基于組態(tài)軟件的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

王超 張春 楊蓮紅 胡曉波

摘 要： 為了提高電梯運行的可靠性和安全性，減少因異常狀態(tài)多而造成的判斷花費時間久和解決不及時等問題，構(gòu)建了在工業(yè)以太網(wǎng)下的多部獨立電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。使用OPC對象鏈接和嵌入式技術(shù)實現(xiàn)了PLC與監(jiān)控計算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，在博途軟件下完成了軟硬件組態(tài)、程序編寫和監(jiān)控畫面的組建。該系統(tǒng)具有故障檢測、報警和異常狀態(tài)報表顯示等功能，研究表明該監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，可極大地提高電梯維護(hù)人員的工作效率，對實際工程應(yīng)用具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞： 組態(tài)軟件； PLC； 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控； OPC通信； 故障檢測

中圖分類號： TN915.9?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0167?04

Abstract： To improve the reliability and security of the elevator running， and avoid the problems of long judgment time and delayed solution caused by abnormal condition， the remote monitoring system for multiple independent elevators under the industrial Ethernet was constructed. The data communication between PLC and monitoring computer is realized by means of OPC object linking and embedded technology. The establishment of software and hardware configuration， program compiling， and monitoring interface was accomplished with TIA software. The system has the functions of fault detection， alarm， and report display of abnormal condition. The research results show that the monitoring system can run stably and reliably， and greatly improve the working efficiency of the elevator maintenance personnel. It has certain promotional value for the practical engineering application.

Keywords： configuration software； PLC； elevator remote monitoring； OPC communication； fault detection

0 引 言

隨著城市的發(fā)展，高層建筑越來越多，電梯成為必不可少的承載工具，傳統(tǒng)的電梯巡檢采用操作人員定期去檢查，異常狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)多依賴用戶、被困人員以及值班人員等[1?2]，由于電梯數(shù)量眾多且多是獨立的運行狀態(tài)，無法進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，從而增加了維護(hù)人員的工作量和工作強(qiáng)度，為了解決此問題，可以通過以太網(wǎng)方式將電梯連接到網(wǎng)絡(luò)中，不需要額外的硬件設(shè)備，就可以實現(xiàn)管理與控制的數(shù)據(jù)集中，解決運行過程無法統(tǒng)一監(jiān)管的”孤島效應(yīng)”，操作人員在控制室就能實時監(jiān)控電梯的運行狀況，一旦出現(xiàn)故障，便可迅速知道故障出現(xiàn)的具體位置、查詢異常狀態(tài)報表可知道故障出現(xiàn)的原因，由此可縮短維修電梯的時間，保證電梯的可靠運行。

1 PLC電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)和PLC組成，監(jiān)控計算機(jī)內(nèi)安裝有博途軟件以及相對應(yīng)的授權(quán)許可證，具有對工程項目文件進(jìn)行新建、編輯、修改、下載等功能[3]，用SIMATIC NET軟件構(gòu)建OPC服務(wù)器，博途平臺下WINCC V13作為客戶端，OPC服務(wù)器通過以太網(wǎng)方式與PLC建立通信關(guān)系，對PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫操作，并通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口傳送給OPC客戶端，即可實現(xiàn)對整個電梯運行狀態(tài)的監(jiān)控和管理，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 電梯模型結(jié)構(gòu)圖

電梯模型主要包括電梯整體結(jié)構(gòu)：轎廂、曳引電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)以及各種限位開關(guān)[4]；各個樓層按鈕：上、下行呼梯按鈕，顯示及指示燈信號；電梯內(nèi)部信號：轎廂開關(guān)門按鈕、轎廂選層按鈕以及對應(yīng)的指示燈等；控制信號及其他：樓層門鎖信號、上、下平層信號、超重信號、上、下端限位信號和檢修開關(guān)等，電梯模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本設(shè)計以控制獨立3部10層電梯為例、每部電梯均由西門子PLC作為控制器完成控制，通過以太網(wǎng)連接組成監(jiān)控系統(tǒng)，PC機(jī)上運行的基于TIA博途平臺的WinCC V13構(gòu)成的虛擬電梯仿真模型，實現(xiàn)對電梯的實時監(jiān)控運行。

