基于可編程邏輯控制器與視窗控制中心的三部十層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

郭亮亮，田 海*，汪世嬌

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 文法學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

當(dāng)今社會(huì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，極大程度地方便了人們的日常生活。隨著人們生活水平的提高，電梯對(duì)于大多數(shù)人來說早已不再陌生，然而電梯的可靠性是人們一直所關(guān)注的，因此對(duì)電梯控制技術(shù)優(yōu)化的研究一直在不斷進(jìn)行。早期電梯控制系統(tǒng)行業(yè)采用的是繼電器控制技術(shù)，缺乏必要的可靠性，現(xiàn)階段電梯控制系統(tǒng)行業(yè)大多采用可編程邏輯控制器（PLC）控制技術(shù)，PLC就是小型的計(jì)算機(jī)，具有一系列運(yùn)算指令，通過數(shù)字或模擬輸入輸出進(jìn)行控制，具有較高的可靠性。電梯控制系統(tǒng)行業(yè)充分發(fā)揮了可編程邏輯控制器的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了整個(gè)電梯控制系統(tǒng)行業(yè)的水平和可靠性，通過PLC和視窗控制中心（WinCC）技術(shù)對(duì)電梯控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，不僅能更好地滿足人們對(duì)電梯使用的各項(xiàng)需求，還能使系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)便、可靠。

1 三部十層電梯模型

本課題是以2021年西門子杯中國(guó)智能挑戰(zhàn)賽的離散行業(yè)自動(dòng)化賽項(xiàng)為背景，控制對(duì)象是三部十層電梯，其中電梯主要包括轎廂、限位開關(guān)和曳引電機(jī)等構(gòu)成電梯整體，電梯上行呼梯按鈕、下行呼梯按鈕以及上行指示燈、下行指示燈等各個(gè)樓層按鈕指示，轎廂開門按鈕、關(guān)門按鈕、轎廂選層按鈕及指示燈等電梯內(nèi)部設(shè)備，可通過工業(yè)以太網(wǎng)或PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。

電梯模型原理示意圖如圖1所示，包括曳引電機(jī)、引導(dǎo)輪、轎廂、上下端站第一限位、上下端站第二限位以及每一層都有的上平層傳感器和下平層傳感器等。曳引電機(jī)通過引導(dǎo)輪來驅(qū)動(dòng)轎廂上下運(yùn)行，通過每一層的上平層傳感器和下平層傳感器的信號(hào)精確判斷出電梯當(dāng)前所在的樓層，同時(shí)確保電梯在到達(dá)目的樓層時(shí)轎廂門與電梯的出口保持水平，防止出現(xiàn)電梯到達(dá)目的樓層時(shí)轎廂門與電梯門不能恰好重合從而引發(fā)的事故。限位開關(guān)一方面可以在電梯初始化的時(shí)候進(jìn)行電梯復(fù)位，另一方面可以作為一種安全保障，防止電梯故障時(shí)上行沖頂或者下行沖底，保證乘梯人員的人身安全。

圖1 電梯模型原理示意圖

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 單部電梯運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

單部電梯要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行需要具備的功能包括電梯初始化、啟停控制、上下行控制、開關(guān)門控制、超重保護(hù)、外部按鈕登記、轎廂內(nèi)選層按鈕登記、風(fēng)扇照明控制和樓層顯示等。

單部電梯運(yùn)行流程圖如圖2所示。電梯在上電以后首先初始化進(jìn)行復(fù)位。若輸出準(zhǔn)備就緒以后持續(xù)30 s內(nèi)沒有呼梯信號(hào)，電梯的風(fēng)扇和照明系統(tǒng)就會(huì)處于休眠狀態(tài)，一直到有呼梯信號(hào)出現(xiàn)。當(dāng)某一層有呼梯信號(hào)時(shí)，電梯會(huì)根據(jù)此刻電梯的位置和運(yùn)行方向做出響應(yīng)。例如：假設(shè)此時(shí)電梯正在上行，其優(yōu)先響應(yīng)當(dāng)前所處樓層以上的上行呼梯信號(hào)，此刻即使有下行呼梯信號(hào)或者有當(dāng)前所處樓層以下的上行呼梯信號(hào)，電梯都不會(huì)響應(yīng)，直到將最遠(yuǎn)處的上行呼梯信號(hào)執(zhí)行完畢，才會(huì)去執(zhí)行下行呼梯信號(hào)。電梯先去響應(yīng)上行呼梯信號(hào)還是先去響應(yīng)下行呼梯信號(hào)取決于最早登錄的信號(hào)。

圖2 單部電梯運(yùn)行流程圖

2.2 群控電梯調(diào)度方案設(shè)計(jì)

在日常生活中，一些人流量大的地方，比如大型公寓、商城和醫(yī)院等都會(huì)并列安裝多部電梯，對(duì)于群控電梯，不僅每一部電梯要做到合理運(yùn)行，多部電梯之間的合理調(diào)度也是十分重要的。一個(gè)優(yōu)秀的調(diào)度方案是群控電梯做到運(yùn)行最優(yōu)化的關(guān)鍵，本文中控制系統(tǒng)調(diào)度算法以公平、節(jié)能、平均候梯時(shí)間短、運(yùn)行效率高為原則，兼顧了每一位乘梯人員的乘梯需求，群控電梯調(diào)度流程圖如圖3所示。

