1、概述
在21 世紀(jì)的今天，隨著城市高層建筑不斷增多，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電梯作為高層建筑中垂直運(yùn)行的交通工具已與人們的日常生活密不可分，電梯產(chǎn)品的滿意度和產(chǎn)品的售后

維修服務(wù)非常重要，各大企業(yè)將需要一大批的高素質(zhì)的電梯技術(shù)人員。同時(shí)，電梯的維修人員也必須對電梯的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、性能特點(diǎn)、控制方式進(jìn)行全面的認(rèn)識和掌握。

電梯行業(yè)是高職院校機(jī)電技術(shù)專業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個(gè)大的方向，培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)的畢業(yè)生，進(jìn)行電梯方面的教學(xué)是十分必要的。目前市場上有一些電梯類的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，這些設(shè)備過于偏向教學(xué)，真實(shí)性較差、不能開展靈活的實(shí)訓(xùn)教學(xué)并且價(jià)格昂貴。若進(jìn)行自主開發(fā)，可有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以為機(jī)電設(shè)備綜合實(shí)踐提供教學(xué)條件，根據(jù)不同的實(shí)踐課程靈活進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。

（2）由于老師大都是進(jìn)行理論教學(xué)，實(shí)踐能力較差，通過這個(gè)課題可以鍛煉老師的工程實(shí)踐能力研制。

（3）自己動(dòng)手教學(xué)電梯模型，可以降低設(shè)備成本，節(jié)約建設(shè)資金。

基于以上原因，本文提出研究基于可編程控制器的教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)，開發(fā)研制性能較優(yōu)良、更適合教學(xué)的電梯模型。本課題設(shè)的控制系統(tǒng)采用PLC（可編程控制器）作為群控電梯的控制系統(tǒng)。隨著制技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式也不斷的發(fā)生著巨大變化，為了讓學(xué)生能夠充分掌握當(dāng)今先進(jìn)的控制技術(shù)，本課題集中了PLC 控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等，確保群控電梯教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備技術(shù)的先進(jìn)性、使用的安全性以及操作的方便性，并且設(shè)備的控制系統(tǒng)達(dá)到現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)水平。通過群控電梯實(shí)訓(xùn)平，能使學(xué)生將理論知識與實(shí)踐技能緊密地結(jié)合起來， 增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作能力。

群控電梯的研究具有深遠(yuǎn)的意義， 目前我國在高等教育中，高等職業(yè)教育已經(jīng)占據(jù)半壁江山，獨(dú)立設(shè)置的高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院在全國共有近1200 所，占普通高等學(xué)校的60%以上。群

控電梯實(shí)訓(xùn)裝置的開發(fā)，不僅可以作為高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生實(shí)訓(xùn)設(shè)備，同時(shí)也可作為高職大學(xué)生科研平臺，還可為高職學(xué)生參加全國智能電梯安裝與調(diào)試技能大賽，進(jìn)行拆裝訓(xùn)練和編程調(diào)試提供條件。

2、教學(xué)電梯模型

研究的具體內(nèi)容包括硬件的設(shè)計(jì)、軟件控制程序設(shè)計(jì)及功能的實(shí)現(xiàn)。

（1）硬件設(shè)計(jì)主要包括：單臺電梯控制器選擇、群控電梯控制器選擇、信號采集傳感器選擇、變頻器選擇、低壓電器選用等。

（2）軟件控制程序設(shè)計(jì)主要包括：電梯開關(guān)門程序設(shè)計(jì)、呼梯程序設(shè)計(jì)、加減速程序設(shè)計(jì)、平層檢測程序設(shè)計(jì)等。

（3）功能實(shí)現(xiàn)，群控電梯就是多臺電梯集中排列，共用廳外呼叫按鈕，按規(guī)定程序集中調(diào)度和控制的電梯。群控電梯除了單梯控制功能外，還應(yīng)具有下列功能：zui大zui小功能。系統(tǒng)一臺電梯應(yīng)召時(shí)，使待梯時(shí)間zui小，并預(yù)測可能的zui大等候時(shí)間，可均衡待梯時(shí)間，防止長時(shí)間等候。優(yōu)先調(diào)度。在待梯時(shí)間不超過規(guī)定值時(shí)，對某樓層的廳外呼叫，由已接受該層內(nèi)指令的電梯應(yīng)召。區(qū)域優(yōu)先控制。當(dāng)出現(xiàn)一連串呼叫時(shí)，區(qū)域優(yōu)先控制系統(tǒng)首先檢出"長時(shí)間等候"的呼叫信號，然后檢查這些呼叫附近是否有電梯。

