透明電梯教學(xué)模型的設計應用

1、概述
在21 世紀的今天，隨著(zhù)城市高層建筑不斷增多，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電梯作為高層建筑中垂直運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(mǎn)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構、運行原理、性能特點(diǎn)、控制方式進(jìn)行全面的認識和掌握。

電梯行業(yè)是高職院校機電技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個(gè)大的方向，培養具有綜合素質(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(chǎng)上有一些電梯類(lèi)的實(shí)訓設備，這些設備過(guò)于偏向教學(xué)，真實(shí)性較差、不能開(kāi)展靈活的實(shí)訓教學(xué)并且價(jià)格昂貴。若進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，可有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以為機電設備綜合實(shí)踐提供教學(xué)條件，根據不同的實(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(guò)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，可以降低設備成本，節約建設資金。

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，開(kāi)發(fā)研制性能較優(yōu)良、更適合教學(xué)的電梯模型。本課題設的控制系統采用PLC（可編程控制器）作為群控電梯的控制系統。隨著(zhù)制技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統的教學(xué)方式也不斷的發(fā)生著(zhù)巨大變化，為了讓學(xué)生能夠充分掌握當今先進(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)訓設備技術(shù)的先進(jìn)性、使用的安全性以及操作的方便性，并且設備的控制系統達到現代先進(jìn)的技術(shù)水平。通過(guò)群控電梯實(shí)訓平，能使學(xué)生將理論知識與實(shí)踐技能緊密地結合起來(lái)， 增強學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓的興趣，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)占據半壁江山，獨立設置的高等職業(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)訓裝置的開(kāi)發(fā)，不僅可以作為高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生實(shí)訓設備，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試技能大賽，進(jìn)行拆裝訓練和編程調試提供條件。

2、教學(xué)電梯模型

研究的具體內容包括硬件的設計、軟件控制程序設計及功能的實(shí)現。

（1）硬件設計主要包括：?jiǎn)闻_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）軟件控制程序設計主要包括：電梯開(kāi)關(guān)門(mén)程序設計、呼梯程序設計、加減速程序設計、平層檢測程序設計等。

（3）功能實(shí)現，群控電梯就是多臺電梯集中排列，共用廳外呼叫按鈕，按規定程序集中調度和控制的電梯。群控電梯除了單梯控制功能外，還應具有下列功能：zui大zui小功能。系統一臺電梯應召時(shí)，使待梯時(shí)間zui小，并預測可能的zui大等候時(shí)間，可均衡待梯時(shí)間，防止長(cháng)時(shí)間等候。優(yōu)先調度。在待梯時(shí)間不超過(guò)規定值時(shí)，對某樓層的廳外呼叫，由已接受該層內指令的電梯應召。區域優(yōu)先控制。當出現一連串呼叫時(shí)，區域優(yōu)先控制系統首先檢出"長(cháng)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 站結構，高度2.5m，主要部件購買(mǎi)實(shí)際電梯的零部件，自主開(kāi)發(fā)框架、機械連接、電氣配電柜等。井道采用模擬的框架結構，配備機械小車(chē)代替轎廂運行，有配重、各類(lèi)電子行程開(kāi)關(guān)、層站、曳引機構、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。層站的結構自己獨立設計，符合電梯標準，節約成本。轎廂的結構采用實(shí)物轎廂，內部的控制結構、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)控制計算機（工控機）和PLC（下位機），下位機實(shí)時(shí)采樣電梯現場(chǎng)情況，以組態(tài)形式反映在工控機上，直觀(guān)地監視電梯運行：同時(shí)工控機可以向PLC 下達運行指令，控制電梯的運行狀態(tài)。

本教學(xué)電梯模型主要用于教學(xué)和勞動(dòng)技能鑒定， 強調其可操作性能。學(xué)生在電梯模型上可進(jìn)行安裝、調試、運行、故障檢測、維修維護等操作，因此本設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)訓項目，從多個(gè)方面提高學(xué)生的操作技能。

演示性主要體現在安裝、調試、運行、故障檢測、維修維護等項目的教學(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，應用組態(tài)王軟件強大的動(dòng)態(tài)監控、數據處理、畫(huà)面支持、網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)控制、豐富的文本提示等功能，實(shí)現在計算機上可以演示電梯的各種運行狀態(tài)，使學(xué)生能夠先通過(guò)軟件演示，模擬現場(chǎng)，解決問(wèn)題，再進(jìn)行實(shí)際的操作，實(shí)時(shí)性更強，效果更好。

在本論文研制開(kāi)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， 還增加了計算機控制系統、自動(dòng)化軟件（組態(tài)王）、計算機通訊等先進(jìn)技術(shù)。

在研制過(guò)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。我們所研制的群控電梯首先用于高職院校機電一體化專(zhuān)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技能競賽的平臺。教學(xué)電梯模型控制系統由實(shí)物電梯、PLC、現場(chǎng)傳感器、變頻器等組成，可以獨立運行；軟件系統采用組態(tài)編程方便地構成監控畫(huà)面，以動(dòng)畫(huà)方式實(shí)時(shí)顯示電梯的運行狀態(tài)，具有報警功能，同時(shí)可以提供強大的演示功能。

3、教學(xué)單臺電梯模型控制系統的功能

教學(xué)電梯模型系統應用PLC 控制系統與調速拖動(dòng)裝置相結合實(shí)現了電梯的各種控制功能，提高了電梯運行的可靠性，降低了故障率。

本設計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)電梯模型的機械結構設計、教學(xué)電梯模型控制系統設計、教學(xué)電梯模型控制系統的監控軟件設計等作了系統的闡述。

