基于PLC及觸摸屏的智能電梯實訓模型的研制

趙佑初

（杭州萬向職業(yè)技術(shù)學院應用工程系，浙江杭州310023）

0 引言

電梯是一種特種機電設(shè)備，由于電梯行業(yè)技術(shù)型人才的緊缺，越來越多的高職院校開始設(shè)立電梯工程專業(yè)或方向，對電梯工程領(lǐng)域進行相關(guān)的教學與實踐。為了給長三角電梯行業(yè)培養(yǎng)適用人才，本校設(shè)置了電梯工程專業(yè)，旨在培養(yǎng)具有電梯結(jié)構(gòu)、原理、設(shè)計等專門知識，具備從事電梯安裝、調(diào)試、維修、檢驗、營銷與管理等與電梯技術(shù)相關(guān)的實際工作的基本能力和基本技能，獲得職業(yè)崗位基本訓練，具有國際視野、創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。

電梯工程專業(yè)（方向）的核心課程包括電梯結(jié)構(gòu)與原理、電梯安裝調(diào)試技術(shù)與管理、電梯維修保養(yǎng)技術(shù)、電氣控制與微機處理、電梯拖動與控制技術(shù)、電梯維修保養(yǎng)綜合實訓等。對于電梯工程專業(yè)（方向）的學生來說，能有一臺聚集電梯各部件并能親手拆裝的電梯設(shè)備，進行理實一體學習，將會起到事半功倍的作用。鑒于此，研制一種基于PLC與觸摸屏的多功能智能電梯仿真實訓平臺很有必要。

1 電梯教學模型整體方案

結(jié)合高職院校的教學條件及模型的實際可操作性，將電梯教學模型定位為4層4站式電梯裝置，同時選用PLC作為4層電梯教學模型的控制系統(tǒng)。整個模型尺寸設(shè)計為900 mm×1 000 mm×2 700 mm，廳門式樣設(shè)計為中分門結(jié)構(gòu)，其主視圖如圖1所示。

圖1 電梯模型主視圖

1.1 教學模型的硬件設(shè)計

電梯實訓模型與真實電梯實現(xiàn)的功能相同，其結(jié)構(gòu)由曳引系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、轎廂系統(tǒng)、門系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)等八大系統(tǒng)以及機房部分、井道及底坑部分、轎廂部分和層站部分等四個空間共同組合而成，如圖2所示。

圖2 電梯的組成

設(shè)計的智能電梯采用可編程控制器（PLC）進行系統(tǒng)控制，包括以下幾個部分：

（1）控制系統(tǒng)由直流電源、PLC、信號采集、信號顯示、曳引電機及其控制等主要部分組成。

（2）電力拖動系統(tǒng)由一臺三相異步交流電機作可逆驅(qū)動，并通過變頻器實現(xiàn)對電動機的速度調(diào)節(jié)，使電梯的加、減速能平滑過渡，給乘客以舒適的乘坐感。

（3）井道信息采集部分由減速傳感器、雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)、限位開關(guān)給出各樓層的平層信號和上、下限保護信號。

（4）安全防護部分由極限開關(guān)、門電聯(lián)鎖開關(guān)、對射傳感器、鎖梯開關(guān)等組成；機械安全保護系統(tǒng)由緩沖器、限速保護裝置等部件組成，以保證電梯發(fā)生故障時設(shè)備及轎廂內(nèi)乘客安全。

（5）門電機由一臺微型直流電機作可逆驅(qū)動，開門、關(guān)門到位信號由相應的限位開關(guān)給出，并設(shè)置關(guān)門減速裝置，轎廳內(nèi)有操作面板，操作面板由進入轎廳的乘客或司機控制，通過選擇按鈕輸入選層要求，并由LED燈顯示。

（6）機械驅(qū)動系統(tǒng)由曳引機、制動器、導向輪、曳引鋼絲繩和繩頭組合等部件組成，完成轎廂的上下垂直運動。

（7）導向系統(tǒng)由井道鋼架、導軌、導靴等組成，以確保電梯轎廂和對重裝置在預定位置上下垂直運行。

（8）層門和轎門及開關(guān)門系統(tǒng)由轎門、層門、開關(guān)門機構(gòu)、安全觸板、門套等組成。

1.2 教學模型的主要功能設(shè)計

電梯裝配好后應能完成以下控制功能：

（1）初次通電，電梯停靠于任意一層。

（2）電梯應能按照邏輯要求正確地響應各種內(nèi)選信號與外呼信號。

（3）輸入按鈕帶有指示燈，當按內(nèi)選/外呼按鈕時，指示燈亮，到達內(nèi)選/外呼樓層后，內(nèi)選/外呼信號解除，指示燈滅。

（4）電梯到達響應樓層后，電梯門應能自動打開，5 s后，電梯門應能自動關(guān)閉。

（5）電梯超載時，超載指示燈亮，電梯開門等待，超載解除，超載指示燈滅。

（6）電梯在本層處于關(guān)門狀態(tài)，外呼按鈕能開門。

（7）電梯可以在開關(guān)量控制狀態(tài)正常運行。

（8）對多個同向的內(nèi)選信號，按到達位置先后次序依次響應，如電梯1樓上客后，內(nèi)選信號有2樓、3樓和4樓，則電梯先響應2樓，再響應3樓，最后響應4樓。

