基于PLC的三層電梯教學(xué)裝置的研發(fā)

可編程序邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController）是一種以微型處理器為核心，融計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型工業(yè)控制裝置。它具有體積小、重量輕、功耗低，編程簡(jiǎn)單、易維護(hù)，通用性好，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前，PLC已在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、鋼鐵、機(jī)械制造等領(lǐng)域的自動(dòng)控制中，包括開關(guān)量邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)等[1-2]。由于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域中占據(jù)著重大的地位，現(xiàn)絕大多數(shù)高校都開設(shè)了這方面的課程，而課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)至關(guān)重要。本文介紹了一種三層電梯教學(xué)裝置，此裝置是基于PLC研制的，可以輔助一些教學(xué)機(jī)構(gòu)完成機(jī)電一體化系統(tǒng)分析、機(jī)電傳動(dòng)、PLC控制等多方面的教學(xué)，同時(shí)為學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，不但可以讓學(xué)生模擬電梯的多種機(jī)械結(jié)構(gòu)，還可以讓學(xué)生練習(xí)PLC控制系統(tǒng)的硬件選型、電路設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)編程、人機(jī)界面設(shè)計(jì)和通訊等方面的技能。
1 三層電梯教學(xué)裝置總體設(shè)計(jì)
三層電梯教學(xué)裝置的總體設(shè)計(jì)包括機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩部分。其中，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括開關(guān)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和曳引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分析、控制要求分析、PLC選型與I/O點(diǎn)數(shù)分配、變頻器的選擇與參數(shù)設(shè)置、PLC程序設(shè)計(jì)與觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。
該三層電梯教學(xué)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括左側(cè)的電梯結(jié)構(gòu)模型和右側(cè)的系統(tǒng)控制臺(tái)兩部分。裝置框架采用工業(yè)鋁型材搭建以便于拆裝，門機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)控制，曳引系統(tǒng)采用三相交流電機(jī)變頻調(diào)速控制，可實(shí)現(xiàn)的主要功能有轎廂內(nèi)外信號(hào)的登記與消號(hào)、定向選層、轎廂位置判斷、順向截梯、換速、平層和開關(guān)門等。
2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1開關(guān)門系統(tǒng)設(shè)計(jì)
開關(guān)門系統(tǒng)采用連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案，此方案使用12V直流電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)軸與電機(jī)搖臂采用頂絲擠壓電機(jī)軸鍵的方式進(jìn)行連接，電機(jī)搖臂正反轉(zhuǎn)180°分別實(shí)現(xiàn)電梯門的開和關(guān)。考慮到等邊三角形具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好且計(jì)算方便的優(yōu)點(diǎn)，并通過對(duì)機(jī)構(gòu)的工作原理、預(yù)設(shè)工作條件及幾何計(jì)算進(jìn)行分析，最終確定連桿機(jī)構(gòu)各部分零件的尺寸為：電機(jī)搖臂兩端軸心中心距為40mm，連桿兩端軸心中心距為200mm，搖桿兩端軸心中心距為200mm，滑塊移動(dòng)范圍為40mm。最終達(dá)到的運(yùn)動(dòng)效果為：電機(jī)軸或電機(jī)搖臂圍繞旋轉(zhuǎn)中心正反轉(zhuǎn)180°，相應(yīng)搖桿擺角為60°，滑塊上下移動(dòng)的距離為40mm，且門完全打開時(shí)門的間距為400mm，即兩扇門的寬度。其開關(guān)門狀態(tài)如圖2、圖3所示。

