PLC在仿真教学电梯控制系统中的应用

李忠生

北京铁路电气化学校,北京 102202

1 问题的提出

作为通用工业控制计算机，多年来，随着现代工业技术的发展，可编程控制器（PLC）已经在各个领域被广泛使用，它具有可靠性高、编程简单，使用方便、通用性好、在线修改能力强，设计、施工、投产试制周期短，体积小等特点，使其成为了工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。

《可编程控制器》课程是电气控制类专业的重要专业课,是该专业的学生掌握现代工业自动化技术的基础。在该课程的教学中,我们应使学生既掌握传统的电气控制知识,又应对现代控制技术有所了解,切实提高学生的学习能力、动手能力和创新能力。电梯是典型的机电一体化产品，作为垂直运输工具，随着房地产业的发展，其数量逐年增加，据统计，到2012年底，我国已拥有超过160万部电梯。PLC作为控制器，在电梯中的应用较为普遍。为此，我校与北京燕园图新自动化有限公司共同开发研制了由富士NWOP60型PLC控制的仿真教学电梯。该电梯设备既具备了实际电梯的功能，又兼顾了实训教学的可行性，外形美观大气，软件设计功能完善、合理，充分体现了PLC的特点，具有良好的实用性，已经作为典型的实训装置应用于教学当中。

2 仿真教学电梯控制系统的结构

仿真教学电梯采用最常见的升降式电梯结构（见图1），采用透明有机材料制成，其结构与实际电梯完全相同。电梯的基本结构包括：

图1 仿真教学电梯结构

1).机房部分：包括曳引机、限速器、电磁制动器。该部分置于仿真井道顶端并且是开放式的。

2).控制柜部分：电源、PLC可编程控制器、变频器、接触器等设备。

3).仿真井道部分：包括导轨、对重装置、缓冲器、曳引钢丝绳、端站保护开关、平层感应器、随行电缆等。

4).厅门部分：包括厅门、召唤按钮厢、楼层显示装置等。

5).真实轿厢部分：包括轿厢、自动开门机、轿内操纵厢、轿厢内指层灯、轿厢照明等。

6).仿真轿厢部分：包括轿厢、导靴、自动开门机、平层装置、轿厢照明等。

电梯轿厢位置检测和平层信号由安装在仿真轿厢顶上和各层站的双稳态磁性开关得到，从而摆脱了以往靠继电器和接触开关等有触点器件控制的复杂线路系统，优化了线路，大大地提高了系统运行的可靠性，同时也便于检修。

为了便于教学，电梯大部分部件均是采用透明有机材料制成，使得电梯的内部结构一目了然；同时，电梯的运行过程，以及每个动作都十分明了，且可以反复实际动手操作。使学生能够很直观、透彻地了解、掌握电梯的结构及其动作原理，达到事半功倍的效果。事实上可以把它看作是小型化了的真实电梯，井道和轿厢（图1）等采用和实际1：5的方式微缩。但是和一般的模拟电梯不同的是，我们将门机系统（包含轿门、厅门、安全触板、外呼、内选等）（图2）和控制柜（图3）均采用和真实电梯1：1的形式，这样，在很直观的情况下，又能延长其使用寿命。

图2 门机系统

图3 控制柜

3 仿真教学电梯的电气控制系统

电梯的电气控制系统采用日本富士公司的NWOP60型可编程控制器(PLC)作为控制的核心部分。PLC接收来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号,经程序判断与运算实现电梯的控制功能。PLC在输出显示和监控信号的同时,向变频器发出运行方向、启动、加减速运行和制动停梯等信号，其功能与实际电梯完全一样，具有自动平层、自动关门、顺向响应轿内外呼梯信号、直驶、电梯安全运行保护以及电梯急停、检修、慢上、慢下、照明、风扇等功能。且具有性能可靠、运行平稳、操作简单、能耗低和便于教学等特点。为了便于实现六层六站召唤信号的操作，我们将全部召唤按钮安装在一个操纵盒上并置于轿厢侧面，如图4所示。

图4 召唤按钮

4 仿真教学电梯功能设置

在设计过程中，为了增加同学们实际动手操作能力，以便为日后的维保工作打下坚实的基础，将电梯运行过程中经常出现的故障，在教学仿真电梯的相应部位全部留有接点，用继电器连接起来，并在控制柜顶端用扳把开关来设置故障（图5）。这样，教师在讲课过程中，能随时将某个继电器断开来设计故障，让同学们通过观察电梯运行状态、并通过仿真软件在电脑上进行查找故障点，找出故障点后，将位于井道侧下方的相应插线（图6）调换位置，即可实现故障的排除。解决了以往电梯教学中单纯理论的教学方式或是参观实际电梯时所带来的不安全，无法全面了解其内部结构、运行过程及故障排查等实际问题。

图5 扳把开关

图6 插线板

5 软件设计

5.1 根据系统功能确定I/O表

用PLC进行系统设计的第一步就是要确定系统的输入输出，并根据输入输出来进行系统的I/O分配。可编程序控制器是一种计算机化的高科技产品，价格相对较高（至少在数千元以上），其每一个输入或输出点平均价格在百元左右。因此，在满足系统控制功能要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需I/O点数是很有意义的。不仅可以降低系统硬件成本，还可以解决已使用的PLC进行再扩展时I/O点数不够的问题，同时，在程序编制和系统调试方面也会带来很多方便。

5.2 梯形图设计

在梯形图的设计过程中，将整个程序可以分成电梯位置的确定环节、电梯位置的显示环节、轿厢内运行命令及门厅的召唤信号环节、电梯自动运行时的信号响应环节、电梯的启动与运行环节、轿厢的平层与停车环节、安全保护环节等七个环节进行，然后再将这些环节组合在一起，形成了完整的梯形图。因内容较多，下面只介绍电梯位置确定环节的梯形图。

电梯轿厢位置检测和平层信号由安装在仿真轿厢顶上和各层站的双稳态磁性开关（门区开关）得到的。电梯上行时，门区开关每接通一次，微处理器程序做一次加法运算，电梯下行时，门区开关每接通一次，微处理器程序做一次减法运算。把运算结果转换到数据寄存器内做层楼记忆并通过层显显示出当前的楼层数，也就是轿厢的位置。梯形图如下所示。

此梯形图包含三种情况：

（1）正常运行时层楼位置确定。

（2）检修运行时为了不乱层而进行的层楼位置确定。

（3）锁梯后，电梯运行层楼确定。

6 存在的不足

该仿真教学电梯在使用过程中也存在一定的不足之处，比如限速器、安全钳等部件均是按比例缩小的模型，无法实现限速器、安全钳联动实验，而限速器、安全钳联动过程又是我们讲课过程中学生难于理解的难点。对于这部分，我们只能通过电脑或者单独做一个限速器、安全钳联动实验台来演示。

7 结束语

仿真教学电梯对于电梯课程的教学与实习，越来越受到各大中院校及各有关部门的欢迎。经过我们的精心设计，该仿真电梯既能体现电梯的结构与工作过程，又能使同学们亲自动手实践，还能延长其使用寿命，必将会为各大中院校及有关部门的教学科研工作带来大大的方便。

[1]冯国庆.电梯维修与操作.中国劳动社会保障出版社,2005[2]

[2]电梯及相关标准汇编.中国标准出版社,2004[2]

[3]李秧耕.电梯基本原理及安装维修全书.机械工业出版社,2005[1]