基于PLC與DDC的智能電梯雙核控制系統(tǒng)模型設(shè)計

張佑春，張公永，仲濟艷，朱 煉

(1. 安徽工商職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用工程學(xué)院，安徽 合肥 231131；2. 濱州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256600)

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市高層建筑物越來越多，電梯作為高層建筑交通運行工具，其自身的安全穩(wěn)定性具有舉足輕重的地位.近年來，發(fā)生諸如轎廂沖頂、墜底、門鎖故障等電梯安全事故較為頻繁.在多起事故當(dāng)中，電氣控制系統(tǒng)故障占據(jù)了較多的比例，因此如何提高電梯運行安全性，降低事故發(fā)生概率，設(shè)計一種具有多核控制的電梯控制系統(tǒng)具有十分重要的意義.

近年來，學(xué)者們不斷探索.在電梯控制器選型上，一部分學(xué)者選用單片機作為控制器，有效解決了轎廂運行顯示控制功能需求，結(jié)合CAN總線技術(shù)，便于實現(xiàn)各部件間的相互通信[1-5].還有較多學(xué)者選用工作穩(wěn)定、編程簡便的PLC作為電梯控制器，易于實現(xiàn)轎廂上下行、開關(guān)門控制，輔以變頻器對曳引機進行多段速控制，有效提升了乘梯安全性與舒適性[6-10].在電梯群控研究中，郎曼[11]、汪旭東[12]、張文樂[13]等分別就電梯群控節(jié)能、直驅(qū)多轎廂群控、多目標(biāo)群控等派梯策略進行分析研究，一定程度上為電梯智能算法設(shè)計與實現(xiàn)提供了寶貴思路.

本文以西門子S7-200 PLC控制器和海灣HW-BA5201 DDC(Direct Digital Controler，直接數(shù)字控制器)為主要控制核心，輔以西門子G120變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速.以LonMaker、STEP 7、ForceControl等軟件為平臺，開發(fā)了電梯實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電梯的雙核控制.其中PLC和變頻器的實時性和穩(wěn)定性保證了電梯在工業(yè)現(xiàn)場的安全穩(wěn)定運行，引入LonWorks總線結(jié)構(gòu)的DDC控制器，實現(xiàn)了對電梯運行的遠程監(jiān)控，從而進一步提高了電梯系統(tǒng)運行的安全性能.

1 系統(tǒng)整體原理框圖設(shè)計

利用PLC和變頻器實時性和穩(wěn)定性的特點用于控制電梯的實際運行，利用LON總線便于系統(tǒng)集成的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，使用LON總線式DDC監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)，將電梯的運行狀態(tài)通過Lonworks總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，使用裝有組態(tài)軟件的上位機系統(tǒng)監(jiān)控LON總線上的數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)電梯狀態(tài)的遠程監(jiān)控和管理.最終可以實現(xiàn)監(jiān)視電梯的開關(guān)門、上下行、樓層顯示以及控制電梯開關(guān)門，上下行，消防迫降及電梯急停等功能.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

2 電梯控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 輸入輸出地址分配

S7-200 PLC電梯控制系統(tǒng) I/O分配如表1所示，輸入I0.0～I0.7、I1.0～1.5分別對應(yīng)開門按鈕、關(guān)門按鈕、內(nèi)呼1～5層、外呼1～5層上下等；輸出Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.3分別對應(yīng)上下行、開關(guān)門、1～5層上下指示等.由于CPU模塊自帶I/O口數(shù)量限制，可通過安裝擴展SM模塊，滿足輸入輸出變量狀態(tài)監(jiān)測.

表1 S7-200 PLC I/O分配

2.2 電梯控制系統(tǒng)流程

根據(jù)系統(tǒng)控制要求設(shè)計電梯系統(tǒng)程序流程，如圖2所示.控制系統(tǒng)上電后先進行參數(shù)初始化，包括井道信息系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、存儲器復(fù)位等；初始化過后便是用戶信號輸入和系統(tǒng)狀態(tài)確認.首先判斷電梯是否在開門，若是，進入開關(guān)門程序段執(zhí)行，相反判斷有無上行呼梯信號和下行呼梯信號；再判斷是否在上下行狀態(tài)，若是，則進入上下行程序段執(zhí)行.

