基于博途軟件的PLC電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 超， 孫萬麟

(昌吉學(xué)院 物理系,新疆 昌吉 831100)

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基于博途軟件的PLC電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 超， 孫萬麟

(昌吉學(xué)院 物理系,新疆 昌吉 831100)

針對(duì)電梯運(yùn)行時(shí)發(fā)生異常狀態(tài)種類多、分析判斷花費(fèi)時(shí)間長以及解決不及時(shí)等問題，構(gòu)建了由PLC、觸摸屏和PC機(jī)的基于博途軟件的單部六層電梯監(jiān)控系統(tǒng)，在博途平臺(tái)下完成了電梯監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)、程序編寫和電梯仿真模型及監(jiān)控界面的組建。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯的運(yùn)行情況，具有故障檢測、報(bào)警和異常狀態(tài)報(bào)表顯示等功能。實(shí)驗(yàn)測試表明：該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，操作簡單方便，可提高維修人員的工作效率，能有效地對(duì)電梯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

博途軟件； PLC； 電梯； 監(jiān)控； 故障檢測

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，建筑規(guī)模越來越大，加之城市用地越來越緊張，導(dǎo)致樓層越來越高，電梯成為這些建筑不可缺少的組成部分，電梯數(shù)量的急劇增加，發(fā)生異常的機(jī)率及維護(hù)的工作量也隨之攀升，這些都對(duì)電梯的控制提出了更高的要求。雖然電梯維修單位會(huì)定期對(duì)電梯進(jìn)行維護(hù)，但目前多依靠用戶、被困人員和值班人員來發(fā)現(xiàn)電梯異常[1-2]。由于這些人員對(duì)異常描述不準(zhǔn)確,加之不能提供電梯日常實(shí)時(shí)運(yùn)行的記錄，增加了排除異常的難度，也延長了維修的時(shí)間，利用TIA博途軟件實(shí)現(xiàn)電梯的實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常狀態(tài)報(bào)表記錄等功能，對(duì)保障電梯的可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。TIA博途是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)發(fā)布的一款全新的全集成自動(dòng)化軟件，是業(yè)內(nèi)首個(gè)采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件，幾乎適用于所有自動(dòng)化任務(wù)，與傳統(tǒng)方法相比，無需花費(fèi)大量時(shí)間集成各個(gè)軟件包，同時(shí)也顯著降低了成本[3-4]，是今后工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展方向。

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

1.1 電梯控制系統(tǒng)組成

電梯控制硬件系統(tǒng)由曳引系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)等組成[5-8]，PLC通過輸入接口接收各種輸入信號(hào)，比如: 轎廂內(nèi)呼信號(hào)、外呼上、下行信號(hào)、轎廂和樓層門鎖信號(hào)等，經(jīng)過邏輯運(yùn)算和程序運(yùn)行后通過PLC的輸出接口輸出，輸出控制有2種，①是通過變頻器、曳引電機(jī)、光盤編碼器和PG組成的轎廂運(yùn)行控制;②是各類的信號(hào)指示和顯示輸出控制，比如故障指示信號(hào)、照明風(fēng)扇輸出信號(hào)等，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 電梯控制系統(tǒng)圖

本設(shè)計(jì)以6層電梯為例，由西門子PLC控制器、TP700觸摸屏和PC機(jī)通過以太網(wǎng)連接組成的監(jiān)控系統(tǒng)，PC機(jī)上運(yùn)行的基于TIA博途平臺(tái)的SIMATIC WinCC V13構(gòu)建的電梯仿真模型，完成對(duì)電梯的監(jiān)控操作。

