潘 斌，殷 勤，張莉瓊

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528404）；2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436）

0 前言

電梯是大型機(jī)電一體化產(chǎn)品，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大而分散，且封閉使用，從外部難以全面了解電梯的結(jié)構(gòu)及其工作原理；在教學(xué)和培訓(xùn)過程中，學(xué)生不能全面了解電梯的結(jié)構(gòu)，也不能綜觀電梯運(yùn)行的全過程。同時(shí)，電梯的井道深而大，很多器件安裝在井道里，實(shí)習(xí)起來不方便，也不安全。仿真電梯是按電梯實(shí)際比例縮小的功能齊全的物理電梯模型，可綜觀電梯運(yùn)行的全過程及所有器件的安裝位置[1-3]。但目前市場(chǎng)上仿真電梯產(chǎn)品如DT-2000 型透明仿真教學(xué)電梯、KY-2003 型透明仿真教學(xué)電梯等只能用于展示電梯結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)置一些常見故障。對(duì)電梯各個(gè)環(huán)節(jié)的具體控制理解因電梯相互關(guān)聯(lián)較多、復(fù)雜，學(xué)生很難對(duì)PLC程序進(jìn)行掌握。本文根據(jù)具體的教學(xué)需要研制簡(jiǎn)易教學(xué)電梯模型更有利于教研和教學(xué)的開展。模型制作完畢后用于實(shí)踐教學(xué)，所有環(huán)節(jié)可較好地由學(xué)生自主練習(xí)完成，從而達(dá)到對(duì)PLC控制電梯各環(huán)節(jié)掌握和設(shè)計(jì)水平的提高。

1 模型總體方案設(shè)計(jì)

本模型用于教學(xué)用，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下原則：（1）注重模型學(xué)生使用時(shí)用電安全，電氣設(shè)計(jì)部分主要采用直流24 V供電；（2）為方便學(xué)生循序漸進(jìn)理解，忽略電梯繁雜設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)放在關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)和實(shí)踐；（3）各環(huán)節(jié)采用模塊設(shè)計(jì)，方便以后擴(kuò)展，設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)之間相互連動(dòng)且不致沖突。

本電梯模型為五層五站直流驅(qū)動(dòng)電梯模型，作品如圖1 所示。其主要功能有：（1）具有七段碼轎廂位置顯示、廳門轎廂到站樓層指示燈；（2）上下行直駛，循環(huán)上下運(yùn)行模型；（3）轎廂蹲底沖頂保護(hù)模擬——即上端站和下端站保護(hù)；（4）轎廂內(nèi)指令選層：能根據(jù)轎箱樓層位置及目的樓層位置比較自動(dòng)確定電梯運(yùn)行方向，并運(yùn)行到目的樓層后自動(dòng)平層，消號(hào)；（5）PLC編程現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)?zāi)M。

圖1 電梯教學(xué)模型

2 模型硬件設(shè)計(jì)

此模型涉及硬件設(shè)計(jì)制作較多。主要步驟是利用計(jì)算機(jī)繪圖功能將電梯零部件尺寸，轎廂、對(duì)重長(zhǎng)寬確定，然后繪制導(dǎo)軌底寬和高度，確定導(dǎo)靴內(nèi)凹尺寸，出圖送金工實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行加工。

曵引輪尺寸的確定，根據(jù)導(dǎo)軌的總長(zhǎng)度和轎廂的高，根據(jù)模型電梯速度的設(shè)定可以算出曵引輪所需直徑。主要部件設(shè)計(jì)如下。

（1）曳引輪及導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)及安裝

根據(jù)模型要求，曳引輪及導(dǎo)向輪按以下尺寸設(shè)計(jì)，如圖2 所示，并在學(xué)院金工實(shí)訓(xùn)室完成制作，模型所需兩個(gè)導(dǎo)向輪和一個(gè)曳引輪，并按圖3要求安裝。

圖2 導(dǎo)向輪與曵引輪設(shè)計(jì)

（2）轎箱與對(duì)重的設(shè)計(jì)

