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設計研究

郭亮亮，田 海*，汪世嬌

（1.內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014000；2.內蒙古科技大學 文法學院，內蒙古 包頭 014000）

當今社會計算機網絡通信技術廣泛應用于各行各業，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，電梯對于大多數人來說早已不再陌生，然而電梯的可靠性是人們一直所關注的，因此對電梯控制技術優化的研究一直在不斷進行。早期電梯控制系統行業采用的是繼電器控制技術，缺乏必要的可靠性，現階段電梯控制系統行業大多采用可編程邏輯控制器（PLC）控制技術，PLC就是小型的計算機，具有一系列運算指令，通過數字或模擬輸入輸出進行控制，具有較高的可靠性。電梯控制系統行業充分發揮了可編程邏輯控制器的優點，大大提高了整個電梯控制系統行業的水平和可靠性，通過PLC和視窗控制中心（WinCC）技術對電梯控制系統進一步優化，不僅能更好地滿足人們對電梯使用的各項需求，還能使系統操作更加簡便、可靠。

1 三部十層電梯模型

本課題是以2021年西門子杯中國智能挑戰賽的離散行業自動化賽項為背景，控制對象是三部十層電梯，其中電梯主要包括轎廂、限位開關和曳引電機等構成電梯整體，電梯上行呼梯按鈕、下行呼梯按鈕以及上行指示燈、下行指示燈等各個樓層按鈕指示，轎廂開門按鈕、關門按鈕、轎廂選層按鈕及指示燈等電梯內部設備，可通過工業以太網或PROFIBUS-DP總線網絡與控制系統實現通信。

電梯模型原理示意圖如圖1所示，包括曳引電機、引導輪、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。曳引電機通過引導輪來驅動轎廂上下運行，通過每一層的上平層傳感器和下平層傳感器的信號精確判斷出電梯當前所在的樓層，同時確保電梯在到達目的樓層時轎廂門與電梯的出口保持水平，防止出現電梯到達目的樓層時轎廂門與電梯門不能恰好重合從而引發的事故。限位開關一方面可以在電梯初始化的時候進行電梯復位，另一方面可以作為一種安全保障，防止電梯故障時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 系統方案設計

2.1 單部電梯運行方案設計

單部電梯要實現自動運行需要具備的功能包括電梯初始化、啟停控制、上下行控制、開關門控制、超重保護、外部按鈕登記、轎廂內選層按鈕登記、風扇照明控制和樓層顯示等。

單部電梯運行流程圖如圖2所示。電梯在上電以后首先初始化進行復位。若輸出準備就緒以后持續30 s內沒有呼梯信號，電梯的風扇和照明系統就會處于休眠狀態，一直到有呼梯信號出現。當某一層有呼梯信號時，電梯會根據此刻電梯的位置和運行方向做出響應。例如：假設此時電梯正在上行，其優先響應當前所處樓層以上的上行呼梯信號，此刻即使有下行呼梯信號或者有當前所處樓層以下的上行呼梯信號，電梯都不會響應，直到將最遠處的上行呼梯信號執行完畢，才會去執行下行呼梯信號。電梯先去響應上行呼梯信號還是先去響應下行呼梯信號取決于最早登錄的信號。

圖2 單部電梯運行流程圖

2.2 群控電梯調度方案設計

在日常生活中，一些人流量大的地方，比如大型公寓、商城和醫院等都會并列安裝多部電梯，對于群控電梯，不僅每一部電梯要做到合理運行，多部電梯之間的合理調度也是十分重要的。一個優秀的調度方案是群控電梯做到運行最優化的關鍵，本文中控制系統調度算法以公平、節能、平均候梯時間短、運行效率高為原則，兼顧了每一位乘梯人員的乘梯需求，群控電梯調度流程圖如圖3所示。

圖3 群控電梯調度流程圖

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參數都可以與PLC通過現場總線相連，從而進行自動控制。電梯部分I/O變量及相對地址列表見表1。

表1 電梯的I/O變量及相對地址

4 項目開發

4.1 硬件組態

在博途軟件里進行三部十層電梯控制項目的開發，首先需要完成控制網絡的硬件組態搭建，如圖4所示。

圖4 硬件組態畫面

4.2 軟件設計

根據系統方案設計，程序功能模塊包括電梯初始化、啟停控制、開關門控制、超重保護、外部按鈕登記、轎廂內選層按鈕登記、風扇照明控制、樓層顯示、上下行控制和調度算法等。本文主要介紹幾個核心功能塊，包括電梯初始化程序設計、啟停控制程序設計、開關門控制程序設計、超重保護程序設計、群控電梯調度程序設計。

（1）電梯初始化程序設計。電梯初始化是電梯投入運行前的第一步，分為上行初始化和下行初始化2種。假設電梯采用的是上行初始化，當輸入自動運行信號以后，電梯將進行上行初始化，電梯觸碰到上端站第一限位時，此時將“電梯當前所在樓層”這一變量置為11，然后使電梯反向運行，到達第十層時“電梯當前所在樓層”由11變為10，到達第九層時電梯當前所在樓層為9，依次遞減，到達預先設定好的樓層后，電梯復位，初始化完成。圖5為部分電梯初始化程序，可通過設置“1號梯初始化樓層”“2號梯初始化樓層”“3號梯初始化樓層”來確定每一部電梯復位以后停在第幾層待命，當三部電梯各自完成初始化后，“1號梯初始化完成登記”常開點閉合、“2號梯初始化完成登記”常開點閉合、“3號梯初始化完成登記”常開點閉合，輸出準備就緒信號。

