基于PLC和单片机的电梯双控系统的方案研究

2014-11-18蒋金周

河北能源职业技术学院学报 2014年4期

车玲，蒋金周

(南通职业大学，江苏南通 226007)

引言

电梯在当今社会中已成为城市生产和生活中不可或缺的交通运输工具。同时，各高等院校的电气自动化、建筑工程、应用电子、机电一体化等专业也将电梯的结构、运行控制等知识做为理论及实训的课程内容。教学电梯模型被普遍应用在各专业的教学实践中，并取得了较好的教学效果。各院校正在使用的市售或自制电梯教学模型，普遍使用PLC控制系统，进行PLC、电机拖动、电梯结构及控制等教学。

为拓展教学范围，增加电梯教学模型设备使用率，提高教学质量，电气教研组设计了电梯的双控制系统，即PLC和单片机双控制系统，并增加了电梯监控系统，运用组态对电梯进行实时监控。

1．电梯系统设计

现代常用电梯的控制器以可编程控制器(PLC)为主流，其特点为可靠性高，稳定性好，编程简单，易读易懂，维护方便，这也是近年来机电一体化、电气自动化、智能楼宇控制等专业的配套教学和实验装置主要使用的控制方式。而基于单片机的电梯控制方式与PLC控制方式相比面言，具有成本低、功能多等特点。本设计采用89C52单片机，成本较PLC低很多。此外，除主要用于了解电梯的工作原理和应用外，其硬件采用了模块化的设计方式，各模块可以进行二次开发和重新开发，学生可以以电梯模型为基本平台，进行单片机的程序设计，或进行集中实训和毕业设计等工作。

电梯模型的双系统控制图如图1所示。可编程控制器(PLC)和单片机均与内呼面板、外呼面板、变频器、手动控制面板及上位机相连接，通过电源开关选择控制器的类型，以达到不同的教学目的。

图1 控制系统框图

2．系统硬件电路图

本方案是在原有电梯模型的基础上而进行的改进设计，在原有的PLC控制线路基础上增设了单片机控制线路。当电梯系统运行时，利用电源选择所使用的控制核心，即选择PLC系统或单片机系统。

图2 电梯信号控制系统框图

如图2所示，控制系统的输入信号包括:运行控制信号、运行方式信号、内选按钮信号、电梯换速信号、外选按钮信号、编码器信号、安全保护信号、开关门信号、楼层显示信号。各信号并联接入PLC的输入端及单片机的P0和两个P1端口，如PLC上电，则输入信号由PLC采集，反之则由单片机的I/O口采集，两个控制器互不干扰。同样，PLC和单片机通过加载不同的程序来控制门电机、呼梯信号显示、呼梯蜂鸣器、运行方式显示、电动控制系统、开关门控制、楼层显示、变频器等控制对象使电梯运行起来。

同时，学生可以利用手持编程器对PLC编程，利用烧录器对单片机编程，或进行PLC、单片机与变频器的接口线路的设计等，扩展了教学电梯模型的应用范围，提高了教学效果。

3．系统程序设计

3．1 PLC程序设计采用GX Developer编程软件，该软件支持32位系统，是应用于三菱系列PLC的中文编程软件，交互界面友好，可视性强。GX Developer编程软件功能强大，是工程技术人员实现快速、有效编程不可或缺的工具。

(1)在GX－Developer中，可通过线路符号，列表语言及SFC符号来创建PLC程序，建立注释数据及设置寄存器数据。

(2)创建PLC程序并将其存储为文件，能够满足多层次的逻辑设计要求。

(3)PLC使用串口通信方式与上位机进行通讯，文件传送，操作监控以及各种测试功能。

(4)程序可脱离PLC进行离线仿真调试。

3．2 单片机程序设计采用目前较流行的Keil编程软件，它是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机软件开发系统，既可使用C语言，也可使用汇编语言进行编程。Keil软件提供了包括宏汇编、C编译器、库管理、连接器和仿真器等的完善开发系统，可在目前使用的任何操作系统上运行。Keil软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，程序具有功能性强、结构紧凑、可读性强、维护简单，容易解读等特点。

保证电梯能够准确、高效、人性化的运行，电梯所处状态的正确分类及判断是关键。电梯运行时，程序分四种情况判断:电梯上行送人、电梯上行接人、电梯下行送人、电梯下行接人。程序依据电梯上行还是下行及接人还是送人来判断这四种情况。如电梯处于上行状态，则在该过程中响应不同顾客的优先级为:高层呼叫上行乘客＞高层呼叫下行乘客＞底层呼叫下行乘客＞底层呼叫上行乘客。

4．电梯监控系统

目前，计算机控制技术、网络技术迅猛发展，使得人机交互、实时监控技术成为现代控制技术领域的一个发展方向。现代的控制系统与以往的最大区别就是交互性越来越高，传统的控制方式需要很多工作人员分布在现场，而现在只需一名工作人员坐在控制室计算机前便可对整个控制系统进行全方位的监控。人机交互的工控组态软件的出现和发展极大的方便了系统的监视、控制与管理。对于电梯系统而言，有了监控系统可为电梯的正常有效运行提供更加安全的保障。

本方案采用的MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套组态软件，基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统，主要实现现场数据的采集与监视、前端数据的处理与控制等功能。目前，我院学生学习的组态技术以MCGS为主，因此，通过设计教学电梯模型的监控系统，可让学生在学习组态技术时有真实的控制对象，提高学习效率。

对于双控系统，即包含PLC和单片机的控制系统，解决的主要问题是两种控制器与上位机的通信问题，如图3所示。

(1)单片机上位机之间的通信采用RS232转接模块实现串行通信方式;

(2)三菱FX系列PLC本机无串行通信的能力，为了得到这个功能需外扩FX232－BD或FX485－BD通信模块，本设计采用FX232－BD模块，通过RS232通信接口与上位机通信;

(3)上位机安装MCGS组态软件，通过设置通信方式、通信端口、波特率等参数，即可实现通信。

图3 控制系统与上位机通信框图

利用MCGS组态软件监控电梯的运行状态，要将绘制的图形界面进行动画设置，才能真实描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。实现图形动画设计的方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的实时动画效果，达到在线监控的目的。

在MCGS中，实时采集数据是由MCGS与PLC通信实现的。首先进入设备组态窗口完成设备组态;设备组态完成后，进入通用串口父设备属性编辑界面，根据设备通讯要求和连接情况，完成通用串口父设备属性编辑界面中相关的参数设置，如图4所示;再返回设备组态窗口，选择设备1－[三菱Fx－232]属性设置窗口，设置“基本属性”，“通道连接”，“设备调试”，“数据处理”选项中最小采集周期、通信波特率、通道类型等参数，其中，“通讯状态标志”栏中，显示“0”则表示通讯正常，若显示“1”则表示通讯不正常。四层电梯的组态监控界面如图5所示。