基于组态软件的电梯控制系统模拟

摘要

可编程序控制器（PLC）是用量最大的微机化的工业控制设备，现在各工科大学都开设了PLC 课程。PLC 实验课需要各种硬件制作的被控对象，电梯是常见的典型被控对象。电梯模型的结构复杂，价格昂贵，很难大量配备，同时还具有体积大、容易损坏和维护困难等缺点。

用计算机来模拟PLC 的被控对象，可以用很低的成本和多样化的程序，来丰富PLC 实验课的内容，增强PLC 实验课的教学效果。组态软件是用于计算机的控制系统监控软件，组态软件易于生成画面中的图形对象和实现与PLC 的通信，是用来模拟PLc 被控对象的最佳软件。作者用国产组态软件“组态王”和两种方式对电梯进行了模拟：

1.用组态软件实现了对PLC 控制的5 层电梯的模拟，编写了PLC 的控制程序，计算机与PLC 通过串行通信交换信息，用PLC 来控制“虚拟”电梯。通过组态软件中命令语言编写的程序，使虚拟电梯的轿箱和门执行相应的动作，用画面卜的指示灯和楼层显示器来显示来自PLC 的各种状态信息。对组态软件的画面和命令语台编写的程序稍加修改，很容易增加电梯的层数，和实现对双梯、多梯的模拟。这种虚拟电梯也可以用于调试实际的PLC 电梯控制程序。

2.用组态软件实现了对5 层电梯控制系统的纯软件模拟。这种

模拟方式不是用PLC 的用户程序来实现对虚拟电梯的控制，而是用组态软件的命令语言编写的程序来实现对虚拟电梯的控制，对电梯对象本身的模拟也是用组态软件实现的。这种模拟控制系统可以帮助学生更深入地了解和使用组态软件，在教学中有较大的应用价值。

为了使学生对电梯有更强的真实感，研制了两台变频器驱动的电梯模型，用增量式旋转编码器检测电动机的转速，通过变频器内置的PID 控制器实现转速闭环控制。电梯模型用PLC 控制，具有实际电梯的各种基本功能。论文介绍了电梯模型设计中主要元件的选型、电气接线图和主要部件的结构图。

关键词：电梯，模拟，控制，组态软件，PLC

ABSTRACT

Programmable Logic Controller (PLC) is the largest consumption of computerized industrial controlling device. The courses on PLC are now offered in all technological universities. PLC experimental classes need controlled plants made up of hardware; the elevator, for example, is a common and typical one. Elevator model, with complex structure and expensive price, is difficult to equip largely, and has shortcomings, e.g. great size, easy to damage and difficult to maintain.

Simulating the controlled plant of PLC by a computer can enrich the content of PLC experimental class and enhance the teaching effect with a lower cost and diversified process. Configuration software is a computer monitoring software for control system, which is easy to generate the graphic objects and communicate with PLC. It is the best software to simulate the controlled plant of PLC. Using "KingView", the configuration software, the author has simulated an elevator in following two ways:

.The simulation of five-storey elevator has been made with the configuration software. With the omputer "virtual" controlling programs written for PLC, the exchange of information between the and the PLC has been implemented through the serial communication, and then, the elevator is controlled by the PLC. The programs written by command languages in configuration software make the car and the door of the "virtual" elevator carry out corresponding moves, show various state information for PLC through indicating lamp and storey display on the configuration software screen. To make a few alterations with the configuration software screen and the programs written by command languages can easily increase

the stories and perform the simulation of double elevators or multi-elevators. This virtual elevator can also be used for testing the PLC control programs in an actual elevator.

2. The pure software simulation of five-storey elevator control system has been made with the configuration software. This simulation uses the command languages of configuration software, with which the elevator itself is also simulated, to control the virtual elevator rather than user's PLC programs. Such simulation control system can help students to deeply understand and use configuration software; it has great applications value in the teaching.

To enable students to have a stronger sense of reality with elevator, two elevator models driven by frequency inverter are developed, using the incremental rotary encoder to detect the speed of the motor, and the PID controller embedded in the frequency inverter to achieveclosed loop control of speed. When the elevator model is controlled by PLC, it has the basicfunctions of actual elevator. The thesis introduced the type choice of main component, thediagram of electric connection and the structure drawing of main component.

