基于PLC和單片機的電梯雙控系統(tǒng)的方案研究

車 玲，蔣金周

(南通職業(yè)大學，江蘇 南通 226007)

引言

電梯在當今社會中已成為城市生產和生活中不可或缺的交通運輸工具。同時，各高等院校的電氣自動化、建筑工程、應用電子、機電一體化等專業(yè)也將電梯的結構、運行控制等知識做為理論及實訓的課程內容。教學電梯模型被普遍應用在各專業(yè)的教學實踐中，并取得了較好的教學效果。各院校正在使用的市售或自制電梯教學模型，普遍使用PLC控制系統(tǒng)，進行PLC、電機拖動、電梯結構及控制等教學。

為拓展教學范圍，增加電梯教學模型設備使用率，提高教學質量，電氣教研組設計了電梯的雙控制系統(tǒng)，即PLC和單片機雙控制系統(tǒng)，并增加了電梯監(jiān)控系統(tǒng)，運用組態(tài)對電梯進行實時監(jiān)控。

1．電梯系統(tǒng)設計

現(xiàn)代常用電梯的控制器以可編程控制器(PLC)為主流，其特點為可靠性高，穩(wěn)定性好，編程簡單，易讀易懂，維護方便，這也是近年來機電一體化、電氣自動化、智能樓宇控制等專業(yè)的配套教學和實驗裝置主要使用的控制方式。而基于單片機的電梯控制方式與PLC控制方式相比面言，具有成本低、功能多等特點。本設計采用89C52單片機，成本較PLC低很多。此外，除主要用于了解電梯的工作原理和應用外，其硬件采用了模塊化的設計方式，各模塊可以進行二次開發(fā)和重新開發(fā)，學生可以以電梯模型為基本平臺，進行單片機的程序設計，或進行集中實訓和畢業(yè)設計等工作。

電梯模型的雙系統(tǒng)控制圖如圖1所示?？删幊炭刂破?PLC)和單片機均與內呼面板、外呼面板、變頻器、手動控制面板及上位機相連接，通過電源開關選擇控制器的類型，以達到不同的教學目的。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

2．系統(tǒng)硬件電路圖

本方案是在原有電梯模型的基礎上而進行的改進設計，在原有的PLC控制線路基礎上增設了單片機控制線路。當電梯系統(tǒng)運行時，利用電源選擇所使用的控制核心，即選擇PLC系統(tǒng)或單片機系統(tǒng)。

圖2 電梯信號控制系統(tǒng)框圖

如圖2所示，控制系統(tǒng)的輸入信號包括:運行控制信號、運行方式信號、內選按鈕信號、電梯換速信號、外選按鈕信號、編碼器信號、安全保護信號、開關門信號、樓層顯示信號。各信號并聯(lián)接入PLC的輸入端及單片機的P0和兩個P1端口，如PLC上電，則輸入信號由PLC采集，反之則由單片機的I/O口采集，兩個控制器互不干擾。同樣，PLC和單片機通過加載不同的程序來控制門電機、呼梯信號顯示、呼梯蜂鳴器、運行方式顯示、電動控制系統(tǒng)、開關門控制、樓層顯示、變頻器等控制對象使電梯運行起來。

同時，學生可以利用手持編程器對PLC編程，利用燒錄器對單片機編程，或進行PLC、單片機與變頻器的接口線路的設計等，擴展了教學電梯模型的應用范圍，提高了教學效果。

3．系統(tǒng)程序設計

3．1 PLC程序設計采用GX Developer編程軟件，該軟件支持32位系統(tǒng)，是應用于三菱系列PLC的中文編程軟件，交互界面友好，可視性強。GX Developer編程軟件功能強大，是工程技術人員實現(xiàn)快速、有效編程不可或缺的工具。

(1)在GX－Developer中，可通過線路符號，列表語言及SFC符號來創(chuàng)建PLC程序，建立注釋數(shù)據及設置寄存器數(shù)據。

(2)創(chuàng)建PLC程序并將其存儲為文件，能夠滿足多層次的邏輯設計要求。

(3)PLC使用串口通信方式與上位機進行通訊，文件傳送，操作監(jiān)控以及各種測試功能。

(4)程序可脫離PLC進行離線仿真調試。

3．2 單片機程序設計采用目前較流行的Keil編程軟件，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)，既可使用C語言，也可使用匯編語言進行編程。Keil軟件提供了包括宏匯編、C編譯器、庫管理、連接器和仿真器等的完善開發(fā)系統(tǒng)，可在目前使用的任何操作系統(tǒng)上運行。Keil軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，程序具有功能性強、結構緊湊、可讀性強、維護簡單，容易解讀等特點。

