群控電梯半實(shí)物仿真監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于運(yùn)淥，焦彥宗

（北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，北京100144）

隨著“中國(guó)制造2025”規(guī)劃的推進(jìn)，我國(guó)智能制造的發(fā)展速度不斷加快，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不斷提升。智能制造企業(yè)對(duì)于高素質(zhì)人才的需求也愈發(fā)迫切，但我國(guó)現(xiàn)有高素質(zhì)智能制造人才匱乏，成為制約我國(guó)智能制造發(fā)展的一個(gè)重要因素[1]。

電梯控制作為智能制造離散行業(yè)的典型應(yīng)用，能夠培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力，有利于提升學(xué)生對(duì)智能制造的認(rèn)識(shí)。目前，我國(guó)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(fā)現(xiàn)，難以及時(shí)掌握設(shè)備潛在問(wèn)題[2-3]。對(duì)此，利用高校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，將電梯控制、上位機(jī)監(jiān)測(cè)及觸摸屏組態(tài)相結(jié)合，設(shè)計(jì)完成了群控電梯半實(shí)物仿真監(jiān)控系統(tǒng)。

該監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)PLC 進(jìn)行梯形圖編程實(shí)現(xiàn)群控電梯的群控[4-5]，以Elevator Simulation 仿真軟件模擬實(shí)際電梯的運(yùn)行[6]，結(jié)合工業(yè)通信技術(shù)[7-8]傳輸PLC 的數(shù)據(jù)，并通過(guò)HMI 和上位機(jī)編程對(duì)電梯的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[9-10]。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，開(kāi)拓學(xué)生的視野，鍛煉學(xué)生的工程能力，對(duì)培養(yǎng)智能制造人才具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

群控電梯半實(shí)物仿真監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控模塊、控制器和仿真模型組成。監(jiān)控模塊包含綜合監(jiān)控站和HMI，綜合監(jiān)控站安裝上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件和TIA Portal V14 軟件，負(fù)責(zé)對(duì)群控電梯的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)完成PLC 編程和HMI 組態(tài)等功能；HMI通過(guò)畫面設(shè)計(jì)和變量連接，完成對(duì)電梯啟動(dòng)、停止及報(bào)警等輸出量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。群控電梯的控制主要包括初始化、內(nèi)呼、外選、集選分配、開(kāi)關(guān)門控制和報(bào)警等功能[11]，通過(guò)TIA Portal V14 編寫群控電梯控制程序，通過(guò)Elevator Simulation 仿真軟件模擬實(shí)際電梯運(yùn)行，完成電梯控制程序的編寫和測(cè)試[12]。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall structure of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

群控電梯半實(shí)物仿真監(jiān)控系統(tǒng)主要硬件包括：視頻監(jiān)控站PC，HMI，控制器PLC，通訊模塊，DP 從站和二層交換機(jī)。由圖1 可見(jiàn)，PLC 和仿真模型通過(guò)PROFIBUS-DP 進(jìn)行通信，綜合監(jiān)控站、HMI、交換機(jī)與PLC 之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信。

HMI 采用KTP700 Basic，完成人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)；控制器采用S7-1200 PLC，型號(hào)為1214 DC/DC/DC，具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯仿真模型的控制；交換機(jī)采用SCALANCE XB208，負(fù)責(zé)擴(kuò)展以太網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)各硬件之間的連接；通訊模塊采用CM1243-5，DP 從站采用PM125，實(shí)現(xiàn)PLC 和仿真模型之間的PROFIBUS-DP 通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)Fig.2 System network configuration

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電梯控制程序設(shè)計(jì)

電梯控制程序設(shè)計(jì)部分采用模塊化編程，完成群控電梯控制程序的編寫，并結(jié)合Elevator Simulation 仿真軟件實(shí)現(xiàn)群控電梯的在線仿真運(yùn)行。學(xué)生可根據(jù)電梯運(yùn)行情況對(duì)控制程序進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整。

