基于虛擬PLC的四層虛擬電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡兆勇，何漢武，羅海峰

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.廣州超軟科技有限公司，廣東廣州510635）

電梯是垂直運(yùn)行的電梯(通常簡(jiǎn)稱(chēng)電梯)、傾斜方向運(yùn)行的自動(dòng)扶梯、傾斜或水平方向運(yùn)行的自動(dòng)人行道的總稱(chēng)[1]。電梯已成為現(xiàn)代生活中廣泛使用的人員運(yùn)輸工具，同時(shí)也是一個(gè)典型的控制對(duì)象。目前電梯主要有繼電器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)[2~5]。其中，繼電器控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被后兩種控制系統(tǒng)所取代。微機(jī)控制系統(tǒng)雖在智能控制方面有較強(qiáng)的功能，但也存在抗干擾性差、系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、難以掌握其維修技術(shù)等缺陷。PLC在電梯控制中的應(yīng)用將逐漸成為趨勢(shì)。

在可編程序控制器的教學(xué)實(shí)踐中，電梯同樣是一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。論文根據(jù)常用的四層教學(xué)電梯模型，通過(guò)OpenGL進(jìn)行三維建模，并利用自主研制的虛擬PLC仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了四層虛擬電梯控制系統(tǒng)。仿真運(yùn)行實(shí)例和結(jié)果顯示了系統(tǒng)的可用性。

1 四層虛擬電梯的結(jié)構(gòu)

垂直運(yùn)行的電梯，主要由曳引機(jī)、巷道、對(duì)重裝置、安全裝置、信號(hào)操縱系統(tǒng)、轎廂與廳門(mén)等組成。電梯的控制主要是召梯、選層、減速、平層停站、開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)。對(duì)于單個(gè)電梯的運(yùn)行控制來(lái)說(shuō)，可以歸結(jié)為隨機(jī)邏輯控制。

對(duì)于虛擬電梯來(lái)說(shuō)，電梯的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上為圖像的運(yùn)動(dòng)，因而不采用虛擬電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)；同時(shí)，轎門(mén)和廳門(mén)的開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作可以合二為一。故論文設(shè)計(jì)的四層虛擬電梯主要結(jié)構(gòu)，包含了轎廂、廳門(mén)和巷道。圖1給出了OpenGL建模的四層虛擬電梯示意圖。

圖1 四層虛擬電梯模型

該虛擬電梯設(shè)計(jì)了運(yùn)行方向指示、當(dāng)前樓層號(hào)顯示；每層均設(shè)有上行和下行的呼梯按鈕（底層只有上行按鈕，頂層只有下行按鈕），并由LED燈作為系統(tǒng)對(duì)外部呼梯的響應(yīng)；右側(cè)的數(shù)字，表示轎廂內(nèi)的操作面板；操作面板由進(jìn)入轎廳的乘客控制，通過(guò)選擇按鈕輸入選層要求，并由LED燈顯示。此外，在轎箱內(nèi)的操作面板下方還設(shè)置了開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)按鈕。

2 四層虛擬電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在樓層響應(yīng)的邏輯控制中，樓層的檢測(cè)是控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于虛擬電梯來(lái)說(shuō)，樓層的檢測(cè)，體現(xiàn)為轎廂在垂直方向上的坐標(biāo)檢測(cè)。為了與真實(shí)的電梯樓層檢測(cè)盡可能相似，在虛擬電梯模型中，論文設(shè)置了三重坐標(biāo)檢測(cè)，即每層設(shè)有1個(gè)感應(yīng)器KR，轎廂上設(shè)有上下平層共2個(gè)感應(yīng)器KR。為確保電梯可靠運(yùn)行，不會(huì)超出行程，設(shè)置了上下限行程開(kāi)關(guān)ST1和ST2。同時(shí)，為確保電梯安全升降，設(shè)計(jì)了開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)兩個(gè)傳感器，用于檢測(cè)是否完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉。

由該四層虛擬電梯建?？芍淇刂葡到y(tǒng)需要6個(gè)外響應(yīng)按鈕、4個(gè)內(nèi)響應(yīng)按鈕、內(nèi)選的開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)兩個(gè)按鈕，以及對(duì)應(yīng)這些按鈕的LED指示燈。實(shí)質(zhì)上是采用兩種按鈕進(jìn)行切換。

圖2給出了四層虛擬電梯控制方案的總體設(shè)計(jì)。

圖2 四層虛擬電梯控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在這里，當(dāng)前樓層的顯示如果用PLC進(jìn)行控制，則麻煩且意義不大。實(shí)際中也多采用單片機(jī)控制。故這種功能由虛擬場(chǎng)景自動(dòng)顯示，不需要額外的控制。同樣地，當(dāng)前樓層顯示，是通過(guò)檢測(cè)虛擬電梯在圖像中的坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

除此以外，該控制系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了電梯運(yùn)行方向的顯示功能。這個(gè)需要通過(guò)PLC程序控制，且本質(zhì)上也是通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)兩個(gè)圖形的切換。

3 虛擬PLC及其與虛擬電梯的通訊

所謂虛擬PLC，這里是指通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件PLC的功能，從而能夠不需要實(shí)際的硬件PLC來(lái)完成PLC程序控制邏輯。具體來(lái)說(shuō)，使用者能夠在虛擬PLC的環(huán)境中，自行編制PLC指令程序，并能夠仿真調(diào)試程序是否滿足預(yù)定的功能。

