基于PLC的三層電梯教學(xué)裝置的研發(fā)

任有志+李竹青+董兆盛+趙龍琦+王璐

摘要： 近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的可編程序邏輯控制器（PLC）是一種非常成熟的控制裝置，大部分高校相關(guān)專業(yè)都開(kāi)設(shè)了這門(mén)課程，并配有實(shí)驗(yàn)課來(lái)提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。為了向這些教育機(jī)構(gòu)提供功能完善的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備以較好的完成教學(xué)任務(wù)，并讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐來(lái)全面深入掌握相關(guān)理論知識(shí)以及提高解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，研制出了一種三層電梯教學(xué)裝置。該裝置應(yīng)用的器件主要有曳引電機(jī)、門(mén)電機(jī)、PLC、變頻器、繼電器、光電開(kāi)關(guān)傳感器、計(jì)算機(jī)和觸摸屏等。目前，該裝置已被用于河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的個(gè)性化培養(yǎng)教學(xué)當(dāng)中，起到了很好的效果，值得推廣。

Abstract： In recent years， the programmable logic controller （PLC）， which is rapidly developed， is a very mature control device. Most of the related specialties in colleges offer this course and are equipped with experimental courses to improve the students' ability of connecting theory with practice. In order to provide these educational institutions with perfect PLC experimental teaching equipment to complete the teaching task well and let the students master the relevant theoretical knowledge thoroughly and improve their ability to solve the practical problems of the project， a three-layer elevator teaching device is developed. The device is mainly composed of traction motor， door motor， PLC， inverter， relays， photoelectric switch sensors， computers and touch screen. At present， the device has been used in personalized training teaching of the School of Mechanical Engineering of Hebei University of Science and Technology and has obtained good effect， so it is worthy of promotion.

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用；PLC；電梯；教學(xué)裝置；控制系統(tǒng)；程序設(shè)計(jì)

Key words： automation technology；PLC；elevator；teaching device；control system；program design

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）35-0103-04

0 引言

可編程序邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）是一種以微型處理器為核心，融計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型工業(yè)控制裝置。它具有體積小、重量輕、功耗低，編程簡(jiǎn)單、易維護(hù)，通用性好，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前，PLC已在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、鋼鐵、機(jī)械制造等領(lǐng)域的自動(dòng)控制中，包括開(kāi)關(guān)量邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)等[1-2]。由于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域中占據(jù)著重大的地位，現(xiàn)絕大多數(shù)高校都開(kāi)設(shè)了這方面的課程，而課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)至關(guān)重要。本文介紹了一種三層電梯教學(xué)裝置，此裝置是基于PLC研制的，可以輔助一些教學(xué)機(jī)構(gòu)完成機(jī)電一體化系統(tǒng)分析、機(jī)電傳動(dòng)、PLC控制等多方面的教學(xué)，同時(shí)為學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，不但可以讓學(xué)生模擬電梯的多種機(jī)械結(jié)構(gòu)，還可以讓學(xué)生練習(xí)PLC控制系統(tǒng)的硬件選型、電路設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)編程、人機(jī)界面設(shè)計(jì)和通訊等方面的技能。

1 三層電梯教學(xué)裝置總體設(shè)計(jì)

三層電梯教學(xué)裝置的總體設(shè)計(jì)包括機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩部分。其中，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括開(kāi)關(guān)門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分析、控制要求分析、PLC選型與I/O點(diǎn)數(shù)分配、變頻器的選擇與參數(shù)設(shè)置、PLC程序設(shè)計(jì)與觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

