透明電梯教學模型的設計應用

1、概述
在21 世紀的今天，隨著城市高層建筑不斷增多，隨著科學技術的不斷發展，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，電梯產品的滿意度和產品的售后

維修服務非常重要，各大企業將需要一大批的高素質的電梯技術人員。同時，電梯的維修人員也必須對電梯的結構、運行原理、性能特點、控制方式進行全面的認識和掌握。

電梯行業是高職院校機電技術專業學生就業的一個大的方向，培養具有綜合素質的畢業生，進行電梯方面的教學是十分必要的。目前市場上有一些電梯類的實訓設備，這些設備過于偏向教學，真實性較差、不能開展靈活的實訓教學并且價格昂貴。若進行自主開發，可有以下優點：

（1）可以為機電設備綜合實踐提供教學條件，根據不同的實踐課程靈活進行實踐教學。

（2）由于老師大都是進行理論教學，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電梯模型控制系統，開發研制性能較優良、更適合教學的電梯模型。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。隨著制技術的不斷發展，傳統的教學方式也不斷的發生著巨大變化，為了讓學生能夠充分掌握當今先進的控制技術，本課題集中了PLC 控制技術、傳感檢測技術、通訊技術以及自動控制技術等，確保群控電梯教學實訓設備技術的先進性、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的技術水平。通過群控電梯實訓平，能使學生將理論知識與實踐技能緊密地結合起來， 增強學生進行實訓的興趣，提高學生的動手能力、創新能力、協作能力。

群控電梯的研究具有深遠的意義， 目前我國在高等教育中，高等職業教育已經占據半壁江山，獨立設置的高等職業技術學院在全國共有近1200 所，占普通高等學校的60%以上。群

控電梯實訓裝置的開發，不僅可以作為高等職業技術學院學生實訓設備，同時也可作為高職大學生科研平臺，還可為高職學生參加全國智能電梯安裝與調試技能大賽，進行拆裝訓練和編程調試提供條件。

2、教學電梯模型

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現。

（1）硬件設計主要包括：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）軟件控制程序設計主要包括：電梯開關門程序設計、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，使待梯時間zui小，并預測可能的zui大等候時間，可均衡待梯時間，防止長時間等候。優先調度。在待梯時間不超過規定值時，對某樓層的廳外呼叫，由已接受該層內指令的電梯應召。區域優先控制。當出現一連串呼叫時，區域優先控制系統首先檢出"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，主要部件購買實際電梯的零部件，自主開發框架、機械連接、電氣配電柜等。井道采用模擬的框架結構，配備機械小車代替轎廂運行，有配重、各類電子行程開關、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。轎廂的結構采用實物轎廂，內部的控制結構、電器部件、通訊、消防、電信聯絡都是和正常使用的電梯是一樣的。電梯的控制主體是工業控制計算機（工控機）和PLC（下位機），下位機實時采樣電梯現場情況，以組態形式反映在工控機上，直觀地監視電梯運行：同時工控機可以向PLC 下達運行指令，控制電梯的運行狀態。

本教學電梯模型主要用于教學和勞動技能鑒定， 強調其可操作性能。學生在電梯模型上可進行安裝、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行組合，以完成不同的實訓項目，從多個方面提高學生的操作技能。

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上，靈活方便。教學電梯模型采用了自動化軟件一一組態王軟件，應用組態王軟件強大的動態監控、數據處理、畫面支持、網絡狀態控制、豐富的文本提示等功能，實現在計算機上可以演示電梯的各種運行狀態，使學生能夠先通過軟件演示，模擬現場，解決問題，再進行實際的操作，實時性更強，效果更好。

在本論文研制開發的教學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、自動化軟件（組態王）、計算機通訊等先進技術。

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。我們所研制的群控電梯首先用于高職院校機電一體化專業電氣控制與PLC 課程教學載體，其次可以作為學生創新教育和智能電梯裝調技能競賽的平臺。教學電梯模型控制系統由實物電梯、PLC、現場傳感器、變頻器等組成，可以獨立運行；軟件系統采用組態編程方便地構成監控畫面，以動畫方式實時顯示電梯的運行狀態，具有報警功能，同時可以提供強大的演示功能。

3、教學單臺電梯模型控制系統的功能

教學電梯模型系統應用PLC 控制系統與調速拖動裝置相結合實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際操作功能， 以及學校的實際教學條件，故以四層電梯為例，分別對教學電梯模型的機械結構設計、教學電梯模型控制系統設計、教學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

教學電梯模型控制系統采用透明機構， 其機械構造與實際電梯結構*一樣。具體包括：機房電機、控制柜、井道、限位開關、行程開關、變頻器、門機等裝置，能使學生了解電梯的實際組成部分。教學電梯模型如圖1 所示。

圖1 電梯正面結構圖

3.2 控制系統

教學電梯模型控制系統使PLC 控制與調速拖動裝置結合，達到對電梯的實際仿真控制，能實現電梯的自動、手動開關門控制、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際功能。

3.3 監控軟件

結合組態技術與PLC 網絡通訊功能實現計算機與PLC 的通訊， 控制電梯模型的運行， 并能實現動態演示電梯運行的功能。

4、教學電梯模型控制系統的核心技術

4.1 PLC 控制技術

PLC 是在傳統順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業控制裝置，目的是用來取代繼電器，執行邏輯、定時、計數等順序控制功能，建立柔性的程控系統。電工委員會（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，專為在工業環境下應用而設計。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、編程簡單等特點。

4.2 變頻調速技術

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

5、教學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節， 主要作用是實現對群控電梯的實時監控、報警處理，對數據庫中的主要信息進行加工處理。

5.2 單梯控制器

單梯控制器是群控系統控制的zui小單元， 每個單梯控制器都獨立運行，互不干擾。它擔負著起動和制動電梯轎廂、開關轎廂門以及轉移轎廂的任務。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，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，主要增加了網絡通信功能及編程等技術。為了適應高職學生實訓需要，要求能自己建立一個比較復雜的工業網絡控制系統， 能進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

實際系統中， 外呼信號指通過各種傳感器采集到的呼叫電梯服務的信號，這些信號根據采集方式的不同，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 執行元件

執行元件包括一些接觸器、繼電器、發光指示器、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。一個電梯群控系統需要進行大量的數據交換， 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是節點多、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程。

這個設計過程是總體的設計過程，主要表示清楚模塊間的關系，給出軟件工作流程。群控仿真軟件是為了模擬現實中的群控電梯系統，從這個系統的輸入---客流的產生開始。

經過模式識別，分析出當前乘客交通流的狀況，根據這個交通流模式以及派梯策略，通過相應算法進行派梯優化，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的。

由此，提出軟件的功能結構圖，必須要說明的是，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現，包括對函數的調用，實現參數的傳遞，所以在軟件模塊設計中，沒有把通訊模塊表示出來，但是在實際群控系統中，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：人機交互模塊，實現用戶使用權限管理和梯群初始化參數設置等功能；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間，各電梯在不同時刻的運行狀態，性能指標分析， 是指把每次算法運行的計算結果保存下來， 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