3.1 模型結構

教學(xué)電梯模型控制系統采用透明機構， 其機械構造與實(shí)際電梯結構*一樣。具體包括：機房電機、控制柜、井道、限位開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、變頻器、門(mén)機等裝置，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 電梯正面結構圖

3.2 控制系統

教學(xué)電梯模型控制系統使PLC 控制與調速拖動(dòng)裝置結合，達到對電梯的實(shí)際仿真控制，能實(shí)現電梯的自動(dòng)、手動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)控制、電梯的里外呼梯信號響應控制、電梯的層站顯示控制、電梯的自動(dòng)平層控制、電梯的變頻調速控制以及電梯的安全保護控制等實(shí)際功能。

3.3 監控軟件

結合組態(tài)技術(shù)與PLC 網(wǎng)絡(luò )通訊功能實(shí)現計算機與PLC 的通訊， 控制電梯模型的運行， 并能實(shí)現動(dòng)態(tài)演示電梯運行的功能。

4、教學(xué)電梯模型控制系統的核心技術(shù)

4.1 PLC 控制技術(shù)

PLC 是在傳統順序控制器的基礎上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(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(lái)取代繼電器，執行邏輯、定時(shí)、計數等順序控制功能，建立柔性的程控系統。電工委員會(huì )（IEC）頒布了對PLC 的規定：可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。PLC 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

4.2 變頻調速技術(shù)

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

5、教學(xué)群控電梯控制系統的總體方案設計電梯群控系統主要由電梯監控系統、群梯控制器、單梯控制器、通信系統、外呼信號、轎廂等部分組成。

5.1 電梯監控系統

電梯監控系統作為群控系統的上層環(huán)節， 主要作用是實(shí)現對群控電梯的實(shí)時(shí)監控、報警處理，對數據庫中的主要信息進(jìn)行加工處理。

5.2 單梯控制器

單梯控制器是群控系統控制的zui小單元， 每個(gè)單梯控制器都獨立運行，互不干擾。它擔負著(zhù)起動(dòng)和制動(dòng)電梯轎廂、開(kāi)關(guān)轎廂門(mén)以及轉移轎廂的任務(wù)。在不涉及群控問(wèn)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，確定電梯的運行方向和?？繕菍?，確保電梯遵循一般調度規則。目前，一般使用集選控制，即按照呼叫的登記順序來(lái)響應。集選控制原則還包括順向截梯原則、順向消號原則以及zui遠程反向截車(chē)原則等。

5.3 群控控制器

群控控制器作為群控系統的核心， 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，做出統一的調度策略，并分配各個(gè)單梯響應呼叫信號。本課題設計的群控電梯采用三臺電梯集中排列，共用廳外呼叫按鈕，按規定程序集中調度和控制的電梯。群控電梯在單臺電梯的基礎上，主要增加了網(wǎng)絡(luò )通信功能及編程等技術(shù)。為了適應高職學(xué)生實(shí)訓需要，要求能自己建立一個(gè)比較復雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )控制系統， 能進(jìn)行群控電梯運行程序設計與調試；電梯運行與維護；電梯故障分析與故障排除。

5.4 外呼信號

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

5.5 執行元件

執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控制而造成的樓層分布不均，資源浪費，電梯損耗不均勻等狀況，電梯群控對于改善電梯的運行效果，具有十分重要的作用。一個(gè)電梯群控系統需要進(jìn)行大量的數據交換， 如各電梯轎廂內的選層信號、應答選層的指示燈信號、顯示電梯當前位置的指示燈信號和廳外召喚信號等，這些信號隨著(zhù)電梯的數量和樓層的增多而迅速增加。電梯群控系統通訊的主要特點(diǎn)是節點(diǎn)多、距離長(cháng)、信號變化慢以及對抗干擾能力的要求高等。電梯群控系統結構圖（如圖2 所示）。

圖2 電梯群控系統結構圖

6、軟件總體結構設計

軟件結構的設計是把軟件的需求轉變成軟件表示的過(guò)程。

這個(gè)設計過(guò)程是總體的設計過(guò)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實(shí)中的群控電梯系統，從這個(gè)系統的輸入---客流的產(chǎn)生開(kāi)始。

經(jīng)過(guò)模式識別，分析出當前乘客交通流的狀況，根據這個(gè)交通流模式以及派梯策略，通過(guò)相應算法進(jìn)行派梯優(yōu)化，輸出*派梯結果，反饋給各臺電梯，各臺電梯按照指令運行。

通過(guò)以上分析得出電梯群控軟件至少有這些部分構成：系統參數設定、轎廂運行、客流產(chǎn)生、交通流識別、數據管理、群控算法以及通訊。各模塊獨立完成需求的工作，但各模塊之間又是緊密相聯(lián)的。

由此，提出軟件的功能結構圖，必須要說(shuō)明的是，因為本設計中不包括對硬件部分的設計， 所以通訊模塊主要是在編程中實(shí)現，包括對函數的調用，實(shí)現參數的傳遞，所以在軟件模塊設計中，沒(méi)有把通訊模塊表示出來(lái)，但是在實(shí)際群控系統中，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：人機交互模塊，實(shí)現用戶(hù)使用權限管理和梯群初始化參數設置等功能；實(shí)時(shí)顯示模塊主要是指轎廂運行的模擬仿真運行， 還包括一些數據的顯示； 數據分析模塊包括運行記錄和性能指標分析兩部分，運行記錄是利用記事本的形式，以每次仿真運行為單位，記錄下仿真運行的時(shí)間，各電梯在不同時(shí)刻的運行狀態(tài)，性能指標分析， 是指把每次算法運行的計算結果保存下來(lái)， 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，以及算法運行和計算。軟件功能模塊圖如圖3 所示：

圖3 軟件功能模塊圖