教学用四层电梯模型机PLC控制系统的设计与实现*

王志刚

（中山火炬职业技术学院，广东中山 528436）

0 引言

中国电梯行业业内的2012年统计数据显示，全国电梯从业人员的缺口在50万以上，严重时多达百万，而且从业人员整体素质低下，无证上岗现象严重。为了提高电梯的安全性、可靠性，满足广大电梯企业对安装、维保人员的市场需求，解决从业人员专业技术水平及业务能力低下、人员匮乏的现状，进而培养出高素质的电梯从业工程技术人才，我们开发了教学用四层电梯模型机。

开发本电梯模型机的目的基于以下几点：

（1）实现教学用四层电梯模型机的自动化控制；

（2）掌握PLC控制系统的软硬件设计以及调试的方法；

（3）促使学生理论与实践深度融合，提高学生的动手操作能力。

1 控制系统的硬件设计

1.1 模型机的组成

电梯模型机主要包括机房、控制柜、井道、厅门及轿厢五个部分[1-2]。

（1）控制柜部分由总电源、PLC、控制电源、变频器等组成；

（2）机房部分由电磁制动器、曳引机、限速器等组成；

（3）轿厢部分由轿厢、导靴、安全钳、平层装置、轿厢内指导灯、轿厢照明等组成。

（4）井道部分由导轨、缓冲器、限速器、极限开关、平层感应器、限速器等组成；

（5）厅门部分由厅门、上下呼按钮、楼层显示装置等组成。

整个模型机安置在面积为40 cm×30 cm的底板上，电气控制部分安装在控制柜内，电梯模型机的各项性能指标通过PLC来实现，其重量约为50 kg，高度约为150 cm。

1.2 模型机主要功能介绍

模型机可实现的主要功能如下[1]：

（1）确定电梯上行或下行的运行方向；

（2）记忆并响应上行或下行的呼梯信号；

（3）顺向呼梯信号优先响应，到达指定楼层后，呼梯信号解除；

（4）电梯到达所指定的楼层时，所在楼层的指示灯将闪烁3 s，梯门处于开启状态；

（5）不仅具有上限位及下限位保护功能，还具有互锁功能，使电梯运行平稳、高效；

（6）可以显示呼梯信号及电梯所处楼层。

电梯模型机采用常使用的曳引式电梯结构。其滑轮组由两个动滑轮和一个定滑轮组成，可以减小所需的牵引力，拖动电机为电压为AC380V、功率为120 W。其结构与实际电梯基本相同，其功能与实际电梯的基本一致。模型机的大部分部件均是采用透明材料制成，这就有利于观察电梯的内部结构，运行过程中的每一个动作看起来都非常直观；可以很直观地了解并掌握电梯的基本结构、动作原理[2-4]。

1.3 I/O分配

模型机选用三菱FX2n-64MR作为电梯的控制单元，其输入点数与输出点数均为32个。模型机具有上限开关、下限开关、开门限位、关门限位、上下呼梯等25个输入信号；抱闸继电器、开门继电器、关门继电器、楼层指示灯、牵引电机正转及反转等23个输出信号。输入点分配详情见表1，输出点分配详情见表2。

2 控制系统软件设计

PLC电梯控制系统的关键环节软件设计部分。在进行软件设计时，要本着功能完善、程序设计简单、易读、易改的原则[4-6]。利用PLC的各种指令进一步优化编写的程序，尽可能缩短控制系统程序扫描时间，进而保证电梯运行精度。控制系统设计流程图详情见图1。

表1 输入点分配表

表2 输出点分配表

根据电梯的控制要求，电梯总是按照一定的程序重复地进行上下行、开关门动作。其过程为：给出上呼或下呼信号，判断电梯运行方向，启动运行，到达层站时执行开门、关门。其工作原理图详情见图2，根据电梯模型控制系统的功能，进而编制出满足模型机相关功能的梯形图。

图1 设计流程图

3 模型机的工作过程

模型机的轿箱通过交流电机来拖动，交流电机的额定电压为380 V。电梯轿箱的上升与下降分别用Y30及Y31来控制。在PLC编程时，Y30与Y31进行互锁，是为了防止意外而造成电源短路。