Keyword: Elevator, Simulation, Control, Confition Software, PLC

目录

中文摘要.................................................I

英文摘要.................................................II 目录.....................................................IV 1绪论.. (1)

1.1课题的意义 (1)

1.2国内外现状综述 (1)

1.3用组态软件模拟电梯的基本思路 (2)

1.4论文的主要工作 (2)

2电梯基本知识与控制原理 (4)

2.1电梯基本知识简介 (4)

2.1.1电梯的分类 (4)

2.1.2电梯的土要组成部分 (5)

2.1.3电梯监控探讨 (7)

2.2电梯控制功能综述 (8)

2.2.1单台电梯功能 (8)

2.2.2两台及两台以上电梯的控制功能 (9)

2.2.3电梯的正常运行过程 (9)

2.3一些常用术语 (10)

3纯软件电梯仿真控制系统的设计 (12)

3.1组态软件简介 (12)

3.1.1组态软件的功能， (12)

3.1.2组态软件的特点 (13)

3.1.3组态软件的数据处理过程 (13)

3.2电梯仿真控制系统的设计步骤 (13)

3.2.1创建工程.............. .. (13)

3.2.2在数据词典中创建用户定义的变量 (15)

3.2.3组态虚拟电梯画面 (17)

3.2.4用命令语言编写用户程序 (17)

3.3仿真电梯控制系统的程序设计 (18)

3.3.1初始化程序设计 (18)

3.3.2主程序设计 (19)

3.3.3自定义函数命令语言 (21)

3.3.4事件命令语言的设计 (24)

4基于组态软件与PLC的单电梯仿真系统的设计 (28)

4.1虚拟电梯控制系统的硬件结构 (28)

4.1.1可编程序控制器简介 (28)

4.1.2可编程序控制器的工作原理 (29)

4.1.3虚拟电梯系统的硬件结构 (30)

4.2组态软件与PLC的通信设置 (30)

4.2.1安装组态王的驱动程序........... . (30)

4.2.2设置组态王的通信参数............... (31)

4.2.3对仿真电梯的要求 (34)

4.2.4仿真画面 (35)

4.2.5仿真功能的实现 (35)

4.3 PLC程序设计..................................36.

4.3.1开关门环节 (39)

4.3.2层楼信号的产生与清除环节 (40)

4.3.3停层信号的登记与消除环节 (40)

4.3.4外呼信号的登记与消除环节 (41)

4.3.s电梯的定向环节 (41)

4.3.6起动加速和停车制动环节 (42)

5电梯物理模型的研制 (45)

s.1电梯模型的结构及主要功能.. (45)

5.1.1电梯模型结构简介 (45)

5.1.2电梯模型的功能 (46)

5.1.3电梯模型的土要技术参数 (47)

5.2变频器驱动系统设计 (48)

5.2.1电梯调速的基本原理 (48)

5.2.2变频调速电梯的工作原理 (48)

5.2.3变频器的选型与外部电路设计 (49)

5.2.4变频器的参数设置 (50)

5.3电梯模型的设计与制作 (50)

5.3.1电梯类型的选择 (51)

5.3.2旋转编码器的原理与选型 (51)

5.3.3电梯模型的制作 (52)

5.3.4电梯模型接线图与主要部件结构图 (54)

6结论与展望 (57)

1 绪论

1.1 课题的意义

在学校的教学实践中，要求学生更实际更真实地了解现代工业系统的控制理论及程序结构，熟悉和掌握各种工业控制软件的使用方法。电梯计算机控制及监控系统在现代〕＿业控制系统中具有较为广泛的代表意义。它包括现场数据采集、数据实时分析处理、网络通信、拖动控制和远程动态监控等技术。

随着计算机技术的发展，人们用计算机模拟实际的物理系统，在计算机和有限的硬件支持下，通过计算机软件来模拟实际的物理系统。本研究课题就是用计算机实现模拟的电梯系统，可以把它称之为“虚拟电梯”

虚拟电梯系统是指用计算机的软件模拟一台实际运行的轿湘和井道，通过通信，计算机发出控制命令给PLC 。计算机通过PLC 返回的信号显示电梯的运行情况，从而达到模拟电梯实际运行的目的。所有的控制结果都动态的显示在计算机屏幕上，使用方便、简单、直观。与电梯的物理模型相比，虚拟电梯具有以下优点：

①电梯物理模型的价格高、功能单一、体积大，机械和电气元件多，结构复杂，价格昂贵。而虚拟电梯只需要一台计算机和一台PLC ，使用通信接口即可以模拟单梯、双梯甚至多梯的运行，电梯的层数也可以任意扩充，使用非常方便。