1.2 硬件選型及I/O地址分配

控制器選用西門子CPU315-2 DP/PN，含有1個(gè)以太網(wǎng)接口，方便與PC機(jī)和觸摸屏連接，觸摸屏選用西門子TP700 Comfort，控制器擴(kuò)展了3個(gè)輸入模塊(SM321)和3個(gè)輸出模塊(SM322)，共48個(gè)輸入點(diǎn)和48個(gè)輸出點(diǎn)，滿足控制系統(tǒng)對(duì)I/O點(diǎn)的需求，實(shí)際輸入輸出分配如下：輸入信號(hào)共36個(gè)，分配為I0.0～I(xiàn)4.3，包括外呼上下行輸入信號(hào)10個(gè)，轎廂內(nèi)呼輸入信號(hào)6個(gè)，轎廂和樓層門鎖信號(hào)7個(gè)，上、下平層信號(hào)2個(gè)，開門到位，關(guān)門到位信號(hào)各1個(gè)，還有紅外光幕信號(hào)、超載信號(hào)等。輸出信號(hào)共38個(gè)，分配為Q0.0～Q4.5，包括轎廂內(nèi)呼指示燈信號(hào)6個(gè)，轎廂外呼指示燈信號(hào)10個(gè)，七段數(shù)碼顯示7個(gè)、三級(jí)分類制動(dòng)信號(hào)3個(gè)，高低速運(yùn)行信號(hào)2個(gè)等。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

2.1.1 電梯運(yùn)行狀態(tài)分析

該仿真電梯可以根據(jù)不同樓層用戶的需求及時(shí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)正常的上、下運(yùn)行和異常狀態(tài)檢測等功能[9-12]，電梯在運(yùn)行過程中能應(yīng)答同一方向所有層站的呼梯信號(hào)和轎廂內(nèi)部選層信號(hào)，并自動(dòng)地在所指示的信號(hào)層站平層停靠，當(dāng)電梯平層時(shí)，根據(jù)設(shè)定時(shí)間觸發(fā)三級(jí)制動(dòng)并減速，平層之后停止運(yùn)行抱閘停車，電梯門會(huì)根據(jù)當(dāng)前電梯的狀態(tài)、呼梯信號(hào)和選層信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。按照同方向順序優(yōu)先的原則決定電梯的運(yùn)行方向，相鄰兩層采用低速運(yùn)行、跨層則高速運(yùn)行。另外還包含了錯(cuò)誤指令消除功能，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)連續(xù)按二下轎廂內(nèi)選層信號(hào)后，該信號(hào)就會(huì)被取消。在運(yùn)行中，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的運(yùn)行方向、當(dāng)前樓層，監(jiān)測電梯的狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)有異常狀態(tài)時(shí)(超重、終端越程及開關(guān)門)通過故障燈指示，并通過報(bào)表顯示出異常狀態(tài)的信息。

2.1.2 主程序流程圖

程序按照功能模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)首先給執(zhí)行startup程序塊，將程序初始化，然后啟動(dòng)曳引電機(jī)，執(zhí)行初始化操作，等待停靠在任何位置的電梯回到基站一層位置，隨后等待來自外選和內(nèi)呼的選層信號(hào)，在獲得選層信號(hào)后，需要對(duì)比選層信號(hào)與本層站的方位，才能讓電梯知道是該接通上行接觸器還是下行接觸器，并且根據(jù)層站間的距離來判斷是電梯是要按高速運(yùn)行還是低速運(yùn)行。如果目的層與該層間無樓層則觸發(fā)低速運(yùn)行。如果目的層與該層間有樓層間隔則會(huì)觸發(fā)高速運(yùn)行，并且當(dāng)?shù)竭_(dá)目的層的上一層時(shí)，會(huì)從高速運(yùn)行切換至低速運(yùn)行。當(dāng)?shù)诌_(dá)目的層時(shí)會(huì)依時(shí)間順序執(zhí)行一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)制動(dòng)。當(dāng)平層完成(電梯轎廂上的上，下平層傳感器都被接通時(shí))，電梯就會(huì)接通開門繼電器，從而打開轎廂門鎖與站門鎖，開門。然后所選層的信號(hào)會(huì)熄滅。當(dāng)開門到位時(shí)，會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器延時(shí)來觸發(fā)關(guān)門繼電器，也可以通過轎廂關(guān)門按鈕來觸發(fā)關(guān)門繼電器，使電梯關(guān)門。如果電梯超載，則會(huì)始終保持開門狀態(tài)，然后故障燈按照一定時(shí)間間隔閃爍，以提示電梯超載。當(dāng)電梯關(guān)門到位，如果再無選層信號(hào)，電梯就會(huì)等待，并且在到達(dá)休眠時(shí)間時(shí)，進(jìn)行休眠，關(guān)斷轎廂內(nèi)照明和風(fēng)扇。要是有選層信號(hào)，則電梯會(huì)開啟轎廂內(nèi)照明和風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)行，程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