保證電梯能夠準確、高效、人性化的運行，電梯所處狀態(tài)的正確分類及判斷是關鍵。電梯運行時，程序分四種情況判斷:電梯上行送人、電梯上行接人、電梯下行送人、電梯下行接人。程序依據電梯上行還是下行及接人還是送人來判斷這四種情況。如電梯處于上行狀態(tài)，則在該過程中響應不同顧客的優(yōu)先級為:高層呼叫上行乘客＞高層呼叫下行乘客＞底層呼叫下行乘客＞底層呼叫上行乘客。

4．電梯監(jiān)控系統(tǒng)

目前，計算機控制技術、網絡技術迅猛發(fā)展，使得人機交互、實時監(jiān)控技術成為現(xiàn)代控制技術領域的一個發(fā)展方向。現(xiàn)代的控制系統(tǒng)與以往的最大區(qū)別就是交互性越來越高，傳統(tǒng)的控制方式需要很多工作人員分布在現(xiàn)場，而現(xiàn)在只需一名工作人員坐在控制室計算機前便可對整個控制系統(tǒng)進行全方位的監(jiān)控。人機交互的工控組態(tài)軟件的出現(xiàn)和發(fā)展極大的方便了系統(tǒng)的監(jiān)視、控制與管理。對于電梯系統(tǒng)而言，有了監(jiān)控系統(tǒng)可為電梯的正常有效運行提供更加安全的保障。

本方案采用的MCGS是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套組態(tài)軟件，基于Windows平臺，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)，主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據的采集與監(jiān)視、前端數(shù)據的處理與控制等功能。目前，我院學生學習的組態(tài)技術以MCGS為主，因此，通過設計教學電梯模型的監(jiān)控系統(tǒng)，可讓學生在學習組態(tài)技術時有真實的控制對象，提高學習效率。

對于雙控系統(tǒng)，即包含PLC和單片機的控制系統(tǒng)，解決的主要問題是兩種控制器與上位機的通信問題，如圖3所示。

(1)單片機上位機之間的通信采用RS232轉接模塊實現(xiàn)串行通信方式;

(2)三菱FX系列PLC本機無串行通信的能力，為了得到這個功能需外擴FX232－BD或FX485－BD通信模塊，本設計采用FX232－BD模塊，通過RS232通信接口與上位機通信;

(3)上位機安裝MCGS組態(tài)軟件，通過設置通信方式、通信端口、波特率等參數(shù)，即可實現(xiàn)通信。

圖3 控制系統(tǒng)與上位機通信框圖

利用MCGS組態(tài)軟件監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)，要將繪制的圖形界面進行動畫設置，才能真實描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過程實時監(jiān)控的目的。實現(xiàn)圖形動畫設計的方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據庫中的數(shù)據對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性。在系統(tǒng)運行過程中，圖形對象的外觀和狀態(tài)特征，由數(shù)據對象的實時采集值驅動，從而實現(xiàn)了圖形的實時動畫效果，達到在線監(jiān)控的目的。

在MCGS中，實時采集數(shù)據是由MCGS與PLC通信實現(xiàn)的。首先進入設備組態(tài)窗口完成設備組態(tài);設備組態(tài)完成后，進入通用串口父設備屬性編輯界面，根據設備通訊要求和連接情況，完成通用串口父設備屬性編輯界面中相關的參數(shù)設置，如圖4所示;再返回設備組態(tài)窗口，選擇設備1－[三菱Fx－232]屬性設置窗口，設置“基本屬性”，“通道連接”，“設備調試”，“數(shù)據處理”選項中最小采集周期、通信波特率、通道類型等參數(shù)，其中，“通訊狀態(tài)標志”欄中，顯示“0”則表示通訊正常，若顯示“1”則表示通訊不正常。四層電梯的組態(tài)監(jiān)控界面如圖5所示。

圖4 通用串口父設備屬性編輯窗口

圖5 四層電梯組態(tài)監(jiān)控界面

5．結束語

綜上所述，通過對教學電梯模型進行重新設計，增加了其使用范圍，可進行多學科的教學實驗工作，同時也提高了設備的使用率。此外，為更接近真實的電梯，在后續(xù)的改進設計中可增加稱重系統(tǒng)、屏蔽電路等設計，以提高電梯系統(tǒng)的整體運行能力。

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