本文研制的教學(xué)電梯模型(單臺電梯)采用4 層4 站結(jié)構(gòu)，高度2.5m，主要部件購買實(shí)際電梯的零部件，自主開發(fā)框架、機(jī)械連接、電氣配電柜等。井道采用模擬的框架結(jié)構(gòu)，配備機(jī)械小車代替轎廂運(yùn)行，有配重、各類電子行程開關(guān)、層站、曳引機(jī)構(gòu)、安全裝置等，除了框架尺寸縮減以外，其余均與實(shí)際電梯相同。層站的結(jié)構(gòu)自己獨(dú)立設(shè)計(jì)，符合電梯標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約成本。轎廂的結(jié)構(gòu)采用實(shí)物轎廂，內(nèi)部的控制結(jié)構(gòu)、電器部件、通訊、消防、電信聯(lián)絡(luò)都是和正常使用的電梯是一樣的。電梯的控制主體是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）和PLC（下位機(jī)），下位機(jī)實(shí)時(shí)采樣電梯現(xiàn)場情況，以組態(tài)形式反映在工控機(jī)上，直觀地監(jiān)視電梯運(yùn)行：同時(shí)工控機(jī)可以向PLC 下達(dá)運(yùn)行指令，控制電梯的運(yùn)行狀態(tài)。

本教學(xué)電梯模型主要用于教學(xué)和勞動(dòng)技能鑒定， 強(qiáng)調(diào)其可操作性能。學(xué)生在電梯模型上可進(jìn)行安裝、調(diào)試、運(yùn)行、故障檢測、維修維護(hù)等操作，因此本設(shè)備的部件都是可拆卸、可重新按照所需要的功能進(jìn)行組合，以完成不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，從多個(gè)方面提高學(xué)生的操作技能。

演示性主要體現(xiàn)在安裝、調(diào)試、運(yùn)行、故障檢測、維修維護(hù)等項(xiàng)目的教學(xué)上，靈活方便。教學(xué)電梯模型采用了自動(dòng)化軟件一一組態(tài)王軟件，應(yīng)用組態(tài)王軟件強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、畫面支持、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)控制、豐富的文本提示等功能，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上可以演示電梯的各種運(yùn)行狀態(tài)，使學(xué)生能夠先通過軟件演示，模擬現(xiàn)場，解決問題，再進(jìn)行實(shí)際的操作，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，效果更好。

在本論文研制開發(fā)的教學(xué)電梯模型中除了一般電梯模型所具有的功能外， 還增加了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)化軟件（組態(tài)王）、計(jì)算機(jī)通訊等先進(jìn)技術(shù)。

在研制過程中，充分考慮到高職教育的特點(diǎn)及實(shí)際需求，確定研究目標(biāo)。我們所研制的群控電梯首先用于高職院校機(jī)電一體化專業(yè)電氣控制與PLC 課程教學(xué)載體，其次可以作為學(xué)生創(chuàng)新教育和智能電梯裝調(diào)技能競賽的平臺。教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)由實(shí)物電梯、PLC、現(xiàn)場傳感器、變頻器等組成，可以獨(dú)立運(yùn)行；軟件系統(tǒng)采用組態(tài)編程方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動(dòng)畫方式實(shí)時(shí)顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)，具有報(bào)警功能，同時(shí)可以提供強(qiáng)大的演示功能。

3、教學(xué)單臺電梯模型控制系統(tǒng)的功能

教學(xué)電梯模型系統(tǒng)應(yīng)用PLC 控制系統(tǒng)與調(diào)速拖動(dòng)裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了電梯的各種控制功能，提高了電梯運(yùn)行的可靠性，降低了故障率。

