基于組態(tài)軟件的電梯控制與仿真

(大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化的水平越來(lái)越高，在工業(yè)的應(yīng)用與生產(chǎn)中，組態(tài)控制軟件、PLC等作用尤其凸顯，這些技術(shù)已經(jīng)成為控制工業(yè)流程的核心，各高校為了在這一領(lǐng)域更多地應(yīng)用技術(shù)型人才，對(duì)PLC應(yīng)用技術(shù)這一核心課程也提起了足夠的重視，對(duì)其教學(xué)環(huán)節(jié)以及教學(xué)效果加以看中。[1]但目前教學(xué)中仍存在一些問(wèn)題：1)目前PLC實(shí)驗(yàn)均采用PC+PLC+對(duì)象的方式，控制效果由模塊體現(xiàn)。[2]但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置中的各個(gè)控制對(duì)象多采用教學(xué)儀器廠(或自制)的模塊模擬，一般只用輸入輸出燈來(lái)顯示通斷狀態(tài)，不夠直觀，對(duì)于復(fù)雜的過(guò)程控制程序很難找出編譯出錯(cuò)的地方；2)學(xué)生數(shù)量遠(yuǎn)大于設(shè)備數(shù)，無(wú)法給每個(gè)學(xué)生提供足夠的上機(jī)練習(xí)時(shí)間；3)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備大部分設(shè)施為基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)備，缺少?gòu)?fù)雜、高級(jí)的硬件設(shè)備，如果需要進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技創(chuàng)新等實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，學(xué)生難以對(duì)控制系統(tǒng)要求和性能有較好的理解和認(rèn)識(shí)。[3]該方法引入組態(tài)軟件WINCC、SIMATIC S7-PCSIM到PLC教學(xué)系統(tǒng)。利用組態(tài)軟件WINCC可以仿真多種PLC控制對(duì)象與各種工業(yè)環(huán)境，為過(guò)程可視化和操作提供全面的平臺(tái)性功能；S7-PLCSIM軟件可以模擬PLC來(lái)對(duì)Step7程序進(jìn)行調(diào)試，并提供一個(gè)可以更改和監(jiān)視Step7程序參數(shù)的界面。[4]采用組態(tài)仿真軟件與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)模擬被控對(duì)象，學(xué)生通過(guò)仿真程序界面可以實(shí)時(shí)觀察PLC運(yùn)行情況，完成PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試。[5]本文以六部十層電梯為例介紹在PLC控制系統(tǒng)中西門(mén)子Step7、S7-PLCSIM和WINCC軟件的應(yīng)用。

1 控制系統(tǒng)組成

電梯的主要控制技術(shù)包括電力拖動(dòng)控制和PLC邏輯控制部分以及運(yùn)行載客和安全的檢測(cè)部分，實(shí)現(xiàn)電梯安全、可靠、平穩(wěn)地運(yùn)行。[6-7]電力拖動(dòng)控制部分為電梯垂直方向主拖動(dòng)電路和轎廂開(kāi)關(guān)電路，主要以電梯運(yùn)行速度為控制目標(biāo)，根據(jù)給定速度曲線，按照三級(jí)制動(dòng)減速停止電梯運(yùn)行，通過(guò)井道內(nèi)設(shè)置的端站強(qiáng)制換速開(kāi)關(guān)(第1限位)，實(shí)現(xiàn)在端站固定位置的強(qiáng)迫換速(須以低速運(yùn)行)。通過(guò)井道內(nèi)設(shè)置的端站限位開(kāi)關(guān)(第2限位)，當(dāng)其動(dòng)作后，電梯應(yīng)緊急停止并僅能向相反方向運(yùn)行。邏輯控制部分由PLC控制，PLC接收呼叫信號(hào)、轎廂和廳門(mén)系統(tǒng)的功能信號(hào)以及井道的狀態(tài)信號(hào)[8]，將數(shù)據(jù)模糊化，結(jié)合數(shù)學(xué)建模方法，實(shí)現(xiàn)電梯集控控制。同時(shí)上位機(jī)PC使用WINCC組態(tài)軟件建立工控對(duì)象及腳本程序，創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的監(jiān)控；編寫(xiě)WINCC組態(tài)軟件的腳本程序，直觀的模擬電梯的實(shí)際運(yùn)行狀況，如電梯故障、風(fēng)扇、照明情況；[9]電梯所處的當(dāng)前樓層及上、下行；運(yùn)行(異常)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。設(shè)計(jì)總體方案如圖1所示。

