绍了智能化升降机驱动器的实现方案以及阐述了自动平层的控制原理,并利用拉格朗日插值算法计算制动距离,通过实验验证了平层效果。智能化升降机驱动器利用自动平层功能大大简化了施工升降机的操作工序,提升了建筑施工的生产效率,具备良好的应用前景。


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