楊小林， 潘麗萍

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027）

0 引言

隨著現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，PLC在實(shí)際的工業(yè)控制中起到了十分關(guān)鍵的作用，而且在現(xiàn)代高校的自動(dòng)化教學(xué)中，PLC也成為一門(mén)必不可少的課程。但如何將學(xué)生所學(xué)的知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)卻是一個(gè)很大的問(wèn)題。在以往的課程教學(xué)中，通常只是通過(guò)仿真軟件或一些簡(jiǎn)單的PLC控制實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生簡(jiǎn)單體驗(yàn)硬件的接線、編程軟件的使用以及一些指令的用法，學(xué)生很難建立一個(gè)系統(tǒng)的概念。

本文以天煌THPFDT-2六層電梯教學(xué)實(shí)訓(xùn)模型為對(duì)象，結(jié)合三菱FR-D700變頻器，介紹了如何利用可編程控制器設(shè)計(jì)電梯模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要包括該系統(tǒng)的硬件組成、主控程序的控制流程圖、主要控制模塊的梯形圖程序以及上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)等。同時(shí)，該課題結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)的思想，簡(jiǎn)化了電梯控制中復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì)，使得該實(shí)例可以很好地將課程中的許多知識(shí)點(diǎn)貫穿到實(shí)際應(yīng)用中。

1 電梯模型簡(jiǎn)介

1.1 電梯模型組成

該款用于教學(xué)實(shí)踐的仿真電梯模型一共設(shè)有7層，其中底層為檢修層，第二層開(kāi)始為正常使用層，如圖1所示。電梯結(jié)構(gòu)分為實(shí)驗(yàn)機(jī)架、拽引機(jī)、轎廂、對(duì)重鐵、轎廂軌道、對(duì)重鐵軌道、變頻器、語(yǔ)音到站鐘、33點(diǎn)輸出端口以及31點(diǎn)輸入端口等。

圖1 電梯實(shí)訓(xùn)模型

1.2 電梯模型功能

該電梯模型主要有正常運(yùn)行模式和檢修模式，且檢修模式的權(quán)限高于正常運(yùn)行模式。檢修模式下主要檢查電梯的上下行功能，轎廂門(mén)開(kāi)關(guān)功能，急停功能，火警功能等是否正常［1］。正常模式下，電梯響應(yīng)轎廂內(nèi)外各個(gè)層的呼叫信號(hào)，并準(zhǔn)確做出應(yīng)答——包括電梯運(yùn)行方向、自動(dòng)平層、開(kāi)關(guān)門(mén)等操作。其主要控制要求為［1］：① 電梯下行;② 電梯上行;③ 電梯隨時(shí)對(duì)轎廂內(nèi)外召喚信號(hào)進(jìn)行登記;④ 電梯運(yùn)行到某一層后，對(duì)該層轎箱內(nèi)外登記信號(hào)進(jìn)行消除;⑤ 轎廂上下行時(shí)，只響應(yīng)順向截梯信號(hào)，保留反向呼梯信號(hào)。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖［2-3］

2.1 控制器的選擇

由于系統(tǒng)包含32點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入和31點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，見(jiàn)表1、2，系統(tǒng)的程序也不需要占用很大的內(nèi)存，所以選擇處理器時(shí)只要能滿足系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)就可以了。本系統(tǒng)選用的是美國(guó)羅克韋爾公司SLC500系列的處理器［4-5］，該處理器模塊化的結(jié)構(gòu)使得硬件設(shè)計(jì)更為靈活方便。

2.2 輸入、輸出模塊的選擇［6］

如上所述，電梯實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂?2點(diǎn)的數(shù)字量的輸入端口和31點(diǎn)的數(shù)字量輸出端口，所以選用了兩塊型號(hào)為1746-IB16的16點(diǎn)輸入模塊分別插在機(jī)架的1槽和2槽，對(duì)應(yīng)的輸入地址為I：1/0～I(xiàn)：1/15和I：2/0～I(xiàn)：2/15;兩塊型號(hào)為1746-OB16的16點(diǎn)輸出模塊，分別插在機(jī)架的3槽和4槽，對(duì)應(yīng)的輸出地址為O：3/0～O：3/15和O：4/0～O：4/15。由于電梯模型提供的信號(hào)電平邏輯剛好和SLC輸入/輸出模塊的電平相反，故系統(tǒng)中還添加了兩塊電平轉(zhuǎn)換模塊。

