李忠生

北京鐵路電氣化學(xué)校,北京 102202

1 問題的提出

作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，多年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器（PLC）已經(jīng)在各個領(lǐng)域被廣泛使用，它具有可靠性高、編程簡單，使用方便、通用性好、在線修改能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)試制周期短，體積小等特點(diǎn)，使其成為了工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。

《可編程控制器》課程是電氣控制類專業(yè)的重要專業(yè)課,是該專業(yè)的學(xué)生掌握現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的基礎(chǔ)。在該課程的教學(xué)中,我們應(yīng)使學(xué)生既掌握傳統(tǒng)的電氣控制知識,又應(yīng)對現(xiàn)代控制技術(shù)有所了解,切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動手能力和創(chuàng)新能力。電梯是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，作為垂直運(yùn)輸工具，隨著房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其數(shù)量逐年增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2012年底，我國已擁有超過160萬部電梯。PLC作為控制器，在電梯中的應(yīng)用較為普遍。為此，我校與北京燕園圖新自動化有限公司共同開發(fā)研制了由富士NWOP60型PLC控制的仿真教學(xué)電梯。該電梯設(shè)備既具備了實(shí)際電梯的功能，又兼顧了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的可行性，外形美觀大氣，軟件設(shè)計(jì)功能完善、合理，充分體現(xiàn)了PLC的特點(diǎn)，具有良好的實(shí)用性，已經(jīng)作為典型的實(shí)訓(xùn)裝置應(yīng)用于教學(xué)當(dāng)中。

2 仿真教學(xué)電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

仿真教學(xué)電梯采用最常見的升降式電梯結(jié)構(gòu)（見圖1），采用透明有機(jī)材料制成，其結(jié)構(gòu)與實(shí)際電梯完全相同。電梯的基本結(jié)構(gòu)包括：

圖1 仿真教學(xué)電梯結(jié)構(gòu)

1).機(jī)房部分：包括曳引機(jī)、限速器、電磁制動器。該部分置于仿真井道頂端并且是開放式的。

2).控制柜部分：電源、PLC可編程控制器、變頻器、接觸器等設(shè)備。

3).仿真井道部分：包括導(dǎo)軌、對重裝置、緩沖器、曳引鋼絲繩、端站保護(hù)開關(guān)、平層感應(yīng)器、隨行電纜等。

4).廳門部分：包括廳門、召喚按鈕廂、樓層顯示裝置等。

5).真實(shí)轎廂部分：包括轎廂、自動開門機(jī)、轎內(nèi)操縱廂、轎廂內(nèi)指層燈、轎廂照明等。

6).仿真轎廂部分：包括轎廂、導(dǎo)靴、自動開門機(jī)、平層裝置、轎廂照明等。

電梯轎廂位置檢測和平層信號由安裝在仿真轎廂頂上和各層站的雙穩(wěn)態(tài)磁性開關(guān)得到，從而擺脫了以往靠繼電器和接觸開關(guān)等有觸點(diǎn)器件控制的復(fù)雜線路系統(tǒng)，優(yōu)化了線路，大大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同時也便于檢修。

為了便于教學(xué)，電梯大部分部件均是采用透明有機(jī)材料制成，使得電梯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一目了然；同時，電梯的運(yùn)行過程，以及每個動作都十分明了，且可以反復(fù)實(shí)際動手操作。使學(xué)生能夠很直觀、透徹地了解、掌握電梯的結(jié)構(gòu)及其動作原理，達(dá)到事半功倍的效果。事實(shí)上可以把它看作是小型化了的真實(shí)電梯，井道和轎廂（圖1）等采用和實(shí)際1：5的方式微縮。但是和一般的模擬電梯不同的是，我們將門機(jī)系統(tǒng)（包含轎門、廳門、安全觸板、外呼、內(nèi)選等）（圖2）和控制柜（圖3）均采用和真實(shí)電梯1：1的形式，這樣，在很直觀的情況下，又能延長其使用壽命。

圖2 門機(jī)系統(tǒng)

圖3 控制柜

3 仿真教學(xué)電梯的電氣控制系統(tǒng)

電梯的電氣控制系統(tǒng)采用日本富士公司的NWOP60型可編程控制器(PLC)作為控制的核心部分。PLC接收來自操縱盤和每層呼梯盒的召喚信號、轎廂和門系統(tǒng)的功能信號以及井道和變頻器的狀態(tài)信號,經(jīng)程序判斷與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電梯的控制功能。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號的同時,向變頻器發(fā)出運(yùn)行方向、啟動、加減速運(yùn)行和制動停梯等信號，其功能與實(shí)際電梯完全一樣，具有自動平層、自動關(guān)門、順向響應(yīng)轎內(nèi)外呼梯信號、直駛、電梯安全運(yùn)行保護(hù)以及電梯急停、檢修、慢上、慢下、照明、風(fēng)扇等功能。且具有性能可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡單、能耗低和便于教學(xué)等特點(diǎn)。為了便于實(shí)現(xiàn)六層六站召喚信號的操作，我們將全部召喚按鈕安裝在一個操縱盒上并置于轎廂側(cè)面，如圖4所示。