圖3 群控電梯調(diào)度流程圖

3 電梯的I/O變量分配

本文電梯模型采用的是三部十層，其中各I/O參數(shù)都可以與PLC通過現(xiàn)場(chǎng)總線相連，從而進(jìn)行自動(dòng)控制。電梯部分I/O變量及相對(duì)地址列表見表1。

表1 電梯的I/O變量及相對(duì)地址

4 項(xiàng)目開發(fā)

4.1 硬件組態(tài)

在博途軟件里進(jìn)行三部十層電梯控制項(xiàng)目的開發(fā)，首先需要完成控制網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)搭建，如圖4所示。

圖4 硬件組態(tài)畫面

4.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，程序功能模塊包括電梯初始化、啟?？刂?、開關(guān)門控制、超重保護(hù)、外部按鈕登記、轎廂內(nèi)選層按鈕登記、風(fēng)扇照明控制、樓層顯示、上下行控制和調(diào)度算法等。本文主要介紹幾個(gè)核心功能塊，包括電梯初始化程序設(shè)計(jì)、啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)、開關(guān)門控制程序設(shè)計(jì)、超重保護(hù)程序設(shè)計(jì)、群控電梯調(diào)度程序設(shè)計(jì)。

（1）電梯初始化程序設(shè)計(jì)。電梯初始化是電梯投入運(yùn)行前的第一步，分為上行初始化和下行初始化2種。假設(shè)電梯采用的是上行初始化，當(dāng)輸入自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)以后，電梯將進(jìn)行上行初始化，電梯觸碰到上端站第一限位時(shí)，此時(shí)將“電梯當(dāng)前所在樓層”這一變量置為11，然后使電梯反向運(yùn)行，到達(dá)第十層時(shí)“電梯當(dāng)前所在樓層”由11變?yōu)?0，到達(dá)第九層時(shí)電梯當(dāng)前所在樓層為9，依次遞減，到達(dá)預(yù)先設(shè)定好的樓層后，電梯復(fù)位，初始化完成。圖5為部分電梯初始化程序，可通過設(shè)置“1號(hào)梯初始化樓層”“2號(hào)梯初始化樓層”“3號(hào)梯初始化樓層”來確定每一部電梯復(fù)位以后停在第幾層待命，當(dāng)三部電梯各自完成初始化后，“1號(hào)梯初始化完成登記”常開點(diǎn)閉合、“2號(hào)梯初始化完成登記”常開點(diǎn)閉合、“3號(hào)梯初始化完成登記”常開點(diǎn)閉合，輸出準(zhǔn)備就緒信號(hào)。

圖5 部分初始化程序

（2）啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)。電梯啟?？刂剖请娞莅踩咝н\(yùn)行的保障。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中對(duì)電梯啟停控制的要求十分苛刻，例如電梯啟動(dòng)時(shí)必須要保證電梯門已經(jīng)關(guān)閉到位、轎廂門已經(jīng)鎖好、電梯沒有故障指示、不需要檢修和沒有超重等，才能夠輸出電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)和高速接觸器信號(hào)。當(dāng)電梯到達(dá)目的樓層需要停下時(shí)，合理的電梯制動(dòng)方案能夠保證電梯在安全停下的前提下還能夠節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，提高電梯運(yùn)行的效率。圖6為電梯上行制動(dòng)控制程序，當(dāng)電梯即將到達(dá)目的樓層時(shí)，會(huì)先有下平層信號(hào)，此時(shí)電梯開始1級(jí)減速制動(dòng)，經(jīng)過0.5 s以后開始2級(jí)減速制動(dòng)，當(dāng)有上平層信號(hào)時(shí)，此時(shí)電梯幾乎已經(jīng)到達(dá)目的樓層，立刻采用3級(jí)減速制動(dòng)使電梯停止運(yùn)行。

圖6 電梯上行制動(dòng)控制程序

（3）開關(guān)門控制程序設(shè)計(jì)。電梯執(zhí)行開關(guān)門動(dòng)作的前提是當(dāng)前電梯已對(duì)準(zhǔn)樓層停止運(yùn)行，這一點(diǎn)在程序中的表現(xiàn)就是此刻上平層傳感器和下平層傳感器有信號(hào)，上行接觸器和下行接觸器此時(shí)是沒有信號(hào)的，由此保證了電梯轎廂此刻已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)樓層，而且是靜止的。電梯在滿足開關(guān)門動(dòng)作的前提下需要執(zhí)行開關(guān)門操作的情況有很多，以開門控制為例，圖7為電梯開門控制程序圖，當(dāng)電梯開門狀態(tài)位、轎內(nèi)開門按鈕、超重信號(hào)、光幕信號(hào)有信號(hào)時(shí)都需要進(jìn)行開門操作，其中“開門狀態(tài)位”是指當(dāng)電梯在響應(yīng)外部呼梯信號(hào)或轎廂內(nèi)選層按鈕信號(hào)，即將到達(dá)目的樓層時(shí)中間變量“開門狀態(tài)位”常開點(diǎn)閉合，當(dāng)電梯停下后，馬上執(zhí)行開門操作。

