基于PLC的垂直货梯设计

刘俊， 朱东东， 郭琳

(商洛学院, 电子信息与电气工程学院，陕西，商洛 726000)

0 引言

垂直货梯主要是为了将货物从低处垂直运输到高处而设计的特种装置，广泛用于商场、仓库、新建高楼等场所[1]。随着电商时代对货物存储量、流通量、库房空间的要求不断提高，垂直货梯逐渐成为中大型仓库提升工作效率的必备选择，其稳定可靠、安全便捷的特性成为生产和使用双方的重点关注要素。PLC因其编程简单、可靠性高、功能易扩展、抗干扰能力强等特点受到了众多电气工程师和相关设备使用者的认可，已广泛应用于电梯[2-3]、数控机床[4]、提升机[5]等系统中。本文为了提升垂直货梯运行的安全性、稳定性和操作便利性，设计一种以PLC为控制核心，实体操控元件和监控组态并存的垂直货梯，不仅能够实现系统运行状态的可视化操作，还可以提升其使用效率。

1 系统结构及控制要求

基于PLC的垂直货梯是通过电动机正反转卷绕钢丝绳，带动吊箱沿垂直方向在导轨之间上下运动而实现。为了方便吊箱控制，该货梯在吊箱中安装有楼层指令请求按钮，在货梯附近的某个稳固位置安装有操控台。当吊箱中有人时，可以由吊箱人员控制吊箱运行目的楼层，此时相当于电梯功能；当吊箱只载货物时，吊箱的运行高度或楼层由箱外操控台的负责人员控制。该系统主要包括：①机械结构部分，包括井道部分的导轨、载物平台的导向滚轮、钢结构底座等；②驱动部分，包括电动机、制动器等；③电气部分，包括电机控制、信号、安全和照明等装置；④辅助部分，包括门系部分、安全装置等。垂直货梯3层结构如图1所示。

图1 垂直货梯三层结构

垂直货梯控制系统主要满足以下控制要求：

(1)吊箱运行状态可以通过吊箱内部楼层请求按钮和吊箱外操控台进行管理。(2)按下楼层请求命令，吊箱能快速响应，并能运行到指定楼层停止。(3)在吊箱上升或下降的过程中，若按下急停按钮，吊箱应立即停止，复位急停按钮后，需要重新选定楼层，吊箱方可再次运行。(4)有必要的楼层显示、信号指示灯功能。(5)可制作人机界面，通过触摸屏完成控制。

为了验证本文所设计的垂直货梯电气控制部分的可行性，特制作了简易5层垂直货梯实体装置模型。在该模型中，电气控制部分做了一定简化：① 层门为手动式，未与控制器实现电气连接；② 吊箱电动机采用低速直流电机，在运行过程中为恒速，未考虑变速控制。以下章节以5层垂直货梯实体模型的电气控制部分为研究对象进行相关软硬件等内容的详述。

2 控制系统硬件设计

2.1 PLC的I/O地址分配

PLC的I/O地址分配是软件编写和调试的前提，也是硬件电路设计的主要依据[6]。根据功能要求，制作基于PLC的5层垂直货梯。楼层显示采用BCD七段码数码管实现，该数码管包括2根电源线和4根数据线。由于本设计最高楼层为5层，需要数码管显示数字1～5，即数据输入端的二进制状态为0001、0010、0011、0100、0101，故当第4个数据引脚接低电位时，则只需PLC的3个输出点分别控制第1、2、3数据引脚即可实现数字1～5的显示。在操控台和吊箱内部操作盒上安装有楼层请求按钮，相同楼层请求的按钮接同一个PLC输入点。在各楼层均有1个限位开关，根据实际应用，限位开关的位置可调。在紧急制动或吊箱到达指定楼层时，需要在操控台和吊箱内安装声音提示器，本系统使用蜂鸣器实现。通过分析，该系统需要PLC控制器11个输入端子和11个输出端子，具体I/O地址分配结果如表1所示。

表1 I/O地址分配表

2.2 PLC接线原理图

根据系统控制要求和I/O地址分配，完成PLC硬件接线图，如图2所示。减速电机通过两个中间继电器的接线实现正反转运行，再通过曳引绳带动吊箱上升和下降。BCD数码管的第4个数据引脚接电源负极，即逻辑状态始终为0，第1～3个数据引脚分别接PLC的3个输出点，实现数码管1～5的数字显示。

图2 PLC硬件接线图

3 软件设计

3.1 程序程序设计

PLC程序设计是垂直货梯的控制核心，主要包括紧急制动模式和正常运行模式。按下紧急停止开关，进入紧急制动模式，此时，红色指示灯闪烁，蜂鸣器发出警示声，吊箱停止运行，各控制按钮失效。只有当紧急停止开关复位后，再次按下楼层请求按钮，吊箱方可运行。在正常运行模式下，当吊箱运行时绿色指示灯常亮；当吊箱停止时绿色指示灯熄灭。当吊箱停止运行时，按下楼层请求按钮，数码管HL4显示请求楼层号，控制器比较请求楼层号与吊箱所在楼层位置编号大小：若判断结果为大于，吊箱开始上升；若结果为小于，吊箱开始下降；程序循环判断，直到判断结果为等于时，蜂鸣器响3 s，绿色指示灯熄灭，数码管HL4显示数字0，吊箱停止运行。正常运行模式下的程序流程图和部分梯形图如图3、图4所示。

图3 程序流程图

图4 部分程序梯形图

3.2 组态软件设计

为了直观显示和控制垂直货梯，制作了人机界面。该系统使用步科ET070触摸屏实现上位机控制，故利用步科Kinco HMIware组态编辑软件进行组态设计。首先在工程文件中选择ET070触摸屏和PLC S7-200设备，并进行通信连接和参数设置。然后进入组态窗口，开始绘制交互图形界面。最后根据系统功能，定义组态变量设备地址和逻辑关系。组态界面如图5所示。

图5 组态界面

4 系统测试

为了验证系统的整体方案和软硬件设计的可行性和正确性，制作了基于PLC的垂直货梯实物模型，如图6所示。

图6 垂直货梯简易实物模型

将梯形图程序下载到PLC中，通过设备实体按键和PLC编程软件STEP 7内置的时序图分析功能验证程序编写的正确性。PLC部分I/O软元件的时序图如图7所示。开始，吊箱在1层等候，依次按下第2层～第5层请求按钮，测试吊箱上升状态；然后依次按下第4层～第1层请求按钮，测试吊箱下降状态；在第11.5 s时刻按下急停按钮，测试吊箱运行状态、红灯闪烁警示、蜂鸣器发声等效果。将组态工程文件下载到触摸屏内，连接线路，通电、通信，再分别通过设备实体按键和触摸屏，逐一测试在正常运行模式和紧急制动模式下，吊箱运行、数码管显示等实际工作效果。

图7 PLC部分I/O软元件的时序图

通过对设备的制作、程序调试、各项功能的测试，结果表明：基于PLC的垂直货梯能够实现吊箱的快速响应运行、准确停层，还可以实现紧急制动、声光警示等功能；不仅可以通过实体按钮的手动操控，还可以通过触摸屏的人机界面实现货梯的远程控制和状态实时显示。

5 总结

从系统结构、控制要求、软硬件设计、触摸屏组态设计、实物模型制作、功能测试等方面阐述了基于PLC的垂直货梯的设计过程。通过仿真测试和实物验证，表明基于PLC、传感器和组态控制技术的垂直货梯能够满足仓库、建筑物等环境的货物垂直输送，具有操作简单、安全可靠、运行稳定等特点。