圖2 關(guān)門狀態(tài)圖    圖3 開門狀態(tài)圖
2.2曳引系統(tǒng)設(shè)計(jì)
曳引系統(tǒng)是電梯完成升降功能的動(dòng)力裝置，其組成器件主要有曳引電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、曳引軸、導(dǎo)向滑輪、鋼絲繩和配重等。其中，曳引電機(jī)起著至關(guān)重要的作用，下面主要介紹曳引電機(jī)的選取。
2.2.1曳引電機(jī)運(yùn)行分析
①轎廂裝載至125%額定載荷時(shí)應(yīng)能保持平穩(wěn)狀態(tài)運(yùn)行。
②無(wú)論轎廂內(nèi)空載還是滿載，必須保證在任何緊急制動(dòng)時(shí)，其減速度值不能超過緩沖器作用時(shí)的減速度值。
③當(dāng)對(duì)重壓在緩沖器上而曳引電機(jī)按電梯上行方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)不能提升空載轎廂。
④由于曳引電機(jī)是連續(xù)周期性工作的，所以應(yīng)允許電機(jī)頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)。
⑤由于曳引電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，為保證轎廂運(yùn)行速度幾乎不受負(fù)載變化的影響，所以應(yīng)使電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流較小。
綜上分析，選擇三相交流異步電動(dòng)機(jī)，該類電動(dòng)機(jī)具有高效節(jié)能、振動(dòng)小、噪聲低、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，適于頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)和換向。
2.2.2曳引電機(jī)參數(shù)計(jì)算
電梯轎廂從一樓到三樓用時(shí)t=10s，行程h=1m，電梯勻速運(yùn)行時(shí)的速度為：v=2h÷t=2×1÷10=0.25m/s電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率η=85%，轎廂重m1=20kg，載荷重m2=30kg，電機(jī)有效功率為：P=（m1+m2）gv=（20+30）×10×0.2=100W
電機(jī)總功率為：P總=P÷η=100÷0.85=117.6W
考慮余量，故選用功率為120W的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1440r/min。該電機(jī)軸徑D=15mm，設(shè)計(jì)軸上纏繞鋼絲繩部分的直徑D1=20mm，此部分軸轉(zhuǎn)速為：n=60v×103÷（πD1）=60×0.2×103÷（3.14×20）=191r/min減速器減速比為：i=1440÷191=7.5：1
轉(zhuǎn)矩為：T=9550P總×103÷n=9550×117.6×103÷191=5.88×106N·m
3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)分析
電梯PLC控制系統(tǒng)大體可分為拖動(dòng)控制系統(tǒng)和信號(hào)控制系統(tǒng)，它的組成元器件主要有PLC、變頻器、曳引電機(jī)和門電機(jī)等，其基本結(jié)構(gòu)方框圖如圖4所示。
電梯拖動(dòng)控制系統(tǒng)的拖動(dòng)方式主要有交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)兩種。隨著PLC和變頻器的快速發(fā)展，目前電梯使用PLC控制變頻調(diào)速的交流拖動(dòng)方式較多，因?yàn)樗瓤梢孕纬砂腴]環(huán)控制系統(tǒng)，又可以形成全閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而會(huì)大大提高電梯的運(yùn)行效率和平層精度；電梯信號(hào)控制系統(tǒng)的核心是PLC，其外部輸入信號(hào)通過輸入接口傳輸?shù)絇LC內(nèi)部，然后根據(jù)用戶編制的程序進(jìn)行計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果通過輸出接口傳輸?shù)絇LC外部，從而實(shí)現(xiàn)電梯各功能的控制。

圖4 電梯PLC 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖
3.2控制要求分析
3.2.1轎廂內(nèi)呼分析
①當(dāng)轎廂處于1層或2層時(shí)，按轎廂內(nèi)3樓位置按鈕，轎廂上升到3樓；
②當(dāng)轎廂處于2層或3層時(shí)，按轎廂內(nèi)1樓位置按鈕，轎廂下降到1樓；
③當(dāng)轎廂處于1層時(shí)，按轎廂內(nèi)2樓位置按鈕，轎廂上升到2樓；
④當(dāng)轎廂處于3層時(shí)，按轎廂內(nèi)2樓位置按鈕，轎廂下降到2樓；
⑤當(dāng)轎廂處于上升狀態(tài)時(shí)，若按轎廂內(nèi)小于其當(dāng)前樓層位置按鈕，轎廂則等待上升結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作；當(dāng)轎廂處于下降狀態(tài)時(shí)，若按轎廂內(nèi)大于其當(dāng)前樓層位置按鈕，轎廂則等待下降結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作。
3.2.2轎廂外呼分析
①當(dāng)轎廂處于1層或2層時(shí)，按3樓下行呼叫按鈕，轎廂上升到3樓；
②當(dāng)轎廂處于2層或3層時(shí)，按1樓上行呼叫按鈕，轎廂下降到1樓；
③當(dāng)轎廂處于1層時(shí)，按2樓下行或上行呼叫按鈕，轎廂上升到2樓；
④當(dāng)轎廂處于3層時(shí)，按2樓下行或上行呼叫按鈕，轎廂下降到2樓；
⑤當(dāng)轎廂處于上升狀態(tài)時(shí)，若按下行呼叫按鈕，轎廂則等待上升結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作；當(dāng)轎廂處于下降狀態(tài)時(shí)，若按上行呼叫按鈕，轎廂則等待下降結(jié)束后再執(zhí)行此按鈕的動(dòng)作。
3.3PLC選型與I/O點(diǎn)數(shù)分配
SIMATICS7-200系列PLC是西門子公司前些年投入市場(chǎng)的小型可編程序控制器，可單機(jī)運(yùn)行，也可擴(kuò)展輸入、輸出和功能模塊，其價(jià)格低廉、運(yùn)行速度快、可靠性高，并具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)性，該電梯選用此系列PLC。
對(duì)該電梯所有信號(hào)進(jìn)行分析，共有40個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)、28個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)，其I/O點(diǎn)數(shù)分配如表1所示。由于點(diǎn)數(shù)多，所以該控制系統(tǒng)選擇型號(hào)為SIMATICS7-200CPU226的PLC，并配有一個(gè)型號(hào)為EM223的數(shù)字量擴(kuò)展模塊以及一個(gè)型號(hào)為EM235的模擬量擴(kuò)展模塊。

