潘 斌，殷 勤，张莉琼

（1.中山职业技术学院，广东中山 528404）；2.中山火炬职业技术学院，广东中山 528436）

0 前言

电梯是大型机电一体化产品，系统结构庞大而分散，且封闭使用，从外部难以全面了解电梯的结构及其工作原理；在教学和培训过程中，学生不能全面了解电梯的结构，也不能综观电梯运行的全过程。同时，电梯的井道深而大，很多器件安装在井道里，实习起来不方便，也不安全。仿真电梯是按电梯实际比例缩小的功能齐全的物理电梯模型，可综观电梯运行的全过程及所有器件的安装位置[1-3]。但目前市场上仿真电梯产品如DT-2000 型透明仿真教学电梯、KY-2003 型透明仿真教学电梯等只能用于展示电梯结构与功能，设置一些常见故障。对电梯各个环节的具体控制理解因电梯相互关联较多、复杂，学生很难对PLC程序进行掌握。本文根据具体的教学需要研制简易教学电梯模型更有利于教研和教学的开展。模型制作完毕后用于实践教学，所有环节可较好地由学生自主练习完成，从而达到对PLC控制电梯各环节掌握和设计水平的提高。

1 模型总体方案设计

本模型用于教学用，在设计时考虑以下原则：（1）注重模型学生使用时用电安全，电气设计部分主要采用直流24 V供电；（2）为方便学生循序渐进理解，忽略电梯繁杂设计环节，重点放在关键功能设计和实践；（3）各环节采用模块设计，方便以后扩展，设计各环节之间相互连动且不致冲突。

本电梯模型为五层五站直流驱动电梯模型，作品如图1 所示。其主要功能有：（1）具有七段码轿厢位置显示、厅门轿厢到站楼层指示灯；（2）上下行直驶，循环上下运行模型；（3）轿厢蹲底冲顶保护模拟——即上端站和下端站保护；（4）轿厢内指令选层：能根据轿箱楼层位置及目的楼层位置比较自动确定电梯运行方向，并运行到目的楼层后自动平层，消号；（5）PLC编程现场检验模拟。

图1 电梯教学模型

2 模型硬件设计

此模型涉及硬件设计制作较多。主要步骤是利用计算机绘图功能将电梯零部件尺寸，轿厢、对重长宽确定，然后绘制导轨底宽和高度，确定导靴内凹尺寸，出图送金工实训室进行加工。

曵引轮尺寸的确定，根据导轨的总长度和轿厢的高，根据模型电梯速度的设定可以算出曵引轮所需直径。主要部件设计如下。

（1）曳引轮及导向轮设计及安装

根据模型要求，曳引轮及导向轮按以下尺寸设计，如图2 所示，并在学院金工实训室完成制作，模型所需两个导向轮和一个曳引轮，并按图3要求安装。

图2 导向轮与曵引轮设计

（2）轿箱与对重的设计

轿箱与对重按以下尺寸设计，如图4、图5所示。为保证曳引力足够牵引轿箱，尽量使对重和轿箱一样重，为此可在对重箱添加适当沙子平衡两者重量。

图3 曳引轮及导向轮安装要求

图4 轿箱设计

图5 对重设计

（3）轿箱和微动开关的定位

为保证轿箱在井道导轨上下运行时正确显示轿箱的位置，必须在井道适当位置安装1～5层的微动开关以及上、下限位开关。安装位置按图6定位。另外为使微动开关可靠工作，须把开关与导轨固定在一起，固定板的尺寸设计按图7 设计，并在金工实训室与导轨牢固焊在一起。

图6 轿箱与微动开关的定位

图7 微动开关固定板尺寸

（4）电机与PLC类型的选用

为保证电机有足够的曳引力，选购带行星齿轮减速的直流24 V小电机，另外PLC选择根据控制信号（计算输入输出点数）选择目前广泛使用的三菱FX2N－64MR系列PLC。

3 PLC设计

3.1 I/O点数分配

根据简易电梯模型主要功能分析：输入信号主要有1～5层换速开关，1～5楼内指令登记开关，直行上下开关，循环开关，上下端站限位开关；输出信号主要有七段码显示，1～5层轿箱位置显示灯，1～5楼内指令登记显示灯，电机上下行接触器及显示箭头灯，循环及上下直行显示灯、PLC复位指示灯。具体如表1所示。

表1 简易电梯教学模型PLC控制系统的I/O端口地址分配表

3.2 硬件连接

根据I/O地址分配表，可画出PLC的外部接线示意图，如图8所示。

图8 PLC与电机外部接线图

3.3 梯形图设计

电梯的操作要求：对单台电梯，主要是完成选层定向、合理分配轿内指令的执行和轿外呼唤的回答；对多台电梯，除上述要求外，还要根据客流情况合理调配电梯，使乘客后梯和乘梯时间最短。对电梯运行的具体控制要求如下：①设有门锁保护，轿厢门锁上后自动启动；②到达指定楼层，自动停层，自动开门；③延时自动关门，等候轿外呼唤；④响应顺电梯行进方向上的轿外呼唤；⑤电梯到达顶层或底层时，自动停止并变换运行方向；⑥轿内指令和轿外呼唤自动登记并记忆，完成任务后自动消号；⑦门外和轿内有楼层显示和运行方向显示[4]。

