陳元?jiǎng)P 劉張圓 涂禹輝 胡光華

(武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院 湖北 武漢：430205)

0 引言

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，土地供需日益緊張，地面建筑已成為城市立體化發(fā)展的新趨勢。電梯作為高層建筑物不可或缺的裝載工具，巨大的載客量及頻繁的啟停工作也大大增加了電梯設(shè)備的發(fā)生故障及異常情況的概率[1]。目前電梯設(shè)備的異常狀況大多依靠用戶、被困人員和值班人員發(fā)現(xiàn)。僅靠人力對電梯故障排查通常不夠精準(zhǔn)，加之不能提供電梯日常運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄，大大增加了電梯的維修難度[2]。因此，有必要對電梯的控制系統(tǒng)提出更高要求，尤其是要實(shí)現(xiàn)對多部多層電梯運(yùn)行狀態(tài)的全方位精確監(jiān)視與控制。

針對電梯系統(tǒng)的監(jiān)控, 設(shè)計(jì)人員開展了一些研究, 如劉影等人基于WINCC設(shè)計(jì)了一套電梯監(jiān)控系統(tǒng)[2], 通過WINCC與PLC的以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對單部電梯運(yùn)行狀態(tài)及異常狀態(tài)的有效監(jiān)視, 但此監(jiān)控系統(tǒng)并不適用于集群控制的多部電梯，尤其是缺少對于群控系統(tǒng)維護(hù)至關(guān)重要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄功能。本文基于一種可靠的PLC電梯集群控制算法[3]，提出了一種六部十層電梯集中運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)重點(diǎn)針對多部多層電梯系統(tǒng)維保過程中的技術(shù)難點(diǎn)，以及電梯集群控制中容易出現(xiàn)異常之處例如超重、滿載、休眠及檢修等狀態(tài)，在傳統(tǒng)的電梯監(jiān)控系統(tǒng)中，融入了電梯運(yùn)行趨勢監(jiān)視界面和電梯關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄界面，維保人員可以通過電梯運(yùn)行趨勢圖以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)歷史記錄，方便快速的預(yù)測和查找電梯的故障。并利用西門子電梯仿真平臺(tái)(Elevator Simulation)對設(shè)計(jì)出的電梯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)以單臺(tái)西門子S7-1200系列PLC作為控制器的六部十層電梯集群控制為基礎(chǔ)，結(jié)合多部多層電梯在實(shí)際運(yùn)行和維護(hù)中常涉及到的問題，提出了一種易于實(shí)現(xiàn)集中運(yùn)行和維護(hù)的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案。

該系統(tǒng)分為三大模塊，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊以及用戶管理模塊。其中，電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊用于監(jiān)控整套系統(tǒng)的運(yùn)行情況，便于實(shí)時(shí)獲取各部電梯的內(nèi)外呼、動(dòng)作及故障、報(bào)警等信號(hào)。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊包括電梯狀態(tài)總覽界面、電梯運(yùn)行監(jiān)控界面、外呼狀態(tài)監(jiān)控界面；數(shù)據(jù)記錄模塊則用于記錄各類電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便監(jiān)控人員查閱電梯運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄及歷史記錄情況。該模塊包括電梯運(yùn)行趨勢圖、運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄界面及系統(tǒng)設(shè)置界面。此外，根據(jù)電梯監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際使用需求，本系統(tǒng)還添加了用戶管理子系統(tǒng)，設(shè)置了管理員和操作員兩種操作權(quán)限，同時(shí)增添了登錄報(bào)警和權(quán)限報(bào)警[4]。電梯監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 電梯監(jiān)控系統(tǒng)的配置與建立

2.1 監(jiān)控設(shè)備組態(tài)