該三層電梯教學(xué)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括左側(cè)的電梯結(jié)構(gòu)模型和右側(cè)的系統(tǒng)控制臺(tái)兩部分。裝置框架采用工業(yè)鋁型材搭建以便于拆裝，門(mén)機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)控制，曳引系統(tǒng)采用三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制，可實(shí)現(xiàn)的主要功能有轎廂內(nèi)外信號(hào)的登記與消號(hào)、定向選層、轎廂位置判斷、順向截梯、換速、平層和開(kāi)關(guān)門(mén)等。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)關(guān)門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)門(mén)系統(tǒng)采用連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案，此方案使用12V直流電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)軸與電機(jī)搖臂采用頂絲擠壓電機(jī)軸鍵的方式進(jìn)行連接，電機(jī)搖臂正反轉(zhuǎn)180°分別實(shí)現(xiàn)電梯門(mén)的開(kāi)和關(guān)。考慮到等邊三角形具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好且計(jì)算方便的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的工作原理、預(yù)設(shè)工作條件及幾何計(jì)算進(jìn)行分析，最終確定連桿機(jī)構(gòu)各部分零件的尺寸為：電機(jī)搖臂兩端軸心中心距為40mm，連桿兩端軸心中心距為200mm，搖桿兩端軸心中心距為200mm，滑塊移動(dòng)范圍為40mm。最終達(dá)到的運(yùn)動(dòng)效果為：電機(jī)軸或電機(jī)搖臂圍繞旋轉(zhuǎn)中心正反轉(zhuǎn)180°，相應(yīng)搖桿擺角為60°，滑塊上下移動(dòng)的距離為40mm，且門(mén)完全打開(kāi)時(shí)門(mén)的間距為400mm，即兩扇門(mén)的寬度。其開(kāi)關(guān)門(mén)狀態(tài)如圖2、圖3所示。

2.2 曳引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曳引系統(tǒng)是電梯完成升降功能的動(dòng)力裝置，其組成器件主要有曳引電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、曳引軸、導(dǎo)向滑輪、鋼絲繩和配重等。其中，曳引電機(jī)起著至關(guān)重要的作用，下面主要介紹曳引電機(jī)的選取。

2.2.1 曳引電機(jī)運(yùn)行分析

①轎廂裝載至125%額定載荷時(shí)應(yīng)能保持平穩(wěn)狀態(tài)運(yùn)行。

②無(wú)論轎廂內(nèi)空載還是滿載，必須保證在任何緊急制動(dòng)時(shí)，其減速度值不能超過(guò)緩沖器作用時(shí)的減速度值。

③當(dāng)對(duì)重壓在緩沖器上而曳引電機(jī)按電梯上行方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)不能提升空載轎廂。

④由于曳引電機(jī)是連續(xù)周期性工作的，所以應(yīng)允許電機(jī)頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)。

⑤由于曳引電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，為保證轎廂運(yùn)行速度幾乎不受負(fù)載變化的影響，所以應(yīng)使電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流較小。

綜上分析，選擇三相交流異步電動(dòng)機(jī)，該類電動(dòng)機(jī)具有高效節(jié)能、振動(dòng)小、噪聲低、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，適于頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)和換向。

2.2.2 曳引電機(jī)參數(shù)計(jì)算

電梯轎廂從一樓到三樓用時(shí)t=10s ，行程h=1m，電梯勻速運(yùn)行時(shí)的速度為：v=2h÷t=2×1÷10=0.25m/s

電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率η=85%，轎廂重m1=20kg，載荷重m2=30kg，電機(jī)有效功率為：

P=（m1+m2）gv=（20+30）×10×0.2=100W

電機(jī)總功率為：P總=P÷η=100÷0.85=117.6W

考慮余量，故選用功率為120W的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1440r/min 。該電機(jī)軸徑D=15mm，設(shè)計(jì)軸上纏繞鋼絲繩部分的直徑D1=20mm，此部分軸轉(zhuǎn)速為：

n=60v×103÷（？仔D1）=60×0.2×103÷（3.14×20）=191r/min

減速器減速比為：i=1440÷191=7.5：1

轉(zhuǎn)矩為：

T=9550P總×103÷n=9550×117.6×103÷191=5.88×106N·m

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)分析

電梯PLC控制系統(tǒng)大體可分為拖動(dòng)控制系統(tǒng)和信號(hào)控制系統(tǒng)，它的組成元器件主要有PLC、變頻器、曳引電機(jī)和門(mén)電機(jī)等，其基本結(jié)構(gòu)方框圖如圖4所示。

