文献翻译译文-基于PLC的电梯控制系统的设计和实现

基于PLC的电梯控制系统的设计和实现杨小玲，朱群雄，徐红中国北京化工大学信息科学与科技学院，中国北京联合大学自动化学院；邮箱：,摘要这篇文章是描述了2部9层民用住宅电梯控制系统的发展，这个控制系统采用PLC作为控制器，并且采用并联调度规则基于最小等待时间在并联的模式去运行2部电梯，这篇文章给出了基本的结构，控制规则和详细的用PLC的方法实现控制系统。该系统还介绍了用梯形图介绍其重点。这个系统采取一个简单的外围电路和运行结果展示它能够保证电梯的可靠性和运行状况。1.引言随着建筑技术的发展，建筑变得越来越高从而使得电梯成为了垂直运输中重要交通工具，它们在运输乘客，生活，工作或者是参观建筑，舒适和有效的到达他们的目的地是非常可靠的。所以电梯的控制系统的运行平稳和安全是非常有必要的。控制系统告诉电梯在什么指令下到达楼层是停止，什么时候开、关轿厢门，还有就是电梯是否有安全性的问题。传统的电梯电气控制系统是由继电器来控制的。它有诸多缺点比如具有复杂的电路，高错误率和比较低的可靠性，这很大的影响电梯的运行质量。因此，受企业委托，我们已经民用住宅的电梯使用PLC来提高继电器的电气控制系统。结果显示改进之后的系统在运行和维护中是可靠运行的。这篇文章主要介绍基本结构，控制原则还有详细的介绍使用PLC来实现控制的方法。2.系统结构电梯控制系统的目的按照电梯使用着的要求去去控制运动，他主要包括两个部分：2.1电能驱动系统电能驱动系统包括电梯的轿厢，牵引的电机，牵引轿厢门的电机，制动装置和相关的转换电路。这里我们采用LC系列一个新型的交流接触器去代替旧的，和用PLC的接触器来代替许多的中间继电器，牵引电机的电路是保守的。所以原来的控制柜的缺点是大体积和高噪音得到了有效的克服。2.2信息控制系统电梯的控制信号几乎是有PLC来实现。输入信号有：运行模式，运行控制信号，轿厢的呼叫，安全/保护信号，轿厢门开和关的信号和轿厢所处的楼层信号，等等，所有的电梯的控制功能是由PLC的程序来实现的，比如说报到，展示和消去门厅和轿厢的呼叫信号，轿厢的位置判断的信号，电梯选择楼层和运行方向的的信号，等待。电梯PLC的信号控制系统的图表如下：2.3要求电梯控制系统的发展目标是去控制2部9层的住宅电梯。每一部电梯，在每一层都有一个平层传感器，我们可以使用这个传感器锁定当前的电梯的位置，电梯的轿厢门可以由一个门电机来控制开和关，有两个传感器在门那里可以通知控制系统来确定门的位置。当门关的时候还有另外一个传感器可以侦查物体。电梯轿厢的上升或者下降是由牵引的电动机来控制的。每一层，除了第一层和最顶一层，都有两个方向灯来指示电梯是向上还是向下运行。在每一层都有一个七段LED数码管来展示当前轿厢所处的位置。电梯的电气控制的第一步的运行时确定基本的要求，正常的说，电梯的行为就是按如下运行：（1）单个电梯运行一般来讲，一部电梯有三个运行状态：正常模式，防火模式和维护模式，维护模式有最高的有限权，只有在维护模式取消的时候其他模式才可以运行，其次是防火模式，当防火按钮开始电梯必须在立刻回到最底层时或者基本站，当防火开关复位时电梯回到正常的运行模式，在正常的运行模式下，电梯的控图1PLC信号控制系统框图制系统的基本任务是命令每一部电梯向上或者向下运行，停止或者开启和开门或者关门，但是有如下一些约束：每一部电梯有9个按钮在轿厢内的控制面板，每一个按钮是给到每一层的，当按钮按下时这些按钮变亮并且导致电梯到达相应的楼层，当电梯到达目的层时按钮会变熄灭。