自动升降电梯控制器设计

目录 引言 0 1 系统方案设计 3 1 1 设计要求 3 1 2 总体设计方案 3 1 2 1 控制方式方案 3 1 2 2 系统组成 3 1 2 3 电梯上下层运行流程图 3 2 模块设计 3 2 1 外部数据采集模块设计 4 2 2 信号存储模块 4 2 3 基于 FPGA 的中央处理模块 4 2 4 信号的输出 显示模块 4 3 程序设计与仿真 5 3 1 程序设计 5 3 2 程序仿真 5 4 运行结果与分析 10 5 结束语 13 6 参考文献 14 引言 随高层楼宇的增加 电梯越来越多的走进了人们的生活 对人们的生活的 影响越来越大 为了让电梯更好的服务人们 各种电梯新技术不断地发展起来 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一电 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 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 电梯控制系统是一个相当复杂的逻辑控制系统 系统要同时对几百个信号 进行接收 处理 由于用户对电梯功能的要求不断提高 其相应控制方式也在 不断发生变化 随着 EDA 技术的快速发展 基于 FPGA 的微机化控制已广泛应用 于电梯电路设计与控制的各个方面 在经济不断发展 科学技术日新月异的今天 楼的高度已和经济发展同样 的速度成长起来 作为建筑的中枢神经 电梯起着不可或缺的作用 电梯作为 建筑物内的主要运输工具 像其他的交通工具一样 已经成为我们日常生活的 一个不可缺少的组成部分 一个国家的电梯需求总量 主要受其经济增长速度 城市化水平 人口密度及数量 国家产业结构等综合因素的影响 在全球经济 持续低迷的情况下 我国国民经济仍然以较高的速度持续增长 城市化水平不 断提高 这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象 我国已经成为全球 最大的电梯市场 上世纪 80 年代以来 随着经济建设的持续高速发展 我国电 梯需求量越来越大 总趋势是上升的 电梯行业进入了 第三次浪潮 如此庞 大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台 1 系统方案设计 1 1 设计要求 1 每层电梯入口处设有上下请求开关 电梯内设有顾客到达层次的停站请求 开关 2 设有电梯入口处位置指示装置及电梯运行模式 上升或下降 指示装置 3 电梯到达有停站请求的楼层 开门指示灯亮 开门后 经一段时延后 电 梯门关闭电梯继续进行 直至执行完最后一个请求信号后停留在当前层 4 电梯运行规则 当处于上升模式时 只响应比所在位置高的请求信号 由 下而上逐个执行 直到最后一个上楼请求执行完毕 高层有下楼请求 则直接 升到请求层 进入下降模式 当电梯处于下降模式时则与上升模式相反 1 2 总体设计方案 1 2 1 控制方式方案 内部请求优先控制方式类似于出租车的工作方式 先将车上的人送至目的 地 再去载客 作为通用型电梯应该服务于大多数人 必须考虑电梯内 外的 响应率 在内部请求优先控制的方式中 当电梯外部人的请求和电梯内部人的请求 冲突时 外部人的信号可能被长时间忽略 因而他不能作为通用型电梯的设计 方案 2 单向层层停控制方式方案 单向层层停控制方式等同于火车的运行方式 遇站即停止 开门 这种方 案的优点在于面面俱到 可以保证所有人的请求都能得到响应 然而这样对电 梯的效率产生消极影响 不必要的等待消耗了大量时间 而电梯的运作与用户 的请求无关 当无请求时电梯也照常跑空车 就浪费了大量的电能 而对用户 而言 此种控制方式的请求响应时间也不是很快 因而不是理想的方案 3 方向优先控制方式方案 方向优先控制方案是指电梯运行到某一楼层时先考虑这一楼层是否有请求 有 则停止 无 则继续前进 停下后在启动时的步骤 1 考虑前方 上下方是否有请求 有 则停止 无 则继续前进 2 检验后方是否有请求 有请求则转向运行 无请求则继续维持停止状态 这种运作方式下 电梯对用户的请求响应率为 100 且响应时间较短 如 果每层楼都有请求 则这种控制方式的效率和上面的单层控制方式的效率一样 然而 当不是每层楼都有请求时 方向优先控制方式的效率远远大于单向层层 停等控制方式的效率 而且 方向优先控制方式下 电梯在维持停止状态的时 候可以进入省电模式 又能节省大量电能 本设计选择方向优先控制方式 1 2 2 系统组成 电梯方向优先控制系统方框图如图所示 图一 电梯方向优先控制方式控制系统方框图 1 2 3 电梯上下层运行流程图 图二 电梯上升运动流程 电梯下降运动流程图跟上图相反 上升是从一楼开始上升二楼到六楼的任 一楼层 而电梯下降却是从六楼开始 下降到五楼到一楼的任一楼层 电梯上 升 下降原理相同 步骤上也许有少许不同 2 模块设计 2 1 外部数据采集模块设计 对于外部信号采集 处理要求电梯控制器 1 外部请求信号的实时 