1、电梯群控系统MCGS组态设计1 绪论1.1 引言随着人们生活水平的不断提高，经济的快速发展和生产生活的需要，城市高层建筑如雨后春笋拔地而起。与此相应，作为一种可以垂直升降运输的工具电梯也得到迅猛的发展。现在，电梯已完全融入我们的生活、工作及学习中，人们越来越离不开它。因此，它的安全可靠性、迅速准确性、舒适性，对人们来说都是非常重要的。为了确保电梯正常运行、安全使用，一般电梯都有专业的维修管理人员。他们必须对电梯原理、性能、特点、控制、运行要全面认识和掌握，才能做到对电梯的正确使用、管理及维护。根据我国有关部门的规定，电梯作业属于特种作业，其作业人员必须经过专门培训，并经理论考试和实践考核合格后
2、，发给特种作业操作证方可上岗操作。同时，对电梯操作人员定期考核，让他们定期参加安全技术学习，扎扎实实地做好电梯维护和保养工作，才能使人们平安长久的使用电梯【1】【2】。1.2 电梯的产生与发展电梯(elevator)是一种以电动机为动力的垂直升降机，它装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物（也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯），运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间,轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。电梯系统由机械系统和电气控制系统两部分组成。其机械部分由曳引系统、轿厢和门系统、平衡系统、导向系统以及机械安全保护装置等部分组成；而电气控制部分由电力拖动系统
3、、运行逻辑功能控制系统和电气安全保护系统组成。各系统相互联系，共同构成一个电梯系统。它由曳引系统、轿厢和门系统、重量平衡系统、导向系统、机械安全保护装置、电气安全保护装置、电力拖动系统、电气控制系统部分等组成。曳引式电梯靠曳引力实现电梯的相对运动，曳引式电梯的曳引传动关系如图1.1所示。安装在机房的电动机通过减速器、制动器等组成曳引机，使曳引钢丝绳通过曳引轮，一端连接轿厢，一端连接对重装置，轿厢与对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮绳槽内产生摩擦力，这样电动机一转动就带动曳引轮转动，驱动钢丝绳，拖动轿厢和对重相对运动。轿厢上升，对重下降；轿厢下降，对重上升。于是，轿厢就在井道内沿导轨上下、反
4、复运动【3】。 导向轮 图1.1 电梯曳引传动关系与电梯类似的这种升降设备，起源于古代农业和建筑业中的原始起重升降机械。1765年英国瓦特等人发明了蒸汽机后，到1835年在英国的一家工厂里装用了一台蒸汽机拖动的升降机。1845年，英国“汤姆逊”制作了第一台水压式升降机，这就是现代液压式升降机的雏形。1853年美国制造商奥的斯发明了以蒸汽做动力的载人升降机。现代电梯兴盛的原因是采用电力作为动力的来源。1831年英国的法拉第发明了发电机。1880年德国最早出现用电力拖动的升降机电梯。1900年交流感应电机问世以后，使电梯的速度提高，并改善电梯的平层准确度和舒适感。与此同时，第一台自动扶手电梯试制成
5、功。1915年，电梯平层控制系统设计成功。1933年，出现6m/s的高速电梯。1949年，出现了群控电梯。1955年，出现了小型计算机控制的电梯。1962年，8m/s的高速电梯投入市场。1963年，制成无触点半导体逻辑控制电梯。1971年，集成电路应用于电梯。1976年，微机开始用于电梯，使电梯的电气控制，进入一个新的发展时期。1989年，出现了第一台直流电动机电梯。现在的电梯更具有高度的安全性和可靠性，已向超高速、低噪音、高效节能、全电脑智能方向发展【4】。1.3 电梯群控系统1.3.1 电梯群控系统概述电梯群控系统(EGCS: Elevator Group Control System)，
