基于PLC的电梯控制系统的设计与应用译文Word格式.docx
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1北京化工大学信息与技术学院中国北京，邮编100029
2北京联合大学自动化学院中国北京,邮编100101
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摘要
本文介绍了为一幢居民楼的2个9层电梯而开发的电梯控制系统。
该控制系统采用PLC作为控制器，并采用基于“最少等候时间”的并联调度规则使两个电梯运行于并行模式。
本文还详细的给出了该PLC控制系统基本结构，控制原理和实现方法，并展示了该系统核心部分的梯形图。
该系统不仅具有简单的外围电路，运行结果还表明，它增强了电梯的性能和可靠性。
1导言
随着建筑技术的发展，大楼变得越来越高，电梯也就成为了高层建筑中垂直运输的重要工具，舒适，高效的把乘客送往目的地。
因此，电梯控制系统对于每一个电梯的平稳安全运行是至关重要的。
它告诉电梯按什么顺序来启停，何时开关电梯门，是否有重大的安全问题。
传统的电梯电气控制系统是一种继电器控制系统，具有电路复杂，故障率高和可靠性差等缺点，大大影响了电梯的运行质量。
因此，受一家企业的委托，我们已经利用PLC技术改进了居民楼中继电器控制电梯的电器控制系统。
结果表明，改进后的系统运行可靠，维护方便。
本文详细介绍了该电梯PLC系统的基本结构，控制原理和实现方法。
2系统结构
该电梯控制系统的目的是让电梯响应乘客的要求并做出正确的运动。
它主要分为两个部分：
2.1电力驱动系统
这里，电力驱动系统主要包括：
电梯轿厢，牵引电动机，电梯门马达，制动机构和相关的开关电路。
这里，我们采用一种新的LC型交流接触器代替旧的，并使用PLC的触点来代替大量的中继器。
而牵引电动机的线路则予以保留。
这样，原来控制柜体积大，噪声大的缺点就被解决了
2.2信号控制系统
电梯的控制信号大多是由PLC实现的。
输入信号有：
运行模式信号，操作控制信号，轿厢指令信号，厅门呼梯信号，安全/保护信号，梯门打/关信号和平整信号等。
电梯系统的所有控制功能都是由PLC程序完成的，例如：
登记，显示，取消轿厢指令和厅门呼梯，判断电梯位置，选择电梯的运动方向和层等。
图1中显示了电梯的PLC控制系统框图
图1PLC信号控制系统图
2.3需求
开发这个控制系统的目的是去控制一幢居民楼的2个9层电梯。
对于每一个电梯，每一层上都安装了一个传感器。
我们能利用这些传感器去了解电梯轿厢的实时位置。
电梯轿厢的门是靠门电机来实现开启和闭合的。
电梯的门上安装有2个传感器，一个用于通知控制系统电梯门的位置，另一个可以在电梯门关闭的时候侦测物体。
电梯的上下运动则是通过牵引电动机来控制的。
除了第一层和最高层之外，每一层都有一对方向灯指明电梯是在上升还是下降。
每个楼层，都有一个7段LED用于显示电梯轿厢的当前位置。
明确基本需求是开发这个电梯控制系统的第一步，简单来说，这两个电梯有以下行为：
（1）一个电梯单独运行
一般来说，电梯有三个运行状态：
正常模式，火灾保护模式和维护模式。
维护模式具有最高的优先级，只有不在维护模式时，其他运行模式才能执行。
其次是火灾保护模式，当火险开关作用时时，电梯必须立即回到底层或者基站。
而火险开关复位后，电梯就应该回到正常运行模式。
在正常操作模式下，控制系统的基本任务是指挥每个电梯上下移动，停止启动，打开和关闭电梯门。
但其中也有如下的一些限制因素：
每个电梯都有一组9个按钮放置在轿厢的控制面板上，每一个对应一层楼。
当按钮被按下时，按钮就会发光并且使电梯向相应的楼层运动，当电梯到达指定楼层之后，按钮的光芒就会消失。
除了底层和顶层之外，每个楼层的控制面板上都有两个按钮。
一个按钮请求电梯上升，另一个请求电梯下降。
按钮在按下去的状态下会发光。
当电梯来到乘客所在楼层时，按钮的发光消失，然后朝着期望的方向运行。
电梯轿厢的控制面板和楼层的控制面板上的按钮都是用来控制电梯运行方向的。