②电梯物理模型可能会出现机械故障和电气设备接触不良等故障，虚拟电梯是用软件实现的，用鼠标对其进行操作，不会出现机械故障和电气故障。

用软件实现的方法开发PLC 的虚拟控制对象，周期短、费用低、可靠性高，维护要求低，实验过程不会危及人身和设备安全。又因其模拟效果逼真，人机界面生动友好，受到师生的普遍欢迎。

1.2 国内外现状综述

近年来，我国的电梯事业发展很快，在北京、上海、天津、广州等地先后建立了中外合资电梯制造公司，使电梯的控制和驰动技术接近国际先进水平。在控制技术方面：从手柄开关控制发展到按钮信号控制、集选控制及多台电梯机群管理控制，从继电器控制发展到计算机（含PLC ）控制，从有级调速、调压调速发展到调频调速控制。但是在群控控制方面，国内企业与迅达、奥的斯、三菱、日立等电梯公司还有一定的距离。

在电梯速度方面：由发展到的交流双速电梯：由的快速电梯发展到的直流高速电梯；还有

的交流调速电梯。目前国外超过的超高速交流变频调速电梯即将投入运行。尽管电梯控制技术口前在理论或实际工程中都已经成熟，但是山于计算机控制系统的复杂性，在职业技术的教学实践中仍是难点和重点。目前也能见到一些与虚拟电梯有关的论文，但是没有详细的资料，也买不到现成的虚拟教学系统。

1.3 用组态软件模拟电梯的基本思路

l）安装组态软件与PLC通信的驱动程序。

2）在组态软件的数据词典中定义内部变量和PLC 提供的1/ 0 变量。3）设计组态软件的画面，通过画面中的元件（如指示灯和按钮等）对应的变量，画面元件和PLC 中的变量联系起来。

4）设计类似于C 语言的程序来使电梯运动和产生输出信号（如限位开关信号）。

5）用组态软件中类似于c 语言的“命令语言”来编程，来实现要求的功能。使用“应用程序命令语言”来编写初始化程序和组态软件运行时需要一直执行的程序。用“事件命令语言”编写某些事件发生时（上升沿）、存在时和消失时（下降沿）要执行的命令。“事件命令语言”有些类似于条件执行或中断执行。

可以用“自定义函数命令语言”来编写程序中需要使用的函数。

1.4 论文的主要工作

电梯控制系统是一种相当复杂和典型的开关量控制系统，当代电梯基本上是用PLC 控制的。电梯模型对于PLC 教学和毕业设计是很重要的教学设各。虚拟电梯系统用计算机和组态软件来模拟实际运行的电梯，使用方便、简单、直观。论文完成了下面的主要工作：

①介绍了电梯的基本知识、主要组成部分、功能和运行过程，研

制基于组态软件的电梯模拟系统打下了基础。

②用组态软件实现了对PLc 控制的5 层电梯的模拟，包括轿箱内和楼层的呼梯按钮，轿箱内的开门、关门按钮，楼层数字显示、方向显示和限位开关的状态显示。通过组态软件中命令语言编写的程序，使虚拟电梯的轿箱和门完成相应的运动，用画面上的指示灯和楼层显示器来显示来自PLC 的各种状态信息。编写了PLC 的控制程序，计算机与PLC 通过串行通信交换信息，用PLC 来控制“虚拟”电梯。组态软件接收和执行PLC 对电梯发出的各种命令，根据电梯和门的位置产生限位开关信号，并传送到PLC 。

对组杰软件的画面和命今语言编写的程序稍加修改，很容易增加电梯的层数，和实现对双梯、多梯的模拟。

③用组态软件实现了对5 层电梯控制系统的纯软件模拟。这种模拟方式不是用PLC 的用户程序来实现对虚拟电梯的控制，而是用组态软件的命令语言编写的程序来实现对虚拟电梯的控制，对电梯对象本身的模拟也是用组态软件实现的。这种模拟控制系统可以帮助学生更深入地了解和使用组态软件，在教学中有较大的应用价值。

④研制了两台变频器驱动的物理电梯模型，用增量式旋转编码器检测电动机的转速，通过变频器内置的PID 控制器实现转速闭环控制。电梯模型用PLC 控制，具有实际电梯的各种基本功能。论文介绍了电梯模型设计中主要元件的选型、电气接线图、主要部件的结构图。

2 电梯基本知识与控制原理

2 .1 电梯基本知识简介

2 .1.1 电梯的分类

根据建筑的高度、用途及客流量（或物流量）的不同，可以选用不同类型的电梯。目前电梯的基本分类方法大致如下：

①按用途分类

乘客电梯：为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以及定的轿内装饰。

载货电梯：主要为运送货物而设计，通常有人伴随。

医用电梯：为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢长而窄。杂物电梯：供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。