本監(jiān)控系統(tǒng)使用TIA博途V15作為軟件開發(fā)平臺(tái)，使用WinCC繪制人機(jī)交互界面，利用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對S7-1200系列PLC數(shù)據(jù)的監(jiān)控。具體來講，首先在TIA博途V15軟件中添加一臺(tái)上位機(jī)PC System和一臺(tái)PLC(CPU1214)，然后利用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)線構(gòu)建物理層連接，之后在TIA軟件的“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”中添加“SIMATIC HMI應(yīng)用軟件”中的“Wincc RT advanced”，并在新添加的“WinCC RT advanced”模塊中添加一個(gè)“常規(guī)IE”。最后通過PC的CPIE通信模塊及CPU1214內(nèi)置的PROFINET接口建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接，以完成監(jiān)控的組態(tài)。監(jiān)控設(shè)備的組態(tài)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控設(shè)備組態(tài)

2.2 電梯仿真平臺(tái)配置

電梯仿真平臺(tái)(Elevator Simulation)是根據(jù)實(shí)際電梯結(jié)構(gòu)和工作過程而研制出的一款電梯仿真運(yùn)行軟件，該仿真平臺(tái)具有豐富的電梯模型組合，覆蓋從單梯控制到多梯群控，并能實(shí)時(shí)地模擬電梯的運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)作環(huán)境，動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)各部分的運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)該仿真平臺(tái)支持Profibus-DP、工業(yè)以太網(wǎng)、OPC等多種通訊方式[5]。

本文中的電梯監(jiān)控系統(tǒng)以電梯仿真平臺(tái)中的六部十層電梯為研究對象，采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通信方式，在穩(wěn)定的集群控制算法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電梯監(jiān)控系統(tǒng)，電梯仿真平臺(tái)如圖3所示。

圖3 電梯仿真平臺(tái)

2.3 電梯監(jiān)控系統(tǒng)I/O配置

配置電梯監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接需確定PLC的輸入和輸出信號(hào)，包括數(shù)字信號(hào)和模擬量信號(hào)。其中數(shù)字信號(hào)包括轎廂內(nèi)外呼指令信號(hào)、上下平層信號(hào)、開關(guān)門信號(hào)、光幕信號(hào)、六部電梯的上下限位信號(hào)等，模擬信號(hào)則主要是轎廂的載重量信號(hào)。根據(jù)電梯仿真平臺(tái)的仿真練習(xí)工程的要求，六部十層電梯監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號(hào)223個(gè)，數(shù)字量輸出信號(hào)259個(gè)，模擬量輸入信號(hào)一共6個(gè)。其中六部十層電梯監(jiān)控系統(tǒng)的一號(hào)梯部分輸入信號(hào)如表1所示。

表1 仿真平臺(tái)一號(hào)梯部分輸入信號(hào)

3 電梯監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與仿真

3.1 電梯系統(tǒng)仿真

正確設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接并在程序準(zhǔn)備無誤的情況下，啟動(dòng)電梯仿真平臺(tái)并調(diào)用仿真平臺(tái)內(nèi)的自動(dòng)模擬呼叫配置，模擬高峰期電梯密集、相似的呼叫請求[3]。在集群控制系統(tǒng)正常工作的情況下觀察電梯監(jiān)控系統(tǒng)中用戶管理模塊、運(yùn)行監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊的工作情況，電梯仿真平臺(tái)配置及仿真運(yùn)行效果如圖4所示。

圖4 電梯仿真平臺(tái)配置及仿真運(yùn)行效果

3.2 用戶管理模塊設(shè)計(jì)與仿真

一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)需要不僅要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，更需要對數(shù)據(jù)的安全性及可靠性有較高的要求。因此，電梯監(jiān)控系統(tǒng)需要一套完善的用戶管理子系統(tǒng)以區(qū)分不同的訪問用戶，驗(yàn)證用戶的身份，并進(jìn)行精細(xì)的訪問權(quán)限管理[6]。具體功能如下：

(a)設(shè)置用戶登錄界面。允許用戶輸入用戶名及密碼登錄進(jìn)入根目錄界面。

(b)設(shè)置系統(tǒng)登錄報(bào)警提示。包括未登錄報(bào)警、用戶名或密碼錯(cuò)誤報(bào)警、錯(cuò)誤3次賬戶鎖定報(bào)警等，系統(tǒng)登錄界面及失敗報(bào)警界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)登錄及失敗報(bào)警

