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基于計算機制約技術的實驗實訓電梯的實施方案和評價
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【摘 要】本課題根據行業發展方向，結合高職實踐教學的特點，開發與實現的實驗實訓電梯設備包括實驗實訓電梯制約系統和計算機制約系統兩部分。
電梯制約系統由實物電梯、PLC、現場傳感器、變頻器等組成，可以獨立運轉。
計算機制約系統采用組態軟件編程實現監控畫面，以動畫方式實時顯示電梯的運轉狀態，具有報警功能，同時可以提供強大的演示功能。
【關鍵詞】實驗實訓;電梯設備;實施方案
一、課題研究背景及作用
電梯是住宅、商店、賓館、多層廠房和倉庫等高層建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。
根據電梯行業協會的初步統計，上世紀90年代中后期建設的電梯房，如今的使用年限正在逐步邁入15年至20年，這是電梯使用的“大限”。
但由于沒有明確、統一的報廢年限，許多電梯超期服役，帶病工作。
分析人士認為，近年來我國電梯安全事故頻發，大多與電梯使用時間較長、運轉維護不到位有直接關系。
中國電梯協會統計顯示，我國電梯數量達到200萬臺，并以每年20%的速度增長，但是從電梯英才網了解到，我國電梯維保人員比較缺乏，電梯維保技師是電梯企業常年熱招的職位，需求量遠遠無法滿足目前市場的實際需求。
又由于電梯在使用方面、結構方面和技術覆蓋面的特點決定，從事電梯行業的人員素質和技術水平亟待提高，而在人才培養方面，專門開設電梯專業的學院和具有電梯實物教學的培訓場所卻很少，又由于電梯行業人才培養，受實驗實訓器材、設施和師資、培訓成本等因素的限制，學習渠道有限而且實踐的機會少，導致專業人才隊伍建設薄弱，技術人員短缺。
近年來電梯事故頻發更是凸顯了行業內人才供求的矛盾。
所以，進行實驗實訓方面的電梯開發具有非常廣闊的市場前景。
二、課題的研究方案
本課題基于筆者所在院校的電氣自動化技術專業和電梯專業的培養方案，結合課程整合化和項目教學化為需要，以實驗實訓設備為依托，訓練學生對該專業課程體系的理解和學生實踐動手能力的提高，從而不斷滿足電氣行業和電梯行業人才需求。
該實驗實訓設備旨在以下幾個方面做具體研究，其具體研究內容如下：
(1)電梯機械機構的研究：旨在滿足學生能理解電梯的結構組成和基本功能，尤其是主要機械部件的功能作用。
(2)電梯制約系統硬件設計：對PLC和變頻器、傳感器這些關鍵設備進行選型，主要結合現在生產實際應用較廣泛應用的類型為指導思想，滿足學生對該相關課程的學習需要和系統設計需要，還包括電梯實驗系統的電氣制約電路及關鍵設備的保護電路，從而滿足兩個專業課程學習訓練需要和培養計劃。
(3)電梯制約系統軟件設計：分析了電梯運轉模式，并根據電梯運轉模式設計教學電梯制約程序流程圖及相關功能模塊說明。
(4)電梯實驗設置：根據本院電氣自動化技術和電梯專業課程體系和學生技能訓練的需要，設置實現方式，并借助于組態軟件，以動畫方式實時顯示電梯的運轉狀態，并具有報警功能。
三、實施方案
(1)電梯的結構分析與實現：電梯是機、電一體化產品。
其機械部分好比是人的軀體，電氣部分相當于人的神經，制約部分相當于人的大腦。
各部分通過制約部分調度，密切協同，使電梯可靠運轉。
考慮到教學實驗的特殊要求和直觀教學的效果，本課題采用的電梯全面、逼真地模擬實電梯。
設計成最常見的3層3站升降式電梯，并采用市面上常見的電梯仿真模型。
機械部分尺寸大小按照實際電梯尺寸同比例縮小，采用不銹鋼材料制成，結構與實際電梯幾乎相同;在電氣制約系統上，引入了實際電梯所具備的全部現場的輸入輸出電氣信號，確保能夠實現各種方式下電梯運轉的邏輯制約功能。
空間上考慮一般分為四個部分：機房部分、井道部分、層站部分和轎廂部分，根據電梯各構件的功能，則分為八個部分：曳引系統、轎廂、導向系統、重量平系統、門系統、電力拖動系統、電氣制約系統和安全保護系統。
