教学用电梯模型系统的探索

1、概述
近年来电气自动化技术专业教学的改革对配套教学实验实训装置提出了更高的要求， 学生需通过实验实训培养对新一代计算机控制系统硬件设计和软件编程的能力， 以及掌握新型控制策略的内容。近年来随着高层建筑的发展， 对电梯的数量、运行速度和控制性能的要求越来越高。电梯成为各种新型计算机控制技术很好的应用平台。
近年来发展了诸如交通流分析、电梯配置、计算机群控调度、远程监控故障诊断等技术， 电梯已经成为一种典型的计算机控制对象。因此， 开发出适合实验实训教学和研究的电梯群控与监视系统实验平台， 可更好地促进电气自动化技术专业的教学和科研发展。
2、实验平台总体结构
图1 所示为电梯控制实验室的电梯模型。电梯群控与监视系统实验平台的组成包括2 台电梯模型、2 个电梯控制柜、2 个用单片机构成的前端机和1 个由多台计算机构成的局域网。
该模型电梯可以实现单梯的集选控制和双梯的并联控制， 其接口控制器采用三菱可编程控制器， 还预留有插接接口， 只要将插头改插到单片机控制板上即可实现。
每台电梯的PLC 控制器可以通过一个由单片机构成的前端机系统与上位机进行通信。该系统与电梯的PLC 控制器进行通信， 由此可以构成电梯的远程监控系统。
图2 所示是电梯实验室的电梯网络控制图。在这个实验室内， 有20 台计算机构成的一个局域网， 分为A、B 两个域， 每个域有10 台计算机。在每台子机上通过每个域自己的服务器可以对电梯进行运行控制实验。这样就解决了学生多而实验设备少的问题。

图1 模型实物图
3、监控系统上位机监控软件设计
电梯远程监控系统上位监控软件设计， 主要包括动态显示电梯运行情况、对电梯故障信息及用户信息数据库的操作和前端机远程通讯等功能设计。对前端机发来的数据进行处理， 完成电梯故障的分析判断等内容。监控软件可以采用VB 来完成， 或是采用现成的工业控制软件如INTOUCH、组态王等来设计完成， 但考虑到成本、程序设计的灵活性问题， 故采用VB 来实现。
3．1 MSComm 控件及其与MODEM 通讯使用MSComm 控件的目的是为了让用户设计一个系统和串行端口进行沟通及传送数据， 因此信息会在硬件线路上流动， 此控件提供了下列方式来处理信息的流动。
（1） 数据接收
本设计中MSComm1．InputMode＝1， 数据以二进制的形式传送与接收。
Dim store () As Byte ' 把变量store 赋成动态字节数组
Dim rv As Variant ' 把输入缓冲器中的数据
经去掉帧头后赋给rv 变量
Select Case MSComm1．CommEvent
Case comEvReceive
rv ＝ MSComm1．Input
store＝rv
End Select
（2） 数据处理
由于前端机上传数据的前31 个字节中（30 个运行状态信息和1 个故障信息） 每一位代表一个电梯运行状态的布尔变量； 而zui后的11 个字节中的数值表示的是模拟量的A／D 采样值， 所以应采取不同的方法予以处理。
对上位机接收到的前31 个字节， 因为在VB 中对字节型的变量是以十进制表示的， 即前端机传上来的二进制数， 被接收到Byte 型变量中， VB 自动转换为十进制数。
所以要把十进制的数据再还原成二进制数。以变量store（0） 为例， 具体做法是： 对store （0） 连续除以2 取余8次（格式： 余数＝ store （0） Mod 2）， 每次余数的结果若为1 即为True， 0 即为False， 由先到后的取余顺序就是所传二进制字节由低位到高位的顺序。
对于A／D 转换的数值， 由于前端机设置的为8 位，所以A／D 转换所得数值除以255 再乘以该数的实际量程即可。
（3） 数据发送
本设计仅是拨号和定时发送标志字节。
拨号： Num ＝ “88381815＃”
MSComm1．Output ＝ “ATDT” ＆ Num ＆ vbCrLf定时发送标志字节： 使前端机按照上位机设置的时间向MSComm 传送数据。设前端机接收到数据内容是BBH后， 向上位机传数据。