电梯不能漏过任何楼层，如果那个楼层有乘客想要出去。
电梯不能在没有乘客要出去的楼层停止
直到将所有当前方向的乘客送达之前，电梯不能改变方向，并且，当电梯在相反方向运行时，厅门呼梯不能得到响应。
如果电梯没有接到任何需求，则停在当前层，并保持电梯门关闭。
（2）两个电梯并联运行
在这种情况下，两个电梯同时为大楼服务，从早上7点到9点，再从下午5点到7点。
当电梯到达某一层，它将测试是否需要停止，当必须停止时，电梯则会停在这一层。
与此同时，为了平衡停止的次数，两个电梯的操作还将遵循一定的调度原则。
电梯不会停止在一个已经有另一个电梯停着的楼层
正常运行模式的电梯是由电力驱动系统和逻辑控制系统共同操控的。
3软件设计
由于呼叫时间，呼叫地点，乘客目的地的随机性质，电梯控制系统是一个典型的实时，随机逻辑控制系统。
在这里，我们采用集选控制方法与西门子PLCS7-200CPU226及其扩展模块。
系统中有46输入节点和46个输出节点。
I/O节点详情见表1和表2。
表1输入节点
描述地址
1-8层向上厅门呼梯I0.0-I0.7
2-9层向下厅门呼梯I1.0-I1.7
1-9层轿厢指令I2.0-I2.7,I3.0
1-9抵达传感器I3.1-I3.7,I4.0-I4.1
电梯门打开按钮I4.2
电梯门关闭按钮I4.3
电梯门关闭位置开关I4.4
电梯门打开位置开关I4.5
向上调平传感器I4.6
向下调平传感器I4.7
火警开关I5.0
驱动器操作开关I5.1
电梯门控制面板开关I5.2
超载I5.3
被迫速度变化开关I5.4
满载I5.5
表2输出节点
1-8层向上厅门呼梯灯Q0.0-Q0.7
2-9层向下厅门呼梯灯Q1.0-Q1.7
1-9层轿厢指令灯Q2.0-Q2.7,Q3.0
向上运动指示灯Q3.1
向下运动指示灯Q3.2
电梯位置的7段LED显示器Q3.3-Q3.7Q4.0-4.1
电梯门正在打开Q4.2
电梯门正在关闭Q4.3
向上运动Q4.4
向下运动Q4.5
满载灯Q4.6
高速运行Q4.7
低速运行Q5.0
加速Q5.1
减速Q5.2-Q5.4
警告发声器Q5.5
关于软件设计，我们采用模块化的方法来写梯形图程序。
模块之间的信息传输则依靠PLC的中间寄存器来实现。
整个程序主要由10个模块组成：
厅门呼梯登记和显示模块，轿厢指令登记和显示模块，信号组合模块，厅门呼梯取消模块，电梯位置显示模块，楼层选择模块，移动方向控制模块，电梯门开启/关闭模块，维护操作模块和并行模式下的调度模块。
以下是几个典型模块的设计描述：
3.1厅门呼梯登记和显示模块
在电梯中有两种呼叫模式：
厅门呼梯和轿厢指令。
当有人按下楼层控制面板的按钮，信号就会被登记，相应的灯就点亮。
这就是厅门呼梯登记。
当乘客按下电梯轿厢内的一个按钮，信号将被登记，与之相应的灯照亮。
这就是轿厢指令登记。
图2显示了向上厅门呼梯登记和显示的梯形图，自锁原则用来确保呼叫不断的显示。
图2向上厅门呼梯登记与显示
3.2呼叫的集选
这里使用了集选控制原则。
就像图3中显示的那样，M5.1——M5.7，M6.0和M6.1是辅助寄存器。
它们分别用来表示从一层到九层的停止请求信号。
辅助继电器6.2指明电梯驱动器的操作信号。
如果在某一层有一个呼叫，相应楼层的停止信号将被输出。
当电梯被驱动器运行时，厅门呼梯将无法实现。
电梯无法漏过乘客要下车的任何一层。
3.3呼叫取消
这个模块使电梯能响应与轿厢运动方向相同的厅门呼梯指令，当厅门呼梯已经得到响应，它的登记将被取消。
电梯向上厅门呼梯指令取消的梯形图如图4。
图3呼梯的组合
图4向上呼梯的取消
在图4中，辅助寄存器M4.0是电梯向上运动的标志，当电梯的当前运动是向上，则M4.0的触电是关闭的，反之则是打开的。
M0.1到M0.7分别对应2楼到8楼的轿厢停止指令。
这个程序由两个功能：
（1）当电梯向下运动时，使电梯能响应正常的向下厅门呼梯指令。
当指令响应之后，则取消该指令的登记
（2）当电梯向上运动时，相应楼层向下的厅门呼梯指令不响应并保留指令的登记
向下厅门呼梯的取消则与向上的正好相反。
3.4电梯的方向