電梯拖動(dòng)控制系統(tǒng)的拖動(dòng)方式主要有交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)兩種。隨著PLC和變頻器的快速發(fā)展，目前電梯使用PLC控制變頻調(diào)速的交流拖動(dòng)方式較多，因?yàn)樗瓤梢孕纬砂腴]環(huán)控制系統(tǒng)，又可以形成全閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而會(huì)大大提高電梯的運(yùn)行效率和平層精度；電梯信號(hào)控制系統(tǒng)的核心是PLC，其外部輸入信號(hào)通過(guò)輸入接口傳輸?shù)絇LC內(nèi)部，然后根據(jù)用戶編制的程序進(jìn)行計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果通過(guò)輸出接口傳輸?shù)絇LC外部，從而實(shí)現(xiàn)電梯各功能的控制[3-4]。

3.2 控制要求分析

3.2.1 轎廂內(nèi)呼分析

①當(dāng)轎廂處于1層或2層時(shí)，按轎廂內(nèi)3樓位置按鈕，轎廂上升到3樓；

②當(dāng)轎廂處于2層或3層時(shí)，按轎廂內(nèi)1樓位置按鈕，轎廂下降到1樓；

③當(dāng)轎廂處于1層時(shí)，按轎廂內(nèi)2樓位置按鈕，轎廂上升到2樓；

④當(dāng)轎廂處于3層時(shí)，按轎廂內(nèi)2樓位置按鈕，轎廂下降到2樓；

⑤當(dāng)轎廂處于上升狀態(tài)時(shí)，若按轎廂內(nèi)小于其當(dāng)前樓層位置按鈕，轎廂則等待上升結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作；當(dāng)轎廂處于下降狀態(tài)時(shí)，若按轎廂內(nèi)大于其當(dāng)前樓層位置按鈕，轎廂則等待下降結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作。

3.2.2 轎廂外呼分析

①當(dāng)轎廂處于1層或2層時(shí)，按3樓下行呼叫按鈕，轎廂上升到3樓；

②當(dāng)轎廂處于2層或3層時(shí)，按1樓上行呼叫按鈕，轎廂下降到1樓；

③當(dāng)轎廂處于1層時(shí)，按2樓下行或上行呼叫按鈕，轎廂上升到2樓；

④當(dāng)轎廂處于3層時(shí)，按2樓下行或上行呼叫按鈕，轎廂下降到2樓；

⑤當(dāng)轎廂處于上升狀態(tài)時(shí)，若按下行呼叫按鈕，轎廂則等待上升結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作；當(dāng)轎廂處于下降狀態(tài)時(shí)，若按上行呼叫按鈕，轎廂則等待下降結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作。

3.3 PLC選型與I/O點(diǎn)數(shù)分配

SIMATIC S7-200系列PLC是西門(mén)子公司前些年投入市場(chǎng)的小型可編程序控制器，可單機(jī)運(yùn)行，也可擴(kuò)展輸入、輸出和功能模塊，其價(jià)格低廉、運(yùn)行速度快、可靠性高，并具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)性，該電梯選用此系列PLC。

對(duì)該電梯所有信號(hào)進(jìn)行分析，共有40個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)、28個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)，其I/O點(diǎn)數(shù)分配如表1所示。由于點(diǎn)數(shù)多，所以該控制系統(tǒng)選擇型號(hào)為SIMATIC S7-200CPU226的PLC，并配有一個(gè)型號(hào)為EM223的數(shù)字量擴(kuò)展模塊以及一個(gè)型號(hào)為EM235的模擬量擴(kuò)展模塊。

表1說(shuō)明：I3.6、I3.7、I4.0～I(xiàn)4.7均為檢修模式的輸入信號(hào)。

3.4 變頻器的選擇與參數(shù)設(shè)置

設(shè)計(jì)此教學(xué)裝置載重為30kg，三相異步電動(dòng)機(jī)功率約為120W，選型號(hào)為FVR0.2E11S-2JE的變頻器，主要參數(shù)設(shè)置如下：

