基于虛擬PLC的四層虛擬電梯控制系統設計

胡兆勇，何漢武，羅海峰

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006；2.廣州超軟科技有限公司，廣東廣州510635）

電梯是垂直運行的電梯(通常簡稱電梯)、傾斜方向運行的自動扶梯、傾斜或水平方向運行的自動人行道的總稱[1]。電梯已成為現代生活中廣泛使用的人員運輸工具，同時也是一個典型的控制對象。目前電梯主要有繼電器控制系統、PLC控制系統和微機控制系統[2~5]。其中，繼電器控制系統已經逐漸被后兩種控制系統所取代。微機控制系統雖在智能控制方面有較強的功能，但也存在抗干擾性差、系統設計復雜、難以掌握其維修技術等缺陷。PLC在電梯控制中的應用將逐漸成為趨勢。

在可編程序控制器的教學實踐中，電梯同樣是一個重要的實踐環節。論文根據常用的四層教學電梯模型，通過OpenGL進行三維建模，并利用自主研制的虛擬PLC仿真系統，設計了四層虛擬電梯控制系統。仿真運行實例和結果顯示了系統的可用性。

1 四層虛擬電梯的結構

垂直運行的電梯，主要由曳引機、巷道、對重裝置、安全裝置、信號操縱系統、轎廂與廳門等組成。電梯的控制主要是召梯、選層、減速、平層停站、開門、關門。對于單個電梯的運行控制來說，可以歸結為隨機邏輯控制。

對于虛擬電梯來說，電梯的運動實質上為圖像的運動，因而不采用虛擬電機進行拖動；同時，轎門和廳門的開關門動作可以合二為一。故論文設計的四層虛擬電梯主要結構，包含了轎廂、廳門和巷道。圖1給出了OpenGL建模的四層虛擬電梯示意圖。

圖1 四層虛擬電梯模型

該虛擬電梯設計了運行方向指示、當前樓層號顯示；每層均設有上行和下行的呼梯按鈕（底層只有上行按鈕，頂層只有下行按鈕），并由LED燈作為系統對外部呼梯的響應；右側的數字，表示轎廂內的操作面板；操作面板由進入轎廳的乘客控制，通過選擇按鈕輸入選層要求，并由LED燈顯示。此外，在轎箱內的操作面板下方還設置了開門和關門按鈕。

2 四層虛擬電梯控制系統設計

在樓層響應的邏輯控制中，樓層的檢測是控制的關鍵環節。對于虛擬電梯來說，樓層的檢測，體現為轎廂在垂直方向上的坐標檢測。為了與真實的電梯樓層檢測盡可能相似，在虛擬電梯模型中，論文設置了三重坐標檢測，即每層設有1個感應器KR，轎廂上設有上下平層共2個感應器KR。為確保電梯可靠運行，不會超出行程，設置了上下限行程開關ST1和ST2。同時，為確保電梯安全升降，設計了開門和關門兩個傳感器，用于檢測是否完全開啟或完全關閉。

由該四層虛擬電梯建模可知，其控制系統需要6個外響應按鈕、4個內響應按鈕、內選的開門和關門兩個按鈕，以及對應這些按鈕的LED指示燈。實質上是采用兩種按鈕進行切換。

圖2給出了四層虛擬電梯控制方案的總體設計。

圖2 四層虛擬電梯控制系統方案設計

在這里，當前樓層的顯示如果用PLC進行控制，則麻煩且意義不大。實際中也多采用單片機控制。故這種功能由虛擬場景自動顯示，不需要額外的控制。同樣地，當前樓層顯示，是通過檢測虛擬電梯在圖像中的坐標來實現的。

除此以外，該控制系統還設計了電梯運行方向的顯示功能。這個需要通過PLC程序控制，且本質上也是通過PLC實現兩個圖形的切換。

3 虛擬PLC及其與虛擬電梯的通訊

所謂虛擬PLC，這里是指通過軟件來實現硬件PLC的功能，從而能夠不需要實際的硬件PLC來完成PLC程序控制邏輯。具體來說，使用者能夠在虛擬PLC的環境中，自行編制PLC指令程序，并能夠仿真調試程序是否滿足預定的功能。

文獻[6]詳細闡述了作者利用Visual C++環境所開發的虛擬PLC仿真軟件。在設定好四層虛擬電梯的控制方案后，即可將模型導入到該仿真軟件。此時控制虛擬電梯的關鍵便是兩者之間的通訊。