观光电梯：轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。

车辆电梯：用来装运车辆的电梯。

船舶电梯：船舶上使用的电梯。

建筑施工电梯：建筑施工与维修用的电梯。

其它类型的电梯：除了卜述常用的电梯外，还有些特殊用途的电梯，例如冷库电梯、防爆电梯、矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。

②按拖动方式分类

交流电梯：用交流感应电动机作为驱动力的电梯。根据拖动方式又可

以分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变频调速等。

直流电梯：用直流电动机作为驱动力的电梯。这类电梯的额定速度一般在以上。

液压电梯：利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降。

齿轮齿条电梯：将导轨加工成齿条，轿厢装卜与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮旋转，使轿厢升降。

螺杆式电梯：将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再将带有排力轴承的大螺母安装于油缸顶，电机经减速机（或皮带）带动螺母旋转，用螺杆使轿厢上升或下降。

直线电机驱动的电梯：其动力源是直线电机。

③按速度分类

电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类：

低速梯通常指低于速度的电梯。

中速梯通常指速度在的电梯。

高速梯通常指速度大于的电梯。

超高速梯指速度超过的电梯。

随着电梯技术的不断发展，电梯速度越来越高，区别高、中、

低速电梯的速度值也在相应地提高

④按电梯有无司机分类

有司机电梯：电梯的运行方式由专职司机操纵来完成。

无司机电梯：乘客进入电梯轿用，按下操纵盘土需要去的层楼按钮，

电梯自动运行到达目的层楼，这类电梯一般具有集选功能。

有／无司机电梯：这类电梯可以变换控制电路，平时由乘客操纵，如遇客流量大或必要时改由司机操纵。

⑤按操纵控制方式分类

按钮控制电梯：是一种简单的自动控制电梯，具有自动平层功能，有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。

信号控制电梯：这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。除具有自动平层，自动开门功能外，还具有轿厢命令登记，层站召唤登记，自动停层，顺向截停和自动换向等功能。

集选控制电梯：是一种在信号控制电梯基础上发展起来的全自动控制的电梯，与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。

并联控制电梯：2 台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯木身都具有集选功能。

群控电梯：用微机控制和统一调度多台集中并列的电梯。

2.1.2 电梯的主要组成部分

不同规格型号的电梯的部件组成也不相同，这里只介绍一些最基木的情况。图2 . 1 所示为交流调速乘客电梯组装示意图，从中可以大致看出电梯的组成情况。

①电梯机房里的主要部件圈

l）曳引机：曳引机是电梯的驱动装置，曳引机由驱动电机、制动器、减速箱、曳引轮、导向轮或复绕轮等部分组成。

2）限速器：当轿厢运动速度达到限定值时，能发出电信号并产生

机械动作的安全装置。

3）控制柜：各种电子元器件和电器元件安装在一个防护用的柜形结构内，按预定程序控制轿厢的运行。

4）电源开关和照明开关。

5）选层器、极限开关、机械楼层指示器、发电机组等部件。

②电梯井道里的主要部件

l）轿厢：轿厢是电梯的主要部件，是容纳乘客或货物的装置。

2）导轨：对轿厢和对重的升降运行起导向作用的组件。

3）对重装置：设置在井道中，由曳引钢丝绳经曳引轮与轿助连接，在运行过程中起平衡作用。

4）缓冲器：当轿厢超过下极限位置时，用来吸收轿厢或对重装置产生的动能的制动安全装置。缓冲器一般设置在井道底坑上。

5）限位开关：该装置可以装在轿厢上，也可以装在电梯井道上端站和下端站附近，当轿湘运行超过端站时，用于切断控制电源。

6）接线盒：固定在井道壁上，包括井道中间的接线盒及各层站的接线盒。

7）控制电缆：电缆两端分别与井道中间接线盒和轿内操作箱连接。8）补偿链或补偿绳：用于补偿电梯在升、降过程中由于曳引钢丝绳在曳引轮两边的重量变化。

9）平层感应器或井道传感器：在平层区内，使轿厢地坎与厅门地坎自动准确对准。

③轿厢上的主要部件

l）操作箱：装在轿厢内靠近轿厢门附近，用指令开关、按钮或手柄等，控制轿厢的运行。

2）轿内指层灯：设置于轿厢内，客梯一般装在轿门上方，以显示电梯运行位置和运行方向。

3）导靴：设置在轿厢架和对重装置上，使轿厢和对重装置沿着导轨运行。

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