基于PLC及触摸屏的智能电梯实训模型的研制

赵佑初

（杭州万向职业技术学院应用工程系，浙江杭州310023）

0 引言

电梯是一种特种机电设备，由于电梯行业技术型人才的紧缺，越来越多的高职院校开始设立电梯工程专业或方向，对电梯工程领域进行相关的教学与实践。为了给长三角电梯行业培养适用人才，本校设置了电梯工程专业，旨在培养具有电梯结构、原理、设计等专门知识，具备从事电梯安装、调试、维修、检验、营销与管理等与电梯技术相关的实际工作的基本能力和基本技能，获得职业岗位基本训练，具有国际视野、创新精神和实践能力的高素质技术技能型人才。

电梯工程专业（方向）的核心课程包括电梯结构与原理、电梯安装调试技术与管理、电梯维修保养技术、电气控制与微机处理、电梯拖动与控制技术、电梯维修保养综合实训等。对于电梯工程专业（方向）的学生来说，能有一台聚集电梯各部件并能亲手拆装的电梯设备，进行理实一体学习，将会起到事半功倍的作用。鉴于此，研制一种基于PLC与触摸屏的多功能智能电梯仿真实训平台很有必要。

1 电梯教学模型整体方案

结合高职院校的教学条件及模型的实际可操作性，将电梯教学模型定位为4层4站式电梯装置，同时选用PLC作为4层电梯教学模型的控制系统。整个模型尺寸设计为900 mm×1 000 mm×2 700 mm，厅门式样设计为中分门结构，其主视图如图1所示。

图1 电梯模型主视图

1.1 教学模型的硬件设计

电梯实训模型与真实电梯实现的功能相同，其结构由曳引系统、导向系统、轿厢系统、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等八大系统以及机房部分、井道及底坑部分、轿厢部分和层站部分等四个空间共同组合而成，如图2所示。

图2 电梯的组成

设计的智能电梯采用可编程控制器（PLC）进行系统控制，包括以下几个部分：

（1）控制系统由直流电源、PLC、信号采集、信号显示、曳引电机及其控制等主要部分组成。

（2）电力拖动系统由一台三相异步交流电机作可逆驱动，并通过变频器实现对电动机的速度调节，使电梯的加、减速能平滑过渡，给乘客以舒适的乘坐感。

（3）井道信息采集部分由减速传感器、双稳态开关、限位开关给出各楼层的平层信号和上、下限保护信号。

（4）安全防护部分由极限开关、门电联锁开关、对射传感器、锁梯开关等组成；机械安全保护系统由缓冲器、限速保护装置等部件组成，以保证电梯发生故障时设备及轿厢内乘客安全。

（5）门电机由一台微型直流电机作可逆驱动，开门、关门到位信号由相应的限位开关给出，并设置关门减速装置，轿厅内有操作面板，操作面板由进入轿厅的乘客或司机控制，通过选择按钮输入选层要求，并由LED灯显示。

（6）机械驱动系统由曳引机、制动器、导向轮、曳引钢丝绳和绳头组合等部件组成，完成轿厢的上下垂直运动。

（7）导向系统由井道钢架、导轨、导靴等组成，以确保电梯轿厢和对重装置在预定位置上下垂直运行。

（8）层门和轿门及开关门系统由轿门、层门、开关门机构、安全触板、门套等组成。

1.2 教学模型的主要功能设计

电梯装配好后应能完成以下控制功能：

（1）初次通电，电梯停靠于任意一层。

（2）电梯应能按照逻辑要求正确地响应各种内选信号与外呼信号。

（3）输入按钮带有指示灯，当按内选/外呼按钮时，指示灯亮，到达内选/外呼楼层后，内选/外呼信号解除，指示灯灭。

（4）电梯到达响应楼层后，电梯门应能自动打开，5 s后，电梯门应能自动关闭。

（5）电梯超载时，超载指示灯亮，电梯开门等待，超载解除，超载指示灯灭。

（6）电梯在本层处于关门状态，外呼按钮能开门。

（7）电梯可以在开关量控制状态正常运行。

（8）对多个同向的内选信号，按到达位置先后次序依次响应，如电梯1楼上客后，内选信号有2楼、3楼和4楼，则电梯先响应2楼，再响应3楼，最后响应4楼。

（9）对同时有多个内选信号与外呼信号，响应原则为“先按定向，同向响应，顺向截梯，最远端反向截梯”。

（10）电梯应具有以下安全防护功能：

1）电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯停止运行后，按开门按钮电梯门打开，按关门按钮电梯门关闭。