准确的采集 2 准确 实时的捕捉楼层到达信号 3 有效的防止楼层到达信号 外部请求信号的误判 控制器采用 FPGA 作为系统控制的核心 系统频率的时钟频率是 32 0000Hz 完全可以满足实时采集数据的要求 由于电路中毛刺现象的存在 信号的纯净度降低 单个的毛刺往往被误作为系统转换的触发信号 严重影响 电梯的正常工作 可以采用多次检测的方法解决这个问题 对一个信号进行多 次采样以保证信号的可信度 外部请求信号的输入形式为按键输入 到达楼层信号来自光敏传感器 关 门中断信号及超载信号则产生于压力传感器 键盘 光敏外部输入接口电路未 设计 2 2 信号存储模块 电梯控制器的请求输入信号有 18 个 电梯外有六个上升请求 六个下降请 求的用户输入端口 电梯内有六个请求用户输入端口 由于对系统内 外请求 没有设置优先级 各楼层的内 外请求信号被采集后可先进行运算 在存到存 储器中 电梯运行过程中 由于用户的请求信号的输入是离散的 而且系统对请求 的响应也是离散的 因此请求信号的存储要求新的请求信号不能覆盖原来的请 求信号 只有响应动作完成后才能清除存储器內对应的请求信号位 对应某一 楼层的请求信号的存储 清除电路如图所示 图三 请求信号操作电路图 2 3 基于 FPGA 的中央处理模块 中央数据处理模块是系统的核心 通过对存储的数据 含请求 到达楼层 等信号 进行比较 判断以驱动系统状态的流转 电梯的工作过程中共有等待 上升 下降 开门 关门 停止 休眠 超载报警以及故障报警状态 一般情 况下 电梯工作起始点是第一层 起始状态是等待状态 启动条件是收到上升 请求 系统状态流程图如图所示 注意 图中 超载状态时电梯关门动作取消 同时发出警报 直到警报被消除 故障时电梯不执行关门动作 同时发出警报 直到警报被清除 看门狗信号有效条件是一层楼连续发生关门中断情况超过三 次 本系统由请求信号启动 运行中每检测到一个到达楼层信号 就会将存储 器的请求信号和楼层的状态信号进行比较 在参照原方向信号来决定是否停止 转向等动作 图四 系统状态流程图 2 4 信号的输出 显示模块 本系统的输出信号有两种 一种是电机的升降控制信号 两位 和开门 关门控制信号 另一种是面向用户的提示信号 含楼层的显示 方向的显示 已经接受的请求显示等 电机的控制信号一般需要两位 本电机中电机工作状态有三种工作状态 正转 反转和停止转动状态 两位控制信号作为一个三路开路开关的选通信号 此三路开关选用模拟电子开关 系统的显示输出包括数码管的楼层显示 数码管的请求信号显示和表征运 动的方向的箭头形指示灯的开关信号 本系统具有请求信号显示的功能 结合方向显示 可以减少用户对同一请 求的输入次数 这样就延长了电梯按键的使用的寿命 假如电梯处于向上的运 动状态 初始位置是底层 初始请求是 6 楼 2 楼时进入一个人 如果他的目 的是 6 楼 就可以不用再按键 同时 电梯外部的人也可以根据请求信号显示 上升请求 下降请求 无请求 就可以避免没必要的重复请求信号输入 电 梯使用时 系统结合相应的电梯使用规范完全可以满足人们的需要 而且效率 比较高 3 程序设计与仿真 3 1 程序设计 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all use ieee std logic arith all entity dianti is port clk in std logic 时钟信号 full deng quick clr in std logic 超载 关门中 断 提前关门 清除报警 信号 c u1 c u2 c u3 c u4 c u5 in std logic 电梯外的人上 升请求信号 c d2 c d3 c d4 c d5 c d6 in std logic 电梯外的人下 降请求信号 d1 d2 d3 d4 d5 d6 in std logic 电梯内的人请求信号 g1 g2 g3 g4 g5 g6 in std logic 到达楼层的信号 door out std logic vector 1 downto 0 电梯门控制信 号 led out std logic vector 6 downto 0 电梯所在楼层显 示 led c u out std logic vector 5 downto 0 电梯外的人上 升请求信号显 示 led c d out std logic vector 5 downto 0 电梯外的人下 降请求信号显 示 led d out std logic vector 5 downto 0 电梯内请求信号显 示 wahaha out std logic 看门狗报警系统 ud alarm out std logic 电梯运动方向显 示 超载报警信号 up down out std logic 电梯控制信号和电梯运动 end dianti architecture behav of dianti is signal d11 d22 d33 d44 d55 d66 std logic 电梯内请求信 