透明电梯教学模型的设计应用

1、概述
在21 世纪的今天，随着城市高层建筑不断增多，随着科学技术的不断发展，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分，电梯产品的满意度和产品的售后

维修服务非常重要，各大企业将需要一大批的高素质的电梯技术人员。同时，电梯的维修人员也必须对电梯的结构、运行原理、性能特点、控制方式进行全面的认识和掌握。

电梯行业是高职院校机电技术专业学生就业的一个大的方向，培养具有综合素质的毕业生，进行电梯方面的教学是十分必要的。目前市场上有一些电梯类的实训设备，这些设备过于偏向教学，真实性较差、不能开展灵活的实训教学并且价格昂贵。若进行自主开发，可有以下优点：

（1）可以为机电设备综合实践提供教学条件，根据不同的实践课程灵活进行实践教学。

（2）由于老师大都是进行理论教学，实践能力较差，通过这个课题可以锻炼老师的工程实践能力研制。

（3）自己动手教学电梯模型，可以降低设备成本，节约建设资金。

基于以上原因，本文提出研究基于可编程控制器的教学电梯模型控制系统，开发研制性能较优良、更适合教学的电梯模型。本课题设的控制系统采用PLC（可编程控制器）作为群控电梯的控制系统。随着制技术的不断发展，传统的教学方式也不断的发生着巨大变化，为了让学生能够充分掌握当今先进的控制技术，本课题集中了PLC 控制技术、传感检测技术、通讯技术以及自动控制技术等，确保群控电梯教学实训设备技术的先进性、使用的安全性以及操作的方便性，并且设备的控制系统达到现代先进的技术水平。通过群控电梯实训平，能使学生将理论知识与实践技能紧密地结合起来， 增强学生进行实训的兴趣，提高学生的动手能力、创新能力、协作能力。

群控电梯的研究具有深远的意义， 目前我国在高等教育中，高等职业教育已经占据半壁江山，独立设置的高等职业技术学院在全国共有近1200 所，占普通高等学校的60%以上。群

控电梯实训装置的开发，不仅可以作为高等职业技术学院学生实训设备，同时也可作为高职大学生科研平台，还可为高职学生参加全国智能电梯安装与调试技能大赛，进行拆装训练和编程调试提供条件。

2、教学电梯模型

研究的具体内容包括硬件的设计、软件控制程序设计及功能的实现。

（1）硬件设计主要包括：单台电梯控制器选择、群控电梯控制器选择、信号采集传感器选择、变频器选择、低压电器选用等。

（2）软件控制程序设计主要包括：电梯开关门程序设计、呼梯程序设计、加减速程序设计、平层检测程序设计等。

（3）功能实现，群控电梯就是多台电梯集中排列，共用厅外呼叫按钮，按规定程序集中调度和控制的电梯。群控电梯除了单梯控制功能外，还应具有下列功能：zui大zui小功能。系统一台电梯应召时，使待梯时间zui小，并预测可能的zui大等候时间，可均衡待梯时间，防止长时间等候。优先调度。在待梯时间不超过规定值时，对某楼层的厅外呼叫，由已接受该层内指令的电梯应召。区域优先控制。当出现一连串呼叫时，区域优先控制系统首先检出"长时间等候"的呼叫信号，然后检查这些呼叫附近是否有电梯。

本文研制的教学电梯模型(单台电梯)采用4 层4 站结构，高度2.5m，主要部件购买实际电梯的零部件，自主开发框架、机械连接、电气配电柜等。井道采用模拟的框架结构，配备机械小车代替轿厢运行，有配重、各类电子行程开关、层站、曳引机构、安全装置等，除了框架尺寸缩减以外，其余均与实际电梯相同。层站的结构自己独立设计，符合电梯标准，节约成本。轿厢的结构采用实物轿厢，内部的控制结构、电器部件、通讯、消防、电信联络都是和正常使用的电梯是一样的。电梯的控制主体是工业控制计算机（工控机）和PLC（下位机），下位机实时采样电梯现场情况，以组态形式反映在工控机上，直观地监视电梯运行：同时工控机可以向PLC 下达运行指令，控制电梯的运行状态。

