郭亮亮，田 海*，汪世娇

（1.内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014000；2.内蒙古科技大学 文法学院，内蒙古 包头 014000）

当今社会计算机网络通信技术广泛应用于各行各业，极大程度地方便了人们的日常生活。随着人们生活水平的提高，电梯对于大多数人来说早已不再陌生，然而电梯的可靠性是人们一直所关注的，因此对电梯控制技术优化的研究一直在不断进行。早期电梯控制系统行业采用的是继电器控制技术，缺乏必要的可靠性，现阶段电梯控制系统行业大多采用可编程逻辑控制器（PLC）控制技术，PLC就是小型的计算机，具有一系列运算指令，通过数字或模拟输入输出进行控制，具有较高的可靠性。电梯控制系统行业充分发挥了可编程逻辑控制器的优点，大大提高了整个电梯控制系统行业的水平和可靠性，通过PLC和视窗控制中心（WinCC）技术对电梯控制系统进一步优化，不仅能更好地满足人们对电梯使用的各项需求，还能使系统操作更加简便、可靠。

1 三部十层电梯模型

本课题是以2021年西门子杯中国智能挑战赛的离散行业自动化赛项为背景，控制对象是三部十层电梯，其中电梯主要包括轿厢、限位开关和曳引电机等构成电梯整体，电梯上行呼梯按钮、下行呼梯按钮以及上行指示灯、下行指示灯等各个楼层按钮指示，轿厢开门按钮、关门按钮、轿厢选层按钮及指示灯等电梯内部设备，可通过工业以太网或PROFIBUS-DP总线网络与控制系统实现通信。

电梯模型原理示意图如图1所示，包括曳引电机、引导轮、轿厢、上下端站第一限位、上下端站第二限位以及每一层都有的上平层传感器和下平层传感器等。曳引电机通过引导轮来驱动轿厢上下运行，通过每一层的上平层传感器和下平层传感器的信号精确判断出电梯当前所在的楼层，同时确保电梯在到达目的楼层时轿厢门与电梯的出口保持水平，防止出现电梯到达目的楼层时轿厢门与电梯门不能恰好重合从而引发的事故。限位开关一方面可以在电梯初始化的时候进行电梯复位，另一方面可以作为一种安全保障，防止电梯故障时上行冲顶或者下行冲底，保证乘梯人员的人身安全。

图1 电梯模型原理示意图

2 系统方案设计

2.1 单部电梯运行方案设计

单部电梯要实现自动运行需要具备的功能包括电梯初始化、启停控制、上下行控制、开关门控制、超重保护、外部按钮登记、轿厢内选层按钮登记、风扇照明控制和楼层显示等。

单部电梯运行流程图如图2所示。电梯在上电以后首先初始化进行复位。若输出准备就绪以后持续30 s内没有呼梯信号，电梯的风扇和照明系统就会处于休眠状态，一直到有呼梯信号出现。当某一层有呼梯信号时，电梯会根据此刻电梯的位置和运行方向做出响应。例如：假设此时电梯正在上行，其优先响应当前所处楼层以上的上行呼梯信号，此刻即使有下行呼梯信号或者有当前所处楼层以下的上行呼梯信号，电梯都不会响应，直到将最远处的上行呼梯信号执行完毕，才会去执行下行呼梯信号。电梯先去响应上行呼梯信号还是先去响应下行呼梯信号取决于最早登录的信号。

图2 单部电梯运行流程图

2.2 群控电梯调度方案设计

在日常生活中，一些人流量大的地方，比如大型公寓、商城和医院等都会并列安装多部电梯，对于群控电梯，不仅每一部电梯要做到合理运行，多部电梯之间的合理调度也是十分重要的。一个优秀的调度方案是群控电梯做到运行最优化的关键，本文中控制系统调度算法以公平、节能、平均候梯时间短、运行效率高为原则，兼顾了每一位乘梯人员的乘梯需求，群控电梯调度流程图如图3所示。

图3 群控电梯调度流程图

3 电梯的I/O变量分配

本文电梯模型采用的是三部十层，其中各I/O参数都可以与PLC通过现场总线相连，从而进行自动控制。电梯部分I/O变量及相对地址列表见表1。

表1 电梯的I/O变量及相对地址

4 项目开发

4.1 硬件组态

在博途软件里进行三部十层电梯控制项目的开发，首先需要完成控制网络的硬件组态搭建，如图4所示。

图4 硬件组态画面

4.2 软件设计

根据系统方案设计，程序功能模块包括电梯初始化、启停控制、开关门控制、超重保护、外部按钮登记、轿厢内选层按钮登记、风扇照明控制、楼层显示、上下行控制和调度算法等。本文主要介绍几个核心功能块，包括电梯初始化程序设计、启停控制程序设计、开关门控制程序设计、超重保护程序设计、群控电梯调度程序设计。

（1）电梯初始化程序设计。电梯初始化是电梯投入运行前的第一步，分为上行初始化和下行初始化2种。假设电梯采用的是上行初始化，当输入自动运行信号以后，电梯将进行上行初始化，电梯触碰到上端站第一限位时，此时将“电梯当前所在楼层”这一变量置为11，然后使电梯反向运行，到达第十层时“电梯当前所在楼层”由11变为10，到达第九层时电梯当前所在楼层为9，依次递减，到达预先设定好的楼层后，电梯复位，初始化完成。图5为部分电梯初始化程序，可通过设置“1号梯初始化楼层”“2号梯初始化楼层”“3号梯初始化楼层”来确定每一部电梯复位以后停在第几层待命，当三部电梯各自完成初始化后，“1号梯初始化完成登记”常开点闭合、“2号梯初始化完成登记”常开点闭合、“3号梯初始化完成登记”常开点闭合，输出准备就绪信号。