6、是一种对多台电梯(2台或2台以上)进行优化调度的系统。即在一座大楼内，根据大楼的功能及楼层人口分布状况，通过一个或多个控制器，将多台电梯互连组成电梯群。在控制器采集完每台电梯的召唤信号和状态信号之后，根据建筑物内交通量的变化，选择合理的群控算法，优化每台电梯的调度。电梯群控系统的基本结构包括召唤按钮、轿厢、电梯控制器、通信系统、电梯群控系统（调度模块、交通模式识别模块、数据管理模块等）、其他辅助设备（如声音制导系统、显示系统、远程监控系统等）。一般情况下，电梯群控系统的工作过程如下:乘客在某楼层按下厅外召唤按钮后，通信系统将此呼叫信号输入到电梯群控系统中。电梯群控系统选择与此时的交通模式相对应
7、的群控算法，根据客流、呼叫信号情况及各台电梯的状态，选出一台最合适的电梯。所选电梯运动至该楼层时，发出声音、图像或数字等通知显示信息。停车开门后，乘客进入轿厢，登记目的楼层。电梯控制器将此目的楼层信号传输给电梯群控系统。电梯启动上行，到达目的楼层后开门，乘客走出轿厢。在这个过程中，电梯控制器接收电梯群控系统的指令，控制单台电梯的运行，并将电梯的状态反馈给电梯群控系统。电梯群控系统对电梯控制器发出控制指令，同时进行信息处理【5】【6】。1.3.2 电梯群控系统发展现状与趋势 电梯群控系统起源于20世纪40年代，最早的电梯群控系统被称为“自动模式选择系统”，采用时间间隔控制。但是，这种群控系统由于
8、存在线路复杂、功能简单、故障率高等缺点，目前己经很少使用。到了20世纪70年代初期，随着集成电路开始应用于电梯群控系统中，电梯群控系统也由固定程序选择方式发展为召唤分配方式。集成电路的使用，克服了硬件复杂、可靠性低、维修困难和效率低等缺点，可进行较为复杂的逻辑计算。但是，这种群控系统不具备完善的运算能力，所以无法实现具有人工智能的预报调度功能。进入20世纪70年代中期，人们将计算机应用于电梯群控系统后，便进入到第3阶段电梯交通的动态特性研究阶段【7】【8】。近年来智能控制算法的出现，开始使用基于专家系统、遗传算法、模糊控制、神经网络及模糊神经网络等人工智能技术来描述电梯交通系统的非线性、不确定
9、性、模糊性和扰动性，进一步提高了电梯交通系统的整体服务性能和电梯交通整体的优化配置【9】。与国外相比，我国对电梯配置和电梯系统特征的研究还处于相对落后状态。直到 1986年，才开始对电梯的配置理论和电梯的系统特性进行研究。从1990年开始，对电梯系统的动态特性进行研究。近几年，我国在电梯群控方面的工作主要表现在引进国外先进技术和产品上，在此基础上力争推出自己的产品。 由于电梯群控系统的最优控制，是一种基于时间最优、能量最优的动态综合最优化策略。因此，电梯群控系统的发展趋势为：1电梯群控系统智能化 2电梯群控系统节能化 3电梯群控系统整体化4电梯群控系统网络化5群控系统产品市场化【10】【11】
10、【12】1.4 本次课题研究内容及本文的工作本文在PLC控制的电梯系统基础上，利用MCGS组态软件通过硬件网络实现两部电梯与计算机的连接，编制组态动画，实现对两部电梯运行过程的监视，并实现对电梯的实时控制。主要完成了以下几项工作： 分析电梯的主要结构，清晰地了解电梯控制流程。 利用MCGS组态软件设计出电梯监控系统。通过MCGS组态软件构件动画，实时模拟电梯运行，直观、准确地反映电梯实际运行状态，并按要求设计出了故障检测与报警功能，能够在电梯发生故障时准确及时地判断故障类型并发出警报，同时完成故障日志记录。 完成了监控系统与下位机PLC的连接，并对整个监控系统进行调试。2 电梯监控系统总体设计
11、2.1 监控系统设计方案电梯监控系统设计方案如图2.1所示。图2.1 电梯监控系统总体方案2.2 电梯结构、功能分析 在电梯系统的轿厢内部，有5个楼层（15层）按钮、开门和关门按钮、楼层显示器、上行和下行显示器。当乘客进入电梯后，电梯内要有能让乘客按下能代表其要去的目的地的楼层按钮，称为内部呼叫按钮。电梯停下时，电梯门可以自动打开，经过一定的延时后，又可自动关门。在电梯内部也应有手动控制电梯开门、关门的按钮，使乘客可以在电梯停下时随时地控制电梯的开门和关门，电梯内部还应配有指示灯，用来显示电梯现在所处的楼层和电梯现在所处的运行状态，即电梯上行或是下行。 电梯的外部共有5个楼层，每层都有呼叫按钮