群控電梯的控制程序包括電梯的初始化、上下行、開(kāi)關(guān)門、樓層計(jì)數(shù)、故障診斷、待載休眠、越程保護(hù)和集選分配等。集選分配作為控制程序中最為復(fù)雜的部分，同時(shí)也是編程中最靈活的部分，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)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(shè)計(jì)如下：當(dāng)同時(shí)存在多部同向運(yùn)行電梯時(shí)，響應(yīng)方式為短時(shí)優(yōu)先，即各部電梯響應(yīng)完各自的當(dāng)前樓層到目標(biāo)樓層之間的內(nèi)呼信號(hào)后，最先到達(dá)目標(biāo)樓層的電梯優(yōu)先響應(yīng)外呼信號(hào)；當(dāng)同時(shí)存在靜止電梯及運(yùn)行電梯，且運(yùn)行電梯均反向運(yùn)行時(shí)，靜止電梯優(yōu)先響應(yīng)外呼信號(hào)；當(dāng)各部電梯均反向運(yùn)行時(shí)，最先響應(yīng)完最高層內(nèi)呼信號(hào)（電梯上行）或者最低層內(nèi)呼信號(hào)（電梯下行）的電梯優(yōu)先響應(yīng)外呼信號(hào)。

3.2 HMI 設(shè)計(jì)

采用TIA Portal V14 軟件平臺(tái)中的WinCC 組態(tài)軟件完成HMI 的組態(tài)設(shè)計(jì)，并通過(guò)PROFINET 通信方式實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC 之間的通信。通過(guò)畫面設(shè)計(jì)和變量連接，利用HMI 實(shí)現(xiàn)對(duì)群控電梯的監(jiān)測(cè)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(tài)界面包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面、報(bào)警指示界面以及系統(tǒng)控制界面。狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面顯示電梯的樓層、運(yùn)行方向等，可直觀監(jiān)測(cè)電梯的各種信號(hào)狀態(tài)；報(bào)警指示界面輸出電梯的報(bào)警指示信號(hào)，包括電梯運(yùn)行故障，人員超載、越程等，在實(shí)際電梯的應(yīng)用中可供維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障；系統(tǒng)控制界面包含電梯的初始化、啟動(dòng)和停止等控制按鈕，可對(duì)電梯進(jìn)行相應(yīng)控制。電梯整體狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面如圖5所示。單部電梯監(jiān)控界面如圖6 所示。

圖5 電梯整體狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面Fig.5 Monitoring interface of elevator overall state

圖6 單部電梯監(jiān)控界面Fig.6 Monitoring interface of single elevator

3.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)部分主要使用Visual Studio 2010（簡(jiǎn)稱VS 2010）以及SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。在VS 2010 中創(chuàng)建Windows 窗體應(yīng)用程序，采用C# 編程語(yǔ)言，通過(guò)S7.net 控件建立綜合監(jiān)控站與S7-1200 PLC 之間的連接，讀取S7-1200 PLC 數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)顯示在窗體應(yīng)用程序的各控件中，并保存至SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)了群控電梯運(yùn)行狀態(tài)在上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面中的顯示。與HMI 監(jiān)控相比，成本更低，且更適用于實(shí)際電梯應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)查看上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面和SQL Sever 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，維修和巡檢人員可以更加靈活、便捷地獲取電梯運(yùn)行狀態(tài)信息。上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面如圖7 所示。

圖7 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面Fig.7 PC monitoring interface

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，將電梯控制、上位機(jī)監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互界面相結(jié)合，設(shè)計(jì)了群控電梯半實(shí)物仿真監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該監(jiān)控系統(tǒng)可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了HMI 對(duì)群控電梯的監(jiān)控功能，完成了上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)HMI 和上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件可快速查看電梯運(yùn)行狀態(tài)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電梯潛在故障，有效降低電梯發(fā)生事故的可能性。使用該監(jiān)控系統(tǒng)有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯編程和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。