梁 亮 程麗麗 張珠玲 王麗華

(吉林大學a.通信工程學院；b.機械與航空航天工程學院,長春 130022)

0 引 言

可編程邏輯控制器(PLC:Programmable Logic Controller)技術已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的重要技術之一。高等學校工科專業(yè)都設有?電氣控制原理與PLC 技術》課程。電氣控制原理是學習PLC 技術的基礎。電氣控制系統(tǒng)可以解決簡易小型系統(tǒng)的自動過程控制,但對大型的復雜自動過程系統(tǒng),傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)具有局限性。PLC的出現(xiàn)降低了電氣控制系統(tǒng)硬件連接的復雜性,以程序邏輯的形式完成了部分硬件電路的功能。隨著工業(yè)自動化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展,智慧工業(yè)和生活已成為未來的發(fā)展方向[1],世界各國制造業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略對未來的工程技術人才要求也逐漸提高[2-3]。PLC 技術如今在工業(yè)自動化中占據(jù)了重要位置,同時也成為自動化專業(yè)學生學習的重要部分。隨著工業(yè)現(xiàn)代化技術的發(fā)展,對PLC 技術人才的要求不斷提高,基礎的PLC 技術實驗項目學習已不能滿足人才培養(yǎng)的需求,更復雜、系統(tǒng)的實訓項目在教學過程中勢在必行。電梯控制系統(tǒng)是PLC 技術應用的典型系統(tǒng),既包含基礎的電氣控制原理,又包含典型的PLC 硬件及軟件系統(tǒng)。但日常生活的電梯系統(tǒng)受安裝條件限制,無法進入課堂或實驗室,而電梯模型可滿足實際教學的需求[4-5]。實踐教學表明,該教學實訓裝置功能齊全、運行可靠,能滿足現(xiàn)代電梯安裝維修人員的培訓要求[6-10]。

近年來,國內多所高校依托學科競賽開展實驗教學探索和改革,都取得了一定的成果[11]。筆者探討的實訓平臺基于“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽工業(yè)自動化賽項的電梯仿真軟件訓練,結合5 層電梯實訓模型進行實際操作訓練,打造一款虛擬仿真與實操相結合的實訓平臺,加深學生的學習印象,增強學生的學習興趣,達到了良好的教學實訓效果。

1 虛擬仿真模型

1.1 仿真模型原理

該仿真模型以三維虛擬仿真形式呈現(xiàn),主要由電梯整體(包括轎廂、電機、限位開關額定)、各樓層按鈕(上下行呼梯按鈕及指示燈等)、電梯內部設備(轎廂開關門按鈕、轎廂選層按鈕及指示燈等)等組成,電梯模型原理示意圖如圖1 所示。

圖1 電梯模型原理示意圖Fig.1 Diagram of the principle of the elevator model

1.2 仿真模型功能

該仿真模型可實現(xiàn)單部6 層電梯的運行控制模擬,也可實現(xiàn)多部多層集群控制,模型布局如圖2 所示。仿真軟件支持Windows XP 以上環(huán)境,仿真界面如圖3 所示。

圖2 模型布局Fig.2 The model layout

圖3 仿真軟件運行界面Fig.3 The interface of the simulation software

該仿真模型還包含乘客行為模型,可模擬現(xiàn)實情況下大量乘客使用電梯的典型場景。乘客行為模型可作為電梯運動測試案例,用以評估控制程序設計是否合理。該模型根據(jù)不同樓層的客戶需求及時響應,實現(xiàn)自動平層、快關門、超重提示、上線限位和層門連鎖保護等功能。

2 模擬仿真實現(xiàn)過程

2.1 邏輯控制流程

電梯開始啟動,判斷是否復位,若無指示信號直接進入運行模式,有開關門信號指示時執(zhí)行上行或下行控制,若無開關門信號指示則進入休眠狀態(tài),120 s 后,若無信號指示則關閉照明及風扇節(jié)能。若有上行信號指示則進入上行狀態(tài),此時又有在該樓層之上或下的樓層呼叫信號時,優(yōu)先服務當前上行,即根據(jù)最早登記的信號(指令信號,呼梯信號)決定電梯的上行或下行。下行同理。具體運行流程圖如圖4所示。

圖4 電梯模擬運行流程圖Fig.4 Elevator simulation running flowchart

2.2 信號處理原則

根據(jù)最早登記的信號(指令信號,呼梯信號)決定電梯的上行或下行,關門未到位禁止運行,滿足首個信號確定方向后,電梯運行過程中同向信號先執(zhí)行,反向信號后執(zhí)行(暫時記憶),一個方向執(zhí)行結束后才換向執(zhí)行反向信號；即電梯在上行時,優(yōu)先服務上行信號,在電梯下行時優(yōu)先服務下行信號。處理原則如圖5 所示。

