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(yùn)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(shí),，電梯的維修人員也必須對(duì)電梯的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理,、性能特點(diǎn),、控制方式進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)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(gè)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(chǎng)上有一些電梯類的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，這些設(shè)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(xùn)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(jī)電設(shè)備綜合實(shí)踐提供教學(xué)條件,，根據(jù)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(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(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(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(cè)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(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(guò)群控電梯實(shí)訓(xùn)平,，能使學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐技能緊密地結(jié)合起來(lái),， 增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)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(yuǎn)的意義,， 目前我國(guó)在高等教育中,，高等職業(yè)教育已經(jīng)占據(jù)半壁江山，獨(dú)立設(shè)置的高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院在全國(guó)共有近1200 所,，占普通高等學(xué)校的60%以上,。群

控電梯實(shí)訓(xùn)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(xùn)設(shè)備，同時(shí)也可作為高職大學(xué)生科研平臺(tái),，還可為高職學(xué)生參加全國(guó)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(jì),、軟件控制程序設(shè)計(jì)及功能的實(shí)現(xiàn)。

（1）硬件設(shè)計(jì)主要包括：?jiǎn)闻_(tái)電梯控制器選擇,、群控電梯控制器選擇,、信號(hào)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(jì)主要包括：電梯開(kāi)關(guān)門(mén)程序設(shè)計(jì)、呼梯程序設(shè)計(jì),、加減速程序設(shè)計(jì),、平層檢測(cè)程序設(shè)計(jì)等。

（3）功能實(shí)現(xiàn),，群控電梯就是多臺(tái)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(tái)電梯應(yīng)召時(shí),，使待梯時(shí)間zui小,，并預(yù)測(cè)可能的zui大等候時(shí)間，可均衡待梯時(shí)間,，防止長(zhǎng)時(shí)間等候,。優(yōu)先調(diào)度。在待梯時(shí)間不超過(guò)規(guī)定值時(shí),，對(duì)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(shí),，區(qū)域優(yōu)先控制系統(tǒng)首先檢出"長(zhǎng)時(shí)間等候"的呼叫信號(hào)，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(tái)電梯)采用4 層4 站結(jié)構(gòu),，高度2.5m，主要部件購(gòu)買(mǎi)實(shí)際電梯的零部件，自主開(kāi)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(yùn)行,，有配重、各類電子行程開(kāi)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(shí)際電梯相同。層站的結(jié)構(gòu)自己獨(dú)立設(shè)計(jì),，符合電梯標(biāo)準(zhǔn),，節(jié)約成本。轎廂的結(jié)構(gòu)采用實(shí)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(jì)算機(jī)（工控機(jī)）和PLC（下位機(jī)）,，下位機(jī)實(shí)時(shí)采樣電梯現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行：同時(shí)工控機(jī)可以向PLC 下達(dá)運(yùn)行指令,，控制電梯的運(yùn)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(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(yùn)行,、故障檢測(cè)、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(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,，從多個(gè)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(yùn)行,、故障檢測(cè),、維修維護(hù)等項(xiàng)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(yīng)用組態(tài)王軟件強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)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(xiàn)在計(jì)算機(jī)上可以演示電梯的各種運(yùn)行狀態(tài),，使學(xué)生能夠先通過(guò)軟件演示，模擬現(xiàn)場(chǎng),，解決問(wèn)題,，再進(jìn)行實(shí)際的操作，實(shí)時(shí)性更強(qiáng),，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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),、自動(dòng)化軟件（組態(tài)王）,、計(jì)算機(jī)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(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(jìng)賽的平臺(tái),。教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)由實(shí)物電梯、PLC,、現(xiàn)場(chǎng)傳感器,、變頻器等組成，可以獨(dú)立運(yùn)行,；軟件系統(tǒng)采用組態(tài)編程方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面,，以動(dòng)畫(huà)方式實(shí)時(shí)顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)，具有報(bào)警功能,，同時(shí)可以提供強(qiáng)大的演示功能,。

3、教學(xué)單臺(tái)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(dòng)裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了電梯的各種控制功能,，提高了電梯運(yùn)行的可靠性,，降低了故障率。

