基于虚拟仿真模型的PLC实训平台

梁 亮 程丽丽 张珠玲 王丽华

(吉林大学a.通信工程学院；b.机械与航空航天工程学院,长春 130022)

0 引 言

可编程逻辑控制器(PLC:Programmable Logic Controller)技术已成为现代工业自动化的重要技术之一。高等学校工科专业都设有≪电气控制原理与PLC 技术》课程。电气控制原理是学习PLC 技术的基础。电气控制系统可以解决简易小型系统的自动过程控制,但对大型的复杂自动过程系统,传统的电气控制系统具有局限性。PLC的出现降低了电气控制系统硬件连接的复杂性,以程序逻辑的形式完成了部分硬件电路的功能。随着工业自动化、数字化、智能化的发展,智慧工业和生活已成为未来的发展方向[1],世界各国制造业创新战略对未来的工程技术人才要求也逐渐提高[2-3]。PLC 技术如今在工业自动化中占据了重要位置,同时也成为自动化专业学生学习的重要部分。随着工业现代化技术的发展,对PLC 技术人才的要求不断提高,基础的PLC 技术实验项目学习已不能满足人才培养的需求,更复杂、系统的实训项目在教学过程中势在必行。电梯控制系统是PLC 技术应用的典型系统,既包含基础的电气控制原理,又包含典型的PLC 硬件及软件系统。但日常生活的电梯系统受安装条件限制,无法进入课堂或实验室,而电梯模型可满足实际教学的需求[4-5]。实践教学表明,该教学实训装置功能齐全、运行可靠,能满足现代电梯安装维修人员的培训要求[6-10]。

近年来,国内多所高校依托学科竞赛开展实验教学探索和改革,都取得了一定的成果[11]。笔者探讨的实训平台基于“西门子杯”中国智能制造挑战赛工业自动化赛项的电梯仿真软件训练,结合5 层电梯实训模型进行实际操作训练,打造一款虚拟仿真与实操相结合的实训平台,加深学生的学习印象,增强学生的学习兴趣,达到了良好的教学实训效果。

1 虚拟仿真模型

1.1 仿真模型原理

该仿真模型以三维虚拟仿真形式呈现,主要由电梯整体(包括轿厢、电机、限位开关额定)、各楼层按钮(上下行呼梯按钮及指示灯等)、电梯内部设备(轿厢开关门按钮、轿厢选层按钮及指示灯等)等组成,电梯模型原理示意图如图1 所示。

图1 电梯模型原理示意图Fig.1 Diagram of the principle of the elevator model

1.2 仿真模型功能

该仿真模型可实现单部6 层电梯的运行控制模拟,也可实现多部多层集群控制,模型布局如图2 所示。仿真软件支持Windows XP 以上环境,仿真界面如图3 所示。

图2 模型布局Fig.2 The model layout

图3 仿真软件运行界面Fig.3 The interface of the simulation software

该仿真模型还包含乘客行为模型,可模拟现实情况下大量乘客使用电梯的典型场景。乘客行为模型可作为电梯运动测试案例,用以评估控制程序设计是否合理。该模型根据不同楼层的客户需求及时响应,实现自动平层、快关门、超重提示、上线限位和层门连锁保护等功能。

2 模拟仿真实现过程

2.1 逻辑控制流程

电梯开始启动,判断是否复位,若无指示信号直接进入运行模式,有开关门信号指示时执行上行或下行控制,若无开关门信号指示则进入休眠状态,120 s 后,若无信号指示则关闭照明及风扇节能。若有上行信号指示则进入上行状态,此时又有在该楼层之上或下的楼层呼叫信号时,优先服务当前上行,即根据最早登记的信号(指令信号,呼梯信号)决定电梯的上行或下行。下行同理。具体运行流程图如图4所示。

