PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計方案與應(yīng)用譯文

1、封面作者： PanHongliang僅供個人學(xué)習(xí)南京理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯學(xué)院（系）：機械工程學(xué)院專 業(yè)：機械工程及其自動化姓名：俞井才學(xué) 號：0501500420外文出處：2008 Workshop on Power Electronics（用外文寫）and Intelligent Transportation System附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。指導(dǎo)教師評語：簽名：年 月 日注：請將該封面與附件裝訂成冊。基于 PLC 的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用楊曉玲1, 2,朱群雄1,徐宏11北京化工大學(xué)信息與技術(shù)學(xué)院中國北京，郵編1000292北京聯(lián)合大學(xué)自動化學(xué)院 中

2、國北京，郵編100101yxlmy si , .c n摘要本文介紹了為一幢居民樓的2個9層電梯而開發(fā)的電梯控制系統(tǒng)。該控制 系統(tǒng)采用PLC作為控制器，并采用基于“最少等候時間”的并聯(lián)調(diào)度規(guī)則使兩 個電梯運行于并行模式。本文還詳細的給出了該PLC控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，控制 原理和實現(xiàn)方法，并展示了該系統(tǒng)核心部分的梯形圖。該系統(tǒng)不僅具有簡單的 外圍電路，運行結(jié)果還表明，它增強了電梯的性能和可靠性。1導(dǎo)言隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，大樓變得越來越高，電梯也就成為了高層建筑中垂 直運輸?shù)闹匾ぞ撸孢m，高效的把乘客送往目的地。因此，電梯控制系統(tǒng)對 于每一個電梯的平穩(wěn)安全運行是至

3、關(guān)重要的。它告訴電梯按什么順序來啟停， 何時開關(guān)電梯門，是否有重大的安全問題。 傳統(tǒng)的電梯電氣控制系統(tǒng)是一種繼電器控制系統(tǒng)，具有電路復(fù)雜，故障率高和 可靠性差等缺點，大大影響了電梯的運行質(zhì)量。因此，受一家企業(yè)的委托，我 們已經(jīng)利用PLC技術(shù)改進了居民樓中繼電器控制電梯的電器控制系統(tǒng)。結(jié)果表 明，改進后的系統(tǒng)運行可靠，維護方便。本文詳細介紹了該電梯PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，控制原理和實現(xiàn)方法。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該電梯控制系統(tǒng)的目的是讓電梯響應(yīng)乘客的要求并做出正確的運動。它主 要分為兩個部分：2.1電力驅(qū)動系統(tǒng) 這里，電力驅(qū)動系統(tǒng)主要包括：電梯轎廂，牽引電動機，電梯門馬達，制動機構(gòu)和相關(guān)的開關(guān)電路。這里，我們

4、采用一種新的LC型交流接觸器代替舊的，并使用PLC的觸點來 代替大量的中繼器。而牽引電動機的線路則予以保留。這樣，原來控制柜體積 大，噪聲大的缺點就被解決了2.2信號控制系統(tǒng)電梯的控制信號大多是由PLC實現(xiàn)的。輸入信號有：運行模式信號，操作 控制信號，轎廂指令信號，廳門呼梯信號，安全/保護信號，梯門打/關(guān)信號和 平整信號等。電梯系統(tǒng)的所有控制功能都是由PLC程序完成的，例如：登記，顯示，取消轎廂指令和廳門呼梯，判斷電梯位置，選擇電梯的運動方向和層 等。圖1中顯示了電梯的PLC控制系統(tǒng)框圖圖 1 PLC 信號控制系統(tǒng)圖2.3需求開發(fā)這個控制系統(tǒng)的目的是去控制一幢居民樓的2個9層電梯。對于每一個電

5、梯，每一層上都安裝了一個傳感器。我們能利用這些傳感器 去了解電梯轎廂的實時位置。電梯轎廂的門是靠門電機來實現(xiàn)開啟和閉合的。 電梯的門上安裝有2個傳感器，一個用于通知控制系統(tǒng)電梯門的位置，另一個 可以在電梯門關(guān)閉的時候偵測物體。電梯的上下運動則是通過牽引電動機來控 制的。除了第一層和最高層之外，每一層都有一對方向燈指明電梯是在上升還是 下降。每個樓層，都有一個7段LED用于顯示電梯轎廂的當(dāng)前位置。明確基本需求是開發(fā)這個電梯控制系統(tǒng)的第一步，簡單來說，這兩個電梯 有以下行為：（1） 一個電梯單獨運行 一般來說，電梯有三個運行狀態(tài)：正常模式，火災(zāi)保護模式和維護模式。 維護模式具有最高的優(yōu)先級，只有不