(2)可編程序制約器(PLC)的選擇：可編程制約器作為工業自動化的核心設備其應用極為廣泛，基本上只要有工廠，有制約要求，就會有PLC的應用。
隨著PLC技術的發展，PLC的品種、型號、規格、功能各不相同，而不同型號的PLC，其結構形式、容量、性能、價格、指令系統、編程方式等也各有不同，適用的場合也各有側重。
本課題PLC的選擇主要應從PLC的機型、I/O模塊、容量、特殊功能模塊、電源模塊、通信聯網能力以及根據學生就業調查和目前市場上應用情況等綜合考慮，本課題最終選擇了日本OMRON生產的CMP一2A型機。
該機型專用于開關量制約，其體積小，安裝起來節省空間;性價比高，CMP-2A型機采用的是箱體結構，其價格便宜，可靠性高;易于擴展，該機型的任一種CPU箱和任一種擴展箱均可配置在一起。
(3)變頻器的選擇：變頻器的對于制約系統的正常運轉是非常關鍵的。
實驗實訓電梯用于演示電梯功能原理并不載人，曳引電機拖動的負載只有轎廂和對重。
據實驗實訓電梯選用的曳引電機，變頻器最終采用松下電工生產的通用型VF0系列變器BFV00042G。
VF0系列變頻器體積小巧、價格便宜、操作簡單、功能齊全，并能用PLC直接制約，非常適合教學電梯使用。
(4)組態王軟件應用的優勢：本課題中采用組態王軟件，實現了實驗實訓電梯系統的動態監控、教學演示等功能，具有非常直觀的可視化性能，便于實驗實訓教學的開展;同時自動化軟件的引入，提高了實驗實訓設備的技術含量，也拓寬了實踐教學范圍，還可提高學生在新技術應用方面的能力。
為了直觀的顯示電梯運轉情況，將組態軟件與PLC可編程制約器相連，實現實時監控。
組態軟件可以從PLC中讀取輸出信號，真實的顯現電梯運轉情況，同時也可以給PLC提供輸入信號，制約電梯的運轉。
四、實施效果分析
(1)電梯的真實性：本次研制的實驗實訓電梯設備采用三層三站結構，電梯的主要部件通過購買實際電梯的零部件完成，框架、機械連接、電氣配電柜采用自主開發方式完成。
井道采用模擬的框架結構，采用機械小車代替轎箱運轉，有配重、各類行程開關、層站、曳引機構、OMRON的制約器、變頻器等，除了框架尺寸成比例縮小以外，其余均與實際電梯相同。
本課題電梯的層站的結構采用獨立設計，符合電梯標準，從而降低設計成本。
轎箱的結構采用實物轎箱，內部的電器部件、制約結構、消防、通訊聯絡都和正常使用的電梯是一樣的。
采用一臺工業制約計算機(工控機)，作為電梯的制約主體。
PLC做為下位機與工控機完成通訊，PLC通過采樣電梯現場情況，以組態形式反映在計算機上，直觀地監控電梯的運轉，同時工控機還可以向PLC下達運轉指令，制約電梯的運轉狀態。
(2)操作性的實用性：本實驗實訓電梯設備主要用于教學和勞動技能鑒定。
學生在該設備上可進行安裝、調試、運轉、故障檢測、維修維護等操作，因此該設備的部件都是可拆卸、可按照所需要的功能重新進行組合，以完成不同的實驗、實訓項目，從而多方位提高學生的操作技能。
(3)教學的演示性：本實驗實訓電梯在安裝、調試、運轉、故障檢測、維修維護等項目的教學上充分體現了它的演示性和操作的靈活方便性。
該設備通過采用自動化軟件一組態王，應用組態王強大的動態監控、界面支持、數據處理、網絡狀態制約、豐富的文本提示等功能，實現在計算機上可以演示電梯的各種運轉狀態。
通過這種方式能使學生先通過軟件演示、模擬現場、解決理由，再進行實際的操作，實時性更強，效果也更好。
(4)技術的先進性：在本次研制開發的實訓電梯中除了一般電梯模型所具有的功能外，還增加了計算機制約系統、自動化軟件(組態王)、計算機通訊等先進技術，可以模擬出各類電梯、群控電梯的狀態，在先進性方面可以說是其它電梯模型所不具備的。
【參考文獻】
[1]中國電梯網.探析電梯技術發展趨勢.2014
[2]羅世亮.基于PLC的電梯教學實驗系統研究[D].廈門大學，2012.
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