除了第一层和最后一层之外的每一层，有两个按钮在楼层控制盒，一个是要求提升电梯，一个是把电梯下降，这些按钮按下时会变亮，当轿厢到达相应的楼层是会熄灭，然后运行到相应的方向。在轿厢内的按钮控制盒或者是楼层的控制盒的按钮都是控制电梯的运动的。如果乘客想离开轿厢那么电梯就不能通过楼层。除非有人要离开轿厢否则电梯不能停下。电梯不能改变运行方向直到它在当前方向把所有乘客送到相应的楼层，所有在大厅的在与轿厢相反的方向请求时不能被相应。当电梯没有请求时，他会停留在当前的楼层，并且他的轿厢门是关着的。（2）两部电梯并联运行时在这种情况下，会有两部电梯同时的去服务住宅。他在每天早上7点到9点和下午7点到9点运行。当有一部电梯运行到一个楼层，无论站点是否有请求它都会测试。与此同时，为了平衡站点数，两部电梯会服从调度原则。如果一部的电梯轿厢将要停止或者已经停止，那么另外一部电梯就不能停止。在电能驱动系统和逻辑控制系统的控制下，电梯的正常运行是相互补充的。3.软件设计由于呼叫的时间，呼叫位置和乘客的目的地的随机性，这一个电梯的控制系统是一个典型的实时控制系统，随机逻辑控制系统。在这里，我们采用西门子系列S7-200CPU226PLC和扩展模块的集中选择控制方法。有46个输入点和46个输出点在这个系统里面。I/O点由下表列出：表1输入点描述地址1-8层的轿厢外向上的呼叫I0.0-I0.72-9层的轿厢外向下的呼叫I1.0-I1.71-9层的轿厢呼叫I2.0-I2.7，I3.01-9层到达的传感器I3.1-I3.7，I4.0-I4.1开门按钮I4.2关门按钮I4.3门关闭位置开关I4.4开门位置开关I4.5上平层感应器I4.6下平层感应器I4.7火警按钮I5.0驱动运行开关I5.1轿厢门触摸面板开关I5.2超重I5.3强制改变速度开关I5.4满载I5.5表2输出点描述地址1-8层轿厢外上升呼叫灯Q0.0-Q0.72-9层轿厢外下降呼叫灯Q1.0-Q1.71-9层轿厢呼叫灯Q2.0-Q2.7，Q3.0上升运行显示灯Q3.1下降运行显示灯Q3.2七段LED数码管楼层显示灯Q3.3-Q3.7电梯位置Q4.0-Q4.7开门Q4.2关门Q4.3上升Q4.4下降Q4.5满载显示灯Q4.6高速运行Q4.7低速运行Q5.0加速启动Q5.1减速制动Q5.2-Q5.3警铃Q5.5关于软件的设计，我们采取模块化的方法去写阶梯程序。模块之间的信息传输是通过中间的PLC的寄存器来实现的。整个程序是由10个模块组成的：大厅呼叫寄存器和显示模块，轿厢呼叫寄存和显示模块，信号组合模块，大厅呼叫取消模块，电梯位置显示模块，楼层选择模块，运行方向控制模块，开门和关门模块，维护运行模块和在并联运行时调度模块。设计的典型描述如下：3.1轿厢外请求和显示在电梯的请求当中有两种请求的方式：大厅的请求和轿厢的请求，当有人按下楼层的控制盒的按钮时，信号将会被记下，并且相应的灯就会变亮，这就是轿厢呼叫的寄存。图2显示了大厅的呼叫请求和显示，自锁的原则就是用来保证请求连续显示。3.2请求的集中选择这里的采用的是集中选择控制规则，像图3所示，M5.1-M5.7，M6.0和M6.1是PLC的中间继电器。它分别表示的是1层到6层的停止请求信号。M6.2这个中间继电器表示的是电梯驱动运行信号。当有一个确定的层有请求时，相对应的层的停止信号将会输出。当电梯被驱动而运行，大厅的请求将不会被服务。电梯将不会通过乘客所期待的楼层。3.3请求信号的取消该模块的程序可以使电梯响应大厅里的请求，有轿厢当前运动方向相同的，和当大厅被相应，他的寄存将会被取消。在图4-1显示的梯形图表示大厅请求轿厢上升的取消。在图4中，中间继电器M4.0是电梯的上升标志。