基于PLC的電梯組態仿真實驗設計

保定職業技術學院 張 娜 盧 超 曹麗蘋 李玉金 夏志華 陳 晨

PLC 的應用涉及了多門學科，其本身屬于工業現場控制計算機，在繼電器邏輯控制、工業過程控制、運動控制以及遠程控制等方面有著廣泛的應用，可以與上位PC 共同構成現代工業自動管理、監測和控制系統[1]。利用計算機串行口來采集電梯模型的實時運行數據，配合組態軟件構建相應的動畫來模擬電梯的運行，能夠幫助技術人員直觀的看到電梯的運行狀態，也可以借助仿真試驗的方式，驗證PLC 控制程序的正確性[2]。

電梯在人們的日常生活中十分常見，從保證電梯運行安全的角度，對電梯運行控制系統的設計提出了非常嚴格的要求。文章將PLC 和組態軟件應用到電梯控制系統設計中，開展相應的仿真試驗，能夠對電梯運行情況進行測試，找出其中存在的缺陷和問題。從相關概念的角度，就基于PLC 的電梯組態仿真試驗設計進行了分析，以供參考。

1 相關概念

1.1 PLC

PLC 指可編程邏輯控制器，采用專用的可編程存儲器，將邏輯運算、順序控制、算術運算等指令存儲在其中，借助數字式或者模擬式輸入輸出的方式，可以實現對各類機械設備以及生產過程的有效控制[3]。PLC 具有幾個十分鮮明的特點：

一是可靠性高。單片微型計算機是PLC 的核心所在，其本身的集成度相對較高，而且一般都會設置相應的保護電路，具備自診斷功能，在實際運行中有著極高的可靠性。

二是編程簡單。PLC 編程使用的是繼電器控制梯形圖以及命令語句，和計算機以及微型機相比，在指令的數量上要少的多，工作人員即便不具備相應的計算機專業知識，也可以進行編程操作。

三是組態靈活。PLC 采用的是積木式結構，可以通過簡單的組合來改變系統規模和功能，適應性較強。

四是安裝方便。PLC 本身的體積相對較小，因此在安裝時并不需要額外的設置機房，直接將設備與執行機構、PLC 接口端子連接，就可以實現正常工作[4]。

1.2 組態軟件

組態軟件是對專門用于數據采集和過程控制的軟件，也指在自動化控制系統監控層的軟件平臺，可以借助靈活的組態方式，為用戶提供相應的軟件工具，確保其能夠實現對于工業自動控制系統監控功能的快速構建。組態軟件同樣有著鮮明特征：

一是功能強大。組態軟件可以提供豐富的作圖工具、編輯工具、圖形化用戶界面等，能夠為操作人員的集中監控提供便利。

二是簡單易學。組態軟件的使用并不要求工作人員掌握專業的編程語言，而是可以根據實際情況，提供底層設備的I/O 驅動以及開放式數據庫，輔助工作人員完成各項工作。

三是擴展性強。組態軟件開發的應用程序在現場條件或者用戶需求發生變化時，不需要進行過多的修改，就能夠完成軟件的更新和升級。

四是實時多任務。組態軟件開發的項目中，數據采集輸出、數據處理、圖形顯示、實時通信等可以在同一臺計算機上同時運行，可以極大提升系統的可靠性及開發速率，減低了開發的難度，可視化圖形化管理也能夠為后續的生產管理以及系統維護提供便利[5]。

2 仿真試驗設計

2.1 系統構成

仿真系統中不同接口之間的連接使用編程線來實現（圖1）。在PC 端安裝相應的軟件系統，借助該系統來對電梯控制模型進行構建，同時也需要依照電梯的實際運行控制需求，編寫對應的控制程序，建立起動態化的連接，實現對于電梯控制系統的模擬運行及仿真試驗。

圖1 系統架構

在系統中，需要做好PLC 中I/O 端口的合理分配，從電梯操控的具體要求著眼，確定好接口并對相應的地址進行合理分配，要求所有的信號都可以對應PLC 繼電器。需要在電梯轎廂中的操作面板上，設置選層指令按鈕、門廳召喚按鈕以及開關按鈕，同時也需要設置電梯平層行程開關以及復位開關，輸入端口的數量為14個。

2.2 模型構建

仿真電梯模型需要滿足幾個方面的要求：一是必須能夠發出PLC 需要的輸入信號，包括位置信號、指令信號、呼梯信號和開關門控制信號；二是必須能夠接收PLC 發出的控制信號，完成相應動作，包括運行方向信號、指令登記信號、呼梯登記信號、樓層數顯信號和開關門信號。