6、在維護模式時，其他運行模式才能執(zhí)行。 其次是火災(zāi)保護模式，當(dāng)火險開關(guān)作用時時，電梯必須立即回到底層或者基 站。而火險開關(guān)復(fù)位后，電梯就應(yīng)該回到正常運行模式。在正常操作模式下， 控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是指揮每個電梯上下移動，停止啟動，打開和關(guān)閉電梯 門。但其中也有如下的一些限制因素：每個電梯都有一組9個按鈕放置在轎廂的控制面板上，每一個對應(yīng)一層樓。當(dāng)按鈕被按下時，按鈕就會發(fā)光并且使電梯向相應(yīng)的樓層運動，當(dāng)電梯到 達指定樓層之后，按鈕的光芒就會消失。除了底層和頂層之外，每個樓層的控制面板上都有兩個按鈕。一個按鈕請 求電梯上升，另一個請求電梯下降。按鈕在按下去的狀態(tài)下會發(fā)光。當(dāng)電梯來 到乘客所在樓層時，

7、按鈕的發(fā)光消失，然后朝著期望的方向運行。電梯轎廂的控制面板和樓層的控制面板上的按鈕都是用來控制電梯運行方 向的。電梯不能漏過任何樓層，如果那個樓層有乘客想要出去。電梯不能在沒有乘客要出去的樓層停止直到將所有當(dāng)前方向的乘客送達之前，電梯不能改變方向，并且，當(dāng)電梯 在相反方向運行時，廳門呼梯不能得到響應(yīng)。如果電梯沒有接到任何需求，則停在當(dāng)前層，并保持電梯門關(guān)閉。（2）兩個電梯并聯(lián)運行 在這種情況下，兩個電梯同時為大樓服務(wù)，從早上7點到9點，再從下午5點到7點。 當(dāng)電梯到達某一層，它將測試是否需要停止，當(dāng)必須停止時，電梯則會停在這 一層。與此同時，為了平衡停止的次數(shù)，兩個電梯的操作還將遵循一定的調(diào)度

8、原 則。電梯不會停止在一個已經(jīng)有另一個電梯停著的樓層 正常運行模式的電梯是由電力驅(qū)動系統(tǒng)和邏輯控制系統(tǒng)共同操控的。3軟件設(shè)計由于呼叫時間，呼叫地點，乘客目的地的隨機性質(zhì)，電梯控制系統(tǒng)是一個 典型的實時，隨機邏輯控制系統(tǒng)。在這里，我們采用集選控制方法與西門子PLC S7 - 200 CPU226及其擴展模塊。系統(tǒng)中有46輸入節(jié)點和46個輸出節(jié)點。I / O節(jié)點詳情見表1和表2描述1-8層向上廳門呼梯2-9層向下廳門呼梯1-9層轎廂指令1-9抵達傳感器 電梯門打開按鈕 電梯門關(guān)閉按鈕 電梯門關(guān)閉位置開關(guān)電梯門打開位置開關(guān) 向上調(diào)平傳感器 向下調(diào)平傳感器表1輸入節(jié)點地址I0.0-I0.7I1.0-I

9、1.7I2.0-I2.7, I3.0I3.1-I3.7, I4.0-I14.414.5I4.6I4.7火警開關(guān)I5.0描述1-8層向上廳門呼梯燈Q0.0-Q0.72-9層向下廳門呼梯燈Q1.0-Q1.71-9層轎廂指令燈Q2.0-Q2.7, Q3.0向上運動指示燈Q3.1向下運動指示燈Q3.2電梯位置的7段LED顯示器Q3.3-Q3.7 Q4.0-4.1電梯門正在打開Q4.2電梯門正在關(guān)閉Q4.3向上運動Q4.4向下運動Q4.5滿載燈Q4.6高速運行Q4.7低速運行Q5.0加速Q(mào)5.1減速Q(mào)5.2-Q5.4警告發(fā)聲器Q5.5關(guān)于軟件設(shè)計，我們采用模塊化的方法來寫梯形圖程序