当当前的电梯运行方向是上升的，M4.0的联系就会被关闭；相反，如果当前的运行方向是向下的，M4.0的联系就会被开启，M1.0到M7.0相应表示的是轿厢2到8层停止请求信号。I0.0I0.7Q0.0Q0.7M0.0M0.7Q0.7Q0.01层呼叫8层呼叫图2上升呼叫存储和显示这个程序段有两个功能：（1）使电梯向下时响应正常的大厅呼叫，当一个电梯的大厅请求被响应，寄存就会被取消。（2）当电梯是向上运动时，相应的楼层向下的大厅请求将会暂时不响应而他的寄存也将会被保持。向下大厅请求是与上升的相反的。3.4电梯的方向根据大厅的请求或者轿厢的请求，电梯可能是向上或者向下运行，图5的梯形图所示的是电梯的上升。图3呼叫的组合图4上升呼叫的取消图5.电梯的上升梯形图图5显示了相应楼层的请求是比电梯当前的楼层高时，电梯将会上升，在这里中间继电器M4.0是用来上升运行的标志，当电梯上升时，上升标志灯就会点亮，所以M4.0就会起中间联系。当电梯到达最顶层，上升的灯就会熄灭时间就会开始，0.2秒之后，M4.0就会失去联结，上升就不会显示，这里我们使用M4.0去代替Q3.1来确保取消请求的可靠性。3.5电梯的楼层停止图6显示了电梯的到与楼层的相平时的功能的梯形图。从图6我们可以看见，M6.4是楼层停止信号的标志。M6.6是由牵引电机发出的楼层停止信号，M7.0是由火灾报警开关发出的火灾信号。M6.7是强制速度改变的信号，当这些信号中的任意一个发生，系统就会发出楼层停止信号。4最小等待时间的算法在电梯的繁忙的控制系统中，经常有两种形式的控制任务。其中之一的是基本的控制功能来命令每一部的电梯的上或者下，停止或者开始，开门或者关门，另外一个就是控制群电梯。群控电梯控制系统所有包括轿厢，大厅呼叫的主要的要求应该是：在建筑物每一层提供服务；以尽量减少乘客的等待时间；也以减少乘客从第一层到其他层所花费的时间，在一个给定的时间里尽可能的为更多的乘客服务。图6楼层的停止在电梯的群控系统中有很多的调度算法，比如说电梯总是服务最近的请求最近邻的算法，分区算法分析不平等的楼层和人口需求的电梯系统交通调度电梯，一部电梯只是服务奇数的楼层和其他只是服务偶数的楼层的奇偶算法。最近邻居算法，最大限度地减少电梯的空移动到下一个请求的长度。它经常有非常小的平均等待时间，但是个体等待时间可以变成非常大；分区算法经常被用来使用在交通繁忙的建筑物中，比如说办公的楼的午餐时间。办公楼和购物大厦中相比较，住宅中交通流动是相对低的，即使是在每一层。第二，人们经常认为电梯是纯粹的功能物体，其中大部分乘坐电梯的经历是等待时间。此外，存在的巨大的问题就是当试图去满足所有的要求。考虑到以上所有的原因，我们采取最小的等待时间的算法去实现电梯的并联运行。4.1平均职能减少等待时间的算法目标是根据所有请求预测每一部电梯的响应时间，然后选择最短响应时间最短的电梯去服务。当有请求时候，系统会根据平均职能计算出每一部电梯的功能值。如下两式：(1),2)1(*（JnJ(2)(KTidrioJ(i)是每一部电梯的评价指标，Tr(i)表示从当前的楼层电梯直接到达相应的目的层，To（i）表示的是一个楼层的电梯停止的额外的加速和减速时间，Td(i)表示的是乘客登临和降落电梯的平均时间。表示的是轿厢和大厅呼叫请求的时间的总和，但是当大厅的呼叫和轿厢的呼叫是在相同的楼层，是仅仅是计算一次。4.2计算最小的等待时间在方程式（2）中，K是一个确定值。To和Td可以通过以下的方式来获取。Tr=T*L，当T表示的是电梯通过一层楼所需要的平均时间。L表示的是电梯从当前大厅请求的楼层到期望的楼层。为了计算出L的值。