12、、上行和下行显示器。呼叫按钮是乘客用来发出呼叫的工具。5层楼电梯中，1层只有上行呼叫按钮，5层只有下行呼叫按钮，其余3层都同时有上行呼叫和下行呼叫按钮。上行和下行显示器在5层电梯中的各层中都应该是相同的。电梯的初始状态为处在1层，此时1层指示灯亮，电梯内部及外部各层门均关，电梯内部显示器为“1”。电梯在运行过程中，按下某层呼叫按钮（15）后，电梯响应该呼叫信号，电梯轿厢上行或下行直至该层，各楼层显示随电梯移动而改变，运行中电梯门始终关闭，到达指定层时，门才打开。电梯运行后，到达某一层后，电梯门会自动打开，经一段延时自动关闭，在延时时间内，乘客可以自主地控制电梯门的开和关。2.3 电梯监控系统功
13、能设计用MCGS设计的电梯监控系统应具有以下功能:1数据采集与处理控制电梯运行的PLC能实时地采集电梯运行状态参数,如指令、呼叫、运行方式、开关门信号等，并能根据控制程序，使电梯自动安全运行。2动画显示在MCGS软件界面中可根据整个电梯运行的流程，对电梯的各种运行状态如方向、位置、开关门、平层等用MCGS窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果，达到过程实时监控的目的。在本文中，先编写脚本程序对电梯进行模拟控制，待调试完成后再同PLC进行通讯，实现实时监控。3报警
14、处理根据采集到数据进行分析，如果发生故障，则对故障进行报警、记录，并产生所需的各种图形，提示和告知维修人员，同时做应急处理。3 电梯监控系统的MCGS组态设计3.1 MCGS组态软件的系统构成MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。
15、一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡。它们之间的关系如图3.1所示。图3.1 组态环境与运行环境关系图MCGS组态软件由MCGS组态环境和MCGS运行环境组成，二者相互独立，又紧密相关。其具体的相互关系如图3.2所示。图3.2 组态运行环境关系框图MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性1617。其具体的组成结构如图3.3所示。图3.3 MCGS组态软件的组成结构框图3.2 MCG
16、S组态设计的一般过程运用MCGS组态软件完成一项工程的设计，有其一般的设计过程和步骤，其具体过程如下所示： 工程项目系统分析 了解整个工程的系统构成和工艺流程，弄清控制对象的特征，明确主要的监控要求和技术要求等。在此基础上，在建立工程，构造实时数据库，做好工程的整体规划。 设计用户操作菜单 在系统的运行过程中，为了便于画面的切换和变量的提取，通常用户要建立自己的菜单，第一步是建立菜单的框架，第二步是对菜单进行功能组态。 制作动态监控画面 先建立静态画面，然后对一些图形进行动画设计。 编写控制流程程序 完成大部分复杂的动画效果和数据之间的连接。 完善菜单按钮功能 对于一些功能比较强大、关联比较多
17、的控制系统，有时还需要制定一些按钮或文字来连接其他的变量和画面。 编写程序调试工程 编写模拟程序来进行系统初调。 连接设备驱动程序 系统最后要实现与设备的连接，在进行连通之前，要正确装入驱动程序和定义通信协议。 工程完工综合测试 实现与设备的实际整体调试。3.3 建立电梯监控系统工程进入MCGS组态环境后,建立如图3.4所示的电梯监控系统工程。图3.4 创建完成的电梯监控系统工程图3.4 电梯监控画面的编辑与设计MCGS以窗口为单位来组建应用系统的图形界面，创建用户窗口后，通过放置各种类型的图形对象，定义相应的属性，为用户提供漂亮、生动、具有多种风格和类型的动画构件。利用MCGS提供的编辑工具
18、编辑完成后的完整监控画面如图3.5所示。图3.5 完整的监控画面3.5 实时数据库的建立与动画连接画面编辑好了之后，此时的画面是静止的，要让画面动起来，需要进行动画连接，这时需要在实时数据库中进行数据对象的定义。实时数据库是MCGS系统的核心，是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成一个有机的整体。数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。（1）根据电梯监控系统的控制要求分析，电梯1的