（9）對同時有多個內(nèi)選信號與外呼信號，響應原則為“先按定向，同向響應，順向截梯，最遠端反向截梯”。

（10）電梯應具有以下安全防護功能：

1）電梯未平層或運行時，開門按鈕和關(guān)門按鈕均不起作用。平層且電梯停止運行后，按開門按鈕電梯門打開，按關(guān)門按鈕電梯門關(guān)閉。

2）電梯有安全觸板和光電對射傳感器雙重防護措施，當電梯關(guān)門過程中兩者任意一項有信號時，電梯立即停止關(guān)門，并開始開門。

3）打開電梯鎖（梯鎖有信號）時，電梯（從其他樓層返回）停在一樓，并開門10 s后自動關(guān)門，此時不響應所有內(nèi)呼和外呼信號，等關(guān)閉電梯鎖時電梯恢復正常工作。

（11）電梯要求安全節(jié)能，當轎廂處于正常關(guān)門狀態(tài)，且8 s內(nèi)無內(nèi)呼或外呼信號時，內(nèi)部照明燈和風扇停止工作，當有信號時恢復正常工作。

（12）采用觸摸屏進行控制，通過MCGS（MCGS是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺的用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制）組態(tài)軟件監(jiān)控電梯的運行狀況和故障報警，MCGS通過通信與PLC交換數(shù)據(jù)，達到獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)和控制電梯功能，在系統(tǒng)運行過程中，MCGS對實時采集的數(shù)據(jù)存儲并形成相應的動畫效果、報警趨勢曲線等，工作人員在上位機上的控制命令和控制的參數(shù)也都可以實時地送到PLC上執(zhí)行，完成電梯的各種運行狀態(tài)。

2 電梯教學模型的控制系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)上述設(shè)計要求，并使電梯教學模型實現(xiàn)安全、可靠、平穩(wěn)地運行，在電梯模型的控制系統(tǒng)中采用以PLC控制為主的邏輯控制部分。根據(jù)實現(xiàn)的功能要求，選用三菱公司的FX2n-64 PLC，調(diào)速部分通過變頻器進行控制，變頻器型號選用三菱E740。在邏輯控制部分，PLC通過程序根據(jù)現(xiàn)場信號控制電梯的運行，曳引機則直接由變頻器控制，PLC控制變頻器的輸入信號，PLC向變頻器發(fā)出轎廂運行方向、轎廂啟動、轎廂加速運行、轎廂減速制動以及抱閘停車等控制信號，通過變頻器的調(diào)速作用結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)來共同控制曳引電機的運行方向和轉(zhuǎn)速，繼而提高轎廂在運行過程中的舒適度和平穩(wěn)度。

2.1 PLC型號選擇

電梯模型的控制系統(tǒng)按照4層4站式電梯進行設(shè)計。根據(jù)上述控制要求，此控制系統(tǒng)共需要輸入點數(shù)28點，輸出點數(shù)24點。一般考慮10%～15%的裕量。結(jié)合三菱FX系列PLC的特點，選擇FX2n-64MR，其輸入和輸出點數(shù)都為32個，基本滿足控制要求。

2.2 I/O分配

電梯模型具有上下強返開關(guān)、開關(guān)門限位、上下呼梯等31個輸入信號，利用28個輸入點；具有主接觸器、開關(guān)門繼電器、樓層指示燈、變頻器正反轉(zhuǎn)等24個輸出信號。輸入點、輸出點分配表具體如表1、表2所示。

表1 輸入點分配

表2 輸出點分配

3 電梯實訓模型的安裝調(diào)試

根據(jù)以上設(shè)計思路，電梯實訓模型的安裝調(diào)試流程如下：

（1）機械系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分是電梯的井道鋼架，它為整個電梯提供支承及固定導軌?？蚣?、導軌及轎廂等機械結(jié)構(gòu)的圖紙設(shè)計好后，由外協(xié)加工后回校裝配。

（2）驅(qū)動系統(tǒng)的裝配：包括曳引機、制動器、導向輪、曳引鋼絲繩和繩頭組合等部件的裝配。

（3）機械安全保護系統(tǒng)的裝配：主要是對緩沖器和限速保護裝置的安裝。

（4）井道信息采集部分的裝配：主要是對減速傳感器、雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)、限位開關(guān)等部件的裝配。

（5）安全防護部分的裝配：主要是對極限開關(guān)、門聯(lián)鎖開關(guān)、對射傳感器、鎖梯開關(guān)等部件的裝配。

（6）電氣控制系統(tǒng)中PLC輸入、輸出點分配。

（7）電梯電氣控制柜的器件安裝與線路連接。

（8）變頻器參數(shù)設(shè)置。

（9）按功能要求完成PLC程序設(shè)計與調(diào)試。

（10）觸摸屏組態(tài)軟件MCGS工程設(shè)計。

（11）聯(lián)調(diào)。

4 結(jié)語

此電梯實訓模型作為本校電梯專業(yè)學生“電梯安裝與調(diào)試”課程的配套實訓設(shè)備使用，通過兩周的集中實訓，學生分組完成電梯八大系統(tǒng)的裝配、控制柜元件安裝、控制電路連接、程序編制等實訓，最后進行調(diào)試，從而對電梯安裝與調(diào)試的整個流程有了非常清楚的了解，達到了高職教育“教、學、做一體化”教學模式的目標。同時，該模型也非常適合電梯從業(yè)人員崗前培訓使用。本電梯實訓模型為教學和科研提供了優(yōu)質(zhì)的實驗平臺，具有一定的實用價值。

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