①運(yùn)行方法，外部輸入，F(xiàn)02=1；

②最高輸出頻率設(shè)定，F(xiàn)03=50Hz；

③加速時(shí)間設(shè)定，F(xiàn)07=3s；

④減速時(shí)間設(shè)定，F(xiàn)08=2s；

⑤制動(dòng)開(kāi)始頻率，F(xiàn)20=6Hz；

⑥制動(dòng)時(shí)間，F(xiàn)22=3s[5-7]。

3.5 PLC程序設(shè)計(jì)

電梯PLC控制系統(tǒng)由呼叫到響應(yīng)形成一次工作循環(huán)[8]，其控制程序流程圖如圖5所示。

下面對(duì)PLC程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)作詳細(xì)分析與說(shuō)明。

①初始化復(fù)位：電梯上電后首先要進(jìn)行初始化復(fù)位。若轎廂不停在一樓，則下降到一樓并停止；若轎廂門(mén)和各樓層門(mén)有處于非關(guān)閉狀態(tài)的，則進(jìn)行關(guān)閉。

②定向運(yùn)行：當(dāng)電梯存在呼叫信號(hào)時(shí)，若呼叫信號(hào)大于樓層位置信號(hào)，電梯則定向?yàn)樯闲?，若呼叫信?hào)小于樓層位置信號(hào)，電梯則定向?yàn)橄滦小?/p>

③延時(shí)啟動(dòng)：電梯定向完成后，設(shè)置延時(shí)1s。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到時(shí)，若定向?yàn)樯闲?，則Q0.3、Q2.7、AQW0輸出，驅(qū)動(dòng)變頻器帶動(dòng)三相交流曳引電機(jī)正轉(zhuǎn)；若定向?yàn)橄滦?，則Q0.3、Q2.6、AQW0輸出，驅(qū)動(dòng)變頻器帶動(dòng)三相交流曳引電機(jī)反轉(zhuǎn)。

④樓層位置判斷：當(dāng)電梯上行到達(dá)各層上行平層區(qū)時(shí)，相應(yīng)輔助繼電器為ON，記錄上行到達(dá)的位置；當(dāng)電梯下行到達(dá)各層下行平層區(qū)時(shí)，相應(yīng)輔助繼電器為ON，記錄下行到達(dá)的位置。

⑤平層減速及停車：當(dāng)電梯到達(dá)有呼叫信號(hào)的樓層平層區(qū)時(shí)，產(chǎn)生平層減速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)V0（PLC地址為AQW0）連接的變頻器，進(jìn)入低速運(yùn)行狀態(tài)，接著到達(dá)指定樓層，電梯停車。

3.6 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了增加此電梯教學(xué)裝置的控制功能，以及讓學(xué)生練習(xí)人機(jī)界面的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，于是，在此裝置控制系統(tǒng)里采用了觸摸屏對(duì)電梯進(jìn)行控制。該觸摸屏型號(hào)為

SK-070AE，采用232通訊方式與CPU226進(jìn)行通訊連接，其編程軟件為SK Workshop，電梯正常模式下的觸摸屏界面如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種自主研發(fā)的三層電梯教學(xué)裝置，詳細(xì)說(shuō)明了機(jī)械系統(tǒng)開(kāi)關(guān)門(mén)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和曳引電機(jī)的選取及其參數(shù)的計(jì)算，并對(duì)其控制系統(tǒng)作了詳細(xì)分析與介紹。此裝置不但可以輔助一些教學(xué)機(jī)構(gòu)完成相關(guān)專業(yè)的教學(xué)，還可以為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在實(shí)踐中鍛煉自己，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際的良好結(jié)合。目前，此裝置已被我校機(jī)械工程學(xué)院用于實(shí)踐性教學(xué)當(dāng)中，深受學(xué)生歡迎，并實(shí)現(xiàn)了很好的教學(xué)目標(biāo)。最后，希望此電梯教學(xué)裝置的研發(fā)能為高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)或相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的參考價(jià)值。

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