本設(shè)計(jì)考慮到載客電梯的實(shí)際操作功能， 以及學(xué)校的實(shí)際教學(xué)條件，故以四層電梯為例，分別對教學(xué)電梯模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)等作了系統(tǒng)的闡述。

3.1 模型結(jié)構(gòu)

教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)采用透明機(jī)構(gòu)， 其機(jī)械構(gòu)造與實(shí)際電梯結(jié)構(gòu)*一樣。具體包括：機(jī)房電機(jī)、控制柜、井道、限位開關(guān)、行程開關(guān)、變頻器、門機(jī)等裝置，能使學(xué)生了解電梯的實(shí)際組成部分。教學(xué)電梯模型如圖1 所示。

圖1 電梯正面結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制系統(tǒng)

教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)使PLC 控制與調(diào)速拖動(dòng)裝置結(jié)合，達(dá)到對電梯的實(shí)際仿真控制，能實(shí)現(xiàn)電梯的自動(dòng)、手動(dòng)開關(guān)門控制、電梯的里外呼梯信號響應(yīng)控制、電梯的層站顯示控制、電梯的自動(dòng)平層控制、電梯的變頻調(diào)速控制以及電梯的安全保護(hù)控制等實(shí)際功能。

3.3 監(jiān)控軟件

結(jié)合組態(tài)技術(shù)與PLC 網(wǎng)絡(luò)通訊功能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC 的通訊， 控制電梯模型的運(yùn)行， 并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示電梯運(yùn)行的功能。

4、教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)的核心技術(shù)

4.1 PLC 控制技術(shù)

PLC 是在傳統(tǒng)順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。電工委員會（IEC）頒布了對PLC 的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。

4.2 變頻調(diào)速技術(shù)

通用變頻器自80 年代進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用以來，主要以交流電動(dòng)機(jī)的節(jié)能應(yīng)用為主。但是進(jìn)入90 年代后，通用變頻器得到了迅猛發(fā)展，通用變頻器的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：一方面是為了節(jié)能需要而進(jìn)行的變頻器的應(yīng)用； 另一方面是為了滿足生產(chǎn)工藝調(diào)速的要求而進(jìn)行的變頻器的應(yīng)用。由于電梯控制的變頻器價(jià)格較貴，本設(shè)計(jì)選用了通用變頻器，通過合理的配置、設(shè)計(jì)和編程，達(dá)到變頻器的控制效果。

5、教學(xué)群控電梯控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)電梯群控系統(tǒng)主要由電梯監(jiān)控系統(tǒng)、群梯控制器、單梯控制器、通信系統(tǒng)、外呼信號、轎廂等部分組成。

5.1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)

電梯監(jiān)控系統(tǒng)作為群控系統(tǒng)的上層環(huán)節(jié)， 主要作用是實(shí)現(xiàn)對群控電梯的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警處理，對數(shù)據(jù)庫中的主要信息進(jìn)行加工處理。

5.2 單梯控制器

單梯控制器是群控系統(tǒng)控制的zui小單元， 每個(gè)單梯控制器都獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。它擔(dān)負(fù)著起動(dòng)和制動(dòng)電梯轎廂、開關(guān)轎廂門以及轉(zhuǎn)移轎廂的任務(wù)。在不涉及群控問題時(shí)，它能完成對呼梯信號的采集匯總，做出及時(shí)的回應(yīng)，確定電梯的運(yùn)行方向和?？繕菍?，確保電梯遵循一般調(diào)度規(guī)則。目前，一般使用集選控制，即按照呼叫的登記順序來響應(yīng)。集選控制原則還包括順向截梯原則、順向消號原則以及zui遠(yuǎn)程反向截車原則等。