2 PLC電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 電梯運行狀態(tài)分析

通過以太網(wǎng)相連的多部虛擬電梯，電梯之間無信息交換，每部電梯的運行狀況通過監(jiān)控計算機(jī)完成監(jiān)控，虛擬電梯可以根據(jù)不同樓層用戶的需求及時響應(yīng)，可實現(xiàn)自動平層、開關(guān)門、上下限位、層門聯(lián)鎖保護(hù)和異常狀態(tài)監(jiān)測等功能，電梯在運行中能夠把召喚信號集合起來進(jìn)行應(yīng)答，并自動在指定的層站平層停靠，電梯響應(yīng)完所有的呼梯信號和選層信號后，停在最后一次運行的目標(biāo)層待命，平層時按照設(shè)定的時間原則依次觸發(fā)三級制動減速，平層后切斷上、下行接觸器抱閘停車，運行中需要對當(dāng)前的運行方向、當(dāng)前樓層進(jìn)行實時監(jiān)控與顯示，相鄰兩層采用低速運行、跨層則高速運行。電梯會根據(jù)當(dāng)前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號及光幕信號等合理的進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)門未全關(guān)時，比如有光幕信號，則需要優(yōu)先響應(yīng)，保持電梯門打開，當(dāng)電梯平層開門后，延時關(guān)閉，當(dāng)電梯無指令或者外登記超過一段時間后，轎廂內(nèi)照明、風(fēng)扇自動斷電，以節(jié)約能源，待接到指令或者呼叫信號后自動投入運行，當(dāng)有異常狀態(tài)時（超重、開關(guān)門故障或者曳引電機(jī)故障）通過故障燈指示，并通過報表顯示出異常狀態(tài)的信息。

2.2 組態(tài)軟件與PLC的OPC通信的實現(xiàn)

OPC用于服務(wù)器/客戶機(jī)連接的統(tǒng)一而開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范[5?6]，通過OPC技術(shù)可以實現(xiàn)PLC與組態(tài)軟件的通信，組態(tài)軟件與PLC的通信實現(xiàn)過程如下：

（1） 在SIMATIC NET中打開站組態(tài)編輯器，分別在Inedx1和Index2中添加OPC Server和IE general，將此配置映射到博途PC station中。

（2） 在博途軟件下對S7?300PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，在PLC硬件組態(tài)畫面中選中PROFINET interface，設(shè)置以太網(wǎng)屬性，包括設(shè)置CPU的IP地址、子網(wǎng)掩碼等信息。

（3） 博途軟件下PC station配置：在PC station中Slot 1插入OPC Server，在Slot 2中插入IE general，之后需要對OPC Server和IE general的屬性進(jìn)行設(shè)置，即可把博途下Step7中的全局符號變量和共享DB數(shù)據(jù)塊中的變量集成到OPC Server中。

（4） PLC與OPC Server建立連接：在Devices&networks中選擇“S7 connection”，即可把PLC與PC station中的IE general連接起來。組態(tài)完成分別下載到PLC和PC station后，此時OPC Server就可以通過符號訪問PLC中的數(shù)據(jù)了。

2.3 主程序流程

以太網(wǎng)下監(jiān)控的每部電梯均執(zhí)行同樣的程序，開始運行時，首先初始化電梯使轎廂回到底端等待召喚，判斷是否有內(nèi)選或者外選信號，若沒有內(nèi)外選信號，則要判斷電梯是否是待載休眠或是檢修方式，若有內(nèi)外選信號，則要判斷是否是同層的內(nèi)外選，若不是同層需要拿本層與目標(biāo)層進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果確定是接通上行或者下行接觸器，為了縮短電梯運行時間，若本層與目標(biāo)層無間隔層則低速運行，若有一個及以上的間隔層運行在高速運行狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)層的前一層時，實現(xiàn)高低速切換，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)層時依次觸發(fā)一、二、三級制動，平層結(jié)束后執(zhí)行開門動作，若有開門故障，則報警提示操作人員解決此故障，若有超重故障，通過減少重量解決，若有關(guān)門故障，也需要報警提示操作人員解決。