轎箱與對(duì)重按以下尺寸設(shè)計(jì)，如圖4、圖5所示。為保證曳引力足夠牽引轎箱，盡量使對(duì)重和轎箱一樣重，為此可在對(duì)重箱添加適當(dāng)沙子平衡兩者重量。

圖3 曳引輪及導(dǎo)向輪安裝要求

圖4 轎箱設(shè)計(jì)

圖5 對(duì)重設(shè)計(jì)

（3）轎箱和微動(dòng)開關(guān)的定位

為保證轎箱在井道導(dǎo)軌上下運(yùn)行時(shí)正確顯示轎箱的位置，必須在井道適當(dāng)位置安裝1～5層的微動(dòng)開關(guān)以及上、下限位開關(guān)。安裝位置按圖6定位。另外為使微動(dòng)開關(guān)可靠工作，須把開關(guān)與導(dǎo)軌固定在一起，固定板的尺寸設(shè)計(jì)按圖7 設(shè)計(jì)，并在金工實(shí)訓(xùn)室與導(dǎo)軌牢固焊在一起。

圖6 轎箱與微動(dòng)開關(guān)的定位

圖7 微動(dòng)開關(guān)固定板尺寸

（4）電機(jī)與PLC類型的選用

為保證電機(jī)有足夠的曳引力，選購帶行星齒輪減速的直流24 V小電機(jī)，另外PLC選擇根據(jù)控制信號(hào)（計(jì)算輸入輸出點(diǎn)數(shù)）選擇目前廣泛使用的三菱FX2N－64MR系列PLC。

3 PLC設(shè)計(jì)

3.1 I/O點(diǎn)數(shù)分配

根據(jù)簡(jiǎn)易電梯模型主要功能分析：輸入信號(hào)主要有1～5層換速開關(guān)，1～5樓內(nèi)指令登記開關(guān)，直行上下開關(guān)，循環(huán)開關(guān)，上下端站限位開關(guān)；輸出信號(hào)主要有七段碼顯示，1～5層轎箱位置顯示燈，1～5樓內(nèi)指令登記顯示燈，電機(jī)上下行接觸器及顯示箭頭燈，循環(huán)及上下直行顯示燈、PLC復(fù)位指示燈。具體如表1所示。

表1 簡(jiǎn)易電梯教學(xué)模型PLC控制系統(tǒng)的I/O端口地址分配表

3.2 硬件連接

根據(jù)I/O地址分配表，可畫出PLC的外部接線示意圖，如圖8所示。

圖8 PLC與電機(jī)外部接線圖

3.3 梯形圖設(shè)計(jì)

電梯的操作要求：對(duì)單臺(tái)電梯，主要是完成選層定向、合理分配轎內(nèi)指令的執(zhí)行和轎外呼喚的回答；對(duì)多臺(tái)電梯，除上述要求外，還要根據(jù)客流情況合理調(diào)配電梯，使乘客后梯和乘梯時(shí)間最短。對(duì)電梯運(yùn)行的具體控制要求如下：①設(shè)有門鎖保護(hù)，轎廂門鎖上后自動(dòng)啟動(dòng)；②到達(dá)指定樓層，自動(dòng)停層，自動(dòng)開門；③延時(shí)自動(dòng)關(guān)門，等候轎外呼喚；④響應(yīng)順電梯行進(jìn)方向上的轎外呼喚；⑤電梯到達(dá)頂層或底層時(shí)，自動(dòng)停止并變換運(yùn)行方向；⑥轎內(nèi)指令和轎外呼喚自動(dòng)登記并記憶，完成任務(wù)后自動(dòng)消號(hào)；⑦門外和轎內(nèi)有樓層顯示和運(yùn)行方向顯示[4]。