5.3 群控控制器

群控控制器作為群控系統(tǒng)的核心， 集中管理各個(gè)單梯控制器，允許所有正常工作的單梯控制器共享呼叫信號，做出統(tǒng)一的調(diào)度策略，并分配各個(gè)單梯響應(yīng)呼叫信號。本課題設(shè)計(jì)的群控電梯采用三臺電梯集中排列，共用廳外呼叫按鈕，按規(guī)定程序集中調(diào)度和控制的電梯。群控電梯在單臺電梯的基礎(chǔ)上，主要增加了網(wǎng)絡(luò)通信功能及編程等技術(shù)。為了適應(yīng)高職學(xué)生實(shí)訓(xùn)需要，要求能自己建立一個(gè)比較復(fù)雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)， 能進(jìn)行群控電梯運(yùn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；電梯運(yùn)行與維護(hù)；電梯故障分析與故障排除。

5.4 外呼信號

實(shí)際系統(tǒng)中， 外呼信號指通過各種傳感器采集到的呼叫電梯服務(wù)的信號，這些信號根據(jù)采集方式的不同，可以是單獨(dú)門廳信號也可以是具有目的層信息的信號。

5.5 執(zhí)行元件

執(zhí)行元件包括一些接觸器、繼電器、發(fā)光指示器、電子元件以及其它電力電子器件等。

電梯群控的主要功能是調(diào)度和管理各部電梯， 電梯服務(wù)樓層，改變原先由于電梯的單獨(dú)控制而造成的樓層分布不均，資源浪費(fèi)，電梯損耗不均勻等狀況，電梯群控對于改善電梯的運(yùn)行效果，具有十分重要的作用。一個(gè)電梯群控系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換， 如各電梯轎廂內(nèi)的選層信號、應(yīng)答選層的指示燈信號、顯示電梯當(dāng)前位置的指示燈信號和廳外召喚信號等，這些信號隨著電梯的數(shù)量和樓層的增多而迅速增加。電梯群控系統(tǒng)通訊的主要特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)多、距離長、信號變化慢以及對抗干擾能力的要求高等。電梯群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（如圖2 所示）。

圖2 電梯群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6、軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是把軟件的需求轉(zhuǎn)變成軟件表示的過程。

這個(gè)設(shè)計(jì)過程是總體的設(shè)計(jì)過程，主要表示清楚模塊間的關(guān)系，給出軟件工作流程。群控仿真軟件是為了模擬現(xiàn)實(shí)中的群控電梯系統(tǒng)，從這個(gè)系統(tǒng)的輸入---客流的產(chǎn)生開始。

經(jīng)過模式識別，分析出當(dāng)前乘客交通流的狀況，根據(jù)這個(gè)交通流模式以及派梯策略，通過相應(yīng)算法進(jìn)行派梯優(yōu)化，輸出*派梯結(jié)果，反饋給各臺電梯，各臺電梯按照指令運(yùn)行。

通過以上分析得出電梯群控軟件至少有這些部分構(gòu)成：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、轎廂運(yùn)行、客流產(chǎn)生、交通流識別、數(shù)據(jù)管理、群控算法以及通訊。各模塊獨(dú)立完成需求的工作，但各模塊之間又是緊密相聯(lián)的。

由此，提出軟件的功能結(jié)構(gòu)圖，必須要說明的是，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中不包括對硬件部分的設(shè)計(jì)， 所以通訊模塊主要是在編程中實(shí)現(xiàn)，包括對函數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞，所以在軟件模塊設(shè)計(jì)中，沒有把通訊模塊表示出來，但是在實(shí)際群控系統(tǒng)中，這仍然是一個(gè)非常重要的部分。軟件主要包括四個(gè)主要模塊：人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)用戶使用權(quán)限管理和梯群初始化參數(shù)設(shè)置等功能；實(shí)時(shí)顯示模塊主要是指轎廂運(yùn)行的模擬仿真運(yùn)行， 還包括一些數(shù)據(jù)的顯示； 數(shù)據(jù)分析模塊包括運(yùn)行記錄和性能指標(biāo)分析兩部分，運(yùn)行記錄是利用記事本的形式，以每次仿真運(yùn)行為單位，記錄下仿真運(yùn)行的時(shí)間，各電梯在不同時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)，性能指標(biāo)分析， 是指把每次算法運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果保存下來， 以供比較分析；群控模塊是主體部分，完成交通流的產(chǎn)生和辨識，以及算法運(yùn)行和計(jì)算。軟件功能模塊圖如圖3 所示：

圖3 軟件功能模塊圖