群控電梯半實物仿真監控系統設計

于運淥，焦彥宗

（北方工業大學 電氣與控制工程學院，北京100144）

隨著“中國制造2025”規劃的推進，我國智能制造的發展速度不斷加快，國際競爭力不斷提升。智能制造企業對于高素質人才的需求也愈發迫切，但我國現有高素質智能制造人才匱乏，成為制約我國智能制造發展的一個重要因素[1]。

電梯控制作為智能制造離散行業的典型應用，能夠培養學生的邏輯思維和創新能力，有利于提升學生對智能制造的認識。目前，我國電梯保有量多、地域分布廣，電梯故障主要依靠維修和巡檢發現，難以及時掌握設備潛在問題[2-3]。對此，利用高校實驗室現有設備，將電梯控制、上位機監測及觸摸屏組態相結合，設計完成了群控電梯半實物仿真監控系統。

該監控系統通過對PLC 進行梯形圖編程實現群控電梯的群控[4-5]，以Elevator Simulation 仿真軟件模擬實際電梯的運行[6]，結合工業通信技術[7-8]傳輸PLC 的數據，并通過HMI 和上位機編程對電梯的運行狀態進行實時監控[9-10]。實踐表明，該系統可培養學生的邏輯思維，開拓學生的視野，鍛煉學生的工程能力，對培養智能制造人才具有重要意義。

1 系統整體方案設計

群控電梯半實物仿真監控系統由監控模塊、控制器和仿真模型組成。監控模塊包含綜合監控站和HMI，綜合監控站安裝上位機監測軟件和TIA Portal V14 軟件，負責對群控電梯的運行狀態進行實時監測，同時完成PLC 編程和HMI 組態等功能；HMI通過畫面設計和變量連接，完成對電梯啟動、停止及報警等輸出量的控制，實現對電梯運行狀態的實時監測。群控電梯的控制主要包括初始化、內呼、外選、集選分配、開關門控制和報警等功能[11]，通過TIA Portal V14 編寫群控電梯控制程序，通過Elevator Simulation 仿真軟件模擬實際電梯運行，完成電梯控制程序的編寫和測試[12]。系統整體架構如圖1 所示。

圖1 系統整體架構Fig.1 Overall structure of system

2 系統硬件設計

群控電梯半實物仿真監控系統主要硬件包括：視頻監控站PC，HMI，控制器PLC，通訊模塊，DP 從站和二層交換機。由圖1 可見，PLC 和仿真模型通過PROFIBUS-DP 進行通信，綜合監控站、HMI、交換機與PLC 之間通過工業以太網通信。

HMI 采用KTP700 Basic，完成人機交互功能設計；控制器采用S7-1200 PLC，型號為1214 DC/DC/DC，具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點，實現對電梯仿真模型的控制；交換機采用SCALANCE XB208，負責擴展以太網口，實現各硬件之間的連接；通訊模塊采用CM1243-5，DP 從站采用PM125，實現PLC 和仿真模型之間的PROFIBUS-DP 通信。系統網絡組態如圖2 所示。

圖2 系統網絡組態Fig.2 System network configuration

3 系統軟件設計

3.1 電梯控制程序設計

電梯控制程序設計部分采用模塊化編程，完成群控電梯控制程序的編寫，并結合Elevator Simulation 仿真軟件實現群控電梯的在線仿真運行。學生可根據電梯運行情況對控制程序進行相應的優化調整。

群控電梯的控制程序包括電梯的初始化、上下行、開關門、樓層計數、故障診斷、待載休眠、越程保護和集選分配等。集選分配作為控制程序中最為復雜的部分，同時也是編程中最靈活的部分，可以有效地培養學生的邏輯思維和創新能力。以3 部電梯為例，集選分配流程如圖3 所示。

集選分配控制程序設計如下：當同時存在多部同向運行電梯時，響應方式為短時優先，即各部電梯響應完各自的當前樓層到目標樓層之間的內呼信號后，最先到達目標樓層的電梯優先響應外呼信號；當同時存在靜止電梯及運行電梯，且運行電梯均反向運行時，靜止電梯優先響應外呼信號；當各部電梯均反向運行時，最先響應完最高層內呼信號（電梯上行）或者最低層內呼信號（電梯下行）的電梯優先響應外呼信號。

3.2 HMI 設計

采用TIA Portal V14 軟件平臺中的WinCC 組態軟件完成HMI 的組態設計，并通過PROFINET 通信方式實現觸摸屏與PLC 之間的通信。通過畫面設計和變量連接，利用HMI 實現對群控電梯的監測與控制功能。HMI 界面功能如圖4 所示。

圖3 群控電梯集選分配流程Fig.3 Flow chart of collective distribution of group controlled elevator

圖4 HMI 界面功能Fig.4 HMI interface function

HMI 組態界面包括狀態監測界面、報警指示界面以及系統控制界面。狀態監測界面顯示電梯的樓層、運行方向等，可直觀監測電梯的各種信號狀態；報警指示界面輸出電梯的報警指示信號，包括電梯運行故障，人員超載、越程等，在實際電梯的應用中可供維修人員及時發現并排除故障；系統控制界面包含電梯的初始化、啟動和停止等控制按鈕，可對電梯進行相應控制。電梯整體狀態監測界面如圖5所示。單部電梯監控界面如圖6 所示。

圖5 電梯整體狀態監測界面Fig.5 Monitoring interface of elevator overall state

圖6 單部電梯監控界面Fig.6 Monitoring interface of single elevator

3.3 上位機監測軟件設計

上位機監測軟件設計部分主要使用Visual Studio 2010（簡稱VS 2010）以及SQL Server 2008數據庫軟件。在VS 2010 中創建Windows 窗體應用程序，采用C# 編程語言，通過S7.net 控件建立綜合監控站與S7-1200 PLC 之間的連接，讀取S7-1200 PLC 數據塊中的數據，將讀取到的數據顯示在窗體應用程序的各控件中，并保存至SQL Server 數據庫中，實現了群控電梯運行狀態在上位機監測界面中的顯示。與HMI 監控相比，成本更低，且更適用于實際電梯應用場景。通過查看上位機監測界面和SQL Sever 數據庫中的數據，維修和巡檢人員可以更加靈活、便捷地獲取電梯運行狀態信息。上位機監測界面如圖7 所示。

圖7 上位機監測界面Fig.7 PC monitoring interface

4 結語

結合實際應用需求，將電梯控制、上位機監測和人機交互界面相結合，設計了群控電梯半實物仿真監控系統。經過測試，該監控系統可達到預期目標，實現了HMI 對群控電梯的監控功能，完成了上位機監測軟件的設計。通過HMI 和上位機監測軟件可快速查看電梯運行狀態，能夠及時發現電梯潛在故障，有效降低電梯發生事故的可能性。使用該監控系統有利于培養學生的邏輯編程和創新能力，提高學生解決復雜工程問題的能力。