基于PLC的电梯组态仿真实验设计

保定职业技术学院 张 娜 卢 超 曹丽苹 李玉金 夏志华 陈 晨

PLC 的应用涉及了多门学科，其本身属于工业现场控制计算机，在继电器逻辑控制、工业过程控制、运动控制以及远程控制等方面有着广泛的应用，可以与上位PC 共同构成现代工业自动管理、监测和控制系统[1]。利用计算机串行口来采集电梯模型的实时运行数据，配合组态软件构建相应的动画来模拟电梯的运行，能够帮助技术人员直观的看到电梯的运行状态，也可以借助仿真试验的方式，验证PLC 控制程序的正确性[2]。

电梯在人们的日常生活中十分常见，从保证电梯运行安全的角度，对电梯运行控制系统的设计提出了非常严格的要求。文章将PLC 和组态软件应用到电梯控制系统设计中，开展相应的仿真试验，能够对电梯运行情况进行测试，找出其中存在的缺陷和问题。从相关概念的角度，就基于PLC 的电梯组态仿真试验设计进行了分析，以供参考。

1 相关概念

1.1 PLC

PLC 指可编程逻辑控制器，采用专用的可编程存储器，将逻辑运算、顺序控制、算术运算等指令存储在其中，借助数字式或者模拟式输入输出的方式，可以实现对各类机械设备以及生产过程的有效控制[3]。PLC 具有几个十分鲜明的特点：

一是可靠性高。单片微型计算机是PLC 的核心所在，其本身的集成度相对较高，而且一般都会设置相应的保护电路，具备自诊断功能，在实际运行中有着极高的可靠性。

二是编程简单。PLC 编程使用的是继电器控制梯形图以及命令语句，和计算机以及微型机相比，在指令的数量上要少的多，工作人员即便不具备相应的计算机专业知识，也可以进行编程操作。

三是组态灵活。PLC 采用的是积木式结构，可以通过简单的组合来改变系统规模和功能，适应性较强。

四是安装方便。PLC 本身的体积相对较小，因此在安装时并不需要额外的设置机房，直接将设备与执行机构、PLC 接口端子连接，就可以实现正常工作[4]。

1.2 组态软件

组态软件是对专门用于数据采集和过程控制的软件，也指在自动化控制系统监控层的软件平台，可以借助灵活的组态方式，为用户提供相应的软件工具，确保其能够实现对于工业自动控制系统监控功能的快速构建。组态软件同样有着鲜明特征：

一是功能强大。组态软件可以提供丰富的作图工具、编辑工具、图形化用户界面等，能够为操作人员的集中监控提供便利。

二是简单易学。组态软件的使用并不要求工作人员掌握专业的编程语言，而是可以根据实际情况，提供底层设备的I/O 驱动以及开放式数据库，辅助工作人员完成各项工作。

三是扩展性强。组态软件开发的应用程序在现场条件或者用户需求发生变化时，不需要进行过多的修改，就能够完成软件的更新和升级。

四是实时多任务。组态软件开发的项目中，数据采集输出、数据处理、图形显示、实时通信等可以在同一台计算机上同时运行，可以极大提升系统的可靠性及开发速率，减低了开发的难度，可视化图形化管理也能够为后续的生产管理以及系统维护提供便利[5]。

2 仿真试验设计

2.1 系统构成

仿真系统中不同接口之间的连接使用编程线来实现（图1）。在PC 端安装相应的软件系统，借助该系统来对电梯控制模型进行构建，同时也需要依照电梯的实际运行控制需求，编写对应的控制程序，建立起动态化的连接，实现对于电梯控制系统的模拟运行及仿真试验。

图1 系统架构

在系统中，需要做好PLC 中I/O 端口的合理分配，从电梯操控的具体要求着眼，确定好接口并对相应的地址进行合理分配，要求所有的信号都可以对应PLC 继电器。需要在电梯轿厢中的操作面板上，设置选层指令按钮、门厅召唤按钮以及开关按钮，同时也需要设置电梯平层行程开关以及复位开关，输入端口的数量为14个。

2.2 模型构建

仿真电梯模型需要满足几个方面的要求：一是必须能够发出PLC 需要的输入信号，包括位置信号、指令信号、呼梯信号和开关门控制信号；二是必须能够接收PLC 发出的控制信号，完成相应动作，包括运行方向信号、指令登记信号、呼梯登记信号、楼层数显信号和开关门信号。