图2 电梯网络控制图
3．2 电梯监控实时动态画面的设计
电梯监控界面不仅要求可以显示电梯的实时运行情况， 而且可以在用户界面上控制电梯的运行。画面的设计分两部分： 一是信号输入部分， 包括内选、外呼及功能选择（司机、检修、锁梯）； 二是动态显示部分， 包括轿厢位置、厅门状态、触点状态、运行状态等的显示。如图3所示为电梯运行监制界面。画面的信号输入部分在电梯处于监控状态时， 可由程序内部变量接收前端机的上传数据给定。这些数据大致包括： 电梯的基本信息、电梯的总楼层数、轿厢的位置、电梯运行的方向、电梯的运行状态、梯速的快慢、厅门及其触点的状态、各个触点的状态、曳引机的部分运行参数、安全钳的状态、轿厢的载重、轿厢内的温度等。在监控状态下， 画面的动作*由现场电梯从前端机传上来的数据决定， 画面的信号输入在演示状态可由鼠标点击输入， 此时动态画面的动作由程序本身的设计决定。

图3 电梯运行控制界面
3．3 电梯监视工作站功能
（1） 实时监视： 监视工作站软件实时通过232 串接收电梯模型的运行数据， 显示于用户界面。工作站程序提供并梯监视和单梯监视两种监视模式。并梯监视可同时监视2 部电梯的上下行、外呼、内选以及开关门状态。
（2） 故障报警： 当电梯模型出现运行故障时（如电梯门关不上）， 自动报告电梯模型的故障部位和故障原因。
（3） 数据管理： 监视程序在实时显示电梯运行数的同时， 将运行状态与事件以及故障事件记录在数库中， 可作为统计分析的资料， 用户能方便地查询电梯运行的历史数据， 实现对电梯运行性能的分析。
4、电梯群控与监视系统开设的实验
在此实验系统平台的基础上， 可为学生开设电梯的网络控制实验、故障诊断实验、电梯群控调度实验以及远程监控系统等实验， *可以承担学生计算机控制系统的教学实验、综合实验、课程设计和毕业设计等任务， 也可为教师进行相关课题的研究提供良好的实验平台。

4．1 电梯网络控制实验

通过计算机分布式网络控制系统， 把实物电梯纳入到一个控制网络中， 使学生了解和掌握现代工业网络控制的总体结构、控制方式和通信方式， 可开设如下实验。

（1） 串行口通讯实验（232、485 通讯及相互转换的实验）。由于电梯跟三菱PLC 通信端口不同， 所以要进行242 与485 的通信互换实验。

（2） 单片机与PLC 通讯实验（485 通讯及PLC 通讯协议）。

（3） 单片机与上位机通讯实验（C51 与VB 通讯编程）。

（4） 局域网内电梯控制实验。可以让每台学生机单独控制电梯的运行、编程。

（5） VB 计算机编程实验（ 对控件的理解、修改画面）。

（6） 编写部分电梯PLC 程序。可以让学生单独对电梯的部分PLC 程序进行修改， 然后再传入可编程控制器， 根据电梯运行情况， 判断程序的正确性。

4．2 故障诊断实验

可以在此实验平台上完成电梯系统的各种故障诊断算法的验证以及分析研究。

（1） 在虚拟电梯上模拟电梯故障， 观看电梯故障运行逻辑。

（2） 在实物电梯上制造故障， 观看实物电梯的故障处理功能。

（3） 学生可以对实物电梯故障进行建模， 当电梯发生故障时， 在所建的电梯模型基础上， 通过各种故障诊断算法来判断故障类型， 即故障发生原因。学生需掌握电梯机械结构和电气结构、各种故障产生机理， 根据机理建模、故障诊断算法等方面的知识。

4．3 综合实验

实验平台可以完成综合实验、课程设计及毕业设计的任务， 可开设诸如远程监控系统、分布式网络控制、嵌入式系统设计以及电梯群控调度等综合实验。