胡兆勇，何漢武，羅海峰

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

電梯是垂直運行的電梯(通常簡稱電梯)、傾斜方向運行的自動扶梯、傾斜或水平方向運行的自動人行道的總稱[1]。電梯已成為現(xiàn)代生活中廣泛使用的人員運輸工具，同時也是一個典型的控制對象。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。微機控制系統(tǒng)雖在智能控制方面有較強的功能，但也存在抗干擾性差、系統(tǒng)設(shè)計復(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。

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

1 四層虛擬電梯的結(jié)構(gòu)

垂直運行的電梯，主要由曳引機、巷道、對重裝置、安全裝置、信號操縱系統(tǒng)、轎廂與廳門等組成。電梯的控制主要是召梯、選層、減速、平層停站、開門、關(guān)門。對于單個電梯的運行控制來說，可以歸結(jié)為隨機邏輯控制。

對于虛擬電梯來說，電梯的運動實質(zhì)上為圖像的運動，因而不采用虛擬電機進行拖動；同時，轎門和廳門的開關(guān)門動作可以合二為一。故論文設(shè)計的四層虛擬電梯主要結(jié)構(gòu)，包含了轎廂、廳門和巷道。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)計了運行方向指示、當(dāng)前樓層號顯示；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；操作面板由進入轎廳的乘客控制，通過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)置了開門和關(guān)門按鈕。

2 四層虛擬電梯控制系統(tǒng)設(shè)計

在樓層響應(yīng)的邏輯控制中，樓層的檢測是控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于虛擬電梯來說，樓層的檢測，體現(xiàn)為轎廂在垂直方向上的坐標(biāo)檢測。為了與真實的電梯樓層檢測盡可能相似，在虛擬電梯模型中，論文設(shè)置了三重坐標(biāo)檢測，即每層設(shè)有1個感應(yīng)器KR，轎廂上設(shè)有上下平層共2個感應(yīng)器KR。為確保電梯可靠運行，不會超出行程，設(shè)置了上下限行程開關(guān)ST1和ST2。同時，為確保電梯安全升降，設(shè)計了開門和關(guān)門兩個傳感器，用于檢測是否完全開啟或完全關(guān)閉。

由該四層虛擬電梯建?？芍淇刂葡到y(tǒng)需要6個外響應(yīng)按鈕、4個內(nèi)響應(yīng)按鈕、內(nèi)選的開門和關(guān)門兩個按鈕，以及對應(yīng)這些按鈕的LED指示燈。實質(zhì)上是采用兩種按鈕進行切換。

圖2給出了四層虛擬電梯控制方案的總體設(shè)計。

圖2 四層虛擬電梯控制系統(tǒng)方案設(shè)計

在這里，當(dāng)前樓層的顯示如果用PLC進行控制，則麻煩且意義不大。實際中也多采用單片機控制。故這種功能由虛擬場景自動顯示，不需要額外的控制。同樣地，當(dāng)前樓層顯示，是通過檢測虛擬電梯在圖像中的坐標(biāo)來實現(xiàn)的。

除此以外，該控制系統(tǒng)還設(shè)計了電梯運行方向的顯示功能。這個需要通過PLC程序控制，且本質(zhì)上也是通過PLC實現(xiàn)兩個圖形的切換。

3 虛擬PLC及其與虛擬電梯的通訊

所謂虛擬PLC，這里是指通過軟件來實現(xiàn)硬件PLC的功能，從而能夠不需要實際的硬件PLC來完成PLC程序控制邏輯。具體來說，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[6]詳細(xì)闡述了作者利用Visual C++環(huán)境所開發(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。此時控制虛擬電梯的關(guān)鍵便是兩者之間的通訊。

對于PLC控制來說，端口分配圖是進行控制程序設(shè)計的關(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Visual C++環(huán)境進行固化，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

對于任意電梯控制來說，召梯和開關(guān)門控制是必需的控制要求。對于虛擬電梯來說，電梯的召梯控制，表現(xiàn)為虛擬轎廂和轎門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)計一種較為簡化的控制要求。此時，虛擬電梯到達相應(yīng)層時，直接停止升降，而不需要減速制動。

虛擬電梯控制的另一個動作，便是轎門和廳門的開關(guān)門動作。電梯開關(guān)門控制同樣表現(xiàn)為轎門的圖像平移。自然也存在減速過程。類似地，系統(tǒng)簡化了速度改變的需求。

對于虛擬電梯的控制系統(tǒng)來說，電梯升降和開關(guān)門動作，需要在虛擬電梯建模時創(chuàng)建行為建模，而不采用虛擬電機來拖動。

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）到達召梯樓層后，自動開門至完全；

（3）保持開門3 s后自動關(guān)門；

（4）在召梯樓層停留5 s后，自動下降到1樓。

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

論文設(shè)計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

對于PLC實踐來說，四層電梯的PLC控制程序設(shè)計，可以采用兩種方法：一種是按照出發(fā)樓層的狀態(tài)，另一種是按照到達樓層的狀態(tài)。前者針對電梯停在某層，然后到達另外層進行設(shè)計；后者針對電梯從其他層出發(fā)到某層進行設(shè)計，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仿真平臺所設(shè)計的程序。

圖6展示了按下2層內(nèi)選按鈕后，電梯運行的上升、開門和下降三個階段。

圖6 仿真實例運行結(jié)果

5 結(jié)束語

討論了四層虛擬電梯的可編程序控制系統(tǒng)設(shè)計，并利用作者開發(fā)的虛擬PLC仿真平臺，設(shè)計了一種控制方案，進而編制了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)計方案，能夠用于PLC設(shè)計實踐。

該虛擬控制系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院機械制造及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程“機電傳動控制”的課程教學(xué)實驗。同時，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[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]趙春鋒，范小蘭，林潔駿.基于MCGS的四層電梯仿真實驗平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2009，28（7）：36-37，41.

[3]鐘志賢，何國金.基于PCC的全集選電梯控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械與電子，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.

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