2）电梯有安全触板和光电对射传感器双重防护措施，当电梯关门过程中两者任意一项有信号时，电梯立即停止关门，并开始开门。

3）打开电梯锁（梯锁有信号）时，电梯（从其他楼层返回）停在一楼，并开门10 s后自动关门，此时不响应所有内呼和外呼信号，等关闭电梯锁时电梯恢复正常工作。

（11）电梯要求安全节能，当轿厢处于正常关门状态，且8 s内无内呼或外呼信号时，内部照明灯和风扇停止工作，当有信号时恢复正常工作。

（12）采用触摸屏进行控制，通过MCGS（MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制）组态软件监控电梯的运行状况和故障报警，MCGS通过通信与PLC交换数据，达到获得现场数据和控制电梯功能，在系统运行过程中，MCGS对实时采集的数据存储并形成相应的动画效果、报警趋势曲线等，工作人员在上位机上的控制命令和控制的参数也都可以实时地送到PLC上执行，完成电梯的各种运行状态。

2 电梯教学模型的控制系统设计

为了实现上述设计要求，并使电梯教学模型实现安全、可靠、平稳地运行，在电梯模型的控制系统中采用以PLC控制为主的逻辑控制部分。根据实现的功能要求，选用三菱公司的FX2n-64 PLC，调速部分通过变频器进行控制，变频器型号选用三菱E740。在逻辑控制部分，PLC通过程序根据现场信号控制电梯的运行，曳引机则直接由变频器控制，PLC控制变频器的输入信号，PLC向变频器发出轿厢运行方向、轿厢启动、轿厢加速运行、轿厢减速制动以及抱闸停车等控制信号，通过变频器的调速作用结合旋转编码器构成闭环矢量控制系统来共同控制曳引电机的运行方向和转速，继而提高轿厢在运行过程中的舒适度和平稳度。

2.1 PLC型号选择

电梯模型的控制系统按照4层4站式电梯进行设计。根据上述控制要求，此控制系统共需要输入点数28点，输出点数24点。一般考虑10%～15%的裕量。结合三菱FX系列PLC的特点，选择FX2n-64MR，其输入和输出点数都为32个，基本满足控制要求。

2.2 I/O分配

电梯模型具有上下强返开关、开关门限位、上下呼梯等31个输入信号，利用28个输入点；具有主接触器、开关门继电器、楼层指示灯、变频器正反转等24个输出信号。输入点、输出点分配表具体如表1、表2所示。

表1 输入点分配

表2 输出点分配

3 电梯实训模型的安装调试

根据以上设计思路，电梯实训模型的安装调试流程如下：

（1）机械系统中最基础的部分是电梯的井道钢架，它为整个电梯提供支承及固定导轨。框架、导轨及轿厢等机械结构的图纸设计好后，由外协加工后回校装配。

（2）驱动系统的装配：包括曳引机、制动器、导向轮、曳引钢丝绳和绳头组合等部件的装配。

（3）机械安全保护系统的装配：主要是对缓冲器和限速保护装置的安装。

（4）井道信息采集部分的装配：主要是对减速传感器、双稳态开关、限位开关等部件的装配。

（5）安全防护部分的装配：主要是对极限开关、门联锁开关、对射传感器、锁梯开关等部件的装配。

（6）电气控制系统中PLC输入、输出点分配。

（7）电梯电气控制柜的器件安装与线路连接。

（8）变频器参数设置。

（9）按功能要求完成PLC程序设计与调试。

（10）触摸屏组态软件MCGS工程设计。

（11）联调。

4 结语

此电梯实训模型作为本校电梯专业学生“电梯安装与调试”课程的配套实训设备使用，通过两周的集中实训，学生分组完成电梯八大系统的装配、控制柜元件安装、控制电路连接、程序编制等实训，最后进行调试，从而对电梯安装与调试的整个流程有了非常清楚的了解，达到了高职教育“教、学、做一体化”教学模式的目标。同时，该模型也非常适合电梯从业人员岗前培训使用。本电梯实训模型为教学和科研提供了优质的实验平台，具有一定的实用价值。

[1]贺德明，肖伟平.电梯结构与原理[M].广州：中山大学出版社，2012.

[2]张海莉.基于PLC的电梯教学模型控制系统设计[J].淮海工学院学报（自然科学版），2016，25（3）：50-54.

[3]王志刚.教学用四层电梯模型机PLC控制系统的设计与实现[J].机电工程技术，2014，43（6）：56-58.