基于组态软件的电梯控制与仿真

(大连海洋大学 信息工程学院,辽宁 大连 116023)

0 引言

随着我国计算机网络技术的飞速发展，工业自动化的水平越来越高，在工业的应用与生产中，组态控制软件、PLC等作用尤其凸显，这些技术已经成为控制工业流程的核心，各高校为了在这一领域更多地应用技术型人才，对PLC应用技术这一核心课程也提起了足够的重视，对其教学环节以及教学效果加以看中。[1]但目前教学中仍存在一些问题：1)目前PLC实验均采用PC+PLC+对象的方式，控制效果由模块体现。[2]但现有实验装置中的各个控制对象多采用教学仪器厂(或自制)的模块模拟，一般只用输入输出灯来显示通断状态，不够直观，对于复杂的过程控制程序很难找出编译出错的地方；2)学生数量远大于设备数，无法给每个学生提供足够的上机练习时间；3)由于实验设备大部分设施为基础教学设备，缺少复杂、高级的硬件设备，如果需要进行毕业设计、科技创新等实验时无法进行现场演示，学生难以对控制系统要求和性能有较好的理解和认识。[3]该方法引入组态软件WINCC、SIMATIC S7-PCSIM到PLC教学系统。利用组态软件WINCC可以仿真多种PLC控制对象与各种工业环境，为过程可视化和操作提供全面的平台性功能；S7-PLCSIM软件可以模拟PLC来对Step7程序进行调试，并提供一个可以更改和监视Step7程序参数的界面。[4]采用组态仿真软件与PLC控制系统相结合，利用计算机模拟被控对象，学生通过仿真程序界面可以实时观察PLC运行情况，完成PLC控制系统的调试。[5]本文以六部十层电梯为例介绍在PLC控制系统中西门子Step7、S7-PLCSIM和WINCC软件的应用。

1 控制系统组成

电梯的主要控制技术包括电力拖动控制和PLC逻辑控制部分以及运行载客和安全的检测部分，实现电梯安全、可靠、平稳地运行。[6-7]电力拖动控制部分为电梯垂直方向主拖动电路和轿厢开关电路，主要以电梯运行速度为控制目标，根据给定速度曲线，按照三级制动减速停止电梯运行，通过井道内设置的端站强制换速开关(第1限位)，实现在端站固定位置的强迫换速(须以低速运行)。通过井道内设置的端站限位开关(第2限位)，当其动作后，电梯应紧急停止并仅能向相反方向运行。逻辑控制部分由PLC控制，PLC接收呼叫信号、轿厢和厅门系统的功能信号以及井道的状态信号[8]，将数据模糊化，结合数学建模方法，实现电梯集控控制。同时上位机PC使用WINCC组态软件建立工控对象及脚本程序，创建动画，实现对PLC的监控；编写WINCC组态软件的脚本程序，直观的模拟电梯的实际运行状况，如电梯故障、风扇、照明情况；[9]电梯所处的当前楼层及上、下行；运行(异常)状态监测等。设计总体方案如图1所示。

图1 电梯监控系统设计方案

电梯仿真系统硬件主要包括电源、计算机、下位机SIMATIC S7 1214C、通信模块CM1243-5、I/O信号板、Profibus-DP 从站PM-125以及六部十层电梯仿真；系统软件包括TIA Portal V14编写的PLC控制程序、WINCC组态监控程序、下位机和上位机之间的通信程序等。

2 PLC程序设计

根据图1电梯监控系统总体设计方案，下面从电梯控制系统的WINCC界面组态、程序结构、PLC的I/O地址分配等方面进行逐一说明，介绍该仿真实验的具体实施过程。

2.1 PLC输入/输出地址分配

设计六部十层电梯控制系统，需要输入点至少313个，包括上行呼梯按钮54个，下层呼梯按钮54个，各部电梯内选按钮60个，轿厢关门按钮6个，轿厢关门按钮6个，光幕信号6个，超重信号6个，电梯检修信号6个，电梯轿厢门锁信号66个，电梯开门到位信号6个，电梯关门到位信号6个，上平层信号6个，下平层信号6个，电梯上端站第一限位6个，上端站第二限位6个，电梯下端站第1限位6个，电梯下端站第2限位6个，自动信息信号1个。输出点至少349个，包括上行呼梯按钮指示灯54个，下行呼梯按钮指示灯54个，楼层按钮指示灯60个，电梯LED指示灯84个，电梯上行指示灯6个，下行指示灯6个，电梯故障指示灯6个，电梯照明指示灯6个，电梯风扇指示灯6个，电梯满载指示灯6个，电梯电机启动信号6个，电梯上行接触器6个，下行接触器6个，高速接触器6个，低速接触器6个，电梯开门继电器6个，电梯关门继电器6个，电梯1级减速制动6个，电梯2级减速制动6个，电梯3级减速制动6个，准备就绪信号1个。[10]