确定控制要求后，另外考虑教学模型制作难度，把开关门环节及部分安全回路取消，为便于观察，增加直驶上行环节、直驶下行环节及循环运行环节。因此，教师可以根据模型电梯的运行规律将电梯的功能划分为不同的模块，也就是采用模块化的编程思想，其程序主要包括以下几个模块：①电梯的启动复位及参数初始化程序：该段程序定义了模型电梯运行所需要的部分逻辑线圈、数据寄存器的初始值；②呼叫记录程序：自动记忆各种呼叫信号；③呼叫消除程序：当电梯某呼叫得到响应并完成后，自动消除顺向呼叫信号；④楼层显示程序：显示轿厢目前所在楼层；⑤上、下运行程序：根据呼叫信号、内选信号、电梯方向与电梯位置，确定电梯是上行还是下行。

3.4 程序的完善和创新

而设计的电梯控制仅仅是基本功能的设计，若想用到实际生活中，还需要增加较多的功能。例如当层数增加时，该如何编写梯形图；用什么方法可以节约I／0点的个数；如何要求电梯只停偶数层或只停奇数层该如何编写梯形图；当电梯出现紧急情况时，该怎样处理。此外还可以利用此套装置进行二次开发研究。如：①群控电梯（统一调度多台集中并列的电梯）；②并联控制电梯（2-3 台电梯的控制线路并联，进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮）；③集选控制电梯；④信号控制电梯等等。

具体改进方案以楼层显示环节为例，此环节输入为1-5 层换速开关（X1-X5），输出为七段码显示（Y0-Y6）。输入与输出关系见表2所示。

表2 简易电梯教学模型轿厢位置与七段码位置显示逻辑关系

图9 基本指令的楼层显示梯形图

根据表2 所示关系，可很方便的用基本指令编辑出梯形图，如图9 所示。学生容易理解及编程。但此种方法程序过长，为此改用功能指令MOV 及SEGD就比较简单了，具体梯形图见图10。

图10 功能指令的楼层显示梯形图

再以节约PLC的I／0点的个数为例（图11），在传统的电梯电路中，通常是用楼层感应器的信号来进行的方向控制。这样井道中的每个楼层至少要装一个感应器，如电梯楼层越多，则占用的PLC的输入点数越多。由于PLC的编程功能十分丰富，所以可以利用上行换速和下行换速信号来进行楼层的方向控制，这样只需要在轿厢侧装两只感应器，便可实现电梯楼层的方向控制及减速信号的发出，既方便又节约成本。

图11 节约PLC的I/O点数设计的梯形图

设计时输入信号只留下上、下端站信号（X5，X1），中间楼层不需要换速开关了，用X2，X3 代替轿箱上、下换速感应开关。Y10、Y11 分别是上、下换速开关。具体梯形图见图11所示。当电梯上行Y10 时，每当上换速感应开关X2 动作时，使M101 有一个周期的触发，使寄存器D200 内数值增1。当电梯下行Y11 时，每当下换速感应开关X3 动作时，使M102 有一个周期的触发，使寄存器D200 内数值减1。当电梯上行到最高层，上端站开关X5动作时，使D200内数值强制为5（这里以5层为例）。当电梯下行到最低层，下端站开关X1动作时，使D200内数值强制为1。

这样，D200内的实际数值就反映了电梯的实际楼层数值，利用解码指令DECO对D200进行解码，得出M501 吸和时为1 楼，M502 吸和时为2楼，M503 吸和时为3 楼，M504 吸和时为4 楼，M505 吸和时为5 楼；利用七段译码显示指令SEGD对D200译码输出到Y0—Y6。同时，电梯进行楼层方向控制时也给出了电梯的减速信号。

4 总结

具体应用时，在电脑上安装相应系列的PLC应用软件，电脑串行输出口和PLC的通信口经数据线连接起来；在电脑上编写各个电梯控制模块的梯形图，如自动开关门控制模块、轿厢内指令信号的登记与消除模块、厅外召唤信号的登记记忆与消除指层电路控制模块、指层控制模块和定向选层模块、检修运行模块和消防控制模块等，分别将各个模块梯形图下载到PLC中运行调试；调试过程中可充分利用PLC软件对电梯控制程序进行监控和调试；在外围线路有故障的情况下，可以利用强制某段PLC程序运行输出的方法使电梯运行，以确定故障的具体位置；当各个模块调试通过后，可将这些控制模块集成为完整的控制程序，再运行调试，直至通过为止。

由于梯形图比较长，所用软触点数比较多，难以记忆，因此可以在整个梯形图中软触点和线圈符号上标注其相应的功能名称，如楼层减速。这样通过讲解外围线路、梯形图等，学生对整个控制系统原理的理解和掌握就容易多了。在熟练地掌握了电梯基本控制线路、梯形图的原理和故障的检测方法后，可在电梯控制练习系统上进行更高层次的练习。如将原五层站的程序改为六层、七层站的程序；更改原程序的数据，如修改延时开、关门时问等。在变频调速器上练习参数的设定和输入方法，如设定上限频率、下限频率、加速时间、减速时间等，并可投入试运行。在电梯控制练习系统上进行以上练习，即使出错，也不会损坏设备，很适合反复练习。

［1］赵瑾.PLC的三层楼电梯模拟控制在实验教学中的应用［J］.时代教育，2011（5）：78-79.

［2］陈继文，杨红娟，李彦凤，等.电梯控制技术实验教学研究与探讨［J］.山东建筑大学教育教学研究文集，2008（1）：217-218.

［3］殷勤，潘斌.PLC在电梯教学模型控制系统中的应用［J］.机电工程技术，2012（11）：49-52.

［4］焦宇敏.电梯运行过程的PLC控制技术［J］.机床电器，2011（3）：26-2.