专业模型电梯电气控制系统设计*

张书，屈省源（中山职业技术学院电子信息工程学院，广东中山528404）

专业模型电梯电气控制系统设计*

张书，屈省源
（中山职业技术学院电子信息工程学院，广东中山528404）

采用电梯行业电气标准，根据电梯专业教学需要设计三层站模型电梯，电气控制系统包括驱动控制电路、呼叫信号电路、井道信号电路、显示信号电路、门机电路和安全保护电路，具备实际电梯所有功能，采用PLC程序控制。经过样机试验和实践教学证明，该模型电梯易教易学，有效提升了实践教学效果。

模型电梯；控制系统；PLC；电梯行业

0　引言

近几年，电梯行业进入了快速发展时期，由于电梯使用量的急剧增长，电梯行业对高素质技能型人才需求出现日益增长的态势，但教育培训和实训设备相对滞后，符合电梯人才培养需要的实训设备的缺乏，已经成为制约人才培养质量提高的重要因素，电梯行业技术人才的紧缺已经成为电梯制造和安装维修保养企业的共同难题。研制符合电梯行业人才培养需要的专业实训设备是解决这一问题的重要手段。电梯属于特种设备，具有一定的危险性，实训的安全隐患较大，因此对教学实训设备提出了更高的要求[1]。本文介绍一种基于PLC控制的专业实训教学模型电梯，以适应电梯行业的发展需要，符合电梯行业电气标准，可以有如下用途：

（1）用于电梯专业理论和实践教学，适应课程改革需要，可以为《电梯构造与原理》、《电梯安装与维修》、《电梯控制技术》课程开展教学做一体化教学提供实训设备，可以完成如下实训项目：①电梯结构认知；②电梯机械部件的安装与调整；③电梯控制系统程序设计；④变频调速系统实训；⑤电梯故障分析、排除与检修；⑥电梯控制系统装配与控制柜调试；⑦电梯整梯的调试（快、慢车、各功能调试）。

（2）可以用来作为电梯技能大赛、电梯职业技能鉴定的设备。

1　模型电梯的整体结构

该模型电梯由三层站机械装置、控制柜及井道各电气控制元件等组成，其硬件结构的组成及功能与实际电梯完全一样。在PLC控制下，电梯可完成自动平层、自动关门、顺序响应轿内外呼梯信号、直驶、电梯安全运行保护以及电梯急停等功能，且具有性能可靠、运行平稳、操作简单、能耗低和便于教学等特点。其整体结构分为井道及底坑部分、轿厢部分、门部分、机房部分，其中包括的电气系统有电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统[2]，其立体结构图见图1所示。

图1　模型电梯立体结构图

2　模型电梯的硬件设计

电梯的控制特点是根据外部呼叫信号以及自身控制规律实现运行的，由于呼叫信号具有随机性，所以电梯控制系统实际上是一个人机交互式的控制系统[3]。电梯根据随机的输入信号以及电梯的相应状态适时控制电梯的运行。基于电梯的这种控制特性，模型电梯的电气控制系统总体设计流程图如图2所示。

图2　电气控制系统总体设计流程图

2.1系统的控制要求

该模型电梯采用开关量和数字量两种方式控制，可以通过转换开关实现两种控制方式的转换。开关量是由井道内感应器提供减速、平层信号，当轿厢经过或停在某一层时，该层的平层感应开关得到一个输入信号，并把此信号反馈给控制系统。数字量控制方式是利用旋转编码器提供数字脉冲，再经PLC计数运算处理信号，得出轿厢的位置，从而发出减速、平层信号。在轿箱内选面板和楼层呼叫面板上都有一个楼层显示的七段数码管以及电梯上下运行指示，其显示分别由PLC的三个输出点来完成。利用变频器的调速性能，根据轿厢在井道中的实际位置，通过PLC编程来控制轿厢的平层精度。模型电梯的电气控制系统主要由以下几部分组成：驱动控制电路、呼叫信号电路、井道信号电路、显示信号电路、门机电路和安全保护电路等[4]，电气控制系统如图3所示。

2.2硬件选型

该模型电梯系统的逻辑运算、楼层选择部分由PLC内部程序实现。PLC选用FX2N-128MR，输入共64个点，输出共64个点，可以满足编程需要，实现控制功能。PLC接受来自现场的呼叫信号、位置信号等，经过内部逻辑处理，给出轿厢启停信号、门机的开关门信号、楼层显示信号及呼叫显示信号等[5]。变频器选用FR-A540型，该变频器为高性能的矢量控制变频器，可实现多段速调整、参数设置等功能。曳引机选用实际电梯使用的杂物梯曳引机YJ120，电动机为三相感应电动机，采用变频调速驱动方式。电梯启动时，变频器使定子电流频率从低频上升到额定频率。减速时，使电机频率从相应的额定频率下降到零，实现电梯平层，保证电梯运行平稳，模拟真实电梯良好的舒适感。调速系统的驱动控制电路图见图4所示。

