北京聯(lián)合大學 王豐周 楊志成

本文介紹了一種基于PLC的多功能電梯的設計原理及系統(tǒng)組成，應用于老舊居民樓的升級改造。詳細闡明了多功能電梯的總體設計和工作流程，并在控制系統(tǒng)的硬件設計、主控程序進行詳細研究。

無電梯的老舊居民樓是困擾老年人、殘疾人上樓下樓和快速逃生的主要問題之一。傳統(tǒng)的方法是在樓門外側加蓋專門的電梯井安裝電梯。但是，由于老舊小區(qū)的樓與樓之間距離狹小，如果增設電梯將給居民的通行增加困難，使得部分老舊樓房上下樓問題至今沒有解決。經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)，生活在老舊居民樓的居民多是故土難離的老年人，他們行動不便，一旦發(fā)生火災，逃生也成了大問題。隨著具有高可靠性、易編程修改等特點的PLC的普及和完善，使用可編程控制器來實現(xiàn)對多功能電梯的控制成為可能。本設計利用PLC、觸摸屏、升降電機以及各類傳感器和現(xiàn)場控制設備，來實現(xiàn)對電梯轎廂自動上下、轎廂門的開關，以及在危險時段切換到直流電源功能的控制。從而對減輕老年人、殘疾人上下樓困難，并在危險時段為人們的快速逃生提供幫助。

1 系統(tǒng)總體設計及功能介紹

1.1 系統(tǒng)功能介紹

多功能電梯結構如圖1所示，它主要有三個作用。第一個是日常作用，主要解決人們的上下樓問題，包括呼梯到達功能和指示送到功能。呼梯到達功能，即在外部按上下樓指示按鈕，電梯轎廂在控制器的控制下，自動到達相應樓層，并打開轎廂門。指示送到功能，即在電梯內部按箱內相應樓層的按鈕，電梯轎廂在控制器的控制下到達相應樓層，也自動開關門。第二個是特殊作用，主要解決行動不便的老年人、殘疾人在發(fā)生危險時從高處快速逃離功能。從常識得知，電梯在發(fā)生火災等特殊情況是不能使用的，而本電梯不設電梯井，只設外廓（圍欄），避免電梯井的煙囪作用，其他電線電器放在樓外做到防雨、防火就可以了。因此，逃生時相對安全。第三個是能源自助，主要解決特殊情況下，電梯的能源被切斷，電梯無法運行。本文設計的電梯可依賴乘客重量，帶動發(fā)電機發(fā)電，從而實現(xiàn)能源自助。

圖1 多功能電梯結構框圖

1.2 控制系統(tǒng)總體設計

控制系統(tǒng)是以PLC作為控制器；以光電傳感器、旋轉編碼器等作為變送器將轎廂上下速度、轎門開關的信號進行采集；用熱繼電器、運放電路和相應的電機作為執(zhí)行機構的負反饋控制系統(tǒng)。同時采用上位機、觸摸屏等作為監(jiān)控系統(tǒng)主要設備，監(jiān)控的安全運行。升降裝置包括1個交流升降電機、1個直流升降電機、減速機構、轉向離合器等?？刂葡到y(tǒng)總體結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結構框圖

2 關鍵部位的設計

2.1 多功能電梯動力切換裝置結構設計

多功能電梯不僅具備普通電梯的自我保護、診斷、梯位矯正功能，還要有識別特殊情況發(fā)生自動切換特殊檔位的功能。由電磁離合器、交流電動機、直流電動機、直流發(fā)電機等組成。電磁離合器接受PLC控制。多功能電梯動力裝置結構示意圖如圖3所示，特殊情況發(fā)生時電梯能夠空駛上行至任何樓層，確保樓上人員平安下行；當有人需要下行時，電磁離合器斷開輸出軸與直流電動機鏈接，而與直流發(fā)電機鏈接。電梯轎廂依靠自身與電梯乘客重量下行，電梯轎廂下行帶動發(fā)電機轉動發(fā)電。發(fā)電機產(chǎn)生的電流送入儲能系統(tǒng)，電能又可以為后續(xù)的人快速逃生提供能源，從而實現(xiàn)了多功電梯的能源自助。

圖3 多功能電梯動力切換裝置結構圖

2.2 轎廂與配重的設計

因為多功能電梯肩負著逃生功能，一旦發(fā)生險情，市電就會切斷，儲能系統(tǒng)的電量就愈發(fā)珍貴，因此，配重的設計至關重要。配重是為了減輕交、直流電動機負荷，平衡電機負載，依靠重力，專門設置的。一般情況下電梯配重與轎廂重量比是2：1或3：2。而本文設計的配重重量需要現(xiàn)場實驗，即采用經(jīng)驗湊試法。以自然狀態(tài)下，轎廂和配重分至于支撐裝置的兩端，且高度相等。觀察 轎廂上下起步時電機負荷變化情況，以電機負荷最小為宜。因為這樣考慮了鋼絲繩、保護繩的重量以及摩擦力等方面的影響。

