电梯模型在可编程控制器实践教学中的应用

杨小林， 潘丽萍

（浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027）

0 引言

随着现代自动化技术水平的不断进步，PLC在实际的工业控制中起到了十分关键的作用，而且在现代高校的自动化教学中，PLC也成为一门必不可少的课程。但如何将学生所学的知识与实践结合起来却是一个很大的问题。在以往的课程教学中，通常只是通过仿真软件或一些简单的PLC控制实验，让学生简单体验硬件的接线、编程软件的使用以及一些指令的用法，学生很难建立一个系统的概念。

本文以天煌THPFDT-2六层电梯教学实训模型为对象，结合三菱FR-D700变频器，介绍了如何利用可编程控制器设计电梯模型的自动控制系统，主要包括该系统的硬件组成、主控程序的控制流程图、主要控制模块的梯形图程序以及上位机监控界面的设计等。同时，该课题结合模块化设计的思想，简化了电梯控制中复杂的逻辑设计，使得该实例可以很好地将课程中的许多知识点贯穿到实际应用中。

1 电梯模型简介

1.1 电梯模型组成

该款用于教学实践的仿真电梯模型一共设有7层，其中底层为检修层，第二层开始为正常使用层，如图1所示。电梯结构分为实验机架、拽引机、轿厢、对重铁、轿厢轨道、对重铁轨道、变频器、语音到站钟、33点输出端口以及31点输入端口等。

图1 电梯实训模型

1.2 电梯模型功能

该电梯模型主要有正常运行模式和检修模式，且检修模式的权限高于正常运行模式。检修模式下主要检查电梯的上下行功能，轿厢门开关功能，急停功能，火警功能等是否正常［1］。正常模式下，电梯响应轿厢内外各个层的呼叫信号，并准确做出应答——包括电梯运行方向、自动平层、开关门等操作。其主要控制要求为［1］：① 电梯下行;② 电梯上行;③ 电梯随时对轿厢内外召唤信号进行登记;④ 电梯运行到某一层后，对该层轿箱内外登记信号进行消除;⑤ 轿厢上下行时，只响应顺向截梯信号，保留反向呼梯信号。

2 控制系统的硬件设计

本项目的系统框图如图2所示。

图2 系统框图［2-3］

2.1 控制器的选择

由于系统包含32点开关量输入和31点开关量输出信号，见表1、2，系统的程序也不需要占用很大的内存，所以选择处理器时只要能满足系统的输入输出点数就可以了。本系统选用的是美国罗克韦尔公司SLC500系列的处理器［4-5］，该处理器模块化的结构使得硬件设计更为灵活方便。

2.2 输入、输出模块的选择［6］

如上所述，电梯实验模型具有32点的数字量的输入端口和31点的数字量输出端口，所以选用了两块型号为1746-IB16的16点输入模块分别插在机架的1槽和2槽，对应的输入地址为I：1/0～I：1/15和I：2/0～I：2/15;两块型号为1746-OB16的16点输出模块，分别插在机架的3槽和4槽，对应的输出地址为O：3/0～O：3/15和O：4/0～O：4/15。由于电梯模型提供的信号电平逻辑刚好和SLC输入/输出模块的电平相反，故系统中还添加了两块电平转换模块。

各输入、输出信号说明及对应的地址详见表1、2。

表1 输入端口说明以及地址表示

2.3 变频器的配置［7］

本系统采用三菱公司生产的FR-D700变频器，通过改变其相应参数来改变电梯模型拽引机的加速和减速的状态，从而实现对电梯模型的拽引机进行变频调速。利用S型曲线对电梯进行控制，如图3所示。该方式在加速的起始阶段，频率的上升较缓，电梯加速度a逐渐变大，加加速度ρ为一恒定值。如AE段所示，在电梯达到匀速运行之前，电梯加速度逐渐减小。BC端电梯进入稳定运行状态，此时电梯匀速上升。电梯的减速过程与加速过程类似。

表2 输出端口说明以及地址表示

通过修改变频器相关参数［7］以及对变频器STF端（O：3/0）和STR端（O：3/2）的控制，可以让电梯在上、下行时达到图3所示的运动状态。

图3 速度控制曲线

3 控制系统的程序设计

3.1 主控程序的设计

电梯实训模型的控制程序设计比较复杂灵活，可以分为检修模式和正常运行模式，对于正常运行模式来讲，其程序的设计又可以分为轿厢内外信号登记与显示、最大值登记、最小值登记、电梯选向、顺向截梯、轿厢开关门等部分，因此在程序设计中，我们将整个程序分为多个模块，分别进行单独的设计与调试，最后将不同的模块拼接起来进行综合调试。图4为系统主控程序的控制流程图。

图4 主程序流程图［8］

3.2 电梯选向以及顺向截梯程序设计［9-10］

通过控制变频器正反转输出，可以控制电梯上行或者下行运行，且电梯上升或下降一定楼层数，对变频器STF或者STR端控制时间是固定的［11］，通过测试分别为：一层 4.45 s;两层 8.90 s;三层 13.35 s;四层17.80 s;五层22.25 s。基于此，我们设计了相应的电梯选向与顺向截梯程序。

图5为电梯上行选向控制程序，其中N7：10存储的最初所在楼层信号。当电梯向上运行时，B3：2/0处于闭合状态，就不允许电梯低层的召唤信号与最低选层信号进行比较，只有当电梯上升到已登记的最高层时，才允许电梯下行与最低选层信号进行比较。电梯下行的选向控制与上行选向控制程序有相同的结构。

图5 电梯选向控制（电梯上行判断）的梯形图程序［12］

图6 电梯上行顺向截梯设计（1层为例）的梯形图程序［13］

图6为电梯上行顺向截梯1层的判断程序。利用RTO计时器指令，我们可以由最高选层信号N7：6与最初所在层N7：10，计算得到电梯上行总共所需的时间，并将其作为T4：0的预设值，同时在电梯运行当中我们也仍可以对预设值进行刷新，只要更高楼层有召唤信号。电梯的平层动作由电梯最初所在层与召唤信号所在层之差计算而得，N10：1中存储了电梯从最初层上行到该层所需时间，当这个时间与RTO中得累计值相同时，电梯停止并跳转到轿厢的自动开关门程序。

3.3 上位机监控程序的设计

本系统采用Rockwell公司的RSview32上位机监控软件［14］，即为利用RSView32设计制作的人机交互界面。通过通信软件RSlinx，控制器与上位机之间以OPC的方式［15］进行数据交换，这样就可以利用上位机对电梯进行监控。

4 结语

本电梯实训模型包括了实际电梯系统中的主要部分，在具体教学应用上可以对系统进行分解，包括硬件设计、输入输出逻辑地址的确定、各功能块的软件编程以及上位机监控界面的设计等，使学生充分掌握整个控制系统设计的各个环节。可编程控制器本身就是一门应用性很强的课程，通过对这类实训模型控制系统的设计，使课程能够真正做到从实践中来再回到实践中去，同时使学生的实践和创新能力都得到了极大的提高。

（References）：

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