電梯模型在PLC可編程控制器實踐教學中的應用

隨著現代自動化技術水平的不斷進步，PLC 在實際的工業控制中起到了十分關鍵的作用，而且在現代高校的自動化教學中，PLC 也成為一門*的課程。但如何將學生所學的知識與實踐結合起來卻是一個很大的問題。在以往的課程教學中，通常只是通過仿真軟件或一些簡單的PLC 控制實驗，讓學生簡單體驗硬件的接線、編程軟件的使用以及一些指令的用法，學生很難建立一個系統的概念。
本文以YUY-DT11六層電梯教學實訓模型為對象，結合三菱FR-D700 變頻器，介紹了如何利用可編程控制器設計電梯模型的自動控制系統，主要包括該系統的硬件組成、主控程序的控制流程圖、主要控制模塊的梯形圖程序以及上位機監控界面的設計等。同時，該課題結合模塊化設計的思想，簡化了電梯控制中復雜的邏輯設計，使得該實例可以很好地將課程中的許多知識點貫穿到實際應用中。
1、電梯模型簡介
1．1電梯模型組成
該款用于教學實踐的仿真電梯模型一共設有7層，其中底層為檢修層，第二層開始為正常使用層，如圖1 所示。電梯結構分為實驗機架、拽引機、轎廂、對重鐵、轎廂軌道、對重鐵軌道、變頻器、語音到站鐘、33點輸出端口以及31 點輸入端口等。

圖1 電梯實訓模型
1．2電梯模型功能
該電梯模型主要有正常運行模式和檢修模式，且檢修模式的權限高于正常運行模式。檢修模式下主要檢查電梯的上下行功能，轎廂門開關功能，急停功能，火警功能等是否正常。正常模式下，電梯響應轎廂內外各個層的呼叫信號，并準確做出應答——包括電梯運行方向、自動平層、開關門等操作。其主要控制要求為: ① 電梯下行; ② 電梯上行; ③ 電梯隨時對轎廂內外召喚信號進行登記; ④ 電梯運行到某一層后，對該層轎箱內外登記信號進行消除; ⑤ 轎廂上下行時，只響應順向截梯信號，保留反向呼梯信號。
2、控制系統的硬件設計

本項目的系統框圖如圖2 所示。

圖2 系統框圖

2．1控制器的選擇
由于系統包含32 點開關量輸入和31 點開關量輸出信號，見表1、2，系統的程序也不需要占用很大的內存，所以選擇處理器時只要能滿足系統的輸入輸出點數就可以了。本系統選用的是美國羅克韋爾公司SLC500 系列的處理器，該處理器模塊化的結構使得硬件設計更為靈活方便。
2．2 輸入、輸出模塊的選擇
如上所述，電梯實驗模型具有32 點的數字量的輸入端口和31 點的數字量輸出端口，所以選用了兩塊型號為1746-IB16 的16 點輸入模塊分別插在機架的1槽和2 槽，對應的輸入地址為1: 1 /0 ～ 1: 1 /15 和1: 2 /0～ 1: 2 /15; 兩塊型號為1746-OB16 的16 點輸出模塊，分別插在機架的3 槽和4 槽，對應的輸出地址為0: 3 /0 ～ 0: 3 /15 和0: 4 /0 ～ 0: 4 /15。由于電梯模型提供的信號電平邏輯剛好和SLC 輸入/輸出模塊的電平相反，故系統中還添加了兩塊電平轉換模塊。
各輸入、輸出信號說明及對應的地址詳見表1、2。

表1 輸入端口說明以及地址表示

表2 輸出端口說明以及地址表示

2．3變頻器的配置
本系統采用三菱公司生產的FR-D700 變頻器，通過改變其相應參數來改變電梯模型拽引機的加速和減速的狀態，從而實現對電梯模型的拽引機進行變頻調速。利用S 型曲線對電梯進行控制，如圖3 所示。該方式在加速的起始階段，頻率的上升較緩，電梯加速度a 逐漸變大，加加速度ρ 為一恒定值。如AE 段所示，在電梯達到勻速運行之前，電梯加速度逐漸減小。BC端電梯進入穩定運行狀態，此時電梯勻速上升。電梯的減速過程與加速過程類似。
通過修改變頻器相關參數以及對變頻器STF端( 0: 3 /0) 和STR 端( 0: 3 /2) 的控制，可以讓電梯在上、下行時達到圖3 所示的運動狀態。

圖3 速度控制曲線
3、控制系統的程序設計
3．1主控程序的設計
電梯實訓模型的控制程序設計比較復雜靈活，可以分為檢修模式和正常運行模式，對于正常運行模式來講，其程序的設計又可以分為轎廂內外信號登記與顯示、zui大值登記、zui小值登記、電梯選向、順向截梯、轎廂開關門等部分，因此在程序設計中，我們將整個程序分為多個模塊，分別進行單獨的設計與調試，zui后將不同的模塊拼接起來進行綜合調試。圖4 為系統主控程序的控制流程圖。

圖4 主程序流程圖
3．2電梯選向以及順向截梯程序設計通過控制變頻器正反轉輸出，可以控制電梯上行或者下行運行，且電梯上升或下降一定樓層數，對變頻器STF 或者STR 端控制時間是固定的，通過測試分別為: 一層4.45s; 兩層8.90s; 三層13.35s; 四層17.80s; 五層22.25s?；诖?，我們設計了相應的電梯選向與順向截梯程序。
圖5 為電梯上行選向控制程序，其中N7: 10 存儲的zui初所在樓層信號。當電梯向上運行時，B3: 2 /0 處于閉合狀態，就不允許電梯低層的召喚信號與zui低選層信號進行比較，只有當電梯上升到已登記的zui高層時，才允許電梯下行與zui低選層信號進行比較。電梯下行的選向控制與上行選向控制程序有相同的結構。
圖6 為電梯上行順向截梯1 層的判斷程序。利用RTO 計時器指令，我們可以由zui高選層信號N7: 6 與zui初所在層N7: 10，計算得到電梯上行總共所需的時圖5 電梯選向控制( 電梯上行判斷) 的梯形圖程序圖6 電梯上行順向截梯設計( 1 層為例) 的梯形圖程序間，并將其作為T4: 0 的預設值，同時在電梯運行當中我們也仍可以對預設值進行刷新，只要更高樓層有召喚信號。電梯的平層動作由電梯zui初所在層與召喚信號所在層之差計算而得，N10: 1 中存儲了電梯從zui初層上行到該層所需時間，當這個時間與RTO 中得累計值相同時，電梯停止并跳轉到轎廂的自動開關門程序。

圖5 電梯選向控制( 電梯上行判斷) 的梯形圖程序

圖6 電梯上行順向截梯設計( 1 層為例) 的梯形圖程序

3．3上位機監控程序的設計
本系統采用Rockwell 公司的RSview32 上位機監控軟件，即為利用RSView32 設計制作的人機交互界面。通過通信軟件RSlinx，控制器與上位機之間以OPC 的方式進行數據交換，這樣就可以利用上位機對電梯進行監控。