(c)設(shè)置權(quán)限界面，劃分管理員、監(jiān)視員及操作員三重權(quán)限。其中，僅用戶權(quán)限與指定按鈕權(quán)限相同時(shí)方能打開對應(yīng)的管理界面，否則顯示無權(quán)進(jìn)入，系統(tǒng)根目錄及權(quán)限管理設(shè)置如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)根目錄及權(quán)限管理設(shè)置

3.3 電梯運(yùn)行監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)與仿真

電梯的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控為六部十層電梯監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，主要包括電梯狀態(tài)總覽界面、電梯運(yùn)行監(jiān)控界面及外呼狀態(tài)界面等。監(jiān)控頁面為窗口模式，通過根界面進(jìn)行切換，分辨率為800×600，具體的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)與仿真如圖7所示。

圖7 電梯運(yùn)行監(jiān)控與仿真

電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控為操作員權(quán)限，可便于操作員監(jiān)視整套六部十層電梯系統(tǒng)的運(yùn)行情況，具體包括電梯內(nèi)外呼梯狀態(tài)、電梯所處樓層和運(yùn)行方向、可視化轎廂開關(guān)門狀態(tài)、電梯載重量情況以及轎廂三級(jí)制動(dòng)器、電梯上下行接觸器、上下極限限位等各關(guān)鍵部位的狀態(tài)顯示及報(bào)警[6]。1、2號(hào)轎廂載重量數(shù)模轉(zhuǎn)換及超重報(bào)警梯形圖程序如圖8所示[7]，其中變送器測量的范圍為0-2000kg，單部電梯載重為1050kg。

圖8 一二號(hào)梯載重量轉(zhuǎn)換及超重報(bào)警程序

3.4 電梯數(shù)據(jù)記錄模塊設(shè)計(jì)與仿真

電梯數(shù)據(jù)記錄模塊包括各部電梯的運(yùn)行趨勢圖、電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄界面以及系統(tǒng)設(shè)置界面。電梯數(shù)據(jù)記錄界面為管理員權(quán)限，僅管理員能進(jìn)入查閱，電梯數(shù)據(jù)記錄及仿真如圖9所示。

圖9 電梯數(shù)據(jù)記錄界面

其中，電梯運(yùn)行趨勢圖可直觀地反應(yīng)各部電梯的實(shí)時(shí)及歷史運(yùn)行狀況，其縱坐標(biāo)為所處的樓層、橫坐標(biāo)為時(shí)間，通過趨勢圖電梯維保人員可直觀的了解各部電梯在不同時(shí)間段所處的樓層、各層?？繒r(shí)間的長短等數(shù)據(jù)，亦能方便電梯管理員掌握電梯啟停的頻率以及電梯運(yùn)行速度的快慢等信息，方便電梯故障排查，確保電梯安全可靠的運(yùn)行[8-9]。

此外，電梯在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于種種原因往往會(huì)觸發(fā)電梯轎廂滿載、超重或停機(jī)等狀況，這些狀況也是容易導(dǎo)致電梯故障的主要原因，尤其在人流量大的電梯系統(tǒng)中，故須針對容易出現(xiàn)異常之處，例如超重、滿載、停機(jī)、休眠及檢修等狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)記錄，因此在六部十層電梯監(jiān)控系統(tǒng)中加入了電梯數(shù)據(jù)記錄模塊，所有電梯關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化均會(huì)促發(fā)輸出異常狀態(tài)報(bào)表，維護(hù)人員可通過查看歷史數(shù)據(jù)確定電梯故障情況，從而及時(shí)修復(fù)電梯。

4 結(jié)束語

穩(wěn)定而可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作的前提，它起到監(jiān)視整套六部十層電梯群控系統(tǒng)工作狀況的作用，同時(shí)也便于維保人員查詢關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)及歷史記錄來排查問題及故障。本文從系統(tǒng)用戶管理、電梯狀態(tài)監(jiān)控以及電梯數(shù)據(jù)記錄三大模塊對六部十層電梯的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。仿真表明該系統(tǒng)能對六部十層電梯的運(yùn)行情況進(jìn)行有效的監(jiān)控，且穩(wěn)定性良好、操作簡單，對于避免電梯事故及電梯故障排查等方面具有一定的借鑒意義。