圖1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電梯仿真系統(tǒng)硬件主要包括電源、計(jì)算機(jī)、下位機(jī)SIMATIC S7 1214C、通信模塊CM1243-5、I/O信號(hào)板、Profibus-DP 從站PM-125以及六部十層電梯仿真；系統(tǒng)軟件包括TIA Portal V14編寫(xiě)的PLC控制程序、WINCC組態(tài)監(jiān)控程序、下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信程序等。

2 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1電梯監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，下面從電梯控制系統(tǒng)的WINCC界面組態(tài)、程序結(jié)構(gòu)、PLC的I/O地址分配等方面進(jìn)行逐一說(shuō)明，介紹該仿真實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施過(guò)程。

2.1 PLC輸入/輸出地址分配

設(shè)計(jì)六部十層電梯控制系統(tǒng)，需要輸入點(diǎn)至少313個(gè)，包括上行呼梯按鈕54個(gè)，下層呼梯按鈕54個(gè)，各部電梯內(nèi)選按鈕60個(gè)，轎廂關(guān)門(mén)按鈕6個(gè)，轎廂關(guān)門(mén)按鈕6個(gè)，光幕信號(hào)6個(gè)，超重信號(hào)6個(gè)，電梯檢修信號(hào)6個(gè)，電梯轎廂門(mén)鎖信號(hào)66個(gè)，電梯開(kāi)門(mén)到位信號(hào)6個(gè)，電梯關(guān)門(mén)到位信號(hào)6個(gè)，上平層信號(hào)6個(gè)，下平層信號(hào)6個(gè)，電梯上端站第一限位6個(gè)，上端站第二限位6個(gè)，電梯下端站第1限位6個(gè)，電梯下端站第2限位6個(gè)，自動(dòng)信息信號(hào)1個(gè)。輸出點(diǎn)至少349個(gè)，包括上行呼梯按鈕指示燈54個(gè)，下行呼梯按鈕指示燈54個(gè)，樓層按鈕指示燈60個(gè)，電梯LED指示燈84個(gè)，電梯上行指示燈6個(gè)，下行指示燈6個(gè)，電梯故障指示燈6個(gè)，電梯照明指示燈6個(gè)，電梯風(fēng)扇指示燈6個(gè)，電梯滿(mǎn)載指示燈6個(gè)，電梯電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)6個(gè)，電梯上行接觸器6個(gè)，下行接觸器6個(gè)，高速接觸器6個(gè)，低速接觸器6個(gè)，電梯開(kāi)門(mén)繼電器6個(gè)，電梯關(guān)門(mén)繼電器6個(gè)，電梯1級(jí)減速制動(dòng)6個(gè)，電梯2級(jí)減速制動(dòng)6個(gè)，電梯3級(jí)減速制動(dòng)6個(gè)，準(zhǔn)備就緒信號(hào)1個(gè)。[10]

2.2 程序結(jié)構(gòu)

根據(jù)六部十層電梯控制要求，結(jié)合I/O分配表，編寫(xiě)電梯控制T形圖和設(shè)備組態(tài)，程序由主函數(shù)Main[OB1]及功能塊組成，如圖2所示。

Main函數(shù)控制所有FC塊的上電、運(yùn)行。由于FC塊沒(méi)有上電自啟動(dòng)功能，但FC作為函數(shù)塊，卻能最簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)程序模塊化，組織塊有上電自啟動(dòng)功能，但過(guò)多的組織塊占用了CPU空間，也會(huì)出現(xiàn)各式各樣的錯(cuò)誤。因此，二者結(jié)合，使用組織塊使FC塊上電，綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了不足。每個(gè)程序段代表給每個(gè)FC塊上電說(shuō)明，通過(guò)使用不同的前提條件，使電梯不會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。需要上電的有各電機(jī)，初始化函數(shù)，運(yùn)行函數(shù)，上、下行判斷函數(shù)，目標(biāo)樓層判斷函數(shù)，運(yùn)行函數(shù)，減速制動(dòng)函數(shù)，當(dāng)前樓層判斷函數(shù)，電梯內(nèi)外指示燈函數(shù)，集控函數(shù)。這些都是電梯運(yùn)行必不可少的。準(zhǔn)備就緒信號(hào)開(kāi)始為0，進(jìn)行初始化，故障處理，輔助系統(tǒng)函數(shù)，使電機(jī)一直上電。當(dāng)初始化完畢后，準(zhǔn)備就緒信號(hào)為1，執(zhí)行其他函數(shù)。準(zhǔn)備就緒信號(hào)可以由檢修信號(hào)復(fù)位為0。將編好的程序下載到PLC中并進(jìn)行調(diào)試，編譯正確后，啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行開(kāi)關(guān)，通過(guò)WINCC監(jiān)控畫(huà)面對(duì)電梯狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 WINCC組態(tài)與通信