电梯可能向上或者向下运动，取决于厅门呼梯和轿厢指令，图5中的梯形图是电梯向上运动的情况。
图5电梯向上运动
图5表明，当呼叫的楼层比当前电梯所在楼层高时，电梯将向上运动。
辅助寄存器M4.0被用作电梯向上运动的标志。
当电梯向上运动，向上运动的指示灯就被点亮。
M4.0也就被连接上了。
当电梯到达顶层时，向上运动的指示灯熄灭，计时器开始运行。
0.2秒之后，M4.0被断开。
向上运动显示停止。
这里M4.0代替了Q3.1，用来确保取消的可靠性。
3.5电梯的楼层停止
图6的是电梯楼层停止功能的梯形图。
如图6，M6.4是楼层停止信号的标志，驱动器传送楼层停止信号到M6.6，火警开关传送火警信号给M7.0，M6.7显示速度改变信号。
这些接触器中的任何一个工作，楼层停止信号就会发送。
4最小等待时间算法
在电梯系统中，通常有两种控制任务，一个是基本的控制功能，用于指挥电梯上下运动，启停，电梯门的开合。
另一个则是用来控制一组多个电梯。
作用于厅门呼梯和轿厢指令的一组控制系统的最主要的需求应该包括：
对大楼的每一层都提供同样的服务；
最小化乘客等待的时间；
最小化乘客在电梯轿厢内的时间；
在规定时间内为尽可能多的乘客服务[1]。
图6电梯的楼层停止
电梯的组控制有许多种算法，例如最邻近算法[2]，这种算法下，电梯总是在下一步先响应最近的要求；
分区算法[3]通过分析不同楼层的电梯需求情况来调度电梯；
奇偶算法使一个电梯仅仅为基数层服务，而另一个则只为偶数层服务。
最邻近算法使相邻的两个要求之间电梯的空运行最小。
从而得到非常小的平均等待时间。
但个别的等待时间可能非常长。
分区算法通常适用于大楼中流量非常大的情况下，例如午餐时候的办公室大楼。
相对于办公楼和购物商场，居民楼的电梯使用人流量是比较小的，而且各层之间人流比较平均。
其次，人们通常认为电梯就是一种纯粹的工具，对于他们中的大部分人来说乘坐电梯时间就是在等待。
此外，试图满足所有需求也是不切合实际的。
基于以上的原因，我们采用最小等待时间的算法来实现2个电梯的并行运行[4]。
4.1预估函数
最小等待时间算法的目的是预测每个电梯对所有呼叫的响应时间。
然后选出响应时间最短的电梯来服务。
当有一个呼叫需要响应时，系统根据等式
（1），
（2）算出每一个电梯的函数值。
J（*）=Min[J
（1）,J
（2）,…,J（n）]
（1）
J（i）=Tr（i）+KTd（i）+KTo（i）i=1,2,...,n
（2）
J（i）是每个电梯的估算指数，Tr（i）表明电梯从当前层运行到最近呼梯的目的地的时间。
To（i）则是电梯停止时额外的加速和减速的时间。
Td（i）指乘客进入和离开电梯平均所花的时间。
K是厅门呼梯和轿厢指令的和。
但是厅门呼梯和轿厢指令对应同一楼层，因此只计算一次。
4.2最小等待时间的计算
在等式2中，K是一个定值，To和Td可以通过统计的方法获得。
Tr=T*L，T表示电梯经过一个楼层的平均时间，L表示从当前楼层到厅门呼梯楼层之间的楼层数。
为了计算L的值，我们假设两个电梯分别为A和B。
YA,YB分别表示电梯A和B的当前层。
当厅门呼梯键按下，H是一个相应的关键值。
H=厅门呼梯所在层的层数。
我们为PLC的实现定义四个表：
向上厅门呼梯登记表，向下厅门呼梯登记表，轿厢指令登记表A和B，当某个呼叫按钮被按下时，楼层值被记录在相应的表单中。
以电梯A为例，定义变量MA,MB和MW。
MA和MB分别代表电梯A或B相同运动方向的轿厢指令的极值。
当电梯A向上运动，使MA等于轿厢指令登记表A的最大值，当电梯A向下运动时，设MA为轿厢指令登记表A的最小值。
MW代表与A方向相同的厅门呼梯的极值。
当电梯A向上运动，并且向上的厅门呼梯值大于等于YA，则MW置0，否则，MW等于向上的厅门呼梯登记表A中的最小值。
当电梯A向下运动，并且向上的厅门呼梯值小于等于YA，MW置0，否则，MW的值等于向下厅门呼梯登记表A中的最大值。
这样，我们就能根据YA，H，MA和MW来确定L的值了，总共分为三种情况：
（1）当厅门呼梯的方向与电梯A运动方向相反时：