圖4 召喚按鈕

4 仿真教學(xué)電梯功能設(shè)置

在設(shè)計(jì)過程中，為了增加同學(xué)們實(shí)際動手操作能力，以便為日后的維保工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，將電梯運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的故障，在教學(xué)仿真電梯的相應(yīng)部位全部留有接點(diǎn)，用繼電器連接起來，并在控制柜頂端用扳把開關(guān)來設(shè)置故障（圖5）。這樣，教師在講課過程中，能隨時將某個繼電器斷開來設(shè)計(jì)故障，讓同學(xué)們通過觀察電梯運(yùn)行狀態(tài)、并通過仿真軟件在電腦上進(jìn)行查找故障點(diǎn)，找出故障點(diǎn)后，將位于井道側(cè)下方的相應(yīng)插線（圖6）調(diào)換位置，即可實(shí)現(xiàn)故障的排除。解決了以往電梯教學(xué)中單純理論的教學(xué)方式或是參觀實(shí)際電梯時所帶來的不安全，無法全面了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程及故障排查等實(shí)際問題。

圖5 扳把開關(guān)

圖6 插線板

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 根據(jù)系統(tǒng)功能確定I/O表

用PLC進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步就是要確定系統(tǒng)的輸入輸出，并根據(jù)輸入輸出來進(jìn)行系統(tǒng)的I/O分配?？删幊绦蚩刂破魇且环N計(jì)算機(jī)化的高科技產(chǎn)品，價(jià)格相對較高（至少在數(shù)千元以上），其每一個輸入或輸出點(diǎn)平均價(jià)格在百元左右。因此，在滿足系統(tǒng)控制功能要求的前提下，合理使用I/O點(diǎn)數(shù)，盡量減少所需I/O點(diǎn)數(shù)是很有意義的。不僅可以降低系統(tǒng)硬件成本，還可以解決已使用的PLC進(jìn)行再擴(kuò)展時I/O點(diǎn)數(shù)不夠的問題，同時，在程序編制和系統(tǒng)調(diào)試方面也會帶來很多方便。

5.2 梯形圖設(shè)計(jì)

在梯形圖的設(shè)計(jì)過程中，將整個程序可以分成電梯位置的確定環(huán)節(jié)、電梯位置的顯示環(huán)節(jié)、轎廂內(nèi)運(yùn)行命令及門廳的召喚信號環(huán)節(jié)、電梯自動運(yùn)行時的信號響應(yīng)環(huán)節(jié)、電梯的啟動與運(yùn)行環(huán)節(jié)、轎廂的平層與停車環(huán)節(jié)、安全保護(hù)環(huán)節(jié)等七個環(huán)節(jié)進(jìn)行，然后再將這些環(huán)節(jié)組合在一起，形成了完整的梯形圖。因內(nèi)容較多，下面只介紹電梯位置確定環(huán)節(jié)的梯形圖。

電梯轎廂位置檢測和平層信號由安裝在仿真轎廂頂上和各層站的雙穩(wěn)態(tài)磁性開關(guān)（門區(qū)開關(guān)）得到的。電梯上行時，門區(qū)開關(guān)每接通一次，微處理器程序做一次加法運(yùn)算，電梯下行時，門區(qū)開關(guān)每接通一次，微處理器程序做一次減法運(yùn)算。把運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)做層樓記憶并通過層顯顯示出當(dāng)前的樓層數(shù)，也就是轎廂的位置。梯形圖如下所示。

此梯形圖包含三種情況：

（1）正常運(yùn)行時層樓位置確定。

（2）檢修運(yùn)行時為了不亂層而進(jìn)行的層樓位置確定。

（3）鎖梯后，電梯運(yùn)行層樓確定。

6 存在的不足

該仿真教學(xué)電梯在使用過程中也存在一定的不足之處，比如限速器、安全鉗等部件均是按比例縮小的模型，無法實(shí)現(xiàn)限速器、安全鉗聯(lián)動實(shí)驗(yàn)，而限速器、安全鉗聯(lián)動過程又是我們講課過程中學(xué)生難于理解的難點(diǎn)。對于這部分，我們只能通過電腦或者單獨(dú)做一個限速器、安全鉗聯(lián)動實(shí)驗(yàn)臺來演示。

7 結(jié)束語

仿真教學(xué)電梯對于電梯課程的教學(xué)與實(shí)習(xí)，越來越受到各大中院校及各有關(guān)部門的歡迎。經(jīng)過我們的精心設(shè)計(jì)，該仿真電梯既能體現(xiàn)電梯的結(jié)構(gòu)與工作過程，又能使同學(xué)們親自動手實(shí)踐，還能延長其使用壽命，必將會為各大中院校及有關(guān)部門的教學(xué)科研工作帶來大大的方便。

[1]馮國慶.電梯維修與操作.中國勞動社會保障出版社,2005[2]

[2]電梯及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004[2]

[3]李秧耕.電梯基本原理及安裝維修全書.機(jī)械工業(yè)出版社,2005[1]