圖7 電梯開門控制程序

（4）超重保護(hù)程序設(shè)計(jì)。當(dāng)電梯轎廂里的人數(shù)或重量超過最大準(zhǔn)載人數(shù)或重量時(shí)，電梯不會(huì)進(jìn)行關(guān)門動(dòng)作，同時(shí)提醒人們已超載。具體實(shí)現(xiàn)程序如圖8所示，可在程序中設(shè)置Real的值來設(shè)置電梯的最大載重量，通過電梯當(dāng)前載重與最大載重量進(jìn)行比較來判斷電梯是否超重。

圖8 超重計(jì)算程序

（5）群控電梯調(diào)度程序設(shè)計(jì)。根據(jù)圖3群控電梯調(diào)度方案設(shè)計(jì)，采用邏輯控制來進(jìn)行三部電梯的調(diào)度。當(dāng)有外呼信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，首先判斷信號(hào)屬于上呼還是下呼，如果是上呼信號(hào)，首先判斷此刻是否有正在向著呼梯信號(hào)所在樓層向上運(yùn)行的電梯，倘若有，需要判斷滿足條件的電梯有幾部，如果只有一部電梯，則將這個(gè)上呼信號(hào)直接分配給這部電梯，如果滿足條件的電梯數(shù)大于1，需要進(jìn)行距離比較，距離呼梯信號(hào)所在樓層近者優(yōu)先分配，倘若此刻沒有正在向呼梯信號(hào)所在樓層向上運(yùn)行的電梯，則判斷此刻是否有電梯空閑，若有電梯處于空閑狀態(tài)，則將信號(hào)分配給空閑狀態(tài)的電梯，若沒有處于空閑狀態(tài)的電梯，則信號(hào)處于等待分配的狀態(tài)，一直循環(huán)。下行呼梯信號(hào)的分配方法與上行呼梯信號(hào)的分配方法一樣，不再展開詳述。

5 利用WinCC對(duì)電梯的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視

WinCC功能十分強(qiáng)大，具有很好的開放性和靈活性，由西門子公司和微軟共同開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，極大提高了工業(yè)自動(dòng)化水平。電梯監(jiān)控系統(tǒng)的搭建基于TIA portal、S7-1200 PLC、PC機(jī)和WinCC等軟件平臺(tái)，交換機(jī)、網(wǎng)線和顯示屏等硬件平臺(tái)，提供了一個(gè)便捷的操作平臺(tái)，以PC機(jī)作為上機(jī)位，通過博圖WinCC實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、將組態(tài)從工程師站下載到操作員站、組態(tài)不同層次的用戶根據(jù)各自的權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)操作等。建立好組態(tài)王與PLC的連接以后，將程序下載到PLC中，通過西門子電梯仿真軟件EET來展現(xiàn)程序運(yùn)行結(jié)果，同時(shí)打開WinCC監(jiān)控畫面，可通過畫面設(shè)置電梯初始化以后停在第幾層待命。在電梯運(yùn)行過程中，將WinCC畫面里電梯的運(yùn)行狀態(tài)與EET里電梯的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行比較來判斷WinCC監(jiān)控畫面的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

圖9為三部十層電梯的組態(tài)監(jiān)控外部總覽畫面設(shè)計(jì)圖。

圖9 三部十層電梯組態(tài)監(jiān)控外部總覽畫面設(shè)計(jì)圖

6 結(jié)論

本文介紹了三部十層電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制器采用S7-1200 PLC，使用TIA Portal V15.1控制工程軟件，在SIMATIC S7-1200 PLC上完成硬件組態(tài)，通過系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案完成控制程序開發(fā)，在SIMATIC WinCC上完成監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)，在PLC與WinCC之間建立通信連接，最后把完整程序下載到PLC中運(yùn)行，通過西門子電梯仿真軟件EET來顯示程序運(yùn)行結(jié)果，圖10為正在模擬仿真運(yùn)行的三部十層電梯，仿真評(píng)分結(jié)果如圖11所示，得分為97.5分，滿足試驗(yàn)預(yù)期要求。試驗(yàn)表明，該電梯控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電梯初始化、開關(guān)門控制、上下行控制、運(yùn)行監(jiān)控、錯(cuò)誤指令消除、超重保護(hù)、外部按鈕登記、轎廂內(nèi)選層按鈕登記、風(fēng)扇照明控制、樓層顯示和合理調(diào)度等功能，符合實(shí)際工程應(yīng)用中多部電梯運(yùn)行的基本要求。在整個(gè)電梯運(yùn)行過程中，WinCC監(jiān)控畫面中電梯運(yùn)行狀態(tài)與EET中實(shí)際電梯運(yùn)行狀態(tài)同步，完全可以監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行過程中的各項(xiàng)參數(shù)并給予反饋。

圖10 EET電梯仿真運(yùn)行圖

圖11 仿真運(yùn)行評(píng)分結(jié)果圖