各輸入、輸出信號(hào)說(shuō)明及對(duì)應(yīng)的地址詳見(jiàn)表1、2。

表1 輸入端口說(shuō)明以及地址表示

2.3 變頻器的配置［7］

本系統(tǒng)采用三菱公司生產(chǎn)的FR-D700變頻器，通過(guò)改變其相應(yīng)參數(shù)來(lái)改變電梯模型拽引機(jī)的加速和減速的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯模型的拽引機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。利用S型曲線對(duì)電梯進(jìn)行控制，如圖3所示。該方式在加速的起始階段，頻率的上升較緩，電梯加速度a逐漸變大，加加速度ρ為一恒定值。如AE段所示，在電梯達(dá)到勻速運(yùn)行之前，電梯加速度逐漸減小。BC端電梯進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電梯勻速上升。電梯的減速過(guò)程與加速過(guò)程類似。

表2 輸出端口說(shuō)明以及地址表示

通過(guò)修改變頻器相關(guān)參數(shù)［7］以及對(duì)變頻器STF端（O：3/0）和STR端（O：3/2）的控制，可以讓電梯在上、下行時(shí)達(dá)到圖3所示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖3 速度控制曲線

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

3.1 主控程序的設(shè)計(jì)

電梯實(shí)訓(xùn)模型的控制程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜靈活，可以分為檢修模式和正常運(yùn)行模式，對(duì)于正常運(yùn)行模式來(lái)講，其程序的設(shè)計(jì)又可以分為轎廂內(nèi)外信號(hào)登記與顯示、最大值登記、最小值登記、電梯選向、順向截梯、轎廂開(kāi)關(guān)門(mén)等部分，因此在程序設(shè)計(jì)中，我們將整個(gè)程序分為多個(gè)模塊，分別進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，最后將不同的模塊拼接起來(lái)進(jìn)行綜合調(diào)試。圖4為系統(tǒng)主控程序的控制流程圖。

圖4 主程序流程圖［8］

3.2 電梯選向以及順向截梯程序設(shè)計(jì)［9-10］

通過(guò)控制變頻器正反轉(zhuǎn)輸出，可以控制電梯上行或者下行運(yùn)行，且電梯上升或下降一定樓層數(shù)，對(duì)變頻器STF或者STR端控制時(shí)間是固定的［11］，通過(guò)測(cè)試分別為：一層 4.45 s;兩層 8.90 s;三層 13.35 s;四層17.80 s;五層22.25 s?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的電梯選向與順向截梯程序。

圖5為電梯上行選向控制程序，其中N7：10存儲(chǔ)的最初所在樓層信號(hào)。當(dāng)電梯向上運(yùn)行時(shí)，B3：2/0處于閉合狀態(tài)，就不允許電梯低層的召喚信號(hào)與最低選層信號(hào)進(jìn)行比較，只有當(dāng)電梯上升到已登記的最高層時(shí)，才允許電梯下行與最低選層信號(hào)進(jìn)行比較。電梯下行的選向控制與上行選向控制程序有相同的結(jié)構(gòu)。

圖5 電梯選向控制（電梯上行判斷）的梯形圖程序［12］

圖6 電梯上行順向截梯設(shè)計(jì)（1層為例）的梯形圖程序［13］

圖6為電梯上行順向截梯1層的判斷程序。利用RTO計(jì)時(shí)器指令，我們可以由最高選層信號(hào)N7：6與最初所在層N7：10，計(jì)算得到電梯上行總共所需的時(shí)間，并將其作為T(mén)4：0的預(yù)設(shè)值，同時(shí)在電梯運(yùn)行當(dāng)中我們也仍可以對(duì)預(yù)設(shè)值進(jìn)行刷新，只要更高樓層有召喚信號(hào)。電梯的平層動(dòng)作由電梯最初所在層與召喚信號(hào)所在層之差計(jì)算而得，N10：1中存儲(chǔ)了電梯從最初層上行到該層所需時(shí)間，當(dāng)這個(gè)時(shí)間與RTO中得累計(jì)值相同時(shí)，電梯停止并跳轉(zhuǎn)到轎廂的自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)程序。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Rockwell公司的RSview32上位機(jī)監(jiān)控軟件［14］，即為利用RSView32設(shè)計(jì)制作的人機(jī)交互界面。通過(guò)通信軟件RSlinx，控制器與上位機(jī)之間以O(shè)PC的方式［15］進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣就可以利用上位機(jī)對(duì)電梯進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)語(yǔ)

本電梯實(shí)訓(xùn)模型包括了實(shí)際電梯系統(tǒng)中的主要部分，在具體教學(xué)應(yīng)用上可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，包括硬件設(shè)計(jì)、輸入輸出邏輯地址的確定、各功能塊的軟件編程以及上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)等，使學(xué)生充分掌握整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)?？删幊炭刂破鞅旧砭褪且婚T(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，通過(guò)對(duì)這類實(shí)訓(xùn)模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使課程能夠真正做到從實(shí)踐中來(lái)再回到實(shí)踐中去，同時(shí)使學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力都得到了極大的提高。

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