2.3 轎廂開關(guān)門程序設(shè)計

垂直電梯門系統(tǒng)一般由層門、轎廂門、門機系統(tǒng)等組成，其中層門由轎門帶動，屬于被動門；轎廂門由自動門機控制，屬于主動門，大多數(shù)電梯門都是由轎廂門的開啟或關(guān)閉來帶動層門的開啟或關(guān)閉.轎廂門的邏輯控制內(nèi)容有：門機系統(tǒng)電氣聯(lián)鎖、手動/自動開關(guān)門、呼梯開門、關(guān)門途中重新開門、超載開門、檢修開關(guān)門、停運關(guān)門等.正常運行時的轎廂開關(guān)門控制流程如圖3所示，電梯控制系統(tǒng)得電時，開關(guān)門程序進入初始化，隨后若有內(nèi)外呼信號，則執(zhí)行關(guān)門程序，關(guān)門到位后，轎廂開始上下行，通過變頻器可以設(shè)置多種運行速度，等到達指定樓層且確認平層后，執(zhí)行開門程序，電梯暫停，待下次出現(xiàn)內(nèi)外呼梯信號，系統(tǒng)再循環(huán)往復(fù).

圖2 電梯控制系統(tǒng)流程

圖3 轎廂開關(guān)門流程

2.4 上下行程序設(shè)計

電梯上下行流程如圖4所示，當(dāng)控制系統(tǒng)得電，控制器開始判斷電梯是否?？吭?層，如果此時電梯正好在1層，可先判斷系統(tǒng)是否有2～5層的上呼信號，如果有上呼，那么系統(tǒng)會讓電梯上行；反之，電梯處于停止?fàn)顟B(tài).如果系統(tǒng)得電時電梯并不在1層，可先判斷電梯是否在2層，如果在，再判斷此時1層是否有呼叫，如有電梯下行，如沒有接著判斷3～5層是否有上呼信號，如有電梯上行，反之電梯處于停止?fàn)顟B(tài).如果系統(tǒng)得電時電梯在3、4層，類似判斷.如果系統(tǒng)得電時電梯在5層，可先判斷此時1～4層是否有呼叫，如有電梯下行，如沒有電梯處于停止?fàn)顟B(tài).

圖4 電梯上下行流程

3 系統(tǒng)仿真運行

3.1 參數(shù)配置

運用LonMaker軟件設(shè)計的下位機BA 5201DDC監(jiān)控界面如圖5所示，下方對應(yīng)2個設(shè)備，即Lon網(wǎng)絡(luò)接口卡及5201控制器，上方為所用控制器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)變量，如表2所示.其中di1～ di7為DDC控制器8個輸入變量，分別對應(yīng)下行、上行、轎廂門、層門、電梯運行或檢修狀態(tài)、樓層顯示譯碼等；do1～ do5為DDC控制器5個輸出變量，分別對應(yīng)開門、關(guān)門、上行、下行和急停按鈕.

圖5 電梯下位機監(jiān)控界面

表2 BA5201DDC變量

運用ForceControl力控組態(tài)軟件，設(shè)計的電梯上位機監(jiān)控界面如圖6所示，圖中包含多層電梯控制模型，通過組態(tài)界面可以實時顯示當(dāng)前電梯運行狀態(tài)、轎廂所在樓層、內(nèi)呼與外呼顯示、開關(guān)門狀態(tài)、運行/檢修模式切換等.

圖6 電梯上位機監(jiān)控界面

3.2 運行測試

針對電梯模型進行的性能測試，主要是指測試控制系統(tǒng)在處理電梯內(nèi)呼和外呼指令時的響應(yīng)性能，即計算電梯內(nèi)外呼指令的發(fā)送時間與控制系統(tǒng)的返回時間的差值，從而判斷電梯控制系統(tǒng)性能達標(biāo)與否.

表3 電梯內(nèi)外呼性能測試結(jié)果

4 結(jié)語

單一PLC電梯控制系統(tǒng)，雖結(jié)構(gòu)較為簡單、維護成本低，但監(jiān)控起來并不直觀，采用DDC和PLC雙核控制系統(tǒng)方案，具有全程運行監(jiān)控和多重安全保障等諸多優(yōu)點；利用Lon總線可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可視畫面實時顯示電梯主要運行狀態(tài).仿真運行試驗表明，電梯控制系統(tǒng)運行實時性較好、可靠性高.由于篇幅限制，本次暫未討論群控電梯設(shè)計.