確定控制要求后，另外考慮教學(xué)模型制作難度，把開關(guān)門環(huán)節(jié)及部分安全回路取消，為便于觀察，增加直駛上行環(huán)節(jié)、直駛下行環(huán)節(jié)及循環(huán)運(yùn)行環(huán)節(jié)。因此，教師可以根據(jù)模型電梯的運(yùn)行規(guī)律將電梯的功能劃分為不同的模塊，也就是采用模塊化的編程思想，其程序主要包括以下幾個(gè)模塊：①電梯的啟動(dòng)復(fù)位及參數(shù)初始化程序：該段程序定義了模型電梯運(yùn)行所需要的部分邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器的初始值；②呼叫記錄程序：自動(dòng)記憶各種呼叫信號(hào)；③呼叫消除程序：當(dāng)電梯某呼叫得到響應(yīng)并完成后，自動(dòng)消除順向呼叫信號(hào)；④樓層顯示程序：顯示轎廂目前所在樓層；⑤上、下運(yùn)行程序：根據(jù)呼叫信號(hào)、內(nèi)選信號(hào)、電梯方向與電梯位置，確定電梯是上行還是下行。

3.4 程序的完善和創(chuàng)新

而設(shè)計(jì)的電梯控制僅僅是基本功能的設(shè)計(jì)，若想用到實(shí)際生活中，還需要增加較多的功能。例如當(dāng)層數(shù)增加時(shí)，該如何編寫梯形圖；用什么方法可以節(jié)約I／0點(diǎn)的個(gè)數(shù)；如何要求電梯只停偶數(shù)層或只停奇數(shù)層該如何編寫梯形圖；當(dāng)電梯出現(xiàn)緊急情況時(shí)，該怎樣處理。此外還可以利用此套裝置進(jìn)行二次開發(fā)研究。如：①群控電梯（統(tǒng)一調(diào)度多臺(tái)集中并列的電梯）；②并聯(lián)控制電梯（2-3 臺(tái)電梯的控制線路并聯(lián)，進(jìn)行邏輯控制，共用層站外召喚按鈕）；③集選控制電梯；④信號(hào)控制電梯等等。

具體改進(jìn)方案以樓層顯示環(huán)節(jié)為例，此環(huán)節(jié)輸入為1-5 層換速開關(guān)（X1-X5），輸出為七段碼顯示（Y0-Y6）。輸入與輸出關(guān)系見表2所示。

表2 簡(jiǎn)易電梯教學(xué)模型轎廂位置與七段碼位置顯示邏輯關(guān)系

圖9 基本指令的樓層顯示梯形圖

根據(jù)表2 所示關(guān)系，可很方便的用基本指令編輯出梯形圖，如圖9 所示。學(xué)生容易理解及編程。但此種方法程序過長(zhǎng)，為此改用功能指令MOV 及SEGD就比較簡(jiǎn)單了，具體梯形圖見圖10。

圖10 功能指令的樓層顯示梯形圖

再以節(jié)約PLC的I／0點(diǎn)的個(gè)數(shù)為例（圖11），在傳統(tǒng)的電梯電路中，通常是用樓層感應(yīng)器的信號(hào)來進(jìn)行的方向控制。這樣井道中的每個(gè)樓層至少要裝一個(gè)感應(yīng)器，如電梯樓層越多，則占用的PLC的輸入點(diǎn)數(shù)越多。由于PLC的編程功能十分豐富，所以可以利用上行換速和下行換速信號(hào)來進(jìn)行樓層的方向控制，這樣只需要在轎廂側(cè)裝兩只感應(yīng)器，便可實(shí)現(xiàn)電梯樓層的方向控制及減速信號(hào)的發(fā)出，既方便又節(jié)約成本。

圖11 節(jié)約PLC的I/O點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)的梯形圖

設(shè)計(jì)時(shí)輸入信號(hào)只留下上、下端站信號(hào)（X5，X1），中間樓層不需要換速開關(guān)了，用X2，X3 代替轎箱上、下?lián)Q速感應(yīng)開關(guān)。Y10、Y11 分別是上、下?lián)Q速開關(guān)。具體梯形圖見圖11所示。當(dāng)電梯上行Y10 時(shí)，每當(dāng)上換速感應(yīng)開關(guān)X2 動(dòng)作時(shí)，使M101 有一個(gè)周期的觸發(fā)，使寄存器D200 內(nèi)數(shù)值增1。當(dāng)電梯下行Y11 時(shí)，每當(dāng)下?lián)Q速感應(yīng)開關(guān)X3 動(dòng)作時(shí)，使M102 有一個(gè)周期的觸發(fā)，使寄存器D200 內(nèi)數(shù)值減1。當(dāng)電梯上行到最高層，上端站開關(guān)X5動(dòng)作時(shí)，使D200內(nèi)數(shù)值強(qiáng)制為5（這里以5層為例）。當(dāng)電梯下行到最低層，下端站開關(guān)X1動(dòng)作時(shí)，使D200內(nèi)數(shù)值強(qiáng)制為1。

