基于WinCC的六部十层电梯监控系统的设计与仿真

陈元凯 刘张圆 涂禹辉 胡光华

(武汉软件工程职业学院 电子工程学院 湖北 武汉：430205)

0 引言

随着城市化和工业化进程的加快，土地供需日益紧张，地面建筑已成为城市立体化发展的新趋势。电梯作为高层建筑物不可或缺的装载工具，巨大的载客量及频繁的启停工作也大大增加了电梯设备的发生故障及异常情况的概率[1]。目前电梯设备的异常状况大多依靠用户、被困人员和值班人员发现。仅靠人力对电梯故障排查通常不够精准，加之不能提供电梯日常运行数据的记录，大大增加了电梯的维修难度[2]。因此，有必要对电梯的控制系统提出更高要求，尤其是要实现对多部多层电梯运行状态的全方位精确监视与控制。

针对电梯系统的监控, 设计人员开展了一些研究, 如刘影等人基于WINCC设计了一套电梯监控系统[2], 通过WINCC与PLC的以太网通信实现了上位机对单部电梯运行状态及异常状态的有效监视, 但此监控系统并不适用于集群控制的多部电梯，尤其是缺少对于群控系统维护至关重要的关键数据记录功能。本文基于一种可靠的PLC电梯集群控制算法[3]，提出了一种六部十层电梯集中运行监控系统，同时重点针对多部多层电梯系统维保过程中的技术难点，以及电梯集群控制中容易出现异常之处例如超重、满载、休眠及检修等状态，在传统的电梯监控系统中，融入了电梯运行趋势监视界面和电梯关键数据记录界面，维保人员可以通过电梯运行趋势图以及关键数据历史记录，方便快速的预测和查找电梯的故障。并利用西门子电梯仿真平台(Elevator Simulation)对设计出的电梯监控系统进行仿真实验。

1 电梯监控系统总体方案设计

本监控系统以单台西门子S7-1200系列PLC作为控制器的六部十层电梯集群控制为基础，结合多部多层电梯在实际运行和维护中常涉及到的问题，提出了一种易于实现集中运行和维护的电梯远程监控系统方案。

该系统分为三大模块，运行状态监控模块、数据记录模块以及用户管理模块。其中，电梯运行状态监控模块用于监控整套系统的运行情况，便于实时获取各部电梯的内外呼、动作及故障、报警等信号。运行状态监控模块包括电梯状态总览界面、电梯运行监控界面、外呼状态监控界面；数据记录模块则用于记录各类电梯运行数据，方便监控人员查阅电梯运行关键数据的实时记录及历史记录情况。该模块包括电梯运行趋势图、运行数据记录界面及系统设置界面。此外，根据电梯监控系统在实际使用需求，本系统还添加了用户管理子系统，设置了管理员和操作员两种操作权限，同时增添了登录报警和权限报警[4]。电梯监控系统总体设计方案如图1所示。

图1 电梯监控系统总体设计方案

2 电梯监控系统的配置与建立

2.1 监控设备组态

本监控系统使用TIA博途V15作为软件开发平台，使用WinCC绘制人机交互界面，利用PC机实现对S7-1200系列PLC数据的监控。具体来讲，首先在TIA博途V15软件中添加一台上位机PC System和一台PLC(CPU1214)，然后利用工业以太网网线构建物理层连接，之后在TIA软件的“设备和网络”中添加“SIMATIC HMI应用软件”中的“Wincc RT advanced”，并在新添加的“WinCC RT advanced”模块中添加一个“常规IE”。最后通过PC的CPIE通信模块及CPU1214内置的PROFINET接口建立网络拓扑连接，以完成监控的组态。监控设备的组态如图2所示。

图2 监控设备组态

2.2 电梯仿真平台配置

电梯仿真平台(Elevator Simulation)是根据实际电梯结构和工作过程而研制出的一款电梯仿真运行软件，该仿真平台具有丰富的电梯模型组合，覆盖从单梯控制到多梯群控，并能实时地模拟电梯的运动过程和运作环境，动态监测系统各部分的运行参数。同时该仿真平台支持Profibus-DP、工业以太网、OPC等多种通讯方式[5]。

本文中的电梯监控系统以电梯仿真平台中的六部十层电梯为研究对象，采用工业以太网作为通信方式，在稳定的集群控制算法基础上设计电梯监控系统，电梯仿真平台如图3所示。

图3 电梯仿真平台

2.3 电梯监控系统I/O配置

配置电梯监控系统的数据连接需确定PLC的输入和输出信号，包括数字信号和模拟量信号。其中数字信号包括轿厢内外呼指令信号、上下平层信号、开关门信号、光幕信号、六部电梯的上下限位信号等，模拟信号则主要是轿厢的载重量信号。根据电梯仿真平台的仿真练习工程的要求，六部十层电梯监控系统的数字量输入信号223个，数字量输出信号259个，模拟量输入信号一共6个。其中六部十层电梯监控系统的一号梯部分输入信号如表1所示。