對于PLC控制來說，端口分配圖是進行控制程序設計的關鍵。在四層虛擬電梯的控制系統中，端口分配圖已經通過Visual C++環境進行固化，也即按鈕和指示燈與虛擬PLC之間的連接關系已經確定。

圖3給出了虛擬電梯PLC控制的端口分配圖。

圖3 四層虛擬電梯端口分配圖

在設計好虛擬PLC和虛擬電梯的通訊關聯之后，便可以利用虛擬PLC進行電梯的仿真控制。在這里，電梯的控制方案可以衍生很多。

4 虛擬電梯仿真控制方案及程序設計

對于任意電梯控制來說，召梯和開關門控制是必需的控制要求。對于虛擬電梯來說，電梯的召梯控制，表現為虛擬轎廂和轎門在虛擬巷道中的圖像平移。若考慮虛擬電梯的變頻調速問題，則為其PLC仿真控制增添相當大的復雜度。因此，論文設計的控制方案不考慮上下平層感應器KR5和KR6的存在，設計一種較為簡化的控制要求。此時，虛擬電梯到達相應層時，直接停止升降，而不需要減速制動。

虛擬電梯控制的另一個動作，便是轎門和廳門的開關門動作。電梯開關門控制同樣表現為轎門的圖像平移。自然也存在減速過程。類似地，系統簡化了速度改變的需求。

對于虛擬電梯的控制系統來說，電梯升降和開關門動作，需要在虛擬電梯建模時創建行為建模，而不采用虛擬電機來拖動。

為此，論文給出的電梯控制要求為：

（1）電梯停在1樓，可以響應2、3或4樓的內響應；

（2）到達召梯樓層后，自動開門至完全；

（3）保持開門3 s后自動關門；

（4）在召梯樓層停留5 s后，自動下降到1樓。

論文設計的基于虛擬PLC的四層虛擬電梯控制系統，可以設計出多種控制方案。這里設計的控制方案是一種簡單的單一樓層控制。

論文設計的虛擬電梯控制方案如圖4所示。

圖4 一種虛擬電梯的PLC控制要求

對于PLC實踐來說，四層電梯的PLC控制程序設計，可以采用兩種方法：一種是按照出發樓層的狀態，另一種是按照到達樓層的狀態。前者針對電梯停在某層，然后到達另外層進行設計；后者針對電梯從其他層出發到某層進行設計，兩者在本質上是一致的。論文選擇第一種方案。

根據此要求，圖5給出了基于虛擬PLC仿真平臺所設計的程序。

圖6展示了按下2層內選按鈕后，電梯運行的上升、開門和下降三個階段。

圖6 仿真實例運行結果

5 結束語

討論了四層虛擬電梯的可編程序控制系統設計，并利用作者開發的虛擬PLC仿真平臺，設計了一種控制方案，進而編制了PLC控制程序。仿真結果表明，基于虛擬PLC的四層虛擬電梯控制系統，可以提供多種設計方案，能夠用于PLC設計實踐。

該虛擬控制系統已成功地應用于廣東工業大學機電工程學院機械制造及其自動化專業的專業基礎課程“機電傳動控制”的課程教學實驗。同時，包含該虛擬電梯控制系統的PLC仿真訓練產品，也已在廣東省一些技校的PLC教學實踐中，獲得了成功的應用。

[1]劉 劍，朱德文，梁質林.電梯電氣設計[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]趙春鋒，范小蘭，林潔駿.基于MCGS的四層電梯仿真實驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2009，28（7）：36-37，41.

[3]鐘志賢，何國金.基于PCC的全集選電梯控制系統設計[J].機械與電子，2005，（6）：56-58.

[4]Darshil,Sagar,Rajiv,et al.Development of a PLC Based Elevator System with Colour Sensing Capabilities for Material Handling in Industrial Plant[C].Power System Technology and IEEE Power India Conference，2008，1-7.

[5]陳繼文，范文利，李彥鳳，等.基于PLC的電梯控制仿真系統研究[J].機械與電子，2008，（7）：55-57.

[6]胡兆勇，何漢武，秦 兵.基于Visual C＋＋的虛擬PLC仿真軟件開發[J].廣東工業大學學報，2009，26(1)：40-43.