2.1.3 故障程序設(shè)計(jì)

電梯故障程序設(shè)計(jì)部分包括3類故障：①是曳引輪打滑故障，該故障出現(xiàn)時(shí)會(huì)直接使電梯抱閘停車；②是電梯門故障，包括二部分，一部分是無法觸發(fā)關(guān)門到位的限位開關(guān)，另一部分是無法觸發(fā)開門到位的限位開關(guān)，該故障出現(xiàn)時(shí)故障指示燈亮；最后,③是超重故障，該故障出現(xiàn)時(shí)指電梯門保持開門狀態(tài)，電機(jī)始終抱閘并停止運(yùn)行，故障燈常亮。這些故障都以異常狀態(tài)報(bào)表的形式反映出來，程序片段如圖3所示。

圖3 故障程序梯形圖

2.2 組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)

2.2.1 圖形界面設(shè)計(jì)

電梯監(jiān)控系統(tǒng)圖形界面由電梯模型部分、狀態(tài)指示及報(bào)表、轎廂內(nèi)指示信號(hào)和電梯運(yùn)行信號(hào)4部分組成，使用SIMATIC WINCC V13繪制監(jiān)控電梯模型，以便直觀形象的觀察仿真結(jié)果。博途W(wǎng)INCC中提供了豐富的控件、動(dòng)畫及基本的繪圖工具，對(duì)工具箱中的基本對(duì)象、元素、控件和圖形等通過鼠標(biāo)簡單的設(shè)置就能實(shí)現(xiàn)大部分監(jiān)控需求[13-15]，而且可以調(diào)用.Net控件及ActiveX控件實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的功能，操作簡單、使用方便。界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電梯監(jiān)控系統(tǒng)圖形界面

2.2.2 變量及動(dòng)畫連接

在編寫PLC程序前，先建立硬件組態(tài)，之后建立變量表，制作監(jiān)控組態(tài)也是如此，先建立硬件組態(tài)，再建立變量表，由于博途為集成開發(fā)環(huán)境，建立變量時(shí)需要注意連接PLC變量。變量建立完成后，即可以繪制組態(tài)畫面，畫面中動(dòng)畫及按鈕均需要關(guān)聯(lián)變量，通過雙擊對(duì)象，在對(duì)象的“事件”中關(guān)聯(lián)鼠標(biāo)的單擊、按下、釋放等對(duì)應(yīng)的動(dòng)作及變量，動(dòng)畫則在對(duì)象的“動(dòng)畫”中進(jìn)行相應(yīng)的編輯關(guān)聯(lián)即可。比如：添加門的開關(guān)動(dòng)畫，即可通過雙擊對(duì)象，選中“動(dòng)畫”，在移動(dòng)中選擇水平移動(dòng)對(duì)象[4]，關(guān)聯(lián)相關(guān)變量選擇變量的變化范圍，最后通過鼠標(biāo)拖動(dòng)對(duì)象，確定對(duì)象的移動(dòng)范圍即可。變量關(guān)聯(lián)如圖5所示。

