教學(xué)用四層電梯模型機(jī)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王志剛

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436）

0 引言

中國(guó)電梯行業(yè)業(yè)內(nèi)的2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)電梯從業(yè)人員的缺口在50萬(wàn)以上，嚴(yán)重時(shí)多達(dá)百萬(wàn)，而且從業(yè)人員整體素質(zhì)低下，無(wú)證上崗現(xiàn)象嚴(yán)重。為了提高電梯的安全性、可靠性，滿足廣大電梯企業(yè)對(duì)安裝、維保人員的市場(chǎng)需求，解決從業(yè)人員專業(yè)技術(shù)水平及業(yè)務(wù)能力低下、人員匱乏的現(xiàn)狀，進(jìn)而培養(yǎng)出高素質(zhì)的電梯從業(yè)工程技術(shù)人才，我們開發(fā)了教學(xué)用四層電梯模型機(jī)。

開發(fā)本電梯模型機(jī)的目的基于以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)教學(xué)用四層電梯模型機(jī)的自動(dòng)化控制；

（2）掌握PLC控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及調(diào)試的方法；

（3）促使學(xué)生理論與實(shí)踐深度融合，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 模型機(jī)的組成

電梯模型機(jī)主要包括機(jī)房、控制柜、井道、廳門及轎廂五個(gè)部分[1-2]。

（1）控制柜部分由總電源、PLC、控制電源、變頻器等組成；

（2）機(jī)房部分由電磁制動(dòng)器、曳引機(jī)、限速器等組成；

（3）轎廂部分由轎廂、導(dǎo)靴、安全鉗、平層裝置、轎廂內(nèi)指導(dǎo)燈、轎廂照明等組成。

（4）井道部分由導(dǎo)軌、緩沖器、限速器、極限開關(guān)、平層感應(yīng)器、限速器等組成；

（5）廳門部分由廳門、上下呼按鈕、樓層顯示裝置等組成。

整個(gè)模型機(jī)安置在面積為40 cm×30 cm的底板上，電氣控制部分安裝在控制柜內(nèi)，電梯模型機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)通過PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，其重量約為50 kg，高度約為150 cm。

1.2 模型機(jī)主要功能介紹

模型機(jī)可實(shí)現(xiàn)的主要功能如下[1]：

（1）確定電梯上行或下行的運(yùn)行方向；

（2）記憶并響應(yīng)上行或下行的呼梯信號(hào)；

（3）順向呼梯信號(hào)優(yōu)先響應(yīng)，到達(dá)指定樓層后，呼梯信號(hào)解除；

（4）電梯到達(dá)所指定的樓層時(shí)，所在樓層的指示燈將閃爍3 s，梯門處于開啟狀態(tài)；

（5）不僅具有上限位及下限位保護(hù)功能，還具有互鎖功能，使電梯運(yùn)行平穩(wěn)、高效；

（6）可以顯示呼梯信號(hào)及電梯所處樓層。

電梯模型機(jī)采用常使用的曳引式電梯結(jié)構(gòu)。其滑輪組由兩個(gè)動(dòng)滑輪和一個(gè)定滑輪組成，可以減小所需的牽引力，拖動(dòng)電機(jī)為電壓為AC380V、功率為120 W。其結(jié)構(gòu)與實(shí)際電梯基本相同，其功能與實(shí)際電梯的基本一致。模型機(jī)的大部分部件均是采用透明材料制成，這就有利于觀察電梯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，運(yùn)行過程中的每一個(gè)動(dòng)作看起來(lái)都非常直觀；可以很直觀地了解并掌握電梯的基本結(jié)構(gòu)、動(dòng)作原理[2-4]。

1.3 I/O分配

模型機(jī)選用三菱FX2n-64MR作為電梯的控制單元，其輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)均為32個(gè)。模型機(jī)具有上限開關(guān)、下限開關(guān)、開門限位、關(guān)門限位、上下呼梯等25個(gè)輸入信號(hào)；抱閘繼電器、開門繼電器、關(guān)門繼電器、樓層指示燈、牽引電機(jī)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)等23個(gè)輸出信號(hào)。輸入點(diǎn)分配詳情見表1，輸出點(diǎn)分配詳情見表2。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC電梯控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)軟件設(shè)計(jì)部分。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要本著功能完善、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易讀、易改的原則[4-6]。利用PLC的各種指令進(jìn)一步優(yōu)化編寫的程序，盡可能縮短控制系統(tǒng)程序掃描時(shí)間，進(jìn)而保證電梯運(yùn)行精度?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖詳情見圖1。

表1 輸入點(diǎn)分配表

表2 輸出點(diǎn)分配表

根據(jù)電梯的控制要求，電梯總是按照一定的程序重復(fù)地進(jìn)行上下行、開關(guān)門動(dòng)作。其過程為：給出上呼或下呼信號(hào)，判斷電梯運(yùn)行方向，啟動(dòng)運(yùn)行，到達(dá)層站時(shí)執(zhí)行開門、關(guān)門。其工作原理圖詳情見圖2，根據(jù)電梯模型控制系統(tǒng)的功能，進(jìn)而編制出滿足模型機(jī)相關(guān)功能的梯形圖。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