图3　电气控制系统

图4　调速系统驱动控制电路图

3　模型电梯控制软件设计

3.1I/O点数分配

根据模型电梯主要功能分析，可知输入信号主要有1～3层减速感应信号、1～3层内指令登记信号、上下强迫减速信号、上下限位开关信号、上下极限开关信号、开关门限位信号、检修信号、超载信号等；输出信号主要有七段码显示、1～3层轿箱位置指示灯、1～3层内指示灯、电机上下行接触器及显示箭头灯、驻停、超载指示灯等。具体如表1所示。

表1　I/O端口地址分配表

3.2梯形图设计

根据电梯的控制要求，确定模型电梯的控制方案为：各楼层电梯口设有呼梯按钮，轿箱内设有楼层选择按钮、信号指示灯，井道内每层有平层感应器。呼梯按钮开关为常开式开关，接通瞬间有效。电梯上升或下降在未平层之前不响应反向呼梯信号，在编程时采用互锁方式将反向呼梯信号予以屏蔽。电梯上升或下降到达某一平层位置后，电梯制停、呼梯信号及指示信号执行消号指令。当电梯停在某层时，如果上行和下行两个方向都有呼梯信号，则距离轿厢所停靠楼层最近的呼叫信号有优先响应权；如果呼梯楼层与轿厢所停靠楼层距离相等，则先登记信号者优先响应。而在轿厢所停靠楼层的同一侧有几层同时呼叫时，则电梯顺序响应呼梯信号[6]。

由此可以编写出模型电梯的PLC控制程序，在编写PLC程序时，主要采用模块化的编程思想，程序主要包括以下几个模块：电梯的启动复位及参数初始化程序、呼梯信号登记程序、呼梯信号消除程序、楼层显示程序、上下行程序、开关门程序等[7]，其中上下行的控制部分程序段见图5所示。

图5　上下行控制部分程序段

4　样机实验

对采用上述电气控制系统的整体样机进行可靠性和性能实验。结果证明：使模型电梯自动往返运行1 000次，电梯能够按照预定程序执行，未出现故障，各电气元件工作正常，可以满足设计要求。

5　结论

该模型电梯采用电梯行业电气标准，根据电梯专业教学需要设计，电气结构包括电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统，具备自动平层、自动关门、顺序响应轿内外呼梯信号、直驶、电梯安全运行保护以及电梯急停功能，经过《电梯调试》、《电梯维修》等课程实践教学的使用，教师和学员都感到该模型电梯易教易学，达到了课程实践教学的目的。

［1］潘斌，殷勤，张莉琼.一种简易电梯教学模型制作［J］.机电工程技术，2013，42（9）：120-124.

［2］贺德明，肖伟平.电梯结构与原理［M］.广州：中山大学出版社，2009.

［3］魏伟，金星.PLC控制电梯教学模型的研发［J］.电气应用，2006，25（9）：44-46.

［4］郭德全，巨辉，赵国才.基于PLC的教学电梯模型设计［J］.自动化技术与应用，2009，28（3）：77-78，87.

［5］陈步荣，周燕飞.教学实验用模型电梯的设计与实现［J］.长沙航空职业技术学院学报，2007，7（1）：26-29，33.

［6］丁镔.PLC控制四层电梯教学模型的设计［J］.现代制造技术与装备，2010（4）：33-35.

［7］陈资滨.电梯教学模型的研制［J］.基础自动化，2001，8（1）：59-60.

(编辑：阮毅)

Design of ElectricalControl System in ProfessionalM odel Elevator

ZHANGShu，QUSheng-yuan
（College of Electronic and Information Engineering，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan528404，China）

Using the elevator industry electricalstandard，three stationsmodelelevator is designed tomeet the professional teaching，the electric control system comprises a driving control circuit，call signal circuit，well signal circuit，display circuit，doormachine circuit and safety protection circuit.It almost has the full function of elevator and use the PLC program control.As proved by the prototype experiment and practice teaching，the model elevatormakes teaching and learning easy，effectively enhancing the practice teaching effect.

modelelevator；controlsystem；programmable logic control；elevator industry

TP273

A

1009－9492(2015)04－0006－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.002

*2012年中山职业技术学院科研项目（编号：2012KQ04）

2014－10－20

张书，男，1978年生，河北崇礼人，硕士研究生，讲师。研究领域：电梯工程技术。