本教学电梯模型主要用于教学和劳动技能鉴定， 强调其可操作性能。学生在电梯模型上可进行安装、调试、运行、故障检测、维修维护等操作，因此本设备的部件都是可拆卸、可重新按照所需要的功能进行组合，以完成不同的实训项目，从多个方面提高学生的操作技能。

演示性主要体现在安装、调试、运行、故障检测、维修维护等项目的教学上，灵活方便。教学电梯模型采用了自动化软件一一组态王软件，应用组态王软件强大的动态监控、数据处理、画面支持、网络状态控制、丰富的文本提示等功能，实现在计算机上可以演示电梯的各种运行状态，使学生能够先通过软件演示，模拟现场，解决问题，再进行实际的操作，实时性更强，效果更好。

在本论文研制开发的教学电梯模型中除了一般电梯模型所具有的功能外， 还增加了计算机控制系统、自动化软件（组态王）、计算机通讯等先进技术。

在研制过程中，充分考虑到高职教育的特点及实际需求，确定研究目标。我们所研制的群控电梯首先用于高职院校机电一体化专业电气控制与PLC 课程教学载体，其次可以作为学生创新教育和智能电梯装调技能竞赛的平台。教学电梯模型控制系统由实物电梯、PLC、现场传感器、变频器等组成，可以独立运行；软件系统采用组态编程方便地构成监控画面，以动画方式实时显示电梯的运行状态，具有报警功能，同时可以提供强大的演示功能。

3、教学单台电梯模型控制系统的功能

教学电梯模型系统应用PLC 控制系统与调速拖动装置相结合实现了电梯的各种控制功能，提高了电梯运行的可靠性，降低了故障率。

本设计考虑到载客电梯的实际操作功能， 以及学校的实际教学条件，故以四层电梯为例，分别对教学电梯模型的机械结构设计、教学电梯模型控制系统设计、教学电梯模型控制系统的监控软件设计等作了系统的阐述。

3.1 模型结构

教学电梯模型控制系统采用透明机构， 其机械构造与实际电梯结构*一样。具体包括：机房电机、控制柜、井道、限位开关、行程开关、变频器、门机等装置，能使学生了解电梯的实际组成部分。教学电梯模型如图1 所示。

图1 电梯正面结构图

3.2 控制系统

教学电梯模型控制系统使PLC 控制与调速拖动装置结合，达到对电梯的实际仿真控制，能实现电梯的自动、手动开关门控制、电梯的里外呼梯信号响应控制、电梯的层站显示控制、电梯的自动平层控制、电梯的变频调速控制以及电梯的安全保护控制等实际功能。

3.3 监控软件

结合组态技术与PLC 网络通讯功能实现计算机与PLC 的通讯， 控制电梯模型的运行， 并能实现动态演示电梯运行的功能。

4、教学电梯模型控制系统的核心技术

4.1 PLC 控制技术

PLC 是在传统顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器，执行逻辑、定时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。电工委员会（IEC）颁布了对PLC 的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

4.2 变频调速技术

通用变频器自80 年代进入实际应用以来，主要以交流电动机的节能应用为主。但是进入90 年代后，通用变频器得到了迅猛发展，通用变频器的应用主要有两个方面：一方面是为了节能需要而进行的变频器的应用； 另一方面是为了满足生产工艺调速的要求而进行的变频器的应用。由于电梯控制的变频器价格较贵，本设计选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，达到变频器的控制效果。

