基于組態(tài)軟件的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王超 張春 楊蓮紅 胡曉波

摘 要： 為了提高電梯運(yùn)行的可靠性和安全性，減少因異常狀態(tài)多而造成的判斷花費(fèi)時(shí)間久和解決不及時(shí)等問(wèn)題，構(gòu)建了在工業(yè)以太網(wǎng)下的多部獨(dú)立電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。使用OPC對(duì)象鏈接和嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，在博途軟件下完成了軟硬件組態(tài)、程序編寫和監(jiān)控畫面的組建。該系統(tǒng)具有故障檢測(cè)、報(bào)警和異常狀態(tài)報(bào)表顯示等功能，研究表明該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可極大地提高電梯維護(hù)人員的工作效率，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 組態(tài)軟件； PLC； 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控； OPC通信； 故障檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN915.9?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）09?0167?04

Abstract： To improve the reliability and security of the elevator running， and avoid the problems of long judgment time and delayed solution caused by abnormal condition， the remote monitoring system for multiple independent elevators under the industrial Ethernet was constructed. The data communication between PLC and monitoring computer is realized by means of OPC object linking and embedded technology. The establishment of software and hardware configuration， program compiling， and monitoring interface was accomplished with TIA software. The system has the functions of fault detection， alarm， and report display of abnormal condition. The research results show that the monitoring system can run stably and reliably， and greatly improve the working efficiency of the elevator maintenance personnel. It has certain promotional value for the practical engineering application.

Keywords： configuration software； PLC； elevator remote monitoring； OPC communication； fault detection

0 引 言

隨著城市的發(fā)展，高層建筑越來(lái)越多，電梯成為必不可少的承載工具，傳統(tǒng)的電梯巡檢采用操作人員定期去檢查，異常狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)多依賴用戶、被困人員以及值班人員等[1?2]，由于電梯數(shù)量眾多且多是獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，從而增加了維護(hù)人員的工作量和工作強(qiáng)度，為了解決此問(wèn)題，可以通過(guò)以太網(wǎng)方式將電梯連接到網(wǎng)絡(luò)中，不需要額外的硬件設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)管理與控制的數(shù)據(jù)集中，解決運(yùn)行過(guò)程無(wú)法統(tǒng)一監(jiān)管的”孤島效應(yīng)”，操作人員在控制室就能實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯的運(yùn)行狀況，一旦出現(xiàn)故障，便可迅速知道故障出現(xiàn)的具體位置、查詢異常狀態(tài)報(bào)表可知道故障出現(xiàn)的原因，由此可縮短維修電梯的時(shí)間，保證電梯的可靠運(yùn)行。

1 PLC電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)和PLC組成，監(jiān)控計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝有博途軟件以及相對(duì)應(yīng)的授權(quán)許可證，具有對(duì)工程項(xiàng)目文件進(jìn)行新建、編輯、修改、下載等功能[3]，用SIMATIC NET軟件構(gòu)建OPC服務(wù)器，博途平臺(tái)下WINCC V13作為客戶端，OPC服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)方式與PLC建立通信關(guān)系，對(duì)PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫操作，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口傳送給OPC客戶端，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電梯運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和管理，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 電梯模型結(jié)構(gòu)圖

電梯模型主要包括電梯整體結(jié)構(gòu)：轎廂、曳引電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及各種限位開關(guān)[4]；各個(gè)樓層按鈕：上、下行呼梯按鈕，顯示及指示燈信號(hào)；電梯內(nèi)部信號(hào)：轎廂開關(guān)門按鈕、轎廂選層按鈕以及對(duì)應(yīng)的指示燈等；控制信號(hào)及其他：樓層門鎖信號(hào)、上、下平層信號(hào)、超重信號(hào)、上、下端限位信號(hào)和檢修開關(guān)等，電梯模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)以控制獨(dú)立3部10層電梯為例、每部電梯均由西門子PLC作為控制器完成控制，通過(guò)以太網(wǎng)連接組成監(jiān)控系統(tǒng)，PC機(jī)上運(yùn)行的基于TIA博途平臺(tái)的WinCC V13構(gòu)成的虛擬電梯仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行。