图5 部分初始化程序

（2）启停控制程序设计。电梯启停控制是电梯安全高效运行的保障。系统方案设计中对电梯启停控制的要求十分苛刻，例如电梯启动时必须要保证电梯门已经关闭到位、轿厢门已经锁好、电梯没有故障指示、不需要检修和没有超重等，才能够输出电机启动信号和高速接触器信号。当电梯到达目的楼层需要停下时，合理的电梯制动方案能够保证电梯在安全停下的前提下还能够节省运行时间，提高电梯运行的效率。图6为电梯上行制动控制程序，当电梯即将到达目的楼层时，会先有下平层信号，此时电梯开始1级减速制动，经过0.5 s以后开始2级减速制动，当有上平层信号时，此时电梯几乎已经到达目的楼层，立刻采用3级减速制动使电梯停止运行。

图6 电梯上行制动控制程序

（3）开关门控制程序设计。电梯执行开关门动作的前提是当前电梯已对准楼层停止运行，这一点在程序中的表现就是此刻上平层传感器和下平层传感器有信号，上行接触器和下行接触器此时是没有信号的，由此保证了电梯轿厢此刻已经对准楼层，而且是静止的。电梯在满足开关门动作的前提下需要执行开关门操作的情况有很多，以开门控制为例，图7为电梯开门控制程序图，当电梯开门状态位、轿内开门按钮、超重信号、光幕信号有信号时都需要进行开门操作，其中“开门状态位”是指当电梯在响应外部呼梯信号或轿厢内选层按钮信号，即将到达目的楼层时中间变量“开门状态位”常开点闭合，当电梯停下后，马上执行开门操作。

图7 电梯开门控制程序

（4）超重保护程序设计。当电梯轿厢里的人数或重量超过最大准载人数或重量时，电梯不会进行关门动作，同时提醒人们已超载。具体实现程序如图8所示，可在程序中设置Real的值来设置电梯的最大载重量，通过电梯当前载重与最大载重量进行比较来判断电梯是否超重。

图8 超重计算程序

（5）群控电梯调度程序设计。根据图3群控电梯调度方案设计，采用逻辑控制来进行三部电梯的调度。当有外呼信号产生时，首先判断信号属于上呼还是下呼，如果是上呼信号，首先判断此刻是否有正在向着呼梯信号所在楼层向上运行的电梯，倘若有，需要判断满足条件的电梯有几部，如果只有一部电梯，则将这个上呼信号直接分配给这部电梯，如果满足条件的电梯数大于1，需要进行距离比较，距离呼梯信号所在楼层近者优先分配，倘若此刻没有正在向呼梯信号所在楼层向上运行的电梯，则判断此刻是否有电梯空闲，若有电梯处于空闲状态，则将信号分配给空闲状态的电梯，若没有处于空闲状态的电梯，则信号处于等待分配的状态，一直循环。下行呼梯信号的分配方法与上行呼梯信号的分配方法一样，不再展开详述。

5 利用WinCC对电梯的运行状态进行监视

WinCC功能十分强大，具有很好的开放性和灵活性，由西门子公司和微软共同开发，实现了人机交互功能，广泛应用于自动化领域，极大提高了工业自动化水平。电梯监控系统的搭建基于TIA portal、S7-1200 PLC、PC机和WinCC等软件平台，交换机、网线和显示屏等硬件平台，提供了一个便捷的操作平台，以PC机作为上机位，通过博图WinCC实现实时监控现场实际运行状态、将组态从工程师站下载到操作员站、组态不同层次的用户根据各自的权限进行相应操作等。建立好组态王与PLC的连接以后，将程序下载到PLC中，通过西门子电梯仿真软件EET来展现程序运行结果，同时打开WinCC监控画面，可通过画面设置电梯初始化以后停在第几层待命。在电梯运行过程中，将WinCC画面里电梯的运行状态与EET里电梯的实际运行状态进行比较来判断WinCC监控画面的实时性和准确性。

图9为三部十层电梯的组态监控外部总览画面设计图。

图9 三部十层电梯组态监控外部总览画面设计图

6 结论

本文介绍了三部十层电梯控制系统的设计，控制器采用S7-1200 PLC，使用TIA Portal V15.1控制工程软件，在SIMATIC S7-1200 PLC上完成硬件组态，通过系统总体设计方案完成控制程序开发，在SIMATIC WinCC上完成监控画面设计，在PLC与WinCC之间建立通信连接，最后把完整程序下载到PLC中运行，通过西门子电梯仿真软件EET来显示程序运行结果，图10为正在模拟仿真运行的三部十层电梯，仿真评分结果如图11所示，得分为97.5分，满足试验预期要求。试验表明，该电梯控制系统可以实现电梯初始化、开关门控制、上下行控制、运行监控、错误指令消除、超重保护、外部按钮登记、轿厢内选层按钮登记、风扇照明控制、楼层显示和合理调度等功能，符合实际工程应用中多部电梯运行的基本要求。在整个电梯运行过程中，WinCC监控画面中电梯运行状态与EET中实际电梯运行状态同步，完全可以监测电梯运行过程中的各项参数并给予反馈。

图10 EET电梯仿真运行图

图11 仿真运行评分结果图