這樣，D200內(nèi)的實(shí)際數(shù)值就反映了電梯的實(shí)際樓層數(shù)值，利用解碼指令DECO對(duì)D200進(jìn)行解碼，得出M501 吸和時(shí)為1 樓，M502 吸和時(shí)為2樓，M503 吸和時(shí)為3 樓，M504 吸和時(shí)為4 樓，M505 吸和時(shí)為5 樓；利用七段譯碼顯示指令SEGD對(duì)D200譯碼輸出到Y(jié)0—Y6。同時(shí)，電梯進(jìn)行樓層方向控制時(shí)也給出了電梯的減速信號(hào)。

4 總結(jié)

具體應(yīng)用時(shí)，在電腦上安裝相應(yīng)系列的PLC應(yīng)用軟件，電腦串行輸出口和PLC的通信口經(jīng)數(shù)據(jù)線連接起來；在電腦上編寫各個(gè)電梯控制模塊的梯形圖，如自動(dòng)開關(guān)門控制模塊、轎廂內(nèi)指令信號(hào)的登記與消除模塊、廳外召喚信號(hào)的登記記憶與消除指層電路控制模塊、指層控制模塊和定向選層模塊、檢修運(yùn)行模塊和消防控制模塊等，分別將各個(gè)模塊梯形圖下載到PLC中運(yùn)行調(diào)試；調(diào)試過程中可充分利用PLC軟件對(duì)電梯控制程序進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)試；在外圍線路有故障的情況下，可以利用強(qiáng)制某段PLC程序運(yùn)行輸出的方法使電梯運(yùn)行，以確定故障的具體位置；當(dāng)各個(gè)模塊調(diào)試通過后，可將這些控制模塊集成為完整的控制程序，再運(yùn)行調(diào)試，直至通過為止。

由于梯形圖比較長(zhǎng)，所用軟觸點(diǎn)數(shù)比較多，難以記憶，因此可以在整個(gè)梯形圖中軟觸點(diǎn)和線圈符號(hào)上標(biāo)注其相應(yīng)的功能名稱，如樓層減速。這樣通過講解外圍線路、梯形圖等，學(xué)生對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)原理的理解和掌握就容易多了。在熟練地掌握了電梯基本控制線路、梯形圖的原理和故障的檢測(cè)方法后，可在電梯控制練習(xí)系統(tǒng)上進(jìn)行更高層次的練習(xí)。如將原五層站的程序改為六層、七層站的程序；更改原程序的數(shù)據(jù)，如修改延時(shí)開、關(guān)門時(shí)問等。在變頻調(diào)速器上練習(xí)參數(shù)的設(shè)定和輸入方法，如設(shè)定上限頻率、下限頻率、加速時(shí)間、減速時(shí)間等，并可投入試運(yùn)行。在電梯控制練習(xí)系統(tǒng)上進(jìn)行以上練習(xí)，即使出錯(cuò)，也不會(huì)損壞設(shè)備，很適合反復(fù)練習(xí)。

［1］趙瑾.PLC的三層樓電梯模擬控制在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.時(shí)代教育，2011（5）：78-79.

［2］陳繼文，楊紅娟，李彥鳳，等.電梯控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探討［J］.山東建筑大學(xué)教育教學(xué)研究文集，2008（1）：217-218.

［3］殷勤，潘斌.PLC在電梯教學(xué)模型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012（11）：49-52.

［4］焦宇敏.電梯運(yùn)行過程的PLC控制技術(shù)［J］.機(jī)床電器，2011（3）：26-2.