本設(shè)計(jì)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(duì)教學(xué)電梯模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),、教學(xué)電梯模型控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(kāi)關(guān),、行程開(kāi)關(guān)、變頻器,、門(mén)機(jī)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(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(dòng)裝置結(jié)合,，達(dá)到對(duì)電梯的實(shí)際仿真控制，能實(shí)現(xiàn)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(hào)響應(yīng)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(diào)速控制以及電梯的安全保護(hù)控制等實(shí)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC 的通訊,， 控制電梯模型的運(yùn)行， 并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示電梯運(yùn)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(jì)算機(jī)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(zhí)行邏輯,、定時(shí),、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng),。電工委員會(huì)（IEC）頒布了對(duì)PLC 的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)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(jì)。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(jiǎn)單等特點(diǎn),。

4.2 變頻調(diào)速技術(shù)

通用變頻器自80 年代進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用以來(lái)，主要以交流電動(dòng)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(gè)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(jià)格較貴，本設(shè)計(jì)選用了通用變頻器,，通過(guò)合理的配置,、設(shè)計(jì)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(jì)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(hào),、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(shí)現(xiàn)對(duì)群控電梯的實(shí)時(shí)監(jiān)控,、報(bào)警處理,，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)單梯控制器都獨(dú)立運(yùn)行,，互不干擾。它擔(dān)負(fù)著起動(dòng)和制動(dòng)電梯轎廂,、開(kāi)關(guān)轎廂門(mén)以及轉(zhuǎn)移轎廂的任務(wù),。在不涉及群控問(wèn)題時(shí)，它能完成對(duì)呼梯信號(hào)的采集匯總,，做出及時(shí)的回應(yīng),，確定電梯的運(yùn)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(lái)響應(yīng),。集選控制原則還包括順向截梯原則,、順向消號(hào)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(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(hào)，做出統(tǒng)一的調(diào)度策略,，并分配各個(gè)單梯響應(yīng)呼叫信號(hào),。本課題設(shè)計(jì)的群控電梯采用三臺(tái)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(tái)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(shí)訓(xùn)需要,，要求能自己建立一個(gè)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(yùn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試,；電梯運(yùn)行與維護(hù),；電梯故障分析與故障排除。

5.4 外呼信號(hào)

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

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?cè)扔捎陔娞莸膯为?dú)控制而造成的樓層分布不均，資源浪費(fèi),，電梯損耗不均勻等狀況,，電梯群控對(duì)于改善電梯的運(yùn)行效果，具有十分重要的作用,。一個(gè)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(hào)、應(yīng)答選層的指示燈信號(hào),、顯示電梯當(dāng)前位置的指示燈信號(hào)和廳外召喚信號(hào)等,，這些信號(hào)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(diǎn)是節(jié)點(diǎn)多、距離長(zhǎng),、信號(hào)變化慢以及對(duì)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(jì)

軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是把軟件的需求轉(zhuǎn)變成軟件表示的過(guò)程,。

這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是總體的設(shè)計(jì)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(xiàn)實(shí)中的群控電梯系統(tǒng)，從這個(gè)系統(tǒng)的輸入---客流的產(chǎn)生開(kāi)始,。

經(jīng)過(guò)模式識(shí)別,，分析出當(dāng)前乘客交通流的狀況，根據(jù)這個(gè)交通流模式以及派梯策略,，通過(guò)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(tái)電梯,，各臺(tái)電梯按照指令運(yùn)行,。

通過(guò)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(yùn)行,、客流產(chǎn)生,、交通流識(shí)別、數(shù)據(jù)管理,、群控算法以及通訊,。各模塊獨(dú)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(shuō)明的是,，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中不包括對(duì)硬件部分的設(shè)計(jì),， 所以通訊模塊主要是在編程中實(shí)現(xiàn)，包括對(duì)函數(shù)的調(diào)用,，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞,，所以在軟件模塊設(shè)計(jì)中，沒(méi)有把通訊模塊表示出來(lái),，但是在實(shí)際群控系統(tǒng)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(jī)交互模塊,，實(shí)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(shí)時(shí)顯示模塊主要是指轎廂運(yùn)行的模擬仿真運(yùn)行,， 還包括一些數(shù)據(jù)的顯示； 數(shù)據(jù)分析模塊包括運(yùn)行記錄和性能指標(biāo)分析兩部分,，運(yùn)行記錄是利用記事本的形式,，以每次仿真運(yùn)行為單位，記錄下仿真運(yùn)行的時(shí)間,，各電梯在不同時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài),，性能指標(biāo)分析， 是指把每次算法運(yùn)行的計(jì)算結(jié)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(shí),，以及算法運(yùn)行和計(jì)算,。軟件功能模塊圖如圖3 所示：

圖3 軟件功能模塊圖