電梯仿真系統(tǒng)(EET)由控制器與被控對(duì)象兩大部分組成。其中，控制器采用西門(mén)子S7-1214C DC/DC/DC PLC，被控對(duì)象為WINCC組態(tài)編寫(xiě)的電梯仿真界面。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為上位機(jī)PC，通過(guò)以太網(wǎng)與PLC 1200 CPU進(jìn)行以太網(wǎng)通信，通信協(xié)議遵從CP-TCP/IP協(xié)議，通訊接口設(shè)置為工業(yè)以太網(wǎng)通用接口。CM1243-5模塊即為Profibus DP主站，PM125模塊即為Profibus DP從站，PLC與主站直接相連，仿真對(duì)象與從站直連。構(gòu)建上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面，將監(jiān)控畫(huà)面上創(chuàng)建的各元素與所建立的相應(yīng)變量關(guān)聯(lián)，建立動(dòng)畫(huà)連接，當(dāng)變量的值改變時(shí)，在畫(huà)面上將圖形對(duì)象的動(dòng)畫(huà)效果表現(xiàn)出來(lái)。[11]如本系統(tǒng)中要進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接的是電梯選層按鈕、電梯上下行指示燈，電梯運(yùn)行過(guò)程中轎廂所在樓層顯示位置等，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)。圖3為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖，圖4為WINCC監(jiān)控畫(huà)面。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖

進(jìn)入如圖4所示的監(jiān)控畫(huà)面，左邊是六部十層的電梯模型，①為六部電梯的數(shù)碼管，電梯內(nèi)部用戶(hù)選層監(jiān)控?zé)簦虎跒殡娞萆稀⑾滦兄甘緹簦虎厶幍募^為外部顯示上、下行指示燈；④方框下方的第一排燈為電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)指示燈；⑤畫(huà)面中間左側(cè)燈為自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)指示燈，右面的是準(zhǔn)備就緒信號(hào)指示燈；⑥為每個(gè)電梯的外呼分配；⑦為電梯外部呼叫指示燈；⑧右側(cè)的矩陣為樓層門(mén)鎖模塊，用于檢測(cè)樓層門(mén)鎖故障。畫(huà)面右側(cè)有滾動(dòng)條，可滾動(dòng)畫(huà)面，點(diǎn)擊下方注銷(xiāo)，退出畫(huà)面。

圖4 WINCC仿真界面

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

電梯運(yùn)動(dòng)模型以虛擬仿真的形式呈現(xiàn)，將乘客行為模型作為PLC控制電梯的測(cè)試案例。設(shè)定虛擬乘客量為300人，時(shí)間為10分鐘，如圖5通過(guò)WINCC監(jiān)控畫(huà)面，可以測(cè)量出乘客平均候梯時(shí)間為27.07 s(平均候梯時(shí)間指在給定的時(shí)間周期內(nèi)，所有乘客候梯的平均值，是評(píng)定電梯控制系統(tǒng)性能的重要參數(shù)[12])，乘客平均乘梯時(shí)間45.05 s，運(yùn)輸乘客數(shù)量為297人，乘客長(zhǎng)時(shí)間等待電梯幾率小，運(yùn)行效果良好，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電梯技術(shù)條件。[13]控制電梯程序設(shè)計(jì)合理。

圖5 電梯運(yùn)行結(jié)果

3 結(jié)論

借助WINCC組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)仿真畫(huà)面，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，建立PLC實(shí)踐教學(xué)仿真模型，模擬控制系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)畫(huà)效果，使被控對(duì)象更加逼真，解決了傳統(tǒng)PLC教學(xué)中使用輸入/輸出燈的亮、滅代替各種運(yùn)行狀態(tài)的抽象性，使教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)。[14-15]本文以六部十層電梯為例，采用西門(mén)子S7-1200 PLC作為控制器，在TIA博圖平臺(tái)下進(jìn)行硬件組態(tài)、軟件編程，利用上位機(jī)WINCC進(jìn)行電梯工作狀態(tài)的監(jiān)控。經(jīng)過(guò)實(shí)踐測(cè)試，該電梯系統(tǒng)可以根據(jù)不同樓層的客戶(hù)需求及時(shí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)六部電梯的集選控制、開(kāi)關(guān)門(mén)控制、3級(jí)減速制動(dòng)、終端越程保護(hù)等，且由組態(tài)界面控制電梯的實(shí)時(shí)運(yùn)行，穩(wěn)定可靠、故障率低。