19、数据对象如表3.1所示，电梯2的数据对象如表3.2所示。表3.1 电梯1数据对象列表数据对象名称数据对象类型数据对象初值数据对象解释T1C1开关型01部电梯1层内呼按钮T1C2开关型01部电梯2层内呼按钮T1C3开关型01部电梯3层内呼按钮T1C4开关型01部电梯4层内呼按钮T1C5开关型01部电梯5层内呼按钮T1S1开关型01部电梯1层上行呼叫按钮T1S2开关型01部电梯2层上行呼叫按钮T1X2开关型01部电梯2层下行呼叫按钮T1S3开关型01部电梯3层上行呼叫按钮T1X3开关型01部电梯3层下行呼叫按钮T1S4开关型01部电梯4层上行呼叫按钮T1X4开关型01部电梯4层下行呼叫按钮T1X5
20、开关型01部电梯5层下行呼叫按钮T1SXZS开关型01部电梯上行指示T1XXZS开关型01部电梯下行指示T1C1ZS开关型01部电梯1层指示T1C2ZS开关型01部电梯2层指示T1C3ZS开关型01部电梯3层指示T1C4ZS开关型01部电梯4层指示T1C5ZS开关型01部电梯5层指示T1KM开关型01部电梯开门按钮T1KMXW开关型01部电梯开门限位开关T1GM开关型01部电梯关门按钮T1GMXW开关型01部电梯关门限位开关CZYDL1数值型01部电梯轿厢的升降控制T1C1ZY数值型01部电梯1层门的左移控制T1C1YY数值型01部电梯1层门的右移控制T1C2ZY数值型01部电梯2层门的左移控
21、制T1C2YY数值型01部电梯2层门的右移控制T1C3ZY数值型01部电梯3层门的左移控制T1C3YY数值型01部电梯3层门的右移控制T1C4ZY数值型01部电梯4层门的左移控制T1C4YY数值型01部电梯4层门的右移控制T1C5ZY数值型01部电梯5层门的左移控制T1C5YY数值型01部电梯5层门的右移控制定时器启动（1-16）开关型0控制定时器（1-16）起停，1启动定时器复位1-16开关型0控制定时器（1-16）复位，1复位计时时间1-16数值型0控制定时器（1-16）的计时时间时间到1-16开关型0定时器（1-16）计时时间到T1C1XW开关型01部电梯1层限位开关续表3.1 电梯1数
22、据对象列表数据对象名称数据对象类型数据对象初值数据对象解释T1C2XW开关型01部电梯2层限位开关T1C2XW开关型01部电梯2层限位开关T1C3XW开关型01部电梯3层限位开关T1C4XW开关型01部电梯4层限位开关T1C5XW开关型01部电梯5层限位开关T1SXXW开关型01部电梯上行限位开关表3.2 电梯2数据对象列表数据对象名称数据对象类型数据对象初值数据对象解释T2C1开关型02部电梯1层内呼按钮T2C2开关型02部电梯2层内呼按钮T2C3开关型02部电梯3层内呼按钮T2C4开关型02部电梯4层内呼按钮T2C5开关型02部电梯5层内呼按钮T2S1开关型02部电梯1层上行呼叫按钮T2S
23、2开关型02部电梯2层上行呼叫按钮T2X2开关型02部电梯2层下行呼叫按钮T2S3开关型02部电梯3层上行呼叫按钮T2X3开关型02部电梯3层下行呼叫按钮T2S4开关型02部电梯4层上行呼叫按钮T2X4开关型02部电梯4层下行呼叫按钮T2X5开关型02部电梯5层下行呼叫按钮T2SXZS开关型02部电梯上行指示T2XXZS开关型02部电梯下行指示T2C1ZS开关型02部电梯1层指示T2C2ZS开关型02部电梯2层指示T2C3ZS开关型02部电梯3层指示T2C4ZS开关型02部电梯4层指示T2C5ZS开关型02部电梯5层指示T2KM开关型02部电梯开门按钮T2KMXW开关型02部电梯开门限位开关T
24、2GM开关型02部电梯关门按钮T2GMXW开关型O2部电梯关门限位开关CZYDL2数值型02部电梯轿厢的升降控制T2C1ZY数值型02部电梯1层门的左移控制T2C1YY数值型02部电梯1层门的右移控制T2C2ZY数值型02部电梯2层门的左移控制T2C2YY数值型02部电梯2层门的右移控制T2C3ZY数值型02部电梯3层门的左移控制T2C3YY数值型02部电梯3层门的右移控制续表3.2 电梯2数据对象列表T2C4ZY数值型02部电梯4层门的左移控制T2C4YY数值型02部电梯4层门的右移控制T2C5ZY数值型02部电梯5层门的左移控制T2C5YY数值型02部电梯5层门的右移控制定时器启动17-3