图4 电梯模拟运行流程图Fig.4 Elevator simulation running flowchart

2.2 信号处理原则

根据最早登记的信号(指令信号,呼梯信号)决定电梯的上行或下行,关门未到位禁止运行,满足首个信号确定方向后,电梯运行过程中同向信号先执行,反向信号后执行(暂时记忆),一个方向执行结束后才换向执行反向信号；即电梯在上行时,优先服务上行信号,在电梯下行时优先服务下行信号。处理原则如图5 所示。

图5 信号处理原则Fig.5 Signal processing principles

2.3 开关门逻辑控制

到达某一层响应了该层的信号要求,则开门到位5 s 后关门,关门指示灯闪烁,当长按开门按钮则开门等待(轿门自动打开),或遇到红外光幕信号未响应、超重感应器动作则开门等待,自动状态下,在保持开门状态时,可按关门按钮立即响应关门动作。电梯停在门区时,可以在轿厢中按开门按钮使电梯已经关闭或尚未关闭的门重新打开。开门等待信号关闭3 s 后,关门电梯未起动且门已关上或正在关闭时,如果本层召唤按钮被按下,则电梯门打开。如果按住按钮不放,门保持打开。电梯开关门逻辑控制流程图如图6 所示。

图6 电梯开关门逻辑控制流程图Fig.6 Elevator switch door logic control flowchart

3 电梯实训平台搭建

3.1 电梯模型结构

该电梯实训模型共设有5 层,与虚拟仿真模型内电梯层数相同,如图7 所示。电梯结构分为电梯模型机架、牵引电机、轿厢、轿厢轨道、配重铁和配重铁轨道等。

图7 电梯模型结构Fig.7 Elevator model structure

3.2 硬件系统设计

该5 层电梯模型运行过程中共包含31 点的开关量及模拟量输入信号和17 点的开关量输出信号,采用西门子S7-1200 控制器及其扩展I/O 模块,系统原理如图8 所示。

3.3 触摸屏监控画面设计

为使教学更接近实际生产应用,电梯模型运行过程中,选择触摸屏进行运行监控。为保证监控系统的严谨,设计了监控系统进入流程和不同的监控画面切换。其中包含有电梯监控系统登录画面,如图9所示；设置登录密码,保证监控系统的安全性；登录后进入电梯监控主画面,操作人员可从该画面中选择所要观察的监控状态画面,如图10 所示；监控状态总览画面可观测当前电梯的运行状态,如图11 所示；电梯运行监控画面可观测电梯当前运行参数,如图12 所示；外呼状态监控画面可观测电梯每层呼叫状态,如图13 所示；运行数据记录画面显示电梯的运行状态是否正常,为检修提供依据,如图14 所示。

图9 监控系统登录画面Fig.9 Login screen of the monitor system

图10 监控主画面Fig.10 Monitor the main screen

图11 监控状态总览画面Fig.11 Monitor the status overview screen

图12 电梯运行状态画面Fig.12 Elevator operating status screen

图13 外呼状态监控画面Fig.13 External call status monitoring screen

图14 数据记录画面Fig.14 Data recording screen

3.4 系统运行测试

基于虚拟仿真的结果,在该电梯实训平台上测试仿真模型的程序设计效果。虚拟仿真模型中的乘客行为模型由人为随机模拟,经测试结果对比分析可知,由于仿真系统设置的乘客候梯时间与现实中人为呼梯时间有一定差异,导致仿真模型电梯完成载客所用时间与实际电梯模型运行时间有所差异。但从理论到实践的验证过程使学生体验了控制系统设计的过程,使学生对PLC 技术的基础知识掌握更扎实,系统地提高了学生对PLC 技术和电气控制的能力。

4 结 语

本电梯实训平台结合了虚拟仿真训练环境,实现了从理论到实践的良好结合。可编程逻辑控制系统设计是反复训练修改的过程,本实训平台为学生的可编程逻辑控制技术的学习提供了良好的训练方式,学生从中可反复训练,纠错及修改,学习系统设计的规则。经过本实训平台的实践学习,学生可掌握电梯控制的基本技术,为以后自身就业储备一项优秀技能。