2.3 图形界面

选择组态王软件，建立仿真图形，如图2所示。之后，在浏览器目录窗口中点击文件选项，在下拉菜单中选择画面，新建窗口后对图形画面进行绘制，相应的仿真画面如图3所示。

图2 电梯控制系统工程建立

图3 仿真画面

2.4 数据库建设

对于仿真系统而言，数据库是基础也是核心，能够针对数据变量进行合理定义，体现出被控制对象的具体属性，以此来实现上位机和下位机的联系。在组态王软件中，数据变量包含了两个组成部分：一个是内存变量，这个变量在使用过程中，不需要和其他的程序交换数据；另一个是I/O 变量，这个变量需要进行数据的交换。在程序运行中，I/O 变量发生变化时，系统会自动将变化后的数据信息写入到内存中，而当PLC 中的变量发生变化，相应的组态软件中对应的I/O 变量也会自动更新。

在PLC 中，I/O 变量的设置需要选择“定义变量”窗口中的“基本属性”，将变量名称输入，设置变量类型为“I/O”离散，连接设备和寄存器，将相应的数据类型设置为Bit，只读属性，数据采集频率为100ms，然后点击确定，完成数据变量的定义。ADO 连接数据库流程为：初始化COM 库，引入ADO 库定义文件-用connection 对象连接数据库-执行SQL 语句或其他数据库操作-关闭连接，释放对象。

2.5 动画连接

动画连接是建立数据库和图形画面中图素的关系，能够通过图形画面，将数据库中存在的变量信息反映出来，一旦变量改变图形也会随之变化，并通过动画的形式直观呈现。图形动画的变化可以帮助工作人员更好地控制数据库变量，实现仿真运行。这里以“轿厢”图形元件为例，可以双击图形，在弹出的“动画连接”窗口中，点击“垂直移动”-“表达式”，将向上移动的距离设置为200，向下移动的距离设置为0，点击确定后，电梯轿厢的动画连接就可以完成。以LED 等的添加为例，如图4所示。

图4 动画连接

2.6 程序编写

在控制程序编写环节，需要构建仿真图形，同时做好数据库的建设工作，完成动画连接，这样才能借助相应的电梯组态画面来实现控制系统仿真，之后还需要编写对应的控制命令。在实际操作中，可以选择目录中的“文件”-“命令语言”选项来打开相应的命令语言目录，从电梯运行控制的实际需求着眼，实施程序编写操作。一般情况下，系统中存在的一些常见的开关量事件，包括启停控制、楼层指令、开关门控制等采用的都是“事件命令语言”窗口，可以对事件进行描述，建立对应的程序。

表1 部分输入输出信号

2.7 仿真运行

在仿真运行环节，需要先对PLC 和PC 机的通信参数进行设置，可以双击打开“电梯控制系统”选项，然后于内容区域新建文件，依照设置向导的引导，做好设备地址进行定义，上位PC 需要和PLC 建立起有效的联系。而如果设备的联系已经建立，则需要做好设备通讯参数设置工作，这样才能真正确保仿真系统的正常运行。这里设置的参数如下。波特率：9600b/s；数据位：7位；停止位：1位；站号：0。

PLC 中不同数据寄存器的通信格式数据也会有所不同，具体如下。D8120数据寄存器：通信格式的数值为H6086；D8121数据寄存器：通信格式的数值为H0000；D8129数据寄存器：通信格式的数值为K5。

需要明确，在针对电梯控制系统进行仿真运行的过程中，必须始终确保PLC 状态开关处于打开状态，启动系统中的Touch View 程序，针对系统运行中存在的不足进行调试，也可以检测仿真界面运行中存在的各种逻辑关系，确保仿真模型具备良好的控制效果。仿真平台运行逻辑图如图5所示。

图5 仿真平台运行逻辑

2.8 仿真结果

仿真结果显示，系统整体运行良好，设备运行情况可以通过相应的串行口，传输到上位监控计算机，上位机和下位机之间的PLC 通信喜稳定。在组态软件开发环境中，构建相应的控制画面，画面直观生动，可以将电梯运行情况和参数变化情况准确反映出来，而测试人员可以通过在监控画面点击相应按钮的方式，实现对于电梯运行的有效控制。

3 结语

总而言之，在电梯系统建设中，需要做好相应的仿真模拟，检验电梯运行的稳定性和安全性。借助PLC 和组态王软件，可以构建起仿真电梯控制系统，通过仿真运行的方式来对系统运行参数进行调节，这种方法既可以用于仿真调试，也可以用于教学实践，有着良好的仿真效果。