基于PLC与DDC的智能电梯双核控制系统模型设计

张佑春，张公永，仲济艳，朱 炼

(1. 安徽工商职业学院 应用工程学院，安徽 合肥 231131；2. 滨州学院 电气工程学院，山东 滨州 256600)

随着社会经济的飞速发展，城市高层建筑物越来越多，电梯作为高层建筑交通运行工具，其自身的安全稳定性具有举足轻重的地位.近年来，发生诸如轿厢冲顶、坠底、门锁故障等电梯安全事故较为频繁.在多起事故当中，电气控制系统故障占据了较多的比例，因此如何提高电梯运行安全性，降低事故发生概率，设计一种具有多核控制的电梯控制系统具有十分重要的意义.

近年来，学者们不断探索.在电梯控制器选型上，一部分学者选用单片机作为控制器，有效解决了轿厢运行显示控制功能需求，结合CAN总线技术，便于实现各部件间的相互通信[1-5].还有较多学者选用工作稳定、编程简便的PLC作为电梯控制器，易于实现轿厢上下行、开关门控制，辅以变频器对曳引机进行多段速控制，有效提升了乘梯安全性与舒适性[6-10].在电梯群控研究中，郎曼[11]、汪旭东[12]、张文乐[13]等分别就电梯群控节能、直驱多轿厢群控、多目标群控等派梯策略进行分析研究，一定程度上为电梯智能算法设计与实现提供了宝贵思路.

本文以西门子S7-200 PLC控制器和海湾HW-BA5201 DDC(Direct Digital Controler，直接数字控制器)为主要控制核心，辅以西门子G120变频器实现变频调速.以LonMaker、STEP 7、ForceControl等软件为平台，开发了电梯实时监控系统，实现了对电梯的双核控制.其中PLC和变频器的实时性和稳定性保证了电梯在工业现场的安全稳定运行，引入LonWorks总线结构的DDC控制器，实现了对电梯运行的远程监控，从而进一步提高了电梯系统运行的安全性能.

1 系统整体原理框图设计

利用PLC和变频器实时性和稳定性的特点用于控制电梯的实际运行，利用LON总线便于系统集成的网络优势，使用LON总线式DDC监控电梯的运行状态，将电梯的运行状态通过Lonworks总线实现数据的远程传输，使用装有组态软件的上位机系统监控LON总线上的数据信息，从而实现电梯状态的远程监控和管理.最终可以实现监视电梯的开关门、上下行、楼层显示以及控制电梯开关门，上下行，消防迫降及电梯急停等功能.系统结构如图1所示.

图1 系统硬件原理框图

2 电梯控制系统软件设计

2.1 输入输出地址分配

S7-200 PLC电梯控制系统 I/O分配如表1所示，输入I0.0～I0.7、I1.0～1.5分别对应开门按钮、关门按钮、内呼1～5层、外呼1～5层上下等；输出Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.3分别对应上下行、开关门、1～5层上下指示等.由于CPU模块自带I/O口数量限制，可通过安装扩展SM模块，满足输入输出变量状态监测.

表1 S7-200 PLC I/O分配

2.2 电梯控制系统流程

根据系统控制要求设计电梯系统程序流程，如图2所示.控制系统上电后先进行参数初始化，包括井道信息系统自学习、存储器复位等；初始化过后便是用户信号输入和系统状态确认.首先判断电梯是否在开门，若是，进入开关门程序段执行，相反判断有无上行呼梯信号和下行呼梯信号；再判断是否在上下行状态，若是，则进入上下行程序段执行.

2.3 轿厢开关门程序设计

垂直电梯门系统一般由层门、轿厢门、门机系统等组成，其中层门由轿门带动，属于被动门；轿厢门由自动门机控制，属于主动门，大多数电梯门都是由轿厢门的开启或关闭来带动层门的开启或关闭.轿厢门的逻辑控制内容有：门机系统电气联锁、手动/自动开关门、呼梯开门、关门途中重新