李　鵬， 楊保亮， 胡勤國， 陳曉紅

(1.重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶　永川　402160； 2.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院， 重慶　沙坪壩　400044)

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基于可編程控制器的群控電梯模型設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李鵬1,2， 楊保亮1， 胡勤國1， 陳曉紅1

(1.重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶永川402160； 2.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院， 重慶沙坪壩400044)

[摘要]文章設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種以可編程控制器為核心控制器的群控電梯模型.基于可編程控制器的電梯模型具有可靠性高，維護(hù)方便，能耗低，通信、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).該電梯模型的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)為電梯設(shè)計、制造、維修維護(hù)技術(shù)人員掌握電梯工作原理，熟悉電梯運(yùn)行過程提供了實(shí)際對象.

[關(guān)鍵詞]群控電梯模型；可編程控制器；輸入輸出端口；旋轉(zhuǎn)編碼器

電梯是現(xiàn)代社會高層建筑中最重要的垂直交通工具.在電梯數(shù)量上，截止到2013年底，我國電梯保有量已達(dá)250余萬臺.在電梯類型上，除了常見的垂直運(yùn)行電梯外，還增加了自動扶梯、自動人行道等新型電梯.在電梯工作方式上，大型、高層商住樓宇中的電梯已在原有單梯運(yùn)行、并聯(lián)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，增加了群控工作方式.在電梯應(yīng)用領(lǐng)域中，電梯已從住宅、寫字樓、商場擴(kuò)展到醫(yī)院、軌道交通、機(jī)場等場所[1].電梯數(shù)量的快速增長、類型的豐富、工作方式的演進(jìn)及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對電梯的設(shè)計、制造，特別是電梯維修維護(hù)技術(shù)人員的培訓(xùn)提出了挑戰(zhàn)[2].電梯產(chǎn)業(yè)亟需電梯教學(xué)、培訓(xùn)模型.技術(shù)人員通過對電梯模型的安裝、調(diào)試、故障檢修，迅速掌握電梯的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行過程等與電梯相關(guān)的知識、經(jīng)驗及技術(shù).本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種垂直運(yùn)行群控電梯模型.該電梯模型以可編程控制器作為核心控制器，可靠性高,編程簡單，功能完善，維護(hù)方便，體積小，重量輕，能耗低，通信、組網(wǎng)能力強(qiáng).運(yùn)行結(jié)果表明，電梯模型能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能.

1群控電梯模型設(shè)計要求

群控電梯模型共用廳外呼叫信號，根據(jù)群控調(diào)度算法調(diào)度電梯，按照乘梯時間最短、順向、就近原則對呼叫指令進(jìn)行逐一響應(yīng).電梯模型自動清除與電梯運(yùn)行方式不符的呼叫指令.電梯轎廂運(yùn)行至某一平層時，轎廂開門，清除該層呼叫指令，轎廂門開到位后，延時數(shù)秒關(guān)門.轎廂門關(guān)到位后，電梯繼續(xù)運(yùn)行至其它層站.當(dāng)電梯過載時電梯報警，電梯不運(yùn)行，轎廂門不關(guān)閉.電梯模型具有防夾功能，可顯示電梯轎廂當(dāng)前所處樓層及電梯運(yùn)行方向.

2電梯模型群控系統(tǒng)

電梯群控是指將3臺或3臺以上的電梯作為一個電梯組，利用群控模塊調(diào)度電梯組運(yùn)行的電梯控制方式.電梯群控可有效縮短乘客的乘梯時間，提高電梯群組的運(yùn)行效率[3].電梯模型群控系統(tǒng)如圖1所示.各電梯控制器分別采集對應(yīng)電梯的當(dāng)前樓層、運(yùn)行方向、目標(biāo)樓層等運(yùn)行狀態(tài)信息.電梯控制器將各部電梯運(yùn)行狀態(tài)信息通過通信總線傳送至群控調(diào)度模塊.群控調(diào)度模塊根據(jù)各部電梯當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，計算出各部電梯對某一廳外呼叫的乘梯時間，指派乘梯時間最短的電梯響應(yīng)該廳外呼叫.

圖1　電梯模型群控系統(tǒng)

圖2中的乘梯時間T(i)由(3)式確定.(3)式中，Tm(i)為電梯從當(dāng)前樓層運(yùn)行至廳外呼叫樓層所需時間.Tn(i)為電梯i從廳外呼叫樓層運(yùn)行至目標(biāo)樓層所需時間.電梯模型的樓層間距和運(yùn)行速度已知，利用(1)、(2)式計算得到Tm(i)、Tn(i).

Tm(i)=∣當(dāng)前樓層 - 廳外呼叫樓層∣×樓層間距/電梯運(yùn)行速度

(1)

Tn(i)=∣目的樓層 - 廳外呼叫樓層∣×樓層間距/電梯運(yùn)行速度

(2)

T(i)=Tm(i)+Tn(i)

(3)

圖2　基于乘梯時間最短的派梯選擇

3電梯模型組成結(jié)構(gòu)

電梯模型由轎廂系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、運(yùn)行導(dǎo)向系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、門系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)8部分組成[4].轎廂是電梯裝載乘客或貨物的箱型結(jié)構(gòu)部件.重量平衡系統(tǒng)主要由轎廂、對重及繩重平衡鏈3部分組成.對重用于平衡轎廂的重量，保證轎廂與對重之間的重量差保持在限定范圍之內(nèi)，減輕曳引電機(jī)驅(qū)動電梯上下行時的負(fù)荷.運(yùn)行導(dǎo)向系統(tǒng)限制轎廂和對重的活動自由度，使電梯穩(wěn)定運(yùn)行于井道中.曳引系統(tǒng)驅(qū)動電梯的上下行.門系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電梯模型的開關(guān)門、封閉層站入口等功能.電力拖動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對曳引電機(jī)、門電機(jī)的啟停、調(diào)速等控制.電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電梯模型運(yùn)行方向控制、層站顯示、層站呼叫管理.安全保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電梯平層、超速、防夾、過載等保護(hù)功能.

如圖3所示，可編程控制器是電梯模型的控制核心.可編程控制器通過其輸入端口，采集呼梯信號、轎廂位置信號、限位信號、過載信號等外部輸入信號.可編程控制器利用采集的外部輸入信號，結(jié)合自身控制程序的控制邏輯進(jìn)行運(yùn)算，得到運(yùn)算結(jié)果；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，通過輸出端口將運(yùn)算結(jié)果輸出，用以控制被控對象[5].電梯模型中作為可編程控制器控制對象的有：呼梯顯示裝置、樓層顯示裝置、運(yùn)行方向顯示裝置、門電機(jī)、曳引電機(jī).利用帶燈指示的按鈕實(shí)現(xiàn)呼梯顯示，指示電梯模型各層站的內(nèi)呼及廳外呼叫.利用七段數(shù)碼管實(shí)時顯示當(dāng)前電梯轎廂所處樓層.利用電梯專用的雙箭頭LED實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方向顯示，顯示電梯運(yùn)行方向.可編程控制器控制門電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)，門電機(jī)驅(qū)動轎廂門開關(guān).可編程控制器控制曳引電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)，曳引電機(jī)驅(qū)動電梯上下行.利用旋轉(zhuǎn)編碼器測定電梯上下行的速度.旋轉(zhuǎn)編碼器與曳引電機(jī)同軸相連，與曳引電機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動.旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)過一周，向外界輸出若干脈沖.根據(jù)單位時間內(nèi)接收到的脈沖數(shù)量，測定曳引電機(jī)轉(zhuǎn)速，獲知電梯模型轎廂上下行運(yùn)行速度，為調(diào)節(jié)轎廂上下行運(yùn)行速度提供參考信號.

圖3　電梯模型組成結(jié)構(gòu)

4電梯控制器輸入輸出端口分配

根據(jù)電梯模型設(shè)計要求，電梯模型中的可編程控制器共需輸入端口30點(diǎn)，輸出端口21點(diǎn).因此，選用三菱可編程控制器FX2N-64MT作為電梯模型的核心控制器.該型號可編程控制器共有64個輸入輸出端口.其中，輸入端口32個，輸出端口32個，提供兩路24 V直流電源[6].可編程控制器提供的兩路直流電源為電梯模型中的帶燈指示按鈕、接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、轎廂門電機(jī)、數(shù)碼管等低功耗裝置供電.

可編程控制器的輸入端口分配如表1所示.可編程控制器輸入輸出端口按八進(jìn)制編號.對于可編程控制器FX2N-64MT，適合用來作為高速計數(shù)輸入端的輸入端口有X0～X7.當(dāng)某個高速計數(shù)輸入端被某個高速計數(shù)器占用后不能再做它用[7].電梯模型選用X0作為旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖輸入端，選用高速計數(shù)器C235對來自輸入端X0的高速脈沖進(jìn)行計數(shù).

電梯模型共有6層，1層沒有下呼按鈕，6層沒有上呼按鈕.6層電梯模型廳外呼叫按鈕共計10個.廳外呼叫按鈕均為帶燈指示按鈕.例如，帶燈指示按鈕SB1與可編程控制器輸入端X1相連.按鈕SB1按下，發(fā)起一層廳外呼叫.其余按鈕SB2～SB10分別與X2～X12對應(yīng)相連.由于電梯模型轎廂內(nèi)空間有限，人無法進(jìn)入轎廂內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)呼、開關(guān)門操作.因此，利用無線遙控裝置來模擬轎廂內(nèi)的內(nèi)呼操作，制作了一個無線接收裝置，裝置上配置了9個繼電器KM1～KM9.這些繼電器與可編程控制器輸入端對應(yīng)相連.例如，當(dāng)利用無線遙控裝置進(jìn)行一層內(nèi)呼時，繼電器KM1的觸點(diǎn)動作，輸入端X13采集到一層內(nèi)呼信號.其余KM2～KM6繼電器的工作方式與之類似.

繼電器KM7、KM8、KM9用于向可編程控制器輸入遙控開、關(guān)門信號和轎廂燈控制信號.利用接近開關(guān)SQ1～SQ6為可編程控制器提供轎廂平層信號，檢測轎廂所處樓層.當(dāng)某一接近開關(guān)向可編程控制器輸出信號時，說明轎廂處于對應(yīng)樓層.限位開關(guān)SQ7、SQ8通過輸入端X32、X33向可編程控制器提供轎廂門開到位、關(guān)到位信號.接近開關(guān)SQ9通過輸入端X34向可編程控制器提供防夾信號，避免轎廂門夾人、夾手.壓力傳感器SP1通過輸入端X35向可編程控制器提供電梯過載信號.

表1　輸入端口分配

可編程控制器的輸出端Y0、Y1分別控制曳引電機(jī)、門電機(jī)的運(yùn)行.輸出端Y2、Y3控制電梯模型運(yùn)行方向指示燈.當(dāng)Y2輸出時，上行運(yùn)行指示燈亮；當(dāng)Y3輸出時，下行運(yùn)行指示燈亮.Y4、Y5輸出門電機(jī)開關(guān)門控制信號.當(dāng)Y4輸出時，門電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動轎廂門開門；當(dāng)Y5輸出時，門電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動轎廂門關(guān)門.輸出端Y6控制轎廂燈的亮滅.輸出端Y7～Y20分別與帶燈指示按鈕的指示燈相連，控制電梯模型1到6層外呼指示燈的亮滅.輸出端Y21～Y24輸出4位BCD碼，控制樓層顯示數(shù)碼管，顯示電梯模型轎廂當(dāng)前所處樓層.

表2　輸出端口分配

5電梯模型運(yùn)行程序

圖4　電梯模型運(yùn)行程序流程

電梯模型運(yùn)行程序流程如圖4所示.電梯模型上電后首先進(jìn)行初始化.若轎廂門未關(guān)閉，則關(guān)閉轎廂門；若轎廂未在平層位置，則向上運(yùn)行至最近平層位置.電梯平層后，確認(rèn)當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層，接著判斷當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層是否一致，是則執(zhí)行關(guān)門過程；否則進(jìn)行電梯運(yùn)行方向選擇.電梯運(yùn)行后，不斷檢測當(dāng)前所處樓層.判斷當(dāng)前所處樓層是否為目標(biāo)樓層.是則獲取平層信號，平層后執(zhí)行開門程序；否則電梯繼續(xù)按原來運(yùn)行方向運(yùn)行，直至當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層一致，且轎廂已平層.轎廂執(zhí)行開門程序，直至轎廂門開到位為止.轎廂門開到位后，延時數(shù)秒，轎廂門關(guān)閉.轎廂門關(guān)到位后，判斷是否還有其它呼叫信號.如果有，則重復(fù)上述響應(yīng)過程；如果沒有，則停止運(yùn)行.

6結(jié)語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種以可編程控制器為核心控制器的6層垂直運(yùn)行群控電梯模型.群控電梯模型共用廳外呼叫信號，根據(jù)群控調(diào)度算法調(diào)度電梯，按候梯時間最短、順向、就近原則對呼叫指令進(jìn)行逐一響應(yīng).電梯模型采用群控工作方式，豐富了電梯模型的工作模式，縮短了乘客的乘梯時間，提高了電梯組的運(yùn)行效率.基于可編程控制器的群控電梯模型具有可靠性高、能耗低等優(yōu)點(diǎn).該電梯模型的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)可以為電梯的設(shè)計、制造、維修維護(hù)技術(shù)人員掌握電梯工作原理、熟悉電梯運(yùn)行過程提供實(shí)際對象.

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(責(zé)任編輯穆剛)

Design and implementation of group control elevator model

based on programmable logic controller

LI Peng1, 2, YANG Baoliang1, HU Qinguo1, CHEN Xiaohong1

(1．School of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China;

2．College of Communication Engineering, Chongqing University, Shapingba Chongqing 400044, China)

Abstract：The design and implementation of group control elevator model used programmable controller as the core control device. Elevator model based on programmable controller has the advantages of high reliability, easy maintenance, low energy consumption, strong ability of communication and networking. The elevator model provides practical object for the elevator design, manufacture and repair and maintenance technicians to master the work principle and the operation of elevator.

Key words：group control elevator model; programmable logic controller; input port and output port; rotary encoder

[中圖分類號]TP273

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2015)05-0076-05

[作者簡介]李鵬 (1981-)，男，重慶九龍坡人，講師，博士，主要從事電氣工程及自動化方面的研究.

[基金項目]重慶文理學(xué)院校級科研項目(Y2010DQ57)；重慶文理學(xué)院教學(xué)改革項目(130215)；重慶大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目(CDJXS12161103).

[收稿日期]2014-10-16