基于WinCC的電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉 影，周 勇，肖 躍

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院電梯一部，江蘇無錫214100）

國民經(jīng)濟(jì)的快速增長催生了高層建筑的大量涌現(xiàn)。作為高層建筑垂直運(yùn)輸設(shè)備的電梯在高層建筑中扮演著重要的角色。電梯的控制技術(shù)從最開始的繼電器控制發(fā)展到PLC控制和微機(jī)控制。電梯作為樓宇自動化和工藝過程控制的典型產(chǎn)物已與人們的日常生產(chǎn)生活密不可分，因此人們對于電梯的安全性、高效性和迅捷性提出了越來越高的要求。但是，由于目前電梯普遍自動化水平較低，大多采用傳統(tǒng)的控制方式，電梯容易出現(xiàn)“蹲底”、“沖頂”和“困人”等等問題[1]。當(dāng)故障出現(xiàn)后，由于故障點(diǎn)不明確，也給救援帶來不利的影響。因此，將WinCC組態(tài)軟件與電梯監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合可以提高電梯控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，對于保障人民生命財產(chǎn)安全有重要意義。

1 電梯基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特征分析

作為機(jī)電一體化裝備，電梯[2]主要由控制部件、驅(qū)動部件、傳動部件和承載部件等功能部件構(gòu)成。電梯系統(tǒng)由門系統(tǒng)、轎廂和重量平衡系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和曳引系統(tǒng)四部分組成。門系統(tǒng)主要由轎廂門、層門、門機(jī)和聯(lián)動機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，其對于電梯可以有效保護(hù)侯梯人及物品墜入井道。轎廂和重量平衡系統(tǒng)主要由轎廂體、轎廂架、對重及重量補(bǔ)償裝置組成，其主要起運(yùn)送乘客和貨物，平衡轎廂重量的作用。導(dǎo)向系統(tǒng)主要由轎廂導(dǎo)軌、對重導(dǎo)軌、導(dǎo)軌架和導(dǎo)靴等組成，其限制轎廂和對重的運(yùn)行軌跡，保證轎廂在導(dǎo)軌上運(yùn)動。曳引系統(tǒng)主要由曳引機(jī)、鋼絲繩、導(dǎo)向輪等組成，其輸出與傳送動力，驅(qū)動電梯運(yùn)行。電梯基本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 電梯基本系統(tǒng)構(gòu)成

本文以八層電梯為例，介紹其監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方法。該設(shè)計方法同樣適用于其他樓層電梯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

2 電梯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

文中設(shè)計的電梯監(jiān)控系統(tǒng)以計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與自動控制技術(shù)為核心。為實現(xiàn)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，該系統(tǒng)必須能夠?qū)﹄娞葸M(jìn)行工作信號的采集、計算、分析和處理輸出，以及對電梯的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對發(fā)生的故障進(jìn)行報警等功能。通過硬件分析處理和軟件運(yùn)行管理相結(jié)合的方法來實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)各個部分功能，將其設(shè)計成具有實時監(jiān)控和協(xié)調(diào)控制的集成系統(tǒng)[3]。

本監(jiān)控系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括上位監(jiān)控管理層、中間控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。上位監(jiān)控管理層與中間控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。以太網(wǎng)是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)，在工程師站和操作員站設(shè)置100 M以太網(wǎng)板卡，通過交換機(jī)與中間控制層PLC通訊，最遠(yuǎn)距離可達(dá)1 000 km。中間控制層通過Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)將PLC與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行連接。PLC與觸摸屏通過MPI進(jìn)行連接，MPI是集成在SIMATIC S7 CPU中的通信接口，可由該接口建立基本網(wǎng)絡(luò)。電梯監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。操作員站是電梯監(jiān)控人員對電梯運(yùn)行進(jìn)行顯示、監(jiān)視和操作控制管理的主要設(shè)備；工程師站是工程師用于對電梯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制與維護(hù)；PLC負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場信號，對其經(jīng)過運(yùn)算處理后上傳至監(jiān)控層進(jìn)行顯示，并輸出控制信號至現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場輸入設(shè)備包括內(nèi)外呼面板、光電脈沖傳感器和平層信號等?，F(xiàn)場輸出設(shè)備包括曳引機(jī)、變頻器和門機(jī)等[4]。

圖2 電梯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電梯監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)I/0分配

對PLC中輸入輸出模塊進(jìn)行配置需要統(tǒng)計電梯監(jiān)控系統(tǒng)的輸入輸入信號。該監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號包括內(nèi)外呼指令信號、脈沖信號、開關(guān)門信號及平層信號等，共44個數(shù)字量輸入信號。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字量輸入信號[5]如表1所示。