圖5 部分初始化程序

（2）啟停控制程序設計。電梯啟停控制是電梯安全高效運行的保障。系統方案設計中對電梯啟停控制的要求十分苛刻，例如電梯啟動時必須要保證電梯門已經關閉到位、轎廂門已經鎖好、電梯沒有故障指示、不需要檢修和沒有超重等，才能夠輸出電機啟動信號和高速接觸器信號。當電梯到達目的樓層需要停下時，合理的電梯制動方案能夠保證電梯在安全停下的前提下還能夠節省運行時間，提高電梯運行的效率。圖6為電梯上行制動控制程序，當電梯即將到達目的樓層時，會先有下平層信號，此時電梯開始1級減速制動，經過0.5 s以后開始2級減速制動，當有上平層信號時，此時電梯幾乎已經到達目的樓層，立刻采用3級減速制動使電梯停止運行。

圖6 電梯上行制動控制程序

（3）開關門控制程序設計。電梯執行開關門動作的前提是當前電梯已對準樓層停止運行，這一點在程序中的表現就是此刻上平層傳感器和下平層傳感器有信號，上行接觸器和下行接觸器此時是沒有信號的，由此保證了電梯轎廂此刻已經對準樓層，而且是靜止的。電梯在滿足開關門動作的前提下需要執行開關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，當電梯開門狀態位、轎內開門按鈕、超重信號、光幕信號有信號時都需要進行開門操作，其中“開門狀態位”是指當電梯在響應外部呼梯信號或轎廂內選層按鈕信號，即將到達目的樓層時中間變量“開門狀態位”常開點閉合，當電梯停下后，馬上執行開門操作。

圖7 電梯開門控制程序

（4）超重保護程序設計。當電梯轎廂里的人數或重量超過最大準載人數或重量時，電梯不會進行關門動作，同時提醒人們已超載。具體實現程序如圖8所示，可在程序中設置Real的值來設置電梯的最大載重量，通過電梯當前載重與最大載重量進行比較來判斷電梯是否超重。

圖8 超重計算程序

（5）群控電梯調度程序設計。根據圖3群控電梯調度方案設計，采用邏輯控制來進行三部電梯的調度。當有外呼信號產生時，首先判斷信號屬于上呼還是下呼，如果是上呼信號，首先判斷此刻是否有正在向著呼梯信號所在樓層向上運行的電梯，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，則將這個上呼信號直接分配給這部電梯，如果滿足條件的電梯數大于1，需要進行距離比較，距離呼梯信號所在樓層近者優先分配，倘若此刻沒有正在向呼梯信號所在樓層向上運行的電梯，則判斷此刻是否有電梯空閑，若有電梯處于空閑狀態，則將信號分配給空閑狀態的電梯，若沒有處于空閑狀態的電梯，則信號處于等待分配的狀態，一直循環。下行呼梯信號的分配方法與上行呼梯信號的分配方法一樣，不再展開詳述。

5 利用WinCC對電梯的運行狀態進行監視

WinCC功能十分強大，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，實現了人機交互功能，廣泛應用于自動化領域，極大提高了工業自動化水平。電梯監控系統的搭建基于TIA portal、S7-1200 PLC、PC機和WinCC等軟件平臺，交換機、網線和顯示屏等硬件平臺，提供了一個便捷的操作平臺，以PC機作為上機位，通過博圖WinCC實現實時監控現場實際運行狀態、將組態從工程師站下載到操作員站、組態不同層次的用戶根據各自的權限進行相應操作等。建立好組態王與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來展現程序運行結果，同時打開WinCC監控畫面，可通過畫面設置電梯初始化以后停在第幾層待命。在電梯運行過程中，將WinCC畫面里電梯的運行狀態與EET里電梯的實際運行狀態進行比較來判斷WinCC監控畫面的實時性和準確性。

圖9為三部十層電梯的組態監控外部總覽畫面設計圖。

圖9 三部十層電梯組態監控外部總覽畫面設計圖

6 結論

本文介紹了三部十層電梯控制系統的設計，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，通過系統總體設計方案完成控制程序開發，在SIMATIC WinCC上完成監控畫面設計，在PLC與WinCC之間建立通信連接，最后把完整程序下載到PLC中運行，通過西門子電梯仿真軟件EET來顯示程序運行結果，圖10為正在模擬仿真運行的三部十層電梯，仿真評分結果如圖11所示，得分為97.5分，滿足試驗預期要求。試驗表明，該電梯控制系統可以實現電梯初始化、開關門控制、上下行控制、運行監控、錯誤指令消除、超重保護、外部按鈕登記、轎廂內選層按鈕登記、風扇照明控制、樓層顯示和合理調度等功能，符合實際工程應用中多部電梯運行的基本要求。在整個電梯運行過程中，WinCC監控畫面中電梯運行狀態與EET中實際電梯運行狀態同步，完全可以監測電梯運行過程中的各項參數并給予反饋。

圖10 EET電梯仿真運行圖

圖11 仿真運行評分結果圖