25、2开关型0制定时器(17-32)起停，1启动，0停止定时器复位17-32开关型0控制定时器（17-32）复位，1复位计时时间17-32数值型0控制定时器（17-32）的计时时间时间到17-32开关型0定时器（17-32）计时时间到T2C1XW开关型02部电梯1层限位开关T2C2XW开关型02部电梯2层限位开关T2C3XW开关型02部电梯3层限位开关T2C4XW开关型02部电梯4层限位开关T2C5XW开关型02部电梯5层限位开关T2SXXW开关型02部电梯上行限位开关T2XXXW开关型02部电梯下行限位开关 （2）按照电梯监控系统的控制要求，并结合以上的数据对象进行监控画面图元对象的动画连接。编
26、辑好的画面是静止的，要想达到正确实时的监控，必须进行动画进行连接，即将图元与实时数据库中数据对象进行连接。在MCGS 组态软件中，图形动画连接，即对图元、图形对象定义动画属性，在系统运行的过程中，让这些图形对象产生不同的动画效果。1）电梯轿厢的动画连接设置，如图3.6、3.7所示。第二部电梯轿厢亦可以用此方法设置。图3.6 电梯轿厢的动画组态属性设置（一）图3.7 电梯轿厢的动画组态属性设置（二）2）电梯门的动画连接设置，如图3.8、3.9所示。电梯的其他的门的设置可按照此图的方法设置。图3.8 电梯门的动画组态属性设置（一）图3.9 电梯门的动画组态属性设置（二）3）电梯呼叫按钮的动画连接设
27、置，如图3.10、3.11所示。电梯的其他的呼叫按钮的设置可按照此方法设置。图3.10 电梯呼叫按钮的动画组态属性设置（一）图3.11 电梯呼叫按钮的动画组态属性设置（二）4）电梯显示器的动画连接设置，如图3.12、3.13所示。电梯的其他的显示器的设置可按照此方法设置。图3.12 电梯显示器的动画组态属性设置（一）图3.13 电梯显示器的动画组态属性设置（二）3.6 电梯监控系统运行控制程序设计3.6.1 MCGS的脚本程序用户脚本程序是由用户编制的、用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的编程语法非常类似于普通的Basic语言，但在概念和使用上更简单直观，力求做到使大多数普通用户都能正确、
28、快速地掌握和使用。MCGS脚本程序为有效地编制各种特定的流程控制程序和操作处理程序提供了方便的途径。它被封装在一个功能构件里（称为脚本程序功能构件），在后台由独立的线程来运行和处理，能够避免由于单个脚本程序的错误而导致整个系统的瘫痪。这种语法上类似Basic的脚本程序可以在运行策略中，把整个脚本程序作为一个策略功能块执行，也可以在菜单组态中作为菜单的一个辅助功能运行，更常见的用法是应用在动画界面的事件中。MCGS引入的事件驱动机制，与VB或VC中的事件驱动机制类似，比如：对用户窗口，有装载，卸载事件；对窗口中的控件，有鼠标单击事件，键盘按键事件等等。这些事件发生时，就会触发一个脚本程序，执行脚
29、本程序中的操作。3.6.2 运行策略设计运行策略是指对监控系统运行流程进行控制的方法和条件，它能够对系统执行某项操作和实现某种功能进行有条件的约束。运行策略由多个复杂的功能模块组成，称为“策略块”，用来完成对系统运行流程的自由控制，使系统能按照设定的顺序和条件，进行操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭以及控制设备构件的工作状态等一系列工作，从而实现对系统工作过程的精确控制及有序的调度管理。“运行策略窗口”如图3.14所示。在“策略窗口”中，“策略组态”即对所选的策略进行组态，实现对控制工程的控制和调度。用户可在“新建策略”中实现用户策略、循环策略、报警策略、事件策略和热键策略5种策略的建立，完成不同的控制要求。“策略属性”是对各策略名称等属性的设置。图3.14 运行策略操作窗口3.6.3 电梯监控系统控制程序的设计在监控画面中完成动画连接以后，进入运行环境，画面并不会动起来。这是由于没有与电梯PLC控制系统连接。在计算机与电梯系统连接之前，先进行模拟控制。在电梯进行模拟控制之前，先在运行策略中进行控制流程设计。电梯模拟控制
