基于PLC的智能電梯控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

張 偉 曾振城

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建漳州 363000)

隨著自動(dòng)化在各行業(yè)發(fā)展，電梯作為降低人力、物力的自動(dòng)化工具在大型商場(chǎng)、寫字樓、辦公樓、觀景臺(tái)等場(chǎng)合被應(yīng)用廣泛，而且電梯作為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的一部分備受關(guān)注，其安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性是在設(shè)計(jì)電梯時(shí)追求的方向。采用繼電器控制和單片機(jī)控制是比較老舊的使用方法。但是由于繼電器主要利用大量的機(jī)械觸點(diǎn)和連線來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，因此其機(jī)械損耗較快，抗干擾性能比較差，使用PLC電梯控制系統(tǒng)，不僅可以提高抗干擾能力，而且使用簡(jiǎn)單，維護(hù)方便[1]。組態(tài)在工業(yè)控制領(lǐng)域得應(yīng)用也較為廣泛，其采用的面相對(duì)象的編程和設(shè)計(jì)方法，使得更加易于學(xué)習(xí)和掌握其可視化功能，同時(shí)也為電梯控制系統(tǒng)提供了管理層實(shí)時(shí)監(jiān)控的方案。

1系統(tǒng)的組成、功能及運(yùn)行原則

1.1電梯系統(tǒng)的組成

該控制系統(tǒng)主要由PC機(jī)、松下PLC、組態(tài)軟件組成。主要是利用組態(tài)軟件建立電梯仿真模型，通過RS232串口將上位PC機(jī)PLC連接，進(jìn)行I/O組態(tài)連接、數(shù)據(jù)庫組態(tài)建立、動(dòng)畫連接和動(dòng)作腳本編寫來實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。系統(tǒng)框架如圖 1所示。

圖1 電梯控制系統(tǒng)框圖

1.2電梯系統(tǒng)的工作原理

該設(shè)計(jì)的電梯系統(tǒng)的工作原理如下：

(1)初始時(shí)刻，電梯處于1層，電梯接受每個(gè)呼叫按鈕發(fā)出的信號(hào)并做出相應(yīng)響應(yīng)。

(2)當(dāng)電梯停在任何一層(例如第4層)，按動(dòng)該層的向上呼叫按鈕或向下呼叫按鈕，則電梯發(fā)出開門信號(hào)，電梯進(jìn)行開門動(dòng)作，直至開門行程開關(guān)打開，并延遲10s后關(guān)門。也可以進(jìn)行手動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)門。如果電梯的轎廂不在第4層，則等電梯轎廂運(yùn)行至該層后執(zhí)行以上命令。

(3)當(dāng)按下內(nèi)層呼叫按鈕時(shí)，相應(yīng)呼叫燈亮，直至電梯轎廂進(jìn)行樓層判斷、轎廂運(yùn)行至該層后，內(nèi)部呼叫燈熄滅。

(4)電梯控制系統(tǒng)的每一層在井道內(nèi)都有一個(gè)行程開關(guān)，當(dāng)電梯的轎廂碰到某一層的行程開關(guān)時(shí)，則說明電梯已抵達(dá)該層。

(5)當(dāng)電梯轎廂抵達(dá)某一層后，電梯控制系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開/關(guān)門功能外，還可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開/關(guān)門功能。為了保證其安全性，電梯在運(yùn)行期間不可進(jìn)行開/關(guān)門，即有自鎖功能。

(6)當(dāng)電梯的轎廂運(yùn)行到某一樓層時(shí)，該層對(duì)應(yīng)的樓層位燈亮起。直到響應(yīng)下一樓層，該層指示燈滅，另一層指示燈亮。

(7)電梯轎廂內(nèi)部有應(yīng)急呼叫按鈕，若電梯出現(xiàn)異常情況下，乘客可按下該按鈕，控制中心接收應(yīng)急信號(hào)后對(duì)電梯進(jìn)行故障排查，可進(jìn)行手動(dòng)關(guān)閉應(yīng)急燈。

2電梯系統(tǒng)的仿真

根據(jù)上文說明的電梯系統(tǒng)的工作原理，本仿真系統(tǒng)主要包括電梯主體和控制裝置。其主體包括：呼梯盒、開關(guān)門按鈕、應(yīng)急呼叫按鈕、轎廂、曳引機(jī)等?？刂破髦饕强删幊炭刂破?PLC)和力控軟件[2]。該電梯控制系統(tǒng)共5個(gè)樓層，每層都有外呼按鈕、樓層顯示，電梯上下行顯示。轎廂內(nèi)有內(nèi)層呼叫按鈕，應(yīng)急呼叫按鈕，手動(dòng)開關(guān)門按鈕。

