电梯模型在PLC可编程控制器实践教学中的应用

随着现代自动化技术水平的不断进步，PLC 在实际的工业控制中起到了十分关键的作用，而且在现代高校的自动化教学中，PLC 也成为一门*的课程。但如何将学生所学的知识与实践结合起来却是一个很大的问题。在以往的课程教学中，通常只是通过仿真软件或一些简单的PLC 控制实验，让学生简单体验硬件的接线、编程软件的使用以及一些指令的用法，学生很难建立一个系统的概念。
本文以YUY-DT11六层电梯教学实训模型为对象，结合三菱FR-D700 变频器，介绍了如何利用可编程控制器设计电梯模型的自动控制系统，主要包括该系统的硬件组成、主控程序的控制流程图、主要控制模块的梯形图程序以及上位机监控界面的设计等。同时，该课题结合模块化设计的思想，简化了电梯控制中复杂的逻辑设计，使得该实例可以很好地将课程中的许多知识点贯穿到实际应用中。
1、电梯模型简介
1．1电梯模型组成
该款用于教学实践的仿真电梯模型一共设有7层，其中底层为检修层，第二层开始为正常使用层，如图1 所示。电梯结构分为实验机架、拽引机、轿厢、对重铁、轿厢轨道、对重铁轨道、变频器、语音到站钟、33点输出端口以及31 点输入端口等。

图1 电梯实训模型
1．2电梯模型功能
该电梯模型主要有正常运行模式和检修模式，且检修模式的权限高于正常运行模式。检修模式下主要检查电梯的上下行功能，轿厢门开关功能，急停功能，火警功能等是否正常。正常模式下，电梯响应轿厢内外各个层的呼叫信号，并准确做出应答——包括电梯运行方向、自动平层、开关门等操作。其主要控制要求为: ① 电梯下行; ② 电梯上行; ③ 电梯随时对轿厢内外召唤信号进行登记; ④ 电梯运行到某一层后，对该层轿箱内外登记信号进行消除; ⑤ 轿厢上下行时，只响应顺向截梯信号，保留反向呼梯信号。
2、控制系统的硬件设计

本项目的系统框图如图2 所示。

图2 系统框图

2．1控制器的选择
由于系统包含32 点开关量输入和31 点开关量输出信号，见表1、2，系统的程序也不需要占用很大的内存，所以选择处理器时只要能满足系统的输入输出点数就可以了。本系统选用的是美国罗克韦尔公司SLC500 系列的处理器，该处理器模块化的结构使得硬件设计更为灵活方便。
2．2 输入、输出模块的选择
如上所述，电梯实验模型具有32 点的数字量的输入端口和31 点的数字量输出端口，所以选用了两块型号为1746-IB16 的16 点输入模块分别插在机架的1槽和2 槽，对应的输入地址为1: 1 /0 ～ 1: 1 /15 和1: 2 /0～ 1: 2 /15; 两块型号为1746-OB16 的16 点输出模块，分别插在机架的3 槽和4 槽，对应的输出地址为0: 3 /0 ～ 0: 3 /15 和0: 4 /0 ～ 0: 4 /15。由于电梯模型提供的信号电平逻辑刚好和SLC 输入/输出模块的电平相反，故系统中还添加了两块电平转换模块。
各输入、输出信号说明及对应的地址详见表1、2。

表1 输入端口说明以及地址表示

表2 输出端口说明以及地址表示

2．3变频器的配置
本系统采用三菱公司生产的FR-D700 变频器，通过改变其相应参数来改变电梯模型拽引机的加速和减速的状态，从而实现对电梯模型的拽引机进行变频调速。利用S 型曲线对电梯进行控制，如图3 所示。该方式在加速的起始阶段，频率的上升较缓，电梯加速度a 逐渐变大，加加速度ρ 为一恒定值。如AE 段所示，在电梯达到匀速运行之前，电梯加速度逐渐减小。BC端电梯进入稳定运行状态，此时电梯匀速上升。电梯的减速过程与加速过程类似。
通过修改变频器相关参数以及对变频器STF端( 0: 3 /0) 和STR 端( 0: 3 /2) 的控制，可以让电梯在上、下行时达到图3 所示的运动状态。

图3 速度控制曲线
3、控制系统的程序设计
3．1主控程序的设计
电梯实训模型的控制程序设计比较复杂灵活，可以分为检修模式和正常运行模式，对于正常运行模式来讲，其程序的设计又可以分为轿厢内外信号登记与显示、zui大值登记、zui小值登记、电梯选向、顺向截梯、轿厢开关门等部分，因此在程序设计中，我们将整个程序分为多个模块，分别进行单独的设计与调试，zui后将不同的模块拼接起来进行综合调试。图4 为系统主控程序的控制流程图。

图4 主程序流程图
3．2电梯选向以及顺向截梯程序设计通过控制变频器正反转输出，可以控制电梯上行或者下行运行，且电梯上升或下降一定楼层数，对变频器STF 或者STR 端控制时间是固定的，通过测试分别为: 一层4.45s; 两层8.90s; 三层13.35s; 四层17.80s; 五层22.25s。基于此，我们设计了相应的电梯选向与顺向截梯程序。
图5 为电梯上行选向控制程序，其中N7: 10 存储的zui初所在楼层信号。当电梯向上运行时，B3: 2 /0 处于闭合状态，就不允许电梯低层的召唤信号与zui低选层信号进行比较，只有当电梯上升到已登记的zui高层时，才允许电梯下行与zui低选层信号进行比较。电梯下行的选向控制与上行选向控制程序有相同的结构。
图6 为电梯上行顺向截梯1 层的判断程序。利用RTO 计时器指令，我们可以由zui高选层信号N7: 6 与zui初所在层N7: 10，计算得到电梯上行总共所需的时图5 电梯选向控制( 电梯上行判断) 的梯形图程序图6 电梯上行顺向截梯设计( 1 层为例) 的梯形图程序间，并将其作为T4: 0 的预设值，同时在电梯运行当中我们也仍可以对预设值进行刷新，只要更高楼层有召唤信号。电梯的平层动作由电梯zui初所在层与召唤信号所在层之差计算而得，N10: 1 中存储了电梯从zui初层上行到该层所需时间，当这个时间与RTO 中得累计值相同时，电梯停止并跳转到轿厢的自动开关门程序。

图5 电梯选向控制( 电梯上行判断) 的梯形图程序

图6 电梯上行顺向截梯设计( 1 层为例) 的梯形图程序

3．3上位机监控程序的设计
本系统采用Rockwell 公司的RSview32 上位机监控软件，即为利用RSView32 设计制作的人机交互界面。通过通信软件RSlinx，控制器与上位机之间以OPC 的方式进行数据交换，这样就可以利用上位机对电梯进行监控。