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，電梯的維修人員也必須對電梯的結(jié)構(gòu)、運行原理、性能特點、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訓(xùn)設(shè)備，這些設(shè)備過于偏向教學(xué)，真實性較差、不能開展靈活的實訓(xùn)教學(xué)并且價格昂貴。若進(jìn)行自主開發(fā)，可有以下優(yōu)點：

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

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

（3）自己動手教學(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)以及自動控制技術(shù)等，確保群控電梯教學(xué)實訓(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。通過群控電梯實訓(xùn)平，能使學(xué)生將理論知識與實踐技能緊密地結(jié)合起來， 增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行實訓(xùn)的興趣，提高學(xué)生的動手能力、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)生實訓(xùn)設(shè)備，同時也可作為高職大學(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、軟件控制程序設(shè)計及功能的實現(xiàn)。

（1）硬件設(shè)計主要包括：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)計主要包括：電梯開關(guān)門程序設(shè)計、呼梯程序設(shè)計、加減速程序設(shè)計、平層檢測程序設(shè)計等。

（3）功能實現(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，使待梯時間zui小，并預(yù)測可能的zui大等候時間，可均衡待梯時間，防止長時間等候。優(yōu)先調(diào)度。在待梯時間不超過規(guī)定值時，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，區(qū)域優(yōu)先控制系統(tǒng)首先檢出"長時間等候"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，其余均與實際電梯相同。層站的結(jié)構(gòu)自己獨立設(shè)計，符合電梯標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約成本。轎廂的結(jié)構(gòu)采用實物轎廂，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)控制計算機(jī)（工控機(jī)）和PLC（下位機(jī)），下位機(jī)實時采樣電梯現(xiàn)場情況，以組態(tài)形式反映在工控機(jī)上，直觀地監(jiān)視電梯運行：同時工控機(jī)可以向PLC 下達(dá)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，以完成不同的實訓(xùn)項目，從多個方面提高學(xué)生的操作技能。

演示性主要體現(xiàn)在安裝、調(diào)試、運行、故障檢測、維修維護(hù)等項目的教學(xué)上，靈活方便。教學(xué)電梯模型采用了自動化軟件一一組態(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，實現(xiàn)在計算機(jī)上可以演示電梯的各種運行狀態(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)行實際的操作，實時性更強(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， 還增加了計算機(jī)控制系統(tǒng)、自動化軟件（組態(tài)王）、計算機(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及實際需求，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)由實物電梯、PLC、現(xiàn)場傳感器、變頻器等組成，可以獨立運行；軟件系統(tǒng)采用組態(tài)編程方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動畫方式實時顯示電梯的運行狀態(tài)，具有報警功能，同時可以提供強(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)速拖動裝置相結(jié)合實現(xiàn)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(shè)計考慮到載客電梯的實際操作功能， 以及學(xué)校的實際教學(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、教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)設(shè)計、教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件設(shè)計等作了系統(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)速拖動裝置結(jié)合，達(dá)到對電梯的實際仿真控制，能實現(xiàn)電梯的自動、手動開關(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)通訊功能實現(xiàn)計算機(jī)與PLC 的通訊， 控制電梯模型的運行， 并能實現(xiàn)動態(tài)演示電梯運行的功能。

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)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(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、計數(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。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。

4.2 變頻調(diào)速技術(shù)

通用變頻器自80 年代進(jìn)入實際應(yīng)用以來，主要以交流電動機(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格較貴，本設(shè)計選用了通用變頻器，通過合理的配置、設(shè)計和編程，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)， 主要作用是實現(xiàn)對群控電梯的實時監(jiān)控、報警處理，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， 每個單梯控制器都獨立運行，互不干擾。它擔(dān)負(fù)著起動和制動電梯轎廂、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，它能完成對呼梯信號的采集匯總，做出及時的回應(yīng)，確定電梯的運行方向和停靠樓層，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，并分配各個單梯響應(yīng)呼叫信號。本課題設(shè)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(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)生實訓(xùn)需要，要求能自己建立一個比較復(fù)雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)， 能進(jìn)行群控電梯運行程序設(shè)計與調(diào)試；電梯運行與維護(hù)；電梯故障分析與故障排除。

5.4 外呼信號

實際系統(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)通訊的主要特點是節(jié)點多、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

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

這個設(shè)計過程是總體的設(shè)計過程，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)實中的群控電梯系統(tǒng)，從這個系統(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，因為本設(shè)計中不包括對硬件部分的設(shè)計， 所以通訊模塊主要是在編程中實現(xiàn)，包括對函數(shù)的調(diào)用，實現(xiàn)參數(shù)的傳遞，所以在軟件模塊設(shè)計中，沒有把通訊模塊表示出來，但是在實際群控系統(tǒng)中，這仍然是一個非常重要的部分。軟件主要包括四個主要模塊：人機(jī)交互模塊，實現(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；實時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(shù)據(jù)的顯示； 數(shù)據(jù)分析模塊包括運行記錄和性能指標(biāo)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間，各電梯在不同時刻的運行狀態(tài)，性能指標(biāo)分析， 是指把每次算法運行的計算結(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