2.1電梯的I/0點(diǎn)分配及其意義

(1)外呼信號(hào)。除1層只有上呼叫按鈕，5層下呼叫按鈕外，其他樓層均有上下呼叫按鈕。其I/O分配為：從X1到X8。共8個(gè)I/O點(diǎn)。

(2)行程開關(guān)。電梯每層均有一個(gè)行程開關(guān)，當(dāng)電梯到該層，碰到行程開關(guān)，該層行程開關(guān)打開。1-5層的行程開關(guān)的I/O分配為：X9-X13。

(3)內(nèi)部呼叫按鈕。電梯內(nèi)部有各層的呼叫按鈕，當(dāng)按下目標(biāo)層按鈕，電梯發(fā)出該層信號(hào)。其1-5層I/O分配分別為：X14、X15、X16、X17、X18。

(4)開關(guān)門呼叫按鈕。電梯內(nèi)部有手動(dòng)開關(guān)門按鈕。其I/O分配為：X19和X20。

(5)開關(guān)門行程開關(guān)。電梯轎廂內(nèi)有一個(gè)開門行程開關(guān)和一個(gè)關(guān)門行程開關(guān)。其I/0分配為X21、X22。

(6)外部呼叫燈。外部1層上呼燈Y1，外部2層上呼燈Y2，外部2層下呼燈Y3，外部3層上呼燈Y4，外部3層下呼燈Y5，外部4層上呼燈Y6，外部4層下呼燈Y7，外部5層下呼燈Y8。

(7)各層位燈。電梯到達(dá)某層時(shí)，該行程開關(guān)打開，該層位燈亮。其1-5層位燈I/O分配為：Y9、YA、YB、YC、YD。

(8)電梯上升、下降及其指示燈，電梯開關(guān)門。其I/O分配為電梯上升YE，電梯下降YF，電梯上升指示燈R20，電梯下降指示燈R21。電梯開門R22，電梯關(guān)門R23。

(9)內(nèi)部各層呼叫燈。當(dāng)按下內(nèi)部各層呼叫按鈕時(shí)，內(nèi)部的各層對(duì)應(yīng)的呼叫燈亮，電梯運(yùn)行到呼叫層，觸碰行程開關(guān)，燈熄滅[3]。其1-5層的I/O分配為，內(nèi)部第1層呼叫燈：RE、內(nèi)部第2層呼叫燈：RF，內(nèi)部第3層呼叫燈：R10，內(nèi)部第4層呼叫燈：R11，內(nèi)部第5層呼叫燈：R12。其I/O分配共46個(gè)，其注釋如表1所示。

2.2系統(tǒng)工作流程圖

電梯控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是電梯的上下運(yùn)行和電梯的開關(guān)門。該電梯控制仿真系統(tǒng)在開始上電后進(jìn)行初始化，電梯轎廂停在第一樓層，然后等待呼叫信號(hào)，當(dāng)有某一樓層呼叫時(shí)，電梯轎廂先進(jìn)行判斷呼叫的方向，再根據(jù)呼叫方向運(yùn)行。轎廂到達(dá)目標(biāo)層后延時(shí)開門，待開門行程打開后，延時(shí)關(guān)門，也可以進(jìn)行手動(dòng)開關(guān)門。之后根據(jù)乘客按下內(nèi)呼叫按鈕，轎廂到達(dá)目標(biāo)層后繼續(xù)進(jìn)行以上的開關(guān)門動(dòng)作。該電梯控制系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 電梯控制系統(tǒng)流程圖

3組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件是一個(gè)集成人機(jī)界面和監(jiān)控管理系統(tǒng)的工業(yè)控制的上位軟件。組態(tài)軟件可以與可編程控制器、智能模塊、電力設(shè)備、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置等通訊[4]?？墒宫F(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)傳到控制室，操作人員和管理人員不需深入現(xiàn)場(chǎng)就可以獲得實(shí)時(shí)和歷史參數(shù)[5]。組態(tài)軟件資源豐富，功能強(qiáng)大，使用方便，在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用[6]?？删幊炭刂破?PLC)和組態(tài)軟件的結(jié)合可以組成應(yīng)用較為廣泛的控制系統(tǒng)，組態(tài)中強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和過程控制與PLC靈活的編程方法符合電梯系統(tǒng)控制的發(fā)展趨勢(shì)[7]。利用組態(tài)軟件進(jìn)行電梯系統(tǒng)控制主要包括設(shè)備配置、圖形監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫變量的構(gòu)建、動(dòng)畫連接、動(dòng)作腳本編寫、運(yùn)行調(diào)試等過程。