3 模型機(jī)的工作過程

模型機(jī)的轎箱通過交流電機(jī)來(lái)拖動(dòng)，交流電機(jī)的額定電壓為380 V。電梯轎箱的上升與下降分別用Y30及Y31來(lái)控制。在PLC編程時(shí)，Y30與Y31進(jìn)行互鎖，是為了防止意外而造成電源短路。

模型機(jī)控制系統(tǒng)作為一個(gè)人機(jī)交互式的系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中存在很多不確定因素。這就需要在能夠?qū)崿F(xiàn)電梯的基本控制功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)不確定的輸入信號(hào)以及電梯所處于的狀態(tài)控制電梯的運(yùn)行。當(dāng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，PLC根據(jù)接收到轎廂和廳門控制系統(tǒng)的功能信號(hào)、樓層的呼叫信號(hào)以及井道與變頻器的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)過程序的判斷、運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行的控制。PLC根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，向變頻器發(fā)出上行下行信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、加/減速運(yùn)行信號(hào)以及制動(dòng)停梯信號(hào)。由變頻器按照一定的控制規(guī)律、控制算法進(jìn)而來(lái)控制電機(jī)，進(jìn)而完成電梯的工作全過程[4-7]。

圖2 模型機(jī)的工作原理圖

4 控制系統(tǒng)的調(diào)試及運(yùn)行情況

4.1 控制系統(tǒng)的調(diào)試

針對(duì)一個(gè)PLC控制系統(tǒng)，首先要對(duì)其功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，就是根據(jù)被控對(duì)象工藝要求，明確控制系統(tǒng)需要完成什么樣的工作，完成工作需要什么樣的條件。其次，要對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，進(jìn)而提出PLC控制系統(tǒng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)形式、I/O點(diǎn)數(shù)、控制信號(hào)的種類等。最后根據(jù)控制系統(tǒng)的分析結(jié)果，確定PLC控制系統(tǒng)所需要的機(jī)型以及系統(tǒng)的具體配置[5-8]。

調(diào)試步驟：

（1）在總裝調(diào)試前，用戶要把編寫的程序進(jìn)行模擬調(diào)試，模擬調(diào)試無(wú)誤后，把PLC接到控制系統(tǒng)里進(jìn)行總裝調(diào)試；

（2）PLC的外部硬件接線檢查，確保接線正確；

（3）將模擬調(diào)好的用戶程序下載到用戶存儲(chǔ)器中進(jìn)行調(diào)試，確保PLC控制系統(tǒng)各部分的功能均達(dá)到既定的要求，并能協(xié)調(diào)一致，成為一個(gè)完整PLC控制系統(tǒng)；

（4）如果調(diào)試結(jié)果達(dá)不到控制系統(tǒng)的要求，可通過調(diào)整硬件以及軟件的方法進(jìn)行優(yōu)化；

（5）調(diào)試完成后，將程序固化在EPROM內(nèi)。

4.2 控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況

（1）按下呼叫按鈕，PLC檢測(cè)到上呼信號(hào)或下呼信號(hào)以后，便會(huì)控制轎廂運(yùn)行到所指定樓層。電梯上升過程中，PLC只執(zhí)行上行信號(hào)，不執(zhí)行下行信號(hào)，并且只保持上行指示燈點(diǎn)亮，反之亦然。

（2）如果同時(shí)按下多層反向外呼信號(hào)按鈕，則轎廂將優(yōu)先運(yùn)行到最遠(yuǎn)端發(fā)出的反向外呼信號(hào)所在的樓層，然后再按順序執(zhí)行其他樓層發(fā)出的外呼信號(hào)。

（3）轎廂平層后開門，延時(shí)5 s后自動(dòng)關(guān)門。

（4）在上升或下降過程中，開門、關(guān)門按鈕將處于無(wú)效狀態(tài)。在開門、關(guān)門以及5 s延時(shí)時(shí)間內(nèi)，轎廂即不能上升也不能下降。

（5）轎廂當(dāng)前所在的樓層用七段數(shù)碼管顯示，上行與下行用指示燈來(lái)指示。

（6）經(jīng)過驗(yàn)證，模型機(jī)運(yùn)行情況良好、達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

此教學(xué)用四層電梯模型機(jī)具有效果直觀，可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，選用功能較強(qiáng)的PLC作為模型機(jī)的控制單元，符合我國(guó)當(dāng)前中低速電梯控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，非常適合電梯從業(yè)人員崗前培訓(xùn)，也可以滿足高職院校教、學(xué)、做一體化的教學(xué)模式。由于所具有的功能與現(xiàn)實(shí)生活中所使用的電梯基本一致，工作人員可以不在施工現(xiàn)場(chǎng)，而提前編制出符合要求的控制程序，進(jìn)而提高電梯調(diào)試效率。模型機(jī)可以在不同的方式下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電梯的相關(guān)功能，克服了傳統(tǒng)的教學(xué)模型功能單一、僅能夠以演示為主的局限性，為教學(xué)和科研提供了優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有一定的實(shí)用價(jià)值與推廣價(jià)值。

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