主程序流程圖如圖3所示。

2.4 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試

使用博途 WINCC V13繪制監(jiān)控電梯模型，WINCC V13下提供了豐富的界面制作工具，可生動形象地繪制出對象模型，可直觀形象地觀察實驗調(diào)試結(jié)果，在博途STEP7 V13下首先要建立硬件組態(tài)，之后建立變量表，在監(jiān)控界面下需要對畫面中的動畫和變量建立連接[7?9]，通過OPC驅(qū)動就可以把PLC變量添加到WINCC中，畫面中的對象就可以根據(jù)需要與這些變量進(jìn)行連接，進(jìn)而在組態(tài)監(jiān)控界面上實時顯示，由于在博途軟件中STEP7和WINCC使用相同的數(shù)據(jù)庫，因而PLC與WINCC的通信連接就非常方便。

監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接三部電梯，該系統(tǒng)由主界面和各個單部電梯界面組成，如圖4所示。主界面包括三部獨立電梯的基本運行狀態(tài)、異常狀態(tài)報表和單部電梯切換按鈕，單部電梯界面包括電梯模型、內(nèi)外選信號區(qū)、1號電梯運行狀態(tài)區(qū)和菜單區(qū)等。系統(tǒng)運行時，首先打開主界面，通過主界面可以觀察到三部電梯的基本運行狀態(tài)：1號電梯從一層低速上行，2號電梯從3層低速上行，3號電梯從6層低速上行，無異常狀態(tài)，單擊1號電梯界面，即可切換到1號界面監(jiān)控，從中可以觀察到次時2層內(nèi)呼按鈕點亮，上行接觸器接通，上行指示燈點亮，電梯即將運行至2層，照明和風(fēng)扇處于運行狀態(tài)，1～10層門鎖處于關(guān)閉狀態(tài)，因本層和目標(biāo)層無間隔，電梯運行在低速狀態(tài)，若到達(dá)2層，電梯將首先接觸到2層的下平層傳感器，以此確定電梯到達(dá)2層，接著開始執(zhí)行一、二、三級制動，直到電梯的上、下平層傳感器都被接通，電梯抱閘，觸發(fā)開門繼電器，梯外人員可以進(jìn)入電梯，控制電梯繼續(xù)運行，1號電梯監(jiān)控畫面如圖4（b）所示。

若出現(xiàn)超重現(xiàn)象，則超重指示燈亮，門保持常開狀態(tài)并寫入異常狀態(tài)表，只有當(dāng)超重問題解決，電梯才會正常運行。若出現(xiàn)門打不開或者關(guān)不上，就會出現(xiàn)開、關(guān)門故障，若當(dāng)電梯上、下運行時長時間不觸及上、下平層傳感器，系統(tǒng)將認(rèn)為電梯曳引機(jī)故障，電梯停止運行并且故障指示燈常亮，同時PLC會發(fā)送曳引故障的字符給監(jiān)控畫面，監(jiān)控畫面收到該信號就會打開異常狀態(tài)報表，如圖5所示，該報表顯示了1號電梯門故障、2號電梯門故障和3號電梯曳引故障，維護(hù)人員通過查看報表便可及時知道電梯出現(xiàn)的故障是何種類型，從而能及時修復(fù)電梯，確保電梯可靠、正常的運行。

3 結(jié) 語

本設(shè)計在博途平臺下完成了基于以太網(wǎng)連接的多部電梯的實時監(jiān)控，采用OPC技術(shù)實現(xiàn)博途軟件與PLC的通信，通過實時監(jiān)控和異常狀態(tài)報表有助于發(fā)現(xiàn)電梯故障并對故障進(jìn)行分析和判斷，從而縮短故障停梯時間、減少維修人員的工作量，對保障電梯安全運行具有很大的作用。

注：本文通訊作者為張春。

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