基于WinCC的电梯监控系统设计

刘 影，周 勇，肖 跃

（江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院电梯一部，江苏无锡214100）

国民经济的快速增长催生了高层建筑的大量涌现。作为高层建筑垂直运输设备的电梯在高层建筑中扮演着重要的角色。电梯的控制技术从最开始的继电器控制发展到PLC控制和微机控制。电梯作为楼宇自动化和工艺过程控制的典型产物已与人们的日常生产生活密不可分，因此人们对于电梯的安全性、高效性和迅捷性提出了越来越高的要求。但是，由于目前电梯普遍自动化水平较低，大多采用传统的控制方式，电梯容易出现“蹲底”、“冲顶”和“困人”等等问题[1]。当故障出现后，由于故障点不明确，也给救援带来不利的影响。因此，将WinCC组态软件与电梯监控系统相结合可以提高电梯控制系统的安全性与稳定性，对于保障人民生命财产安全有重要意义。

1 电梯基本结构与运行特征分析

作为机电一体化装备，电梯[2]主要由控制部件、驱动部件、传动部件和承载部件等功能部件构成。电梯系统由门系统、轿厢和重量平衡系统、导向系统和曳引系统四部分组成。门系统主要由轿厢门、层门、门机和联动机构等构成，其对于电梯可以有效保护侯梯人及物品坠入井道。轿厢和重量平衡系统主要由轿厢体、轿厢架、对重及重量补偿装置组成，其主要起运送乘客和货物，平衡轿厢重量的作用。导向系统主要由轿厢导轨、对重导轨、导轨架和导靴等组成，其限制轿厢和对重的运行轨迹，保证轿厢在导轨上运动。曳引系统主要由曳引机、钢丝绳、导向轮等组成，其输出与传送动力，驱动电梯运行。电梯基本系统构成如图1所示。

图1 电梯基本系统构成

本文以八层电梯为例，介绍其监控系统的设计方法。该设计方法同样适用于其他楼层电梯监控系统的设计。

2 电梯监控系统总体方案设计

文中设计的电梯监控系统以计算机技术、通信技术与自动控制技术为核心。为实现电梯远程监控的目的，该系统必须能够对电梯进行工作信号的采集、计算、分析和处理输出，以及对电梯的运行状态进行监控，对发生的故障进行报警等功能。通过硬件分析处理和软件运行管理相结合的方法来实现监控系统各个部分功能，将其设计成具有实时监控和协调控制的集成系统[3]。

本监控系统采用三层网络结构，包括上位监控管理层、中间控制层和现场设备层。上位监控管理层与中间控制层通过工业以太网进行通讯。以太网是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联，在工程师站和操作员站设置100 M以太网板卡，通过交换机与中间控制层PLC通讯，最远距离可达1 000 km。中间控制层通过Profibus-DP现场总线技术将PLC与现场设备进行连接。PLC与触摸屏通过MPI进行连接，MPI是集成在SIMATIC S7 CPU中的通信接口，可由该接口建立基本网络。电梯监控系统的总体结构图如图2所示。操作员站是电梯监控人员对电梯运行进行显示、监视和操作控制管理的主要设备；工程师站是工程师用于对电梯监控系统进行在线的系统监督、控制与维护；PLC负责收集现场信号，对其经过运算处理后上传至监控层进行显示，并输出控制信号至现场设备。现场输入设备包括内外呼面板、光电脉冲传感器和平层信号等。现场输出设备包括曳引机、变频器和门机等[4]。

图2 电梯监控系统结构图

3 电梯监控系统硬件设计

3.1 电梯监控系统I/0分配

对PLC中输入输出模块进行配置需要统计电梯监控系统的输入输入信号。该监控系统的数字量输入信号包括内外呼指令信号、脉冲信号、开关门信号及平层信号等，共44个数字量输入信号。监控系统数字量输入信号[5]如表1所示。

表1 电梯监控系统数字量输入信号

电梯监控系统的数字量输出信号包括开关门控制、呼梯信号指示和运行方向指示等，共38个数字量输出信号。监控系统数字量输出信号如表2所示[6]。

表2 电梯监控系统数字量输出信号

3.2 硬件选型及PLC模块配置

西门子SiemensS7-300系列PLC[7]采用模块化结构，其分布式配置易于实现且性价比高，电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，因此本监控系统选择该型号PLC。电梯监控系统数字量输入信号一共44个，数字量输出信号一共38个，模拟量输出信号1个，为了保障系统的开关量有一定余量，选择的模块信号量数应高于该点数[8]。选用数字量输入SM321 DI16×DC24模块，共计3块；选用数字量输出SM322 DO32×DC24V模块，共计2块；选用模拟量输出SM332 AO8×12Bit模块共计1块。PLC硬件配置如表3所示[9]。

表3 PLC硬件配置

4 电梯监控系统软件设计

4.1 PLC控制程序设计

西门子PLC[10]采用Step 7作为其编程软件。该编程软件采用程序模块化结构，运行系统所编写的程序及程序运行所需要的数据都以块的形式来管理，从而组成完整的PLC系统程序[11]。本文所设计的监控系统包括以下程序模块：选向模块、平层停车模块、开/关门控制模块、电梯运行模块和检修模块等[12]。监控系统的主体流程图如图3所示。

图3 电梯控制流程图

4.2 上位监控软件设计

WinCC是SIMATIC PCS 7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件，能高效控制自动化过程，而且具有极强的开放性和系统稳定性。WinCC集成了SCADA、组态、脚本语言和0PC等先进技术，是西门子在自动化控制领域和计算机强大功能相结合的产物。WinCC与下位机PLC之间可以通过工业以太网、MPI和现场总线等多种方式连接，不需要STEP7软件组态，只需要在组态软件WinCC上设置相关通信参数和在作为服务器的计算机上设置相应的网络连接。本文所设计的电梯监控系统采用工业以太网通道单元进行上下位机通讯，只需在WinCC软件[13]中添加驱动程序，并设置需要连接的S7-300 PLC的以太网地址、机架号和插槽号即可通过上位机所装的CP343-1以太网模块实现与下位自动化系统S7-300通信。通讯建立好后，即可创建变量并连接动画组态[14]。上位监控组态界面包括用户管理和登录界面、电梯运行界面及故障报警界面[15]。用户管理和登录界面主要实现用户权限管理的功能，当用户想要登录系统时，用户管理器会检查该用户是否注册，如果是未注册用户则该用户不能进行任何操作。如果注册用户想要进行受保护权限操作时，用户管理器也会检查其是否具有该操作权限，用户管理和登录界面如图4（a）所示。电梯运行界面显示电梯运行的实时状况及相关设备参数。电梯运行界面如图4（b）所示。故障报警界面收集故障信息，并显示故障信息及故障点。当电梯运行发生故障时，故障报警界面将以声音和图像警示的方式提醒监控人员故障的发生，从而能够进行快速救援及故障排除[16]。故障报警界面如图4（c）所示。

图4 上位机监控软件界面

5 结束语

基于WinCC和S7-300 PLC的电梯监控系统既能远程监视电梯的运行情况，又可以在上位机界面对电梯进行控制，同时能够快速定位电梯故障点，提高故障排除及救援效率。该监控系统设计方法易于实现，具有较强的可操作性，对于提高电梯的自动化水平及安全性有重大意义。

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