群控电梯半实物仿真监控系统设计

于运渌，焦彦宗

（北方工业大学 电气与控制工程学院，北京100144）

随着“中国制造2025”规划的推进，我国智能制造的发展速度不断加快，国际竞争力不断提升。智能制造企业对于高素质人才的需求也愈发迫切，但我国现有高素质智能制造人才匮乏，成为制约我国智能制造发展的一个重要因素[1]。

电梯控制作为智能制造离散行业的典型应用，能够培养学生的逻辑思维和创新能力，有利于提升学生对智能制造的认识。目前，我国电梯保有量多、地域分布广，电梯故障主要依靠维修和巡检发现，难以及时掌握设备潜在问题[2-3]。对此，利用高校实验室现有设备，将电梯控制、上位机监测及触摸屏组态相结合，设计完成了群控电梯半实物仿真监控系统。

该监控系统通过对PLC 进行梯形图编程实现群控电梯的群控[4-5]，以Elevator Simulation 仿真软件模拟实际电梯的运行[6]，结合工业通信技术[7-8]传输PLC 的数据，并通过HMI 和上位机编程对电梯的运行状态进行实时监控[9-10]。实践表明，该系统可培养学生的逻辑思维，开拓学生的视野，锻炼学生的工程能力，对培养智能制造人才具有重要意义。

1 系统整体方案设计

群控电梯半实物仿真监控系统由监控模块、控制器和仿真模型组成。监控模块包含综合监控站和HMI，综合监控站安装上位机监测软件和TIA Portal V14 软件，负责对群控电梯的运行状态进行实时监测，同时完成PLC 编程和HMI 组态等功能；HMI通过画面设计和变量连接，完成对电梯启动、停止及报警等输出量的控制，实现对电梯运行状态的实时监测。群控电梯的控制主要包括初始化、内呼、外选、集选分配、开关门控制和报警等功能[11]，通过TIA Portal V14 编写群控电梯控制程序，通过Elevator Simulation 仿真软件模拟实际电梯运行，完成电梯控制程序的编写和测试[12]。系统整体架构如图1 所示。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall structure of system

2 系统硬件设计

群控电梯半实物仿真监控系统主要硬件包括：视频监控站PC，HMI，控制器PLC，通讯模块，DP 从站和二层交换机。由图1 可见，PLC 和仿真模型通过PROFIBUS-DP 进行通信，综合监控站、HMI、交换机与PLC 之间通过工业以太网通信。

HMI 采用KTP700 Basic，完成人机交互功能设计；控制器采用S7-1200 PLC，型号为1214 DC/DC/DC，具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，实现对电梯仿真模型的控制；交换机采用SCALANCE XB208，负责扩展以太网口，实现各硬件之间的连接；通讯模块采用CM1243-5，DP 从站采用PM125，实现PLC 和仿真模型之间的PROFIBUS-DP 通信。系统网络组态如图2 所示。

图2 系统网络组态Fig.2 System network configuration

3 系统软件设计

3.1 电梯控制程序设计

电梯控制程序设计部分采用模块化编程，完成群控电梯控制程序的编写，并结合Elevator Simulation 仿真软件实现群控电梯的在线仿真运行。学生可根据电梯运行情况对控制程序进行相应的优化调整。

群控电梯的控制程序包括电梯的初始化、上下行、开关门、楼层计数、故障诊断、待载休眠、越程保护和集选分配等。集选分配作为控制程序中最为复杂的部分，同时也是编程中最灵活的部分，可以有效地培养学生的逻辑思维和创新能力。以3 部电梯为例，集选分配流程如图3 所示。

集选分配控制程序设计如下：当同时存在多部同向运行电梯时，响应方式为短时优先，即各部电梯响应完各自的当前楼层到目标楼层之间的内呼信号后，最先到达目标楼层的电梯优先响应外呼信号；当同时存在静止电梯及运行电梯，且运行电梯均反向运行时，静止电梯优先响应外呼信号；当各部电梯均反向运行时，最先响应完最高层内呼信号（电梯上行）或者最低层内呼信号（电梯下行）的电梯优先响应外呼信号。

3.2 HMI 设计

采用TIA Portal V14 软件平台中的WinCC 组态软件完成HMI 的组态设计，并通过PROFINET 通信方式实现触摸屏与PLC 之间的通信。通过画面设计和变量连接，利用HMI 实现对群控电梯的监测与控制功能。HMI 界面功能如图4 所示。

图3 群控电梯集选分配流程Fig.3 Flow chart of collective distribution of group controlled elevator

图4 HMI 界面功能Fig.4 HMI interface function

HMI 组态界面包括状态监测界面、报警指示界面以及系统控制界面。状态监测界面显示电梯的楼层、运行方向等，可直观监测电梯的各种信号状态；报警指示界面输出电梯的报警指示信号，包括电梯运行故障，人员超载、越程等，在实际电梯的应用中可供维修人员及时发现并排除故障；系统控制界面包含电梯的初始化、启动和停止等控制按钮，可对电梯进行相应控制。电梯整体状态监测界面如图5所示。单部电梯监控界面如图6 所示。

图5 电梯整体状态监测界面Fig.5 Monitoring interface of elevator overall state

图6 单部电梯监控界面Fig.6 Monitoring interface of single elevator

3.3 上位机监测软件设计

上位机监测软件设计部分主要使用Visual Studio 2010（简称VS 2010）以及SQL Server 2008数据库软件。在VS 2010 中创建Windows 窗体应用程序，采用C# 编程语言，通过S7.net 控件建立综合监控站与S7-1200 PLC 之间的连接，读取S7-1200 PLC 数据块中的数据，将读取到的数据显示在窗体应用程序的各控件中，并保存至SQL Server 数据库中，实现了群控电梯运行状态在上位机监测界面中的显示。与HMI 监控相比，成本更低，且更适用于实际电梯应用场景。通过查看上位机监测界面和SQL Sever 数据库中的数据，维修和巡检人员可以更加灵活、便捷地获取电梯运行状态信息。上位机监测界面如图7 所示。

图7 上位机监测界面Fig.7 PC monitoring interface

4 结语

结合实际应用需求，将电梯控制、上位机监测和人机交互界面相结合，设计了群控电梯半实物仿真监控系统。经过测试，该监控系统可达到预期目标，实现了HMI 对群控电梯的监控功能，完成了上位机监测软件的设计。通过HMI 和上位机监测软件可快速查看电梯运行状态，能够及时发现电梯潜在故障，有效降低电梯发生事故的可能性。使用该监控系统有利于培养学生的逻辑编程和创新能力，提高学生解决复杂工程问题的能力。