文獻(xiàn)[6]詳細(xì)闡述了作者利用Visual C++環(huán)境所開(kāi)發(fā)的虛擬PLC仿真軟件。在設(shè)定好四層虛擬電梯的控制方案后，即可將模型導(dǎo)入到該仿真軟件。此時(shí)控制虛擬電梯的關(guān)鍵便是兩者之間的通訊。

對(duì)于PLC控制來(lái)說(shuō)，端口分配圖是進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在四層虛擬電梯的控制系統(tǒng)中，端口分配圖已經(jīng)通過(guò)Visual C++環(huán)境進(jìn)行固化，也即按鈕和指示燈與虛擬PLC之間的連接關(guān)系已經(jīng)確定。

圖3給出了虛擬電梯PLC控制的端口分配圖。

圖3 四層虛擬電梯端口分配圖

在設(shè)計(jì)好虛擬PLC和虛擬電梯的通訊關(guān)聯(lián)之后，便可以利用虛擬PLC進(jìn)行電梯的仿真控制。在這里，電梯的控制方案可以衍生很多。

4 虛擬電梯仿真控制方案及程序設(shè)計(jì)

對(duì)于任意電梯控制來(lái)說(shuō)，召梯和開(kāi)關(guān)門(mén)控制是必需的控制要求。對(duì)于虛擬電梯來(lái)說(shuō)，電梯的召梯控制，表現(xiàn)為虛擬轎廂和轎門(mén)在虛擬巷道中的圖像平移。若考慮虛擬電梯的變頻調(diào)速問(wèn)題，則為其PLC仿真控制增添相當(dāng)大的復(fù)雜度。因此，論文設(shè)計(jì)的控制方案不考慮上下平層感應(yīng)器KR5和KR6的存在，設(shè)計(jì)一種較為簡(jiǎn)化的控制要求。此時(shí)，虛擬電梯到達(dá)相應(yīng)層時(shí)，直接停止升降，而不需要減速制動(dòng)。

虛擬電梯控制的另一個(gè)動(dòng)作，便是轎門(mén)和廳門(mén)的開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作。電梯開(kāi)關(guān)門(mén)控制同樣表現(xiàn)為轎門(mén)的圖像平移。自然也存在減速過(guò)程。類(lèi)似地，系統(tǒng)簡(jiǎn)化了速度改變的需求。

對(duì)于虛擬電梯的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電梯升降和開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作，需要在虛擬電梯建模時(shí)創(chuàng)建行為建模，而不采用虛擬電機(jī)來(lái)拖動(dòng)。

為此，論文給出的電梯控制要求為：

（1）電梯停在1樓，可以響應(yīng)2、3或4樓的內(nèi)響應(yīng)；

（2）到達(dá)召梯樓層后，自動(dòng)開(kāi)門(mén)至完全；

（3）保持開(kāi)門(mén)3 s后自動(dòng)關(guān)門(mén)；

（4）在召梯樓層停留5 s后，自動(dòng)下降到1樓。

論文設(shè)計(jì)的基于虛擬PLC的四層虛擬電梯控制系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)出多種控制方案。這里設(shè)計(jì)的控制方案是一種簡(jiǎn)單的單一樓層控制。

論文設(shè)計(jì)的虛擬電梯控制方案如圖4所示。

圖4 一種虛擬電梯的PLC控制要求

對(duì)于PLC實(shí)踐來(lái)說(shuō)，四層電梯的PLC控制程序設(shè)計(jì)，可以采用兩種方法：一種是按照出發(fā)樓層的狀態(tài)，另一種是按照到達(dá)樓層的狀態(tài)。前者針對(duì)電梯停在某層，然后到達(dá)另外層進(jìn)行設(shè)計(jì)；后者針對(duì)電梯從其他層出發(fā)到某層進(jìn)行設(shè)計(jì)，兩者在本質(zhì)上是一致的。論文選擇第一種方案。

根據(jù)此要求，圖5給出了基于虛擬PLC仿真平臺(tái)所設(shè)計(jì)的程序。

圖6展示了按下2層內(nèi)選按鈕后，電梯運(yùn)行的上升、開(kāi)門(mén)和下降三個(gè)階段。

圖6 仿真實(shí)例運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

討論了四層虛擬電梯的可編程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并利用作者開(kāi)發(fā)的虛擬PLC仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種控制方案，進(jìn)而編制了PLC控制程序。仿真結(jié)果表明，基于虛擬PLC的四層虛擬電梯控制系統(tǒng)，可以提供多種設(shè)計(jì)方案，能夠用于PLC設(shè)計(jì)實(shí)踐。

該虛擬控制系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程“機(jī)電傳動(dòng)控制”的課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，包含該虛擬電梯控制系統(tǒng)的PLC仿真訓(xùn)練產(chǎn)品，也已在廣東省一些技校的PLC教學(xué)實(shí)踐中，獲得了成功的應(yīng)用。

[1]劉 劍，朱德文，梁質(zhì)林.電梯電氣設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]趙春鋒，范小蘭，林潔駿.基于MCGS的四層電梯仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（7）：36-37，41.

[3]鐘志賢，何國(guó)金.基于PCC的全集選電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2005，（6）：56-58.

[4]Darshil,Sagar,Rajiv,et al.Development of a PLC Based Elevator System with Colour Sensing Capabilities for Material Handling in Industrial Plant[C].Power System Technology and IEEE Power India Conference，2008，1-7.

[5]陳繼文，范文利，李彥鳳，等.基于PLC的電梯控制仿真系統(tǒng)研究[J].機(jī)械與電子，2008，（7）：55-57.

[6]胡兆勇，何漢武，秦 兵.基于Visual C＋＋的虛擬PLC仿真軟件開(kāi)發(fā)[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26(1)：40-43.