L=|YA-MA|+|MA-H|（3）
（2）当厅门呼梯的方向与电梯A运动方向相同，并且厅门呼梯先于电梯A发出指令：
L=|YA-H|（4）
（3）当厅门呼梯的方向与电梯A运动方向相同，并且电梯A先向该方向运动：
L=|YA-MA|+|MA-MW|+|H-MW|（5）
这样，第i层楼的最小等待时间就能按照等式6来计算了：
Time（i）=TL（i）+KTd（i）+KTo（i）i=1,2,...,n（6）
当电梯运行时呼叫改变，系统会计算每个电梯的最小等待时间，然后分配当前的呼叫请求到那个拥有较小值的电梯，如果每个电梯拥有相同的值，则优先分配给A。
当有一个电梯发生故障或者不能服务时，系统将会跳出调度算法，而进入单一运行模式。
4.3算法的实现
与单一电梯的运行模式相比，并行运行模式的区别主要在于对厅门呼梯的处理方法。
前者使用集选控制方法，后者使用调度原则与集选控制方法相结合的方式。
这个系统要控制一幢九层大楼，所以我们选择两个SiemensS7-200PLC（CPU226）以及它的扩展模块去分别控制一个电梯，并使用PPI协议来实现两个PLC之间的交流。
PPI协议采用主从交流模式，所以我们将A电梯定义为主电梯，B电梯为从电梯。
通过交流程序，两个PLC能够交换信息：
例如当前位置，厅门呼梯还是轿厢指令，运动方向等等。
然后使用最小等待时间算法，使两部电梯的运行得到优化。
图7为A电梯轿厢指令极值计算的梯形图
在图7中，VB121～VB130是电梯A每一层轿厢呼叫的寄存器地址。
Q3.1是电梯向上运动的指示灯。
轿厢指令的极值保存在VB120中。
图7电梯A的轿厢指令最大值计算
5结论
这篇文章中，我们已经通过使用PLC来改进了一个旧的电梯控制系统，并且实现了两个电梯的组控制。
新的控制系统已经使用一年，它的操作方案如下：
（1）低峰时
从早上7点到9点，这时关心人们离开大楼
（2）高峰时
从下午5点到7点，这时关心人们进入大楼
（3）其他
从早上6点到晚上12点的所有时间，除了上述两段时间外，这些时候仅有一部电梯运行。
结论通过平均等待时间和最大等待时间展现在表3和4中
由于改进之前系统并非并行模式，因此在高峰期和低谷期的平均等待时间和最大等待时间都长于改进后的系统。
实践结果表明，改进后的系统表现好于改进之前。
参考文献：
[1]RicardoGudwin,FernandoGomide,Marcio（1998）.“AFuzzyElevatorGroupControllerWithLinearContextAdaptation”.IEEEWorldCongressonComputationalIntelligence.Vol.12,No.5,pp.481-486.
[2]PhilippFriese,JorgRambau（2006）.“Online-optimizationofmulti-elevatortransportsystemswithreoptimizationalgorithmsbasedonset-partitioningmodels”.DiscreteAppliedMathematics.No.154,pp.1908-1931.
[3]ZhengYanjun,ZhangHuiqiao,YeQingtai,ZhuChangming.（2001）.“TheResearchonElevatorDynamicZoningAlgorithmandIt'
sGeneticEvolution”.ComputerEngineeringandApplications,No.22,pp.58-61.
[4]XiaodongZhu,QingshanZeng（2006）.“AElevatorGroupControlAlgorithmforMinimumWaitingTimeBasedOnPLC”.JournalofHoistingandConveyingMachiner,No.6,pp.38-40
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