2 PLC電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 電梯運(yùn)行狀態(tài)分析

通過(guò)以太網(wǎng)相連的多部虛擬電梯，電梯之間無(wú)信息交換，每部電梯的運(yùn)行狀況通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成監(jiān)控，虛擬電梯可以根據(jù)不同樓層用戶的需求及時(shí)響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平層、開關(guān)門、上下限位、層門聯(lián)鎖保護(hù)和異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，電梯在運(yùn)行中能夠把召喚信號(hào)集合起來(lái)進(jìn)行應(yīng)答，并自動(dòng)在指定的層站平層?？?，電梯響應(yīng)完所有的呼梯信號(hào)和選層信號(hào)后，停在最后一次運(yùn)行的目標(biāo)層待命，平層時(shí)按照設(shè)定的時(shí)間原則依次觸發(fā)三級(jí)制動(dòng)減速，平層后切斷上、下行接觸器抱閘停車，運(yùn)行中需要對(duì)當(dāng)前的運(yùn)行方向、當(dāng)前樓層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示，相鄰兩層采用低速運(yùn)行、跨層則高速運(yùn)行。電梯會(huì)根據(jù)當(dāng)前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號(hào)及光幕信號(hào)等合理的進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)門未全關(guān)時(shí)，比如有光幕信號(hào)，則需要優(yōu)先響應(yīng)，保持電梯門打開，當(dāng)電梯平層開門后，延時(shí)關(guān)閉，當(dāng)電梯無(wú)指令或者外登記超過(guò)一段時(shí)間后，轎廂內(nèi)照明、風(fēng)扇自動(dòng)斷電，以節(jié)約能源，待接到指令或者呼叫信號(hào)后自動(dòng)投入運(yùn)行，當(dāng)有異常狀態(tài)時(shí)（超重、開關(guān)門故障或者曳引電機(jī)故障）通過(guò)故障燈指示，并通過(guò)報(bào)表顯示出異常狀態(tài)的信息。

2.2 組態(tài)軟件與PLC的OPC通信的實(shí)現(xiàn)

OPC用于服務(wù)器/客戶機(jī)連接的統(tǒng)一而開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范[5?6]，通過(guò)OPC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)PLC與組態(tài)軟件的通信，組態(tài)軟件與PLC的通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1） 在SIMATIC NET中打開站組態(tài)編輯器，分別在Inedx1和Index2中添加OPC Server和IE general，將此配置映射到博途PC station中。

（2） 在博途軟件下對(duì)S7?300PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，在PLC硬件組態(tài)畫面中選中PROFINET interface，設(shè)置以太網(wǎng)屬性，包括設(shè)置CPU的IP地址、子網(wǎng)掩碼等信息。

（3） 博途軟件下PC station配置：在PC station中Slot 1插入OPC Server，在Slot 2中插入IE general，之后需要對(duì)OPC Server和IE general的屬性進(jìn)行設(shè)置，即可把博途下Step7中的全局符號(hào)變量和共享DB數(shù)據(jù)塊中的變量集成到OPC Server中。

（4） PLC與OPC Server建立連接：在Devices&networks中選擇“S7 connection”，即可把PLC與PC station中的IE general連接起來(lái)。組態(tài)完成分別下載到PLC和PC station后，此時(shí)OPC Server就可以通過(guò)符號(hào)訪問(wèn)PLC中的數(shù)據(jù)了。

2.3 主程序流程

以太網(wǎng)下監(jiān)控的每部電梯均執(zhí)行同樣的程序，開始運(yùn)行時(shí)，首先初始化電梯使轎廂回到底端等待召喚，判斷是否有內(nèi)選或者外選信號(hào)，若沒有內(nèi)外選信號(hào)，則要判斷電梯是否是待載休眠或是檢修方式，若有內(nèi)外選信號(hào)，則要判斷是否是同層的內(nèi)外選，若不是同層需要拿本層與目標(biāo)層進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果確定是接通上行或者下行接觸器，為了縮短電梯運(yùn)行時(shí)間，若本層與目標(biāo)層無(wú)間隔層則低速運(yùn)行，若有一個(gè)及以上的間隔層運(yùn)行在高速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)層的前一層時(shí)，實(shí)現(xiàn)高低速切換，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)層時(shí)依次觸發(fā)一、二、三級(jí)制動(dòng)，平層結(jié)束后執(zhí)行開門動(dòng)作，若有開門故障，則報(bào)警提示操作人員解決此故障，若有超重故障，通過(guò)減少重量解決，若有關(guān)門故障，也需要報(bào)警提示操作人員解決。