号寄存信号 signal c u11 c u22 c u33 c u44 c u55 std logic 电梯外上升请求寄 存信号 signal c d22 c d33 c d44 c d55 c d66 std logic 电梯外下降请求寄 存信号 signal q integer range 0 to 1 分频信号 signal q1 integer range 0 to 6 关门延时计数 器 signal q2 integer range 0 to 9 动方向寄存器 signal dd cc u cc d dd cc std logic vector 5 downto 0 signal opendoor std logic signal updown std logic signal en up en dw std logic 预备上升 下降使能信 号 begin com process clk begin if clk event and clk 1 then if clr 1 then q1 0 q2 0 wahaha 0 清除报警 elsif full 1 then alarm 1 q1 3 then door 10 else door 00 end if elsif q 1 then q 0 alarm 0 if q2 3 then wahaha 1 故障报警 else if opendoor 1 then door 10 q1 0 q2 0 up 0 down 0 开门操作 elsif en up 1 then 上升预操作 if deng 1 then door 10 q1 0 q2 q2 1 关门中断 elsif quick 1 then q1 3 提前关门 elsif q1 6 then door 00 updown 1 up 3 then door 01 q1 q1 1 电梯进入关门状 态 else q1 q1 1 door 00 电梯进入等待状态 end if elsif en dw 1 then 下降预操作 if deng 1 then door 10 q1 0 q2 q2 1 elsif quick 1 then q1 3 elsif q1 6 then door 00 updown 0 down 3 then door 01 q1 q1 1 else q1 q1 1 door 00 end if end if if g1 1 then led 1001111 电梯到达一楼 显示一 楼 if d11 1 or c u11 1 then d11 0 c u11 0 opendoor 000001 then en up 1 opendoor 0 有上升请求 电梯进入预备上升状态 elsif dd cc 000000 then opendoor 0 无请求 一楼待 机 end if elsif g2 1 then led 0010010 电梯到达二楼 显示 2 楼 if updown 1 then 电梯前一状态上 升 if d22 1 or c u22 1 then d22 0 c u22 0 opendoor 000011 then en up 1 opendoor 0 上升请求 预 备上升 elsif dd cc 000010 then en dw 1 opendoor 0 有下降请求 预备下降 end if elsif d22 1 or c d22 1 then d22 0 c d22 0 opendoor 1 电梯前一运动状态下降 elsif dd cc 000010 then en dw 1 opendoor 000011 then en up 1 opendoor 0 上升请求 预 备上升 end if elsif g3 1 then led 0000110 if updown 1 then if d33 1 or c u33 1 then d33 0 c u33 0 opendoor 000111 then en up 1 opendoor 0 elsif dd cc 000100 then en dw 1 opendoor 0 end if elsif d33 1 or c d33 1 then d33 0 c d33 0 opendoor 1 elsif dd cc 000100 then en dw 1 opendoor 000111 then en up 1 opendoor 0 end if elsif g4 1 then led 1001100 if updown 1 then if d44 1 or c u44 1 then d44 0 c u44 0 opendoor 001111 then en up 1 opendoor 0 elsif dd cc 001000 then en dw 1 opendoor 0 end if elsif d44 1 or c d44 1 then d44 0 c d44 0 opendoor 1 elsif dd cc 001000 