2.3 圖形界面

選擇組態王軟件，建立仿真圖形，如圖2所示。之后，在瀏覽器目錄窗口中點擊文件選項，在下拉菜單中選擇畫面，新建窗口后對圖形畫面進行繪制，相應的仿真畫面如圖3所示。

圖2 電梯控制系統工程建立

圖3 仿真畫面

2.4 數據庫建設

對于仿真系統而言，數據庫是基礎也是核心，能夠針對數據變量進行合理定義，體現出被控制對象的具體屬性，以此來實現上位機和下位機的聯系。在組態王軟件中，數據變量包含了兩個組成部分：一個是內存變量，這個變量在使用過程中，不需要和其他的程序交換數據；另一個是I/O 變量，這個變量需要進行數據的交換。在程序運行中，I/O 變量發生變化時，系統會自動將變化后的數據信息寫入到內存中，而當PLC 中的變量發生變化，相應的組態軟件中對應的I/O 變量也會自動更新。

在PLC 中，I/O 變量的設置需要選擇“定義變量”窗口中的“基本屬性”，將變量名稱輸入，設置變量類型為“I/O”離散，連接設備和寄存器，將相應的數據類型設置為Bit，只讀屬性，數據采集頻率為100ms，然后點擊確定，完成數據變量的定義。ADO 連接數據庫流程為：初始化COM 庫，引入ADO 庫定義文件-用connection 對象連接數據庫-執行SQL 語句或其他數據庫操作-關閉連接，釋放對象。

2.5 動畫連接

動畫連接是建立數據庫和圖形畫面中圖素的關系，能夠通過圖形畫面，將數據庫中存在的變量信息反映出來，一旦變量改變圖形也會隨之變化，并通過動畫的形式直觀呈現。圖形動畫的變化可以幫助工作人員更好地控制數據庫變量，實現仿真運行。這里以“轎廂”圖形元件為例，可以雙擊圖形，在彈出的“動畫連接”窗口中，點擊“垂直移動”-“表達式”，將向上移動的距離設置為200，向下移動的距離設置為0，點擊確定后，電梯轎廂的動畫連接就可以完成。以LED 等的添加為例，如圖4所示。

圖4 動畫連接

2.6 程序編寫

在控制程序編寫環節，需要構建仿真圖形，同時做好數據庫的建設工作，完成動畫連接，這樣才能借助相應的電梯組態畫面來實現控制系統仿真，之后還需要編寫對應的控制命令。在實際操作中，可以選擇目錄中的“文件”-“命令語言”選項來打開相應的命令語言目錄，從電梯運行控制的實際需求著眼，實施程序編寫操作。一般情況下，系統中存在的一些常見的開關量事件，包括啟停控制、樓層指令、開關門控制等采用的都是“事件命令語言”窗口，可以對事件進行描述，建立對應的程序。

表1 部分輸入輸出信號

2.7 仿真運行

在仿真運行環節，需要先對PLC 和PC 機的通信參數進行設置，可以雙擊打開“電梯控制系統”選項，然后于內容區域新建文件，依照設置向導的引導，做好設備地址進行定義，上位PC 需要和PLC 建立起有效的聯系。而如果設備的聯系已經建立，則需要做好設備通訊參數設置工作，這樣才能真正確保仿真系統的正常運行。這里設置的參數如下。波特率：9600b/s；數據位：7位；停止位：1位；站號：0。

PLC 中不同數據寄存器的通信格式數據也會有所不同，具體如下。D8120數據寄存器：通信格式的數值為H6086；D8121數據寄存器：通信格式的數值為H0000；D8129數據寄存器：通信格式的數值為K5。

需要明確，在針對電梯控制系統進行仿真運行的過程中，必須始終確保PLC 狀態開關處于打開狀態，啟動系統中的Touch View 程序，針對系統運行中存在的不足進行調試，也可以檢測仿真界面運行中存在的各種邏輯關系，確保仿真模型具備良好的控制效果。仿真平臺運行邏輯圖如圖5所示。

圖5 仿真平臺運行邏輯

2.8 仿真結果

仿真結果顯示，系統整體運行良好，設備運行情況可以通過相應的串行口，傳輸到上位監控計算機，上位機和下位機之間的PLC 通信喜穩定。在組態軟件開發環境中，構建相應的控制畫面，畫面直觀生動，可以將電梯運行情況和參數變化情況準確反映出來，而測試人員可以通過在監控畫面點擊相應按鈕的方式，實現對于電梯運行的有效控制。

3 結語

總而言之，在電梯系統建設中，需要做好相應的仿真模擬，檢驗電梯運行的穩定性和安全性。借助PLC 和組態王軟件，可以構建起仿真電梯控制系統，通過仿真運行的方式來對系統運行參數進行調節，這種方法既可以用于仿真調試，也可以用于教學實踐，有著良好的仿真效果。