PLC在仿真教學電梯控制系統中的應用

李忠生

北京鐵路電氣化學校,北京 102202

1 問題的提出

作為通用工業控制計算機，多年來，隨著現代工業技術的發展，可編程控制器（PLC）已經在各個領域被廣泛使用，它具有可靠性高、編程簡單，使用方便、通用性好、在線修改能力強，設計、施工、投產試制周期短，體積小等特點，使其成為了工業控制領域的主流控制設備，在世界各地發揮著越來越大的作用。

《可編程控制器》課程是電氣控制類專業的重要專業課,是該專業的學生掌握現代工業自動化技術的基礎。在該課程的教學中,我們應使學生既掌握傳統的電氣控制知識,又應對現代控制技術有所了解,切實提高學生的學習能力、動手能力和創新能力。電梯是典型的機電一體化產品，作為垂直運輸工具，隨著房地產業的發展，其數量逐年增加，據統計，到2012年底，我國已擁有超過160萬部電梯。PLC作為控制器，在電梯中的應用較為普遍。為此，我校與北京燕園圖新自動化有限公司共同開發研制了由富士NWOP60型PLC控制的仿真教學電梯。該電梯設備既具備了實際電梯的功能，又兼顧了實訓教學的可行性，外形美觀大氣，軟件設計功能完善、合理，充分體現了PLC的特點，具有良好的實用性，已經作為典型的實訓裝置應用于教學當中。

2 仿真教學電梯控制系統的結構

仿真教學電梯采用最常見的升降式電梯結構（見圖1），采用透明有機材料制成，其結構與實際電梯完全相同。電梯的基本結構包括：

圖1 仿真教學電梯結構

1).機房部分：包括曳引機、限速器、電磁制動器。該部分置于仿真井道頂端并且是開放式的。

2).控制柜部分：電源、PLC可編程控制器、變頻器、接觸器等設備。

3).仿真井道部分：包括導軌、對重裝置、緩沖器、曳引鋼絲繩、端站保護開關、平層感應器、隨行電纜等。

4).廳門部分：包括廳門、召喚按鈕廂、樓層顯示裝置等。

5).真實轎廂部分：包括轎廂、自動開門機、轎內操縱廂、轎廂內指層燈、轎廂照明等。

6).仿真轎廂部分：包括轎廂、導靴、自動開門機、平層裝置、轎廂照明等。

電梯轎廂位置檢測和平層信號由安裝在仿真轎廂頂上和各層站的雙穩態磁性開關得到，從而擺脫了以往靠繼電器和接觸開關等有觸點器件控制的復雜線路系統，優化了線路，大大地提高了系統運行的可靠性，同時也便于檢修。

為了便于教學，電梯大部分部件均是采用透明有機材料制成，使得電梯的內部結構一目了然；同時，電梯的運行過程，以及每個動作都十分明了，且可以反復實際動手操作。使學生能夠很直觀、透徹地了解、掌握電梯的結構及其動作原理，達到事半功倍的效果。事實上可以把它看作是小型化了的真實電梯，井道和轎廂（圖1）等采用和實際1：5的方式微縮。但是和一般的模擬電梯不同的是，我們將門機系統（包含轎門、廳門、安全觸板、外呼、內選等）（圖2）和控制柜（圖3）均采用和真實電梯1：1的形式，這樣，在很直觀的情況下，又能延長其使用壽命。

圖2 門機系統

圖3 控制柜

3 仿真教學電梯的電氣控制系統

電梯的電氣控制系統采用日本富士公司的NWOP60型可編程控制器(PLC)作為控制的核心部分。PLC接收來自操縱盤和每層呼梯盒的召喚信號、轎廂和門系統的功能信號以及井道和變頻器的狀態信號,經程序判斷與運算實現電梯的控制功能。PLC在輸出顯示和監控信號的同時,向變頻器發出運行方向、啟動、加減速運行和制動停梯等信號，其功能與實際電梯完全一樣，具有自動平層、自動關門、順向響應轎內外呼梯信號、直駛、電梯安全運行保護以及電梯急停、檢修、慢上、慢下、照明、風扇等功能。且具有性能可靠、運行平穩、操作簡單、能耗低和便于教學等特點。為了便于實現六層六站召喚信號的操作，我們將全部召喚按鈕安裝在一個操縱盒上并置于轎廂側面，如圖4所示。