10、。模塊之間的信息 傳輸則依靠PLC的中間寄存器來實現(xiàn)。整個程序主要由10個模塊組成：廳門呼梯登記和顯示模塊，轎廂指令登記 和顯示模塊，信號組合模塊，廳門呼梯取消模塊，電梯位置顯示模塊，樓層選 擇模塊，移動方向控制模塊，電梯門開啟/關(guān)閉模塊，維護操作模塊和并行模式驅(qū)動器操作開關(guān)I5.1電梯門控制面板開關(guān)I5.2超載I5.3被迫速度變化開關(guān)I5.4巴卄十【I5.5表2輸出節(jié)點地址下的調(diào)度模塊。以下是幾個典型模塊的設(shè)計描述：3.1廳門呼梯登記和顯示模塊 在電梯中有兩種呼叫模式：廳門呼梯和轎廂指令。當(dāng)有人按下樓層控制面 板的按鈕，信號就會被登記，相應(yīng)的燈就點亮。這就是廳門呼梯登記。當(dāng)乘客按下電梯轎廂內(nèi)

11、的一個按鈕，信號將被登記，與之相應(yīng)的燈照亮。 這就是轎廂指令登記。圖2顯示了向上廳門呼梯登記和顯示的梯形圖，自鎖原則用來確保呼叫不斷的 顯示。圖 2 向上廳門呼梯登記與顯示3.2呼叫的集選這里使用了集選控制原則。就像圖3中顯示的那樣，M5.1M5.7，M6.0和M6.1是輔助寄存器。它們分別用來表示從一層到九層的停止請求信號。輔助 繼電器6.2指明電梯驅(qū)動器的操作信號。如果在某一層有一個呼叫，相應(yīng)樓層 的停止信號將被輸出。當(dāng)電梯被驅(qū)動器運行時，廳門呼梯將無法實現(xiàn)。電梯無 法漏過乘客要下車的任何一層。3.3呼叫取消 這個模塊使電梯能響應(yīng)與轎廂運動方向相同的廳門呼梯指令，當(dāng)廳門呼梯已經(jīng) 得到響應(yīng)，

12、它的登記將被取消。電梯向上廳門呼梯指令取消的梯形圖如圖4。圖 3 呼梯的組合圖 4 向上呼梯的取消在圖4中，輔助寄存器M4.0是電梯向上運動的標(biāo)志，當(dāng)電梯的當(dāng)前運動是向上，貝U M4.0的觸電是關(guān)閉的，反之則是打開的。M0.1到M0.7分別對應(yīng)2樓到8樓的轎廂停止指令。這個程序由兩個功能：（1）當(dāng)電梯向下運動時，使電梯能響應(yīng)正常的向下廳門呼梯指令。當(dāng)指令 響應(yīng)之后，則取消該指令的登記（2）當(dāng)電梯向上運動時，相應(yīng)樓層向下的廳門呼梯指令不響應(yīng)并保留指令 的登記向下廳門呼梯的取消則與向上的正好相反3.4電梯的方向電梯可能向上或者向下運動，取決于廳門呼梯和轎廂指令，圖5中的梯形 圖是電梯向上運動的情況

13、。圖 5 電梯向上運動圖5表明，當(dāng)呼叫的樓層比當(dāng)前電梯所在樓層高時，電梯將向上運動。輔 助寄存器M4.0被用作電梯向上運動的標(biāo)志。當(dāng)電梯向上運動，向上運動的指示 燈就被點亮。M4.0也就被連接上了。當(dāng)電梯到達頂層時，向上運動的指示燈熄 滅，計時器開始運行。0.2秒之后，M4.0被斷開。向上運動顯示停止。這里M4.0代替了Q3.1,用來確保取消的可靠性。3.5電梯的樓層停止圖6的是電梯樓層停止功能的梯形圖。如圖6,M6.4是樓層停止信號的標(biāo)志,驅(qū)動器傳送樓層停止信號到M6.6, 火警開關(guān)傳送火警信號給M7.0,M6.7顯示速度改變信號。這些接觸器中的任何 一個工作,樓層停止信號就會發(fā)送。4最小等