表1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字量輸入信號

電梯監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字量輸出信號包括開關(guān)門控制、呼梯信號指示和運(yùn)行方向指示等，共38個數(shù)字量輸出信號。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字量輸出信號如表2所示[6]。

表2 電梯監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字量輸出信號

3.2 硬件選型及PLC模塊配置

西門子SiemensS7-300系列PLC[7]采用模塊化結(jié)構(gòu)，其分布式配置易于實現(xiàn)且性價比高，電磁兼容性強(qiáng)、抗震動沖擊性能好，因此本監(jiān)控系統(tǒng)選擇該型號PLC。電梯監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字量輸入信號一共44個，數(shù)字量輸出信號一共38個，模擬量輸出信號1個，為了保障系統(tǒng)的開關(guān)量有一定余量，選擇的模塊信號量數(shù)應(yīng)高于該點(diǎn)數(shù)[8]。選用數(shù)字量輸入SM321 DI16×DC24模塊，共計3塊；選用數(shù)字量輸出SM322 DO32×DC24V模塊，共計2塊；選用模擬量輸出SM332 AO8×12Bit模塊共計1塊。PLC硬件配置如表3所示[9]。

表3 PLC硬件配置

4 電梯監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC控制程序設(shè)計

西門子PLC[10]采用Step 7作為其編程軟件。該編程軟件采用程序模塊化結(jié)構(gòu)，運(yùn)行系統(tǒng)所編寫的程序及程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)都以塊的形式來管理，從而組成完整的PLC系統(tǒng)程序[11]。本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)包括以下程序模塊：選向模塊、平層停車模塊、開/關(guān)門控制模塊、電梯運(yùn)行模塊和檢修模塊等[12]。監(jiān)控系統(tǒng)的主體流程圖如圖3所示。

圖3 電梯控制流程圖

4.2 上位監(jiān)控軟件設(shè)計

WinCC是SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)及其它西門子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件，能高效控制自動化過程，而且具有極強(qiáng)的開放性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。WinCC集成了SCADA、組態(tài)、腳本語言和0PC等先進(jìn)技術(shù)，是西門子在自動化控制領(lǐng)域和計算機(jī)強(qiáng)大功能相結(jié)合的產(chǎn)物。WinCC與下位機(jī)PLC之間可以通過工業(yè)以太網(wǎng)、MPI和現(xiàn)場總線等多種方式連接，不需要STEP7軟件組態(tài)，只需要在組態(tài)軟件WinCC上設(shè)置相關(guān)通信參數(shù)和在作為服務(wù)器的計算機(jī)上設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接。本文所設(shè)計的電梯監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通道單元進(jìn)行上下位機(jī)通訊，只需在WinCC軟件[13]中添加驅(qū)動程序，并設(shè)置需要連接的S7-300 PLC的以太網(wǎng)地址、機(jī)架號和插槽號即可通過上位機(jī)所裝的CP343-1以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)與下位自動化系統(tǒng)S7-300通信。通訊建立好后，即可創(chuàng)建變量并連接動畫組態(tài)[14]。上位監(jiān)控組態(tài)界面包括用戶管理和登錄界面、電梯運(yùn)行界面及故障報警界面[15]。用戶管理和登錄界面主要實現(xiàn)用戶權(quán)限管理的功能，當(dāng)用戶想要登錄系統(tǒng)時，用戶管理器會檢查該用戶是否注冊，如果是未注冊用戶則該用戶不能進(jìn)行任何操作。如果注冊用戶想要進(jìn)行受保護(hù)權(quán)限操作時，用戶管理器也會檢查其是否具有該操作權(quán)限，用戶管理和登錄界面如圖4（a）所示。電梯運(yùn)行界面顯示電梯運(yùn)行的實時狀況及相關(guān)設(shè)備參數(shù)。電梯運(yùn)行界面如圖4（b）所示。故障報警界面收集故障信息，并顯示故障信息及故障點(diǎn)。當(dāng)電梯運(yùn)行發(fā)生故障時，故障報警界面將以聲音和圖像警示的方式提醒監(jiān)控人員故障的發(fā)生，從而能夠進(jìn)行快速救援及故障排除[16]。故障報警界面如圖4（c）所示。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控軟件界面

5 結(jié)束語

基于WinCC和S7-300 PLC的電梯監(jiān)控系統(tǒng)既能遠(yuǎn)程監(jiān)視電梯的運(yùn)行情況，又可以在上位機(jī)界面對電梯進(jìn)行控制，同時能夠快速定位電梯故障點(diǎn)，提高故障排除及救援效率。該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法易于實現(xiàn)，具有較強(qiáng)的可操作性，對于提高電梯的自動化水平及安全性有重大意義。

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