表1說明：I3.6、I3.7、I4.0～I(xiàn)4.7均為檢修模式的輸入信號(hào)。
3.4變頻器的選擇與參數(shù)設(shè)置
設(shè)計(jì)此教學(xué)裝置載重為30kg，三相異步電動(dòng)機(jī)功率約為120W，選型號(hào)為FVR0.2E11S-2JE的變頻器，主要參數(shù)設(shè)置如下：
①運(yùn)行方法，外部輸入，F(xiàn)02=1；
②最高輸出頻率設(shè)定，F(xiàn)03=50Hz；
③加速時(shí)間設(shè)定，F(xiàn)07=3s；
④減速時(shí)間設(shè)定，F(xiàn)08=2s；
⑤制動(dòng)開始頻率，F(xiàn)20=6Hz；
⑥制動(dòng)時(shí)間，F(xiàn)22=3s[5-7]。

圖5 電梯PLC 控制程序流程圖
3.5PLC程序設(shè)計(jì)
電梯PLC控制系統(tǒng)由呼叫到響應(yīng)形成一次工作循環(huán)[8]，其控制程序流程圖如圖5所示。
下面對(duì)PLC程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)作詳細(xì)分析與說明。
①初始化復(fù)位：電梯上電后首先要進(jìn)行初始化復(fù)位。若轎廂不停在一樓，則下降到一樓并停止；若轎廂門和各樓層門有處于非關(guān)閉狀態(tài)的，則進(jìn)行關(guān)閉。
②定向運(yùn)行：當(dāng)電梯存在呼叫信號(hào)時(shí)，若呼叫信號(hào)大于樓層位置信號(hào)，電梯則定向?yàn)樯闲校艉艚行盘?hào)小于樓層位置信號(hào)，電梯則定向?yàn)橄滦小?br /> ③延時(shí)啟動(dòng)：電梯定向完成后，設(shè)置延時(shí)1s。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到時(shí)，若定向?yàn)樯闲校瑒tQ0.3、Q2.7、AQW0輸出，驅(qū)動(dòng)變頻器帶動(dòng)三相交流曳引電機(jī)正轉(zhuǎn)；若定向?yàn)橄滦校瑒tQ0.3、Q2.6、AQW0輸出，驅(qū)動(dòng)變頻器帶動(dòng)三相交流曳引電機(jī)反轉(zhuǎn)。
④樓層位置判斷：當(dāng)電梯上行到達(dá)各層上行平層區(qū)時(shí)，相應(yīng)輔助繼電器為ON，記錄上行到達(dá)的位置；當(dāng)電梯下行到達(dá)各層下行平層區(qū)時(shí)，相應(yīng)輔助繼電器為ON，記錄下行到達(dá)的位置。
⑤平層減速及停車：當(dāng)電梯到達(dá)有呼叫信號(hào)的樓層平層區(qū)時(shí)，產(chǎn)生平層減速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)V0（PLC地址為AQW0）連接的變頻器，進(jìn)入低速運(yùn)行狀態(tài)，接著到達(dá)指定樓層，電梯停車。

圖6 電梯正常模式觸摸屏界面
3.6人機(jī)界面設(shè)計(jì)
為了增加此電梯教學(xué)裝置的控制功能，以及讓學(xué)生練習(xí)人機(jī)界面的軟件開發(fā)過程，于是，在此裝置控制系統(tǒng)里采用了觸摸屏對(duì)電梯進(jìn)行控制。該觸摸屏型號(hào)為SK-070AE，采用232通訊方式與CPU226進(jìn)行通訊連接，其編程軟件為SKWorkshop，電梯正常模式下的觸摸屏界面如圖6所示。
4 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了一種自主研發(fā)的三層電梯教學(xué)裝置，詳細(xì)說明了機(jī)械系統(tǒng)開關(guān)門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和曳引電機(jī)的選取及其參數(shù)的計(jì)算，并對(duì)其控制系統(tǒng)作了詳細(xì)分析與介紹。此裝置不但可以輔助一些教學(xué)機(jī)構(gòu)完成相關(guān)專業(yè)的教學(xué)，還可以為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在實(shí)踐中鍛煉自己，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際的良好結(jié)合。目前，此裝置已被我校機(jī)械工程學(xué)院用于實(shí)踐性教學(xué)當(dāng)中，深受學(xué)生歡迎，并實(shí)現(xiàn)了很好的教學(xué)目標(biāo)。最后，希望此電梯教學(xué)裝置的研發(fā)能為高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)或相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的參考價(jià)值。