14、待時間算法在電梯系統(tǒng)中,通常有兩種控制任務(wù),一個是基本的控制功能,用于指揮 電梯上下運動,啟停,電梯門的開合。另一個則是用來控制一組多個電梯。作用于廳門呼梯和轎廂指令的一組控制系統(tǒng)的最主要的需求應(yīng)該包括：對 大樓的每一層都提供同樣的服務(wù)；最小化乘客等待的時間；最小化乘客在電梯 轎廂內(nèi)的時間；在規(guī)定時間內(nèi)為盡可能多的乘客服務(wù)1。圖 6 電梯的樓層停止電梯的組控制有許多種算法,例如最鄰近算法2,這種算法下,電梯總是 在下一步先響應(yīng)最近的要求；分區(qū)算法3通過分析不同樓層的電梯需求情況來 調(diào)度電梯；奇偶算法使一個電梯僅僅為基數(shù)層服務(wù),而另一個則只為偶數(shù)層服 務(wù)。最鄰近算法使相鄰的兩個要求之間電梯的空運

15、行最小。從而得到非常小的 平均等待時間。但個別的等待時間可能非常長。分區(qū)算法通常適用于大樓中流 量非常大的情況下，例如午餐時候的辦公室大樓。相對于辦公樓和購物商場，居民樓的電梯使用人流量是比較小的，而且各 層之間人流比較平均。其次，人們通常認為電梯就是一種純粹的工具，對于他 們中的大部分人來說乘坐電梯時間就是在等待。此外，試圖滿足所有需求也是 不切合實際的。基于以上的原因，我們采用最小等待時間的算法來實現(xiàn)2個電梯的并行運行4。4.1預(yù)估函數(shù) 最小等待時間算法的目的是預(yù)測每個電梯對所有呼叫的響應(yīng)時間。然后選 出響應(yīng)時間最短的電梯來服務(wù)。當(dāng)有一個呼叫需要響應(yīng)時，系統(tǒng)根據(jù)等式(1)，(2)算出每一個

16、電梯的函數(shù)值。J(*)=MinJ(1),J(2),J(n)(1)J(i)=Tr(i)+KTd(i)+KTo(i) i=1,2,.,n(2)J(i)是每個電梯的估算指數(shù)，Tr(i)表明電梯從當(dāng)前層運行到最近呼梯的 目的地的時間。To(i)則是電梯停止時額外的加速和減速的時間。Td(i)指乘 客進入和離開電梯平均所花的時間。K是廳門呼梯和轎廂指令的和。但是廳門 呼梯和轎廂指令對應(yīng)同一樓層，因此只計算一次。4.2最小等待時間的計算在等式2中，K是一個定值，To和Td可以通過統(tǒng)計的方法獲得。Tr =T*L，T表示電梯經(jīng)過一個樓層的平均時間，L表示從當(dāng)前樓層到廳門呼梯樓層 之間的樓層數(shù)。為了計算L的值，

17、我們假設(shè)兩個電梯分別為A和B。X,YB分別表示電梯A和B的當(dāng)前層。當(dāng)廳門呼梯鍵按下，H是一個相應(yīng)的關(guān)鍵值。H=廳門呼梯所在 層的層數(shù)。我們?yōu)镻LC的實現(xiàn)定義四個表：向上廳門呼梯登記表，向下廳門呼梯登記表，轎廂指令登記表A和B,當(dāng)某個呼叫按鈕被按下時，樓層值被記錄在相應(yīng) 的表單中。以電梯A為例，定義變量M, MB和MW。MA和M分別代表電梯A或B相同運動方向的轎廂指令的極值。當(dāng)電梯A向上運動，使M等于轎廂指令登記表A的最大值，當(dāng)電梯A向下 運動時，設(shè)MA為轎廂指令登記表A的最小值。MW代表與A方向相同的廳門呼梯的極值。當(dāng)電梯A向上運動，并且向上的廳門呼梯值大于等于X,貝U MW置0,否則，MW等

18、于向上的廳門呼梯登記表A中的最小值。當(dāng)電梯A向下運動，并且向 上的廳門呼梯值小于等于YA，M置0,否則，MW的值等于向下廳門呼梯登記表A中的最大值。這樣，我們就能根據(jù)YA，H, MA和M來確定L的值了，總共分為三種情況：(1)當(dāng)廳門呼梯的方向與電梯A運動方向相反時：L=|YA-MA|+|MA-H|(3)(2)當(dāng)廳門呼梯的方向與電梯A運動方向相同，并且廳門呼梯先于電梯A發(fā)出指令：L=|YA-H|(4)(3)當(dāng)廳門呼梯的方向與電梯A運動方向相同，并且電梯A先向該方向運 動：L=|YA-MA|+|MA-MW|+|H-MW|(5)這樣，第i層樓的最小等待時間就能按照等式6來計算了：Time(i)=TL