2.2 程序结构

根据六部十层电梯控制要求，结合I/O分配表，编写电梯控制T形图和设备组态，程序由主函数Main[OB1]及功能块组成，如图2所示。

Main函数控制所有FC块的上电、运行。由于FC块没有上电自启动功能，但FC作为函数块，却能最简单实现程序模块化，组织块有上电自启动功能，但过多的组织块占用了CPU空间，也会出现各式各样的错误。因此，二者结合，使用组织块使FC块上电，综合了二者的优点，弥补了不足。每个程序段代表给每个FC块上电说明，通过使用不同的前提条件，使电梯不会出现卡死的现象。需要上电的有各电机，初始化函数，运行函数，上、下行判断函数，目标楼层判断函数，运行函数，减速制动函数，当前楼层判断函数，电梯内外指示灯函数，集控函数。这些都是电梯运行必不可少的。准备就绪信号开始为0，进行初始化，故障处理，辅助系统函数，使电机一直上电。当初始化完毕后，准备就绪信号为1，执行其他函数。准备就绪信号可以由检修信号复位为0。将编好的程序下载到PLC中并进行调试，编译正确后，启动设备运行开关，通过WINCC监控画面对电梯状态进行实时监控。

2.3 WINCC组态与通信

电梯仿真系统(EET)由控制器与被控对象两大部分组成。其中，控制器采用西门子S7-1214C DC/DC/DC PLC，被控对象为WINCC组态编写的电梯仿真界面。系统拓扑结构为上位机PC，通过以太网与PLC 1200 CPU进行以太网通信，通信协议遵从CP-TCP/IP协议，通讯接口设置为工业以太网通用接口。CM1243-5模块即为Profibus DP主站，PM125模块即为Profibus DP从站，PLC与主站直接相连，仿真对象与从站直连。构建上位机监控画面，将监控画面上创建的各元素与所建立的相应变量关联，建立动画连接，当变量的值改变时，在画面上将图形对象的动画效果表现出来。[11]如本系统中要进行动画连接的是电梯选层按钮、电梯上下行指示灯，电梯运行过程中轿厢所在楼层显示位置等，实时动态显示电梯的运行状态。图3为系统网络视图，图4为WINCC监控画面。

图3 系统网络视图

进入如图4所示的监控画面，左边是六部十层的电梯模型，①为六部电梯的数码管，电梯内部用户选层监控灯；②为电梯上、下行指示灯；③处的箭头为外部显示上、下行指示灯；④方框下方的第一排灯为电机启动信号指示灯；⑤画面中间左侧灯为自动运行信号指示灯，右面的是准备就绪信号指示灯；⑥为每个电梯的外呼分配；⑦为电梯外部呼叫指示灯；⑧右侧的矩阵为楼层门锁模块，用于检测楼层门锁故障。画面右侧有滚动条，可滚动画面，点击下方注销，退出画面。

图4 WINCC仿真界面

2.4 实验结果与分析

电梯运动模型以虚拟仿真的形式呈现，将乘客行为模型作为PLC控制电梯的测试案例。设定虚拟乘客量为300人，时间为10分钟，如图5通过WINCC监控画面，可以测量出乘客平均候梯时间为27.07 s(平均候梯时间指在给定的时间周期内，所有乘客候梯的平均值，是评定电梯控制系统性能的重要参数[12])，乘客平均乘梯时间45.05 s，运输乘客数量为297人，乘客长时间等待电梯几率小，运行效果良好，符合国家标准电梯技术条件。[13]控制电梯程序设计合理。

图5 电梯运行结果

3 结论

借助WINCC组态软件，设计控制系统仿真画面，对整个系统进行监控和管理，建立PLC实践教学仿真模型，模拟控制系统运行的动画效果，使被控对象更加逼真，解决了传统PLC教学中使用输入/输出灯的亮、灭代替各种运行状态的抽象性，使教学内容更加生动。[14-15]本文以六部十层电梯为例，采用西门子S7-1200 PLC作为控制器，在TIA博图平台下进行硬件组态、软件编程，利用上位机WINCC进行电梯工作状态的监控。经过实践测试，该电梯系统可以根据不同楼层的客户需求及时响应，实现六部电梯的集选控制、开关门控制、3级减速制动、终端越程保护等，且由组态界面控制电梯的实时运行，稳定可靠、故障率低。