基于PLC控制的老舊居民樓多功能電梯設計

北京聯合大學 王豐周 楊志成

本文介紹了一種基于PLC的多功能電梯的設計原理及系統組成，應用于老舊居民樓的升級改造。詳細闡明了多功能電梯的總體設計和工作流程，并在控制系統的硬件設計、主控程序進行詳細研究。

無電梯的老舊居民樓是困擾老年人、殘疾人上樓下樓和快速逃生的主要問題之一。傳統的方法是在樓門外側加蓋專門的電梯井安裝電梯。但是，由于老舊小區的樓與樓之間距離狹小，如果增設電梯將給居民的通行增加困難，使得部分老舊樓房上下樓問題至今沒有解決。經調查發現，生活在老舊居民樓的居民多是故土難離的老年人，他們行動不便，一旦發生火災，逃生也成了大問題。隨著具有高可靠性、易編程修改等特點的PLC的普及和完善，使用可編程控制器來實現對多功能電梯的控制成為可能。本設計利用PLC、觸摸屏、升降電機以及各類傳感器和現場控制設備，來實現對電梯轎廂自動上下、轎廂門的開關，以及在危險時段切換到直流電源功能的控制。從而對減輕老年人、殘疾人上下樓困難，并在危險時段為人們的快速逃生提供幫助。

1 系統總體設計及功能介紹

1.1 系統功能介紹

多功能電梯結構如圖1所示，它主要有三個作用。第一個是日常作用，主要解決人們的上下樓問題，包括呼梯到達功能和指示送到功能。呼梯到達功能，即在外部按上下樓指示按鈕，電梯轎廂在控制器的控制下，自動到達相應樓層，并打開轎廂門。指示送到功能，即在電梯內部按箱內相應樓層的按鈕，電梯轎廂在控制器的控制下到達相應樓層，也自動開關門。第二個是特殊作用，主要解決行動不便的老年人、殘疾人在發生危險時從高處快速逃離功能。從常識得知，電梯在發生火災等特殊情況是不能使用的，而本電梯不設電梯井，只設外廓（圍欄），避免電梯井的煙囪作用，其他電線電器放在樓外做到防雨、防火就可以了。因此，逃生時相對安全。第三個是能源自助，主要解決特殊情況下，電梯的能源被切斷，電梯無法運行。本文設計的電梯可依賴乘客重量，帶動發電機發電，從而實現能源自助。

圖1 多功能電梯結構框圖

1.2 控制系統總體設計

控制系統是以PLC作為控制器；以光電傳感器、旋轉編碼器等作為變送器將轎廂上下速度、轎門開關的信號進行采集；用熱繼電器、運放電路和相應的電機作為執行機構的負反饋控制系統。同時采用上位機、觸摸屏等作為監控系統主要設備，監控的安全運行。升降裝置包括1個交流升降電機、1個直流升降電機、減速機構、轉向離合器等。控制系統總體結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統總體結構框圖

2 關鍵部位的設計

2.1 多功能電梯動力切換裝置結構設計

多功能電梯不僅具備普通電梯的自我保護、診斷、梯位矯正功能，還要有識別特殊情況發生自動切換特殊檔位的功能。由電磁離合器、交流電動機、直流電動機、直流發電機等組成。電磁離合器接受PLC控制。多功能電梯動力裝置結構示意圖如圖3所示，特殊情況發生時電梯能夠空駛上行至任何樓層，確保樓上人員平安下行；當有人需要下行時，電磁離合器斷開輸出軸與直流電動機鏈接，而與直流發電機鏈接。電梯轎廂依靠自身與電梯乘客重量下行，電梯轎廂下行帶動發電機轉動發電。發電機產生的電流送入儲能系統，電能又可以為后續的人快速逃生提供能源，從而實現了多功電梯的能源自助。

圖3 多功能電梯動力切換裝置結構圖

2.2 轎廂與配重的設計

因為多功能電梯肩負著逃生功能，一旦發生險情，市電就會切斷，儲能系統的電量就愈發珍貴，因此，配重的設計至關重要。配重是為了減輕交、直流電動機負荷，平衡電機負載，依靠重力，專門設置的。一般情況下電梯配重與轎廂重量比是2：1或3：2。而本文設計的配重重量需要現場實驗，即采用經驗湊試法。以自然狀態下，轎廂和配重分至于支撐裝置的兩端，且高度相等。觀察 轎廂上下起步時電機負荷變化情況，以電機負荷最小為宜。因為這樣考慮了鋼絲繩、保護繩的重量以及摩擦力等方面的影響。