19、(i)+KTd(i)+KTo(i) i=1,2,.,n (6)當(dāng)電梯運行時呼叫改變，系統(tǒng)會計算每個電梯的最小等待時間，然后分配 當(dāng)前的呼叫請求到那個擁有較小值的電梯，如果每個電梯擁有相同的值，則優(yōu) 先分配給A。當(dāng)有一個電梯發(fā)生故障或者不能服務(wù)時，系統(tǒng)將會跳出調(diào)度算法，而進入 單一運行模式。4.3算法的實現(xiàn)與單一電梯的運行模式相比，并行運行模式的區(qū)別主要在于對廳門呼梯的 處理方法。前者使用集選控制方法，后者使用調(diào)度原則與集選控制方法相結(jié)合 的方式。這個系統(tǒng)要控制一幢九層大樓，所以我們選擇兩個Siemens S7-200 PLC(CPU226以及它的擴展模塊去分別控制一個電梯，并使用PPI協(xié)議來實

20、現(xiàn)兩個PLC之間的交流。PPI協(xié)議采用主從交流模式，所以我們將A電梯定義為主電梯，B電梯為從 電梯。通過交流程序，兩個PLC能夠交換信息：例如當(dāng)前位置，廳門呼梯還是 轎廂指令，運動方向等等。然后使用最小等待時間算法，使兩部電梯的運行得 到優(yōu)化。圖7為A電梯轎廂指令極值計算的梯形圖在圖7中，VB12仁VB130是電梯A每一層轎廂呼叫的寄存器地址。Q3.1是 電梯向上運動的指示燈。轎廂指令的極值保存在VB12 0中。圖 7 電梯 A 的轎廂指令最大值計算5結(jié)論這篇文章中，我們已經(jīng)通過使用PLC來改進了一個舊的電梯控制系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了兩個電梯的組控制。新的控制系統(tǒng)已經(jīng)使用一年，它的操作方案如 下：(

21、1)低峰時從早上7點到9點，這時關(guān)心人們離開大樓(2)高峰時從下午5點到7點，這時關(guān)心人們進入大樓(3)其他從早上6點到晚上12點的所有時間，除了上述兩段時間外，這些時候僅有 一部電梯運行。結(jié)論通過平均等待時間和最大等待時間展現(xiàn)在表3和4中 由于改進之前系統(tǒng)并非并行模式， 因此在高峰期和低谷期的平均等待時間 和最大等待時間都長于改進后的系統(tǒng)。 實踐結(jié)果表明，改進后的系統(tǒng)表現(xiàn)好于 改進之前。參考文獻：1 Ricardo Gudwin, Fernando Gomide, Marcio (1998).“A FuzzyElevator Group Controller With Linear Cont

22、ext Adaptation”. IEEE World Congresson Computational Intelligence. Vol. 12, No. 5, pp.481-486.2Philipp Friese, Jorg Rambau (2006).“Online-optimizationofmulti-elevator transport systems with reoptimization algorithms basedon set-partitioning models”. Discrete Applied Mathematics .No. 154,pp.1908-1931

23、.3 Zheng Yanjun, Zhang Huiqiao, Ye Qingtai, Zhu Changming. (2001).“The Research on Elevator Dynamic Zoning Algorithm and Its GeneticEvolution”. Computer Engineering and Applications, No. 22, pp.58-61.4 Xiaodo ng Zhu, Qin gshan Zeng (2006).“A Elevator Group Con trolAlgorithm for Minimum Waiting Time

24、Based On PLC”. Journal ofHoisting and Conveying Machiner, No. 6, pp.38-40版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計等在網(wǎng)上搜集整理。版權(quán)為潘宏亮個人所有This article includes some parts, including text,pictures, and desig n. Copyright is Pan Hon glia ngs pers onalown ership.用戶可將本文的內(nèi)容或服務(wù)用于個人學(xué)習(xí)、研究或欣賞，以及其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時應(yīng)遵守著作權(quán)法及其他相關(guān)法律的規(guī)定，不得侵犯本網(wǎng)站及相關(guān)權(quán)利人的合法權(quán)利。除此以 外，將本文任何內(nèi)容或服務(wù)用于其他用途時，須征得本人及相關(guān)權(quán) 利人的書面許可，并支付報酬。Users may use the contents or services of thisarticle for pers onal study, research or appreciat