圖4 召喚按鈕

4 仿真教學電梯功能設置

在設計過程中，為了增加同學們實際動手操作能力，以便為日后的維保工作打下堅實的基礎，將電梯運行過程中經常出現的故障，在教學仿真電梯的相應部位全部留有接點，用繼電器連接起來，并在控制柜頂端用扳把開關來設置故障（圖5）。這樣，教師在講課過程中，能隨時將某個繼電器斷開來設計故障，讓同學們通過觀察電梯運行狀態、并通過仿真軟件在電腦上進行查找故障點，找出故障點后，將位于井道側下方的相應插線（圖6）調換位置，即可實現故障的排除。解決了以往電梯教學中單純理論的教學方式或是參觀實際電梯時所帶來的不安全，無法全面了解其內部結構、運行過程及故障排查等實際問題。

圖5 扳把開關

圖6 插線板

5 軟件設計

5.1 根據系統功能確定I/O表

用PLC進行系統設計的第一步就是要確定系統的輸入輸出，并根據輸入輸出來進行系統的I/O分配。可編程序控制器是一種計算機化的高科技產品，價格相對較高（至少在數千元以上），其每一個輸入或輸出點平均價格在百元左右。因此，在滿足系統控制功能要求的前提下，合理使用I/O點數，盡量減少所需I/O點數是很有意義的。不僅可以降低系統硬件成本，還可以解決已使用的PLC進行再擴展時I/O點數不夠的問題，同時，在程序編制和系統調試方面也會帶來很多方便。

5.2 梯形圖設計

在梯形圖的設計過程中，將整個程序可以分成電梯位置的確定環節、電梯位置的顯示環節、轎廂內運行命令及門廳的召喚信號環節、電梯自動運行時的信號響應環節、電梯的啟動與運行環節、轎廂的平層與停車環節、安全保護環節等七個環節進行，然后再將這些環節組合在一起，形成了完整的梯形圖。因內容較多，下面只介紹電梯位置確定環節的梯形圖。

電梯轎廂位置檢測和平層信號由安裝在仿真轎廂頂上和各層站的雙穩態磁性開關（門區開關）得到的。電梯上行時，門區開關每接通一次，微處理器程序做一次加法運算，電梯下行時，門區開關每接通一次，微處理器程序做一次減法運算。把運算結果轉換到數據寄存器內做層樓記憶并通過層顯顯示出當前的樓層數，也就是轎廂的位置。梯形圖如下所示。

此梯形圖包含三種情況：

（1）正常運行時層樓位置確定。

（2）檢修運行時為了不亂層而進行的層樓位置確定。

（3）鎖梯后，電梯運行層樓確定。

6 存在的不足

該仿真教學電梯在使用過程中也存在一定的不足之處，比如限速器、安全鉗等部件均是按比例縮小的模型，無法實現限速器、安全鉗聯動實驗，而限速器、安全鉗聯動過程又是我們講課過程中學生難于理解的難點。對于這部分，我們只能通過電腦或者單獨做一個限速器、安全鉗聯動實驗臺來演示。

7 結束語

仿真教學電梯對于電梯課程的教學與實習，越來越受到各大中院校及各有關部門的歡迎。經過我們的精心設計，該仿真電梯既能體現電梯的結構與工作過程，又能使同學們親自動手實踐，還能延長其使用壽命，必將會為各大中院校及有關部門的教學科研工作帶來大大的方便。

[1]馮國慶.電梯維修與操作.中國勞動社會保障出版社,2005[2]

[2]電梯及相關標準匯編.中國標準出版社,2004[2]

[3]李秧耕.電梯基本原理及安裝維修全書.機械工業出版社,2005[1]