圖5 變量關(guān)聯(lián)圖

2.3 博途軟件下PLC與WINCC聯(lián)合調(diào)試

PLC硬件組態(tài)及程序通過PN/IE接口下載到PLC中，監(jiān)控界面的啟動(dòng)連接需要在控制版面中設(shè)置PG/PC接口，選擇訪問路徑，為使用的接口分配參數(shù)選擇RealtekPCIe GBE FamilyController.TCPIP.Auto1 〈激活〉，即可建立WINCC監(jiān)控界面與PLC的連接，連接后即可通過界面模擬電梯模型。電梯的運(yùn)行首先需要初始化，電梯初始化結(jié)束后，電梯會(huì)停在基站1層，然后點(diǎn)擊5層上行按鈕，5層外呼上行信號(hào)燈被點(diǎn)亮，上行接觸器接通，上行指示燈點(diǎn)亮，電梯會(huì)高速運(yùn)行至4

層，便自動(dòng)切換至低速運(yùn)行到達(dá)5層。電梯是先接觸到5層的下平層傳感器，以此來確定電梯到達(dá)5層，便開始執(zhí)行1、2、3級(jí)制動(dòng)，直到電梯的上，下平層傳感器都被接通，電梯才抱閘，然后停車開門。觸發(fā)開門繼電器，開啟轎廂門鎖和5層的站門鎖，當(dāng)?shù)竭_(dá)開門到位限位開關(guān)則表示開門完成，延時(shí)4 s后，關(guān)門繼電器開啟，直到接觸到關(guān)門到位的限位開關(guān)后表示關(guān)門完成。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行畫面如圖6所示。

圖6 電梯監(jiān)控系統(tǒng)畫面

若在開門后出現(xiàn)超重，電梯超重指示燈點(diǎn)亮，并寫入異常狀態(tài)報(bào)表，門保持常開，直到超重信號(hào)消失再關(guān)門并響應(yīng)接下來的指令。若當(dāng)電梯上、下運(yùn)行時(shí)長時(shí)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(yùn)行，并且故障指示燈常亮，同時(shí)PLC會(huì)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(hào)就會(huì)打開異常狀態(tài)報(bào)表，如圖7所示，該報(bào)表體現(xiàn)了電梯運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各種故障，包括：曳引故障、門故障和超重故障等。維護(hù)人員通過查看報(bào)表便可及時(shí)知道電梯所出現(xiàn)的故障是何種類型，從而能及時(shí)修復(fù)電梯，確保電梯可靠、正常的運(yùn)行。

圖7 異常狀態(tài)報(bào)表

3 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)在博途全新的工程技術(shù)軟件平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和仿真，利用博途軟件的優(yōu)勢，用戶可快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試系統(tǒng)，借助異常狀態(tài)報(bào)表有助于對(duì)電梯故障種類進(jìn)行分析判斷，及時(shí)解決電梯運(yùn)行中的問題，可避免電梯事故的發(fā)生，該監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)際的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

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Design of PLC Elevator Monitoring and Control System Based on TIA

WANGChao,SUNWan-lin

(Department of Physics，Changji University, Changji 831100, China)

Facing on the problems of the elevator running, such as many kinds of abnormal conditions, long time waiting for analyzing and judging commands etc., a single control system was established to control an elevator for six floors building by using PLC, touch screen and PC and TIA software. The control program and simulation model of elevator and the monitor interface were completed under the TIA. The system can real-timely monitor the elevator operation, fault detection, alarm and abnormal status report etc. Laboratory test shows that the system is stable, reliable, and easy to operate. At the same time, it has improved the efficiency of maintenance personnel，and can monitor the real-time elevator, and have certain reference significance for practical engineering application.

TIA; PLC; elevator; monitoring and controling； fault detection

2015-10-16

新疆維吾爾自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(XJEDU2014S070)；新疆維吾爾自治區(qū)教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃一般課題 (145006)

王 超(1979-)，男，新疆昌吉人，碩士，講師，主要從事自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用及仿真研究。

Tel.：15199696282;E-mail：wang0001chao@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)04-0074-04