模型机控制系统作为一个人机交互式的系统，在运行过程中存在很多不确定因素。这就需要在能够实现电梯的基本控制功能的基础上，根据不确定的输入信号以及电梯所处于的状态控制电梯的运行。当控制系统工作时，PLC根据接收到轿厢和厅门控制系统的功能信号、楼层的呼叫信号以及井道与变频器的状态信号，经过程序的判断、运算，进而实现电梯运行的控制。PLC根据控制系统的要求，向变频器发出上行下行信号、启动信号、加/减速运行信号以及制动停梯信号。由变频器按照一定的控制规律、控制算法进而来控制电机，进而完成电梯的工作全过程[4-7]。

图2 模型机的工作原理图

4 控制系统的调试及运行情况

4.1 控制系统的调试

针对一个PLC控制系统，首先要对其功能进行设计，就是根据被控对象工艺要求，明确控制系统需要完成什么样的工作，完成工作需要什么样的条件。其次，要对PLC控制系统进行功能分析，进而提出PLC控制系统的规模、结构形式、I/O点数、控制信号的种类等。最后根据控制系统的分析结果，确定PLC控制系统所需要的机型以及系统的具体配置[5-8]。

调试步骤：

（1）在总装调试前，用户要把编写的程序进行模拟调试，模拟调试无误后，把PLC接到控制系统里进行总装调试；

（2）PLC的外部硬件接线检查，确保接线正确；

（3）将模拟调好的用户程序下载到用户存储器中进行调试，确保PLC控制系统各部分的功能均达到既定的要求，并能协调一致，成为一个完整PLC控制系统；

（4）如果调试结果达不到控制系统的要求，可通过调整硬件以及软件的方法进行优化；

（5）调试完成后，将程序固化在EPROM内。

4.2 控制系统的运行情况

（1）按下呼叫按钮，PLC检测到上呼信号或下呼信号以后，便会控制轿厢运行到所指定楼层。电梯上升过程中，PLC只执行上行信号，不执行下行信号，并且只保持上行指示灯点亮，反之亦然。

（2）如果同时按下多层反向外呼信号按钮，则轿厢将优先运行到最远端发出的反向外呼信号所在的楼层，然后再按顺序执行其他楼层发出的外呼信号。

（3）轿厢平层后开门，延时5 s后自动关门。

（4）在上升或下降过程中，开门、关门按钮将处于无效状态。在开门、关门以及5 s延时时间内，轿厢即不能上升也不能下降。

（5）轿厢当前所在的楼层用七段数码管显示，上行与下行用指示灯来指示。

（6）经过验证，模型机运行情况良好、达到预期效果。

5 结语

此教学用四层电梯模型机具有效果直观，可操作性强等优点，选用功能较强的PLC作为模型机的控制单元，符合我国当前中低速电梯控制系统的实际情况，非常适合电梯从业人员岗前培训，也可以满足高职院校教、学、做一体化的教学模式。由于所具有的功能与现实生活中所使用的电梯基本一致，工作人员可以不在施工现场，而提前编制出符合要求的控制程序，进而提高电梯调试效率。模型机可以在不同的方式下运行，实现电梯的相关功能，克服了传统的教学模型功能单一、仅能够以演示为主的局限性，为教学和科研提供了优质的实验平台，具有一定的实用价值与推广价值。

［1］史先传.基于PLC控制的小型电梯模型的研制［J］.微计算机信息，2008（13）：59-61.

［2］刘明.四层电梯教学模型PLC控制系统的设计［J］.中小企业管理与科技，2009（03）：165-166.

［3］潘先荣.基于S7-200PLC控制的四层电梯模型设计［J］.工业控制计算机，2013（01）：95-97.

［4］魏佳，闫挺.6层电梯模型控制系统的PLC设计与调试［J］.科技信息，2011（22）：240-241.

［5］王宏，王子成，崔光照.基于组态软件的PLC电梯控制和仿真研究［J］.制造业自动化，2013（02）：109-112.

［6］杨小林，潘丽萍.电梯模型在可编程控制器实践教学中的应用［J］.实验室研究与探索，2013（02）：45-48.

［7］陈钢.使用PLC测试软件进行PLC电梯程序错误分析［J］.可编程控制器与工厂自动化，2011（10）：51-54.

［8］石云.基于PLC的电梯控制系统的设计与实现［J］.工业控制计算机，2009（04）：5-6.