2.3 儲能系統的設計

儲能系統包括一個發電機、電磁離合器、電源調理電路、蓄電池等。發電機的輸入軸安裝在轎廂上方的主輪上，一旦發生斷電，PLC控制電磁離合器啟動，讓發電機組與主輪吸合。但有乘客逃生下行時，在轎廂和乘客的重量帶動下，發電機組開始發電，電流通過電源調理電路調理，儲入儲能機構，供電梯使用。

2.4 關鍵設備的選擇

電磁離合器內部裝有線圈，當線圈通電時會產生很大的磁力，在銜鐵電磁力的作用下，壓迫彈簧片產生變形，使得動盤與“銜鐵”吸合在一起。此時，離合器處于接合狀態；反之，線圈斷電時，磁力消失，“銜鐵”在彈簧片彈力的作用下彈回，離合器處于分離狀態。電磁離合器CDF1S5AA它的工作電壓為24V。

另外還有動力裝置的選擇，包括直流電動機、交流電動機、開關門用的直流電動機。直流電動機為24V直流減速電機，不小于300W；交流電動機為380V，功率不小于7.5KW，開關門用的直流電動機也用24V直流電動機即可。

3 控制系統硬件設計

多功能電梯硬件的整體布局為：運動裝置采用交流電機和直流電機實現轎廂的自動上下功能。采用直流電機實現轎廂的自動開關門。控制器采用PLC來實現對交流電機，電磁離合器，直流電機進行控制，從而實現電梯自動上下以及特殊情況發生時自動切換電梯狀態的要求。此外通過觸摸屏來進行監控、調試與校準等方面的管理。

3.1 控制器選型及I/O地址分配

設計使用松下公司的FP1—40PLC，其自身帶有兩個高速脈沖輸出口，24點輸入和16點輸出，此外根據設計要求還可以擴展n個16點輸入16點出的E16模塊。電梯系統PLC的I/O分配如圖4所示。

圖4 電梯系統PLC的I/O分配圖

3.2 觸摸屏選型

觸摸屏采用昆侖通態自動化生產的TPC1062Ti觸摸屏。它采用MCGS軟件組態，方便快捷。觸摸屏TPC1062Ti有10寸，復合人們的人機對話需要。它與PLC之間10/100Mbps自適應以太網通信，實現管理監控PLC的作用。

4 系統軟件設計

4.1 PLC程序設計

根據電梯的控制要求，對軟件進行流程圖設計。系統總體工作流程圖如圖5所示。依據系統日常控制規則以及特殊狀態流程，控制系統程序采用模塊化編程。將其設計為上下樓程序、平層控制程序、復位控制程序和特殊動作程序四個部分組成，相互之間即相互關聯，安全第一原則。

圖5 系統總體工作流程圖

4.2 觸摸屏的界面設計

根據觸摸屏控制要求，采用MCGS組態軟件對觸摸屏設置。設置監控PLC的人機對話窗口。觸摸屏的人機對話窗口設計如圖6所示。主要設定樓層數、行駛速度、轎廂室內溫度、電梯編號等。通過翻頁功能還可以設定報警值、初始化、復位、重置密碼等功能。

圖6 觸摸屏人機窗口設計圖

5 試驗與結論

5.1 試驗

為了驗證本研究的合理性，設計并制造了多功能電梯模型，電梯模型如圖7所示。在實驗室內對模型進行了試驗，試驗包括日常運行、特殊情況運行和自助能源運行三個方面。試驗過程中PLC控制的電梯運行良好，均達到了設計要求。

圖7 多功能電梯模型

5.2 結論

在我國即將進入老齡化社會的情況下，老人們的出行和高層逃生問題也越來越得到重視。多功能電梯有結構簡單、易于控制等優點。針對傳統的電梯在發生危險、斷電不能運行等問題，設計了能源自助的多功能電梯。電梯通過PLC和觸摸屏控制交流電機、電磁離合器、直流電機等裝置，具有便于監控、價格低廉運行可靠等優點。測試結果表明此系統運行平穩，且上下樓快速可靠，解決了老年人、殘疾人高樓出行問題，本設計提高了人們的生活質量，有著良好的應用前景。