then en dw 1 opendoor 001111 then en up 1 opendoor 0 end if elsif g5 1 then led 0100100 if updown 1 then if d55 1 or c u55 1 then d55 0 c u55 0 opendoor 011111 then en up 1 opendoor 0 elsif dd cc 010000 then en dw 1 opendoor 0 end if elsif d55 1 or c d55 1 then d55 0 c d55 0 opendoor 1 elsif dd cc 010000 then en dw 1 opendoor 011111 then en up 1 opendoor 0 end if elsif g6 1 then led 0100000 if d66 1 or c d66 1 then d66 0 c d66 0 opendoor 1 elsif dd cc 100000 then en dw 1 opendoor 0 end if else en up 0 en dw 0 电梯进入上升 或下降状态 end if end if else q 1 alarm 0 清除报警信号 if d1 1 then d11 d1 对电梯内的人 请求信号检测和寄存 elsif d2 1 then d22 d2 elsif d3 1 then d33 d3 elsif d4 1 then d44 d4 elsif d5 1 then d55 d5 elsif d6 1 then d66 d6 end if if c u1 1 then c u11 c u1 对电梯外的人 上升请求检测寄存 elsif c u2 1 then c u22 c u2 elsif c u3 1 then c u33 c u3 elsif c u4 1 then c u44 c u4 elsif c u5 1 then c u55 c u5 end if if c d2 1 then c d22 c d2 对电梯外的人 下降信号检测寄存 elsif c d3 1 then c d33 c d3 elsif c d4 1 then c d44 c d4 elsif c d5 1 then c d55 c d5 elsif c d6 1 then c d66 c d6 end if dd d66 电梯内人请求 信号并置 cc u 0 电梯外上升信号并置 cc d c d66 电梯外下降信号并置 dd cc dd or cc u or cc d 内外信号综合 end if ud updown 电梯运动状态显示 led d dd led c u cc u 电梯外上升信号显示 led c d cc d 电梯外下降信号显示 end if end process end behav 3 2 程序仿真 图五 仿真结果图 1 图六 仿真结果图 2 4 运行结果与分析 通过观察仿真图 1 和仿真图 2 当 full 超载 为高电平时 alarm 报警信号 就会跟着变为高电平 这是报警信号就会报警 这是 clr 为 高点平后 就会清除警报 电梯开始工作时 电梯在一楼 而在一楼有人要乘电梯上楼 cu 1 变为高 电平 等门开后 进入电梯 要去六楼 按下六楼后 等待门关好后 电梯上 升 最后停在了六楼 楼层显示 6 五楼有下降请求 到三楼 重复上述过程 电梯显示 3 一楼上升请求 到五楼 电梯最后显示 5 五楼有下降请求 到一 楼 电梯最后显示一楼 一楼上升请求 到三楼 电梯最后显示 3 三楼上升 请求 到六楼 这是 deng 延迟关门 变为高电平 会发现 door 电梯门 被 延迟关门 延迟结束后 电梯最后显示楼层 6 如果有人在电梯内部请求 在电梯在三楼是 内部有上升请求 到六楼 电梯最后到达六楼 显示楼层 6 当四楼 五楼同时有下降请求 都到达一楼 这是电梯先到五楼 再到一 楼 最后到达一楼 楼层显示 1 当五楼 六楼同时请求要下降到三楼 电梯先 去六楼 再去五楼 最后到达三楼 楼层显示 3 这是五楼有下降请求 要下降到一楼 而这时 full 超载 为高电平时 alarm 报警信号 就会跟着变为高电平 这是报警信号就会报警 这种情况下 电梯不会运动 电梯门保持打开 楼层仍继续显示 5 这是只要 clr 变为高电 平 清除报警 但报警信号 alarm 仍为高电平 而电梯也会继续运动 不过仍 处于超载状态 比较危险 5 结束语 本电梯系统实现了如下功能 1 各层电梯内部信号 各楼层请求按键 外部信号 上升下降请求按键 所在楼层显示 电梯运行状态显示 2 能够存储请求信号 电梯上升 下降 过程中 根据电梯的运行状态 首 先按方向优先 循环次序响应各请求 3 电梯每秒升 降 一层楼 电梯到达有停站请求的楼层 经过 1 秒电梯门 打开 开门指示灯亮 开门 4 秒后 电梯门关闭 开门指示灯灭 电梯继续进 行 直至执行完最后一个请求信号后停留在当前层 电梯初始状