2.3 儲能系統(tǒng)的設計

儲能系統(tǒng)包括一個發(fā)電機、電磁離合器、電源調理電路、蓄電池等。發(fā)電機的輸入軸安裝在轎廂上方的主輪上，一旦發(fā)生斷電，PLC控制電磁離合器啟動，讓發(fā)電機組與主輪吸合。但有乘客逃生下行時，在轎廂和乘客的重量帶動下，發(fā)電機組開始發(fā)電，電流通過電源調理電路調理，儲入儲能機構，供電梯使用。

2.4 關鍵設備的選擇

電磁離合器內部裝有線圈，當線圈通電時會產(chǎn)生很大的磁力，在銜鐵電磁力的作用下，壓迫彈簧片產(chǎn)生變形，使得動盤與“銜鐵”吸合在一起。此時，離合器處于接合狀態(tài)；反之，線圈斷電時，磁力消失，“銜鐵”在彈簧片彈力的作用下彈回，離合器處于分離狀態(tài)。電磁離合器CDF1S5AA它的工作電壓為24V。

另外還有動力裝置的選擇，包括直流電動機、交流電動機、開關門用的直流電動機。直流電動機為24V直流減速電機，不小于300W；交流電動機為380V，功率不小于7.5KW，開關門用的直流電動機也用24V直流電動機即可。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

多功能電梯硬件的整體布局為：運動裝置采用交流電機和直流電機實現(xiàn)轎廂的自動上下功能。采用直流電機實現(xiàn)轎廂的自動開關門。控制器采用PLC來實現(xiàn)對交流電機，電磁離合器，直流電機進行控制，從而實現(xiàn)電梯自動上下以及特殊情況發(fā)生時自動切換電梯狀態(tài)的要求。此外通過觸摸屏來進行監(jiān)控、調試與校準等方面的管理。

3.1 控制器選型及I/O地址分配

設計使用松下公司的FP1—40PLC，其自身帶有兩個高速脈沖輸出口，24點輸入和16點輸出，此外根據(jù)設計要求還可以擴展n個16點輸入16點出的E16模塊。電梯系統(tǒng)PLC的I/O分配如圖4所示。

圖4 電梯系統(tǒng)PLC的I/O分配圖

3.2 觸摸屏選型

觸摸屏采用昆侖通態(tài)自動化生產(chǎn)的TPC1062Ti觸摸屏。它采用MCGS軟件組態(tài)，方便快捷。觸摸屏TPC1062Ti有10寸，復合人們的人機對話需要。它與PLC之間10/100Mbps自適應以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)管理監(jiān)控PLC的作用。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 PLC程序設計

根據(jù)電梯的控制要求，對軟件進行流程圖設計。系統(tǒng)總體工作流程圖如圖5所示。依據(jù)系統(tǒng)日常控制規(guī)則以及特殊狀態(tài)流程，控制系統(tǒng)程序采用模塊化編程。將其設計為上下樓程序、平層控制程序、復位控制程序和特殊動作程序四個部分組成，相互之間即相互關聯(lián)，安全第一原則。

圖5 系統(tǒng)總體工作流程圖

4.2 觸摸屏的界面設計

根據(jù)觸摸屏控制要求，采用MCGS組態(tài)軟件對觸摸屏設置。設置監(jiān)控PLC的人機對話窗口。觸摸屏的人機對話窗口設計如圖6所示。主要設定樓層數(shù)、行駛速度、轎廂室內溫度、電梯編號等。通過翻頁功能還可以設定報警值、初始化、復位、重置密碼等功能。

圖6 觸摸屏人機窗口設計圖

5 試驗與結論

5.1 試驗

為了驗證本研究的合理性，設計并制造了多功能電梯模型，電梯模型如圖7所示。在實驗室內對模型進行了試驗，試驗包括日常運行、特殊情況運行和自助能源運行三個方面。試驗過程中PLC控制的電梯運行良好，均達到了設計要求。

圖7 多功能電梯模型

5.2 結論

在我國即將進入老齡化社會的情況下，老人們的出行和高層逃生問題也越來越得到重視。多功能電梯有結構簡單、易于控制等優(yōu)點。針對傳統(tǒng)的電梯在發(fā)生危險、斷電不能運行等問題，設計了能源自助的多功能電梯。電梯通過PLC和觸摸屏控制交流電機、電磁離合器、直流電機等裝置，具有便于監(jiān)控、價格低廉運行可靠等優(yōu)點。測試結果表明此系統(tǒng)運行平穩(wěn)，且上下樓快速可靠，解決了老年人、殘疾人高樓出行問題，本設計提高了人們的生活質量，有著良好的應用前景。