5、教学群控电梯控制系统的总体方案设计电梯群控系统主要由电梯监控系统、群梯控制器、单梯控制器、通信系统、外呼信号、轿厢等部分组成。

5.1 电梯监控系统

电梯监控系统作为群控系统的上层环节， 主要作用是实现对群控电梯的实时监控、报警处理，对数据库中的主要信息进行加工处理。

5.2 单梯控制器

单梯控制器是群控系统控制的zui小单元， 每个单梯控制器都独立运行，互不干扰。它担负着起动和制动电梯轿厢、开关轿厢门以及转移轿厢的任务。在不涉及群控问题时，它能完成对呼梯信号的采集汇总，做出及时的回应，确定电梯的运行方向和停靠楼层，确保电梯遵循一般调度规则。目前，一般使用集选控制，即按照呼叫的登记顺序来响应。集选控制原则还包括顺向截梯原则、顺向消号原则以及zui远程反向截车原则等。

5.3 群控控制器

群控控制器作为群控系统的核心， 集中管理各个单梯控制器，允许所有正常工作的单梯控制器共享呼叫信号，做出统一的调度策略，并分配各个单梯响应呼叫信号。本课题设计的群控电梯采用三台电梯集中排列，共用厅外呼叫按钮，按规定程序集中调度和控制的电梯。群控电梯在单台电梯的基础上，主要增加了网络通信功能及编程等技术。为了适应高职学生实训需要，要求能自己建立一个比较复杂的工业网络控制系统， 能进行群控电梯运行程序设计与调试；电梯运行与维护；电梯故障分析与故障排除。

5.4 外呼信号

实际系统中， 外呼信号指通过各种传感器采集到的呼叫电梯服务的信号，这些信号根据采集方式的不同，可以是单独门厅信号也可以是具有目的层信息的信号。

5.5 执行元件

执行元件包括一些接触器、继电器、发光指示器、电子元件以及其它电力电子器件等。

电梯群控的主要功能是调度和管理各部电梯， 电梯服务楼层，改变原先由于电梯的单独控制而造成的楼层分布不均，资源浪费，电梯损耗不均匀等状况，电梯群控对于改善电梯的运行效果，具有十分重要的作用。一个电梯群控系统需要进行大量的数据交换， 如各电梯轿厢内的选层信号、应答选层的指示灯信号、显示电梯当前位置的指示灯信号和厅外召唤信号等，这些信号随着电梯的数量和楼层的增多而迅速增加。电梯群控系统通讯的主要特点是节点多、距离长、信号变化慢以及对抗干扰能力的要求高等。电梯群控系统结构图（如图2 所示）。

图2 电梯群控系统结构图

6、软件总体结构设计

软件结构的设计是把软件的需求转变成软件表示的过程。

这个设计过程是总体的设计过程，主要表示清楚模块间的关系，给出软件工作流程。群控仿真软件是为了模拟现实中的群控电梯系统，从这个系统的输入---客流的产生开始。

经过模式识别，分析出当前乘客交通流的状况，根据这个交通流模式以及派梯策略，通过相应算法进行派梯优化，输出*派梯结果，反馈给各台电梯，各台电梯按照指令运行。

通过以上分析得出电梯群控软件至少有这些部分构成：系统参数设定、轿厢运行、客流产生、交通流识别、数据管理、群控算法以及通讯。各模块独立完成需求的工作，但各模块之间又是紧密相联的。

由此，提出软件的功能结构图，必须要说明的是，因为本设计中不包括对硬件部分的设计， 所以通讯模块主要是在编程中实现，包括对函数的调用，实现参数的传递，所以在软件模块设计中，没有把通讯模块表示出来，但是在实际群控系统中，这仍然是一个非常重要的部分。软件主要包括四个主要模块：人机交互模块，实现用户使用权限管理和梯群初始化参数设置等功能；实时显示模块主要是指轿厢运行的模拟仿真运行， 还包括一些数据的显示； 数据分析模块包括运行记录和性能指标分析两部分，运行记录是利用记事本的形式，以每次仿真运行为单位，记录下仿真运行的时间，各电梯在不同时刻的运行状态，性能指标分析， 是指把每次算法运行的计算结果保存下来， 以供比较分析；群控模块是主体部分，完成交通流的产生和辨识，以及算法运行和计算。软件功能模块图如图3 所示：

图3 软件功能模块图