3.1變量設(shè)置及數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造

設(shè)備配置就是完成組態(tài)與可編程控制器(PLC)之間的通訊。該控制系統(tǒng)的在I/O設(shè)備組態(tài)中選擇松下PLC，串口選擇FP系列串口。

數(shù)據(jù)是用來表述系統(tǒng)控制對(duì)象屬性，在力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)客觀世界中的可被測(cè)量或控制的對(duì)象[8]。力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫可以提供一些預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù)，如模擬I/O點(diǎn)、數(shù)字I/O點(diǎn)，同時(shí)用戶也可以依據(jù)控制系統(tǒng)需求，進(jìn)行建立自定義點(diǎn)類型[9]。

用戶對(duì)點(diǎn)的引用實(shí)際上是對(duì)該點(diǎn)的某一具體參數(shù)進(jìn)行引用，該控制系統(tǒng)利用24個(gè)點(diǎn)組態(tài)結(jié)合PLC的I/O地址對(duì)電梯進(jìn)行控制，其數(shù)據(jù)組態(tài)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫組態(tài)圖

3.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面設(shè)計(jì)用于模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和工控設(shè)備[10]。該系統(tǒng)的圖形監(jiān)控界面設(shè)計(jì)包括電梯井道、電梯轎廂、外呼叫盒、內(nèi)呼叫盒，電梯上下行顯示、樓層顯示、層位燈、開關(guān)門按鈕等。利用組態(tài)的工具箱、圖庫，位圖插入等手段，在畫電梯門時(shí)利用圖形顏色填充功能，用水平填充功能來實(shí)現(xiàn)電梯的開關(guān)門，電梯的開關(guān)門用一個(gè)間接變量(over.pv)的加減來實(shí)現(xiàn)。電梯的開門由右向左打開，電梯的關(guān)門由左向右關(guān)上，組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 組態(tài)監(jiān)控界面圖

4系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試

根據(jù)前面設(shè)計(jì)的工作原理，通過運(yùn)行程序控制組態(tài)監(jiān)控界面，檢查呼梯功能與開關(guān)門功能。通過按下電梯各個(gè)按鈕，察看電梯的上下行、開關(guān)門，報(bào)警情況。通過調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)的自動(dòng)控制，且組態(tài)控制界面運(yùn)行正常。

電梯呼叫系統(tǒng)分為內(nèi)部呼叫系統(tǒng)和外部系統(tǒng)，內(nèi)部呼叫系統(tǒng)有五個(gè)層位按鍵和開關(guān)門按鍵，應(yīng)急呼叫和解除呼叫按鍵；外部呼叫系統(tǒng)中，每層都有兩個(gè)按鍵，分別為上、下。通過仿真，當(dāng)電梯處于3樓時(shí)，5樓有人按電梯下行鍵，電梯上行到5層時(shí)，層位燈先亮，電梯自動(dòng)開門，當(dāng)電梯門全部開啟，延時(shí)10s后會(huì)自動(dòng)關(guān)門，同時(shí)也可以通過人工進(jìn)行關(guān)門。人工按內(nèi)部按鍵，電梯按指令運(yùn)行，如果在運(yùn)行過程中，有遇到順延需求時(shí)，電梯會(huì)按順序開關(guān)門。應(yīng)急燈主要用于當(dāng)電梯出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，可以通過按鍵報(bào)警，不僅報(bào)警燈會(huì)亮起，同時(shí)還會(huì)蜂鳴。電梯每一層門口上均有顯示屏，通過和PLC樓層接口同信，會(huì)實(shí)時(shí)顯示電梯處于哪一層，便于外部等候人員把握時(shí)間。如圖5～圖13所示。

圖5 電梯開門動(dòng)作圖

圖7 應(yīng)急報(bào)警燈亮圖

圖8 解除應(yīng)急報(bào)警圖

圖9 電梯到達(dá)4層圖

圖10 電梯在3層開門圖

圖11 電梯在3層關(guān)門圖

圖12 電梯上升過程圖

圖13 電梯下降過程圖

5結(jié)論

該電梯控制系統(tǒng)基于PLC軟件編程及組態(tài)軟件控制下實(shí)現(xiàn)了電梯控制系統(tǒng)的基本功能，既發(fā)揮了PLC的高可靠性、高穩(wěn)定性及編程模塊化優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也發(fā)揮了力控軟件的數(shù)據(jù)采集和過程控制兩大功能。這種結(jié)合提高電梯系統(tǒng)控制系統(tǒng)的高效性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，但在功能設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)上仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。