主程序流程圖如圖3所示。

2.4 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試

使用博途 WINCC V13繪制監(jiān)控電梯模型，WINCC V13下提供了豐富的界面制作工具，可生動(dòng)形象地繪制出對(duì)象模型，可直觀形象地觀察實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果，在博途STEP7 V13下首先要建立硬件組態(tài)，之后建立變量表，在監(jiān)控界面下需要對(duì)畫面中的動(dòng)畫和變量建立連接[7?9]，通過(guò)OPC驅(qū)動(dòng)就可以把PLC變量添加到WINCC中，畫面中的對(duì)象就可以根據(jù)需要與這些變量進(jìn)行連接，進(jìn)而在組態(tài)監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示，由于在博途軟件中STEP7和WINCC使用相同的數(shù)據(jù)庫(kù)，因而PLC與WINCC的通信連接就非常方便。

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)連接三部電梯，該系統(tǒng)由主界面和各個(gè)單部電梯界面組成，如圖4所示。主界面包括三部獨(dú)立電梯的基本運(yùn)行狀態(tài)、異常狀態(tài)報(bào)表和單部電梯切換按鈕，單部電梯界面包括電梯模型、內(nèi)外選信號(hào)區(qū)、1號(hào)電梯運(yùn)行狀態(tài)區(qū)和菜單區(qū)等。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先打開主界面，通過(guò)主界面可以觀察到三部電梯的基本運(yùn)行狀態(tài)：1號(hào)電梯從一層低速上行，2號(hào)電梯從3層低速上行，3號(hào)電梯從6層低速上行，無(wú)異常狀態(tài)，單擊1號(hào)電梯界面，即可切換到1號(hào)界面監(jiān)控，從中可以觀察到次時(shí)2層內(nèi)呼按鈕點(diǎn)亮，上行接觸器接通，上行指示燈點(diǎn)亮，電梯即將運(yùn)行至2層，照明和風(fēng)扇處于運(yùn)行狀態(tài)，1～10層門鎖處于關(guān)閉狀態(tài)，因本層和目標(biāo)層無(wú)間隔，電梯運(yùn)行在低速狀態(tài)，若到達(dá)2層，電梯將首先接觸到2層的下平層傳感器，以此確定電梯到達(dá)2層，接著開始執(zhí)行一、二、三級(jí)制動(dòng)，直到電梯的上、下平層傳感器都被接通，電梯抱閘，觸發(fā)開門繼電器，梯外人員可以進(jìn)入電梯，控制電梯繼續(xù)運(yùn)行，1號(hào)電梯監(jiān)控畫面如圖4（b）所示。

若出現(xiàn)超重現(xiàn)象，則超重指示燈亮，門保持常開狀態(tài)并寫入異常狀態(tài)表，只有當(dāng)超重問(wèn)題解決，電梯才會(huì)正常運(yùn)行。若出現(xiàn)門打不開或者關(guān)不上，就會(huì)出現(xiàn)開、關(guān)門故障，若當(dāng)電梯上、下運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)時(shí)間不觸及上、下平層傳感器，系統(tǒng)將認(rèn)為電梯曳引機(jī)故障，電梯停止運(yùn)行并且故障指示燈常亮，同時(shí)PLC會(huì)發(fā)送曳引故障的字符給監(jiān)控畫面，監(jiān)控畫面收到該信號(hào)就會(huì)打開異常狀態(tài)報(bào)表，如圖5所示，該報(bào)表顯示了1號(hào)電梯門故障、2號(hào)電梯門故障和3號(hào)電梯曳引故障，維護(hù)人員通過(guò)查看報(bào)表便可及時(shí)知道電梯出現(xiàn)的故障是何種類型，從而能及時(shí)修復(fù)電梯，確保電梯可靠、正常的運(yùn)行。

3 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在博途平臺(tái)下完成了基于以太網(wǎng)連接的多部電梯的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)博途軟件與PLC的通信，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常狀態(tài)報(bào)表有助于發(fā)現(xiàn)電梯故障并對(duì)故障進(jìn)行分析和判斷，從而縮短故障停梯時(shí)間、減少維修人員的工作量，對(duì)保障電梯安全運(yùn)行具有很大的作用。

注：本文通訊作者為張春。

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