表1 仿真平台一号梯部分输入信号

3 电梯监控系统软件设计与仿真

3.1 电梯系统仿真

正确设置网络连接并在程序准备无误的情况下，启动电梯仿真平台并调用仿真平台内的自动模拟呼叫配置，模拟高峰期电梯密集、相似的呼叫请求[3]。在集群控制系统正常工作的情况下观察电梯监控系统中用户管理模块、运行监控模块和数据记录模块的工作情况，电梯仿真平台配置及仿真运行效果如图4所示。

图4 电梯仿真平台配置及仿真运行效果

3.2 用户管理模块设计与仿真

一套完整的监控系统需要不仅要有强大的数据监控功能，更需要对数据的安全性及可靠性有较高的要求。因此，电梯监控系统需要一套完善的用户管理子系统以区分不同的访问用户，验证用户的身份，并进行精细的访问权限管理[6]。具体功能如下：

(a)设置用户登录界面。允许用户输入用户名及密码登录进入根目录界面。

(b)设置系统登录报警提示。包括未登录报警、用户名或密码错误报警、错误3次账户锁定报警等，系统登录界面及失败报警界面如图5所示。

图5 系统登录及失败报警

(c)设置权限界面，划分管理员、监视员及操作员三重权限。其中，仅用户权限与指定按钮权限相同时方能打开对应的管理界面，否则显示无权进入，系统根目录及权限管理设置如图6所示。

图6 系统根目录及权限管理设置

3.3 电梯运行监控模块设计与仿真

电梯的运行状态监控为六部十层电梯监控系统的基础功能，主要包括电梯状态总览界面、电梯运行监控界面及外呼状态界面等。监控页面为窗口模式，通过根界面进行切换，分辨率为800×600，具体的监控界面设计与仿真如图7所示。

图7 电梯运行监控与仿真

电梯运行状态监控为操作员权限，可便于操作员监视整套六部十层电梯系统的运行情况，具体包括电梯内外呼梯状态、电梯所处楼层和运行方向、可视化轿厢开关门状态、电梯载重量情况以及轿厢三级制动器、电梯上下行接触器、上下极限限位等各关键部位的状态显示及报警[6]。1、2号轿厢载重量数模转换及超重报警梯形图程序如图8所示[7]，其中变送器测量的范围为0-2000kg，单部电梯载重为1050kg。

图8 一二号梯载重量转换及超重报警程序

3.4 电梯数据记录模块设计与仿真

电梯数据记录模块包括各部电梯的运行趋势图、电梯运行数据记录界面以及系统设置界面。电梯数据记录界面为管理员权限，仅管理员能进入查阅，电梯数据记录及仿真如图9所示。

图9 电梯数据记录界面

其中，电梯运行趋势图可直观地反应各部电梯的实时及历史运行状况，其纵坐标为所处的楼层、横坐标为时间，通过趋势图电梯维保人员可直观的了解各部电梯在不同时间段所处的楼层、各层停靠时间的长短等数据，亦能方便电梯管理员掌握电梯启停的频率以及电梯运行速度的快慢等信息，方便电梯故障排查，确保电梯安全可靠的运行[8-9]。

此外，电梯在实际运行过程中，由于种种原因往往会触发电梯轿厢满载、超重或停机等状况，这些状况也是容易导致电梯故障的主要原因，尤其在人流量大的电梯系统中，故须针对容易出现异常之处，例如超重、满载、停机、休眠及检修等状态进行详细记录，因此在六部十层电梯监控系统中加入了电梯数据记录模块，所有电梯关键数据的变化均会促发输出异常状态报表，维护人员可通过查看历史数据确定电梯故障情况，从而及时修复电梯。

4 结束语

稳定而可靠的远程监控系统是PLC自动控制系统正常工作的前提，它起到监视整套六部十层电梯群控系统工作状况的作用，同时也便于维保人员查询关键数据的实时及历史记录来排查问题及故障。本文从系统用户管理、电梯状态监控以及电梯数据记录三大模块对六部十层电梯的监控系统进行设计。仿真表明该系统能对六部十层电梯的运行情况进行有效的监控，且稳定性良好、操作简单，对于避免电梯事故及电梯故障排查等方面具有一定的借鉴意义。