我们分别定义两部电梯的为A和B；YA,YB分别表示的是当前楼层，H是当有大厅请求时相应的核心值，并且H=有大厅请求的楼层。我们定义4个表来实现PLC：上升存储表，下降存储表，下降大厅请求存储表，轿厢的A存储表和轿厢的注册表B。当有一个确定的按键按下，它的楼层值就会记下相应的表格。这里我们拿A电梯作为例子，第一，定义它的值为MA,MB和Mw。MA,MB分别表示的是A电梯轿厢相同方向极限值或者是B的运动。当电梯A上升时，设置MA与在轿厢存储表中的最大的值相等，当A电梯向下运动，设置MA与轿厢的存储表中的最小值相等。Mw表示的是A电梯方向与大厅呼叫相同方向的极限值。当A电梯在上升时和大厅上升的值YA,设置Mw=0,；否则设置Mw的值与电梯在上升的大厅请求存储表中的最小值相等，当A电梯向下运动和上升请求的值YA，设置Mw=0，否则设置Mw与在向下的大厅请求存储中的表格A中的最大值相等。这样，我们可以根据YA、H，MA和Mw值确定L的值。有如下3中情况：（1）当大厅的请求的方向和电梯的运行的方向相反时L=|YA-MA|+|MA-H|（3）（2）当大厅的请求的方向和电梯A的方向相同和是在A电梯的前面时：L=|YA-H|（4）（3）当大厅的请求和电梯A的运行方向是相同并且A电梯的后面时：L=|YA-MA|+|MA-MW|+|H-MW|（5）所以第i层的最小等待时间就是由如下（6）式来计算：Time(i)=TL(i)+KTd(i)+KTo（i）i=1,2，.，n（6）当请求在电梯运行时改变，系统就会计算出每一部电梯最小的等待时间。然后它就会分配当前有最小值的电梯。当每一部电梯有相同的值，那么当前的请求最优先A电梯。当有电梯错误或者不在服务，系统就会退出调度算法和转去另一个电梯的运行模式。4.3算法的实现比较单个电梯的运行模式，并行模式主要的不同是在于关于大厅请求过程的方法。前者是由集中选择控制方法，而后者时候的是使用集中选择控制方法调度规则相结合。这里系统就是去控制9层楼的电梯系统，所以我们选择两个西门子S7-200PLC（CPU）和它的附加模块去控制单个相关的电梯，和使用PPIProtocol去实现两个PLC之间的联系。PPIprotocol采用主从交流模式，所以定义电梯A作为主电梯、电梯B作为从电梯。通过交流的程序，2台PLC可以相互交换信息比如说位置、大厅请求或者轿厢请求和运动的方向。然后通过运用最小等待时间算法，系统就可以实现2部电梯最佳的运行。图7表示的是电梯A计算轿厢极限值的梯形图。在图7中，VB121VB130是电梯A轿厢与相应电梯楼层寄存器的地址，Q3.1是电梯A上升运行的只是灯，轿厢请求的极限值是存在VB120中。5结论在这一篇文章中，我们已经使用PLC来提高了一个旧式电梯的控制系统，并且实现了群控2部电梯，这一个控制系统已经运行了一年了，其操作方案如下：（1）下行高峰这种交通状况涉及人们的建筑在早晨上午7时至上午9时之间。（2）上行高峰这种情况涉及人进入大楼在17:00至19:00之间。(3)其他情况它涵盖了除了上述两种情况之外的从6:00到0:00.在这种情况之下，只有一部电梯在运行。结果表示通过的平均等候时间和最大等待时间（以秒为单位）收集在在表3和表4中。表3图7电梯A计算轿厢请求的极限值的梯形图平均和最大的等待时间（改进之前）平均最大下降高峰期63.20240.33上升高峰52.78235.26其他42.25215.43表4平均和最大的等待时间（改进之后）平均最大上升高峰期30.12203.33下降高峰27.81195.20其他37.32186.43由于改进之前不是并联运行的，所以下降的和上升的平均的等待时间和