圖5 信號處理原則Fig.5 Signal processing principles

2.3 開關門邏輯控制

到達某一層響應了該層的信號要求,則開門到位5 s 后關門,關門指示燈閃爍,當長按開門按鈕則開門等待(轎門自動打開),或遇到紅外光幕信號未響應、超重感應器動作則開門等待,自動狀態(tài)下,在保持開門狀態(tài)時,可按關門按鈕立即響應關門動作。電梯停在門區(qū)時,可以在轎廂中按開門按鈕使電梯已經關閉或尚未關閉的門重新打開。開門等待信號關閉3 s 后,關門電梯未起動且門已關上或正在關閉時,如果本層召喚按鈕被按下,則電梯門打開。如果按住按鈕不放,門保持打開。電梯開關門邏輯控制流程圖如圖6 所示。

圖6 電梯開關門邏輯控制流程圖Fig.6 Elevator switch door logic control flowchart

3 電梯實訓平臺搭建

3.1 電梯模型結構

該電梯實訓模型共設有5 層,與虛擬仿真模型內電梯層數(shù)相同,如圖7 所示。電梯結構分為電梯模型機架、牽引電機、轎廂、轎廂軌道、配重鐵和配重鐵軌道等。

圖7 電梯模型結構Fig.7 Elevator model structure

3.2 硬件系統(tǒng)設計

該5 層電梯模型運行過程中共包含31 點的開關量及模擬量輸入信號和17 點的開關量輸出信號,采用西門子S7-1200 控制器及其擴展I/O 模塊,系統(tǒng)原理如圖8 所示。

3.3 觸摸屏監(jiān)控畫面設計

為使教學更接近實際生產應用,電梯模型運行過程中,選擇觸摸屏進行運行監(jiān)控。為保證監(jiān)控系統(tǒng)的嚴謹,設計了監(jiān)控系統(tǒng)進入流程和不同的監(jiān)控畫面切換。其中包含有電梯監(jiān)控系統(tǒng)登錄畫面,如圖9所示；設置登錄密碼,保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全性；登錄后進入電梯監(jiān)控主畫面,操作人員可從該畫面中選擇所要觀察的監(jiān)控狀態(tài)畫面,如圖10 所示；監(jiān)控狀態(tài)總覽畫面可觀測當前電梯的運行狀態(tài),如圖11 所示；電梯運行監(jiān)控畫面可觀測電梯當前運行參數(shù),如圖12 所示；外呼狀態(tài)監(jiān)控畫面可觀測電梯每層呼叫狀態(tài),如圖13 所示；運行數(shù)據(jù)記錄畫面顯示電梯的運行狀態(tài)是否正常,為檢修提供依據(jù),如圖14 所示。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)登錄畫面Fig.9 Login screen of the monitor system

圖10 監(jiān)控主畫面Fig.10 Monitor the main screen

圖11 監(jiān)控狀態(tài)總覽畫面Fig.11 Monitor the status overview screen

圖12 電梯運行狀態(tài)畫面Fig.12 Elevator operating status screen

圖13 外呼狀態(tài)監(jiān)控畫面Fig.13 External call status monitoring screen

圖14 數(shù)據(jù)記錄畫面Fig.14 Data recording screen

3.4 系統(tǒng)運行測試

基于虛擬仿真的結果,在該電梯實訓平臺上測試仿真模型的程序設計效果。虛擬仿真模型中的乘客行為模型由人為隨機模擬,經測試結果對比分析可知,由于仿真系統(tǒng)設置的乘客候梯時間與現(xiàn)實中人為呼梯時間有一定差異,導致仿真模型電梯完成載客所用時間與實際電梯模型運行時間有所差異。但從理論到實踐的驗證過程使學生體驗了控制系統(tǒng)設計的過程,使學生對PLC 技術的基礎知識掌握更扎實,系統(tǒng)地提高了學生對PLC 技術和電氣控制的能力。

4 結 語

本電梯實訓平臺結合了虛擬仿真訓練環(huán)境,實現(xiàn)了從理論到實踐的良好結合?？删幊踢壿嬁刂葡到y(tǒng)設計是反復訓練修改的過程,本實訓平臺為學生的可編程邏輯控制技術的學習提供了良好的訓練方式,學生從中可反復訓練,糾錯及修改,學習系統(tǒng)設計的規(guī)則。經過本實訓平臺的實踐學習,學生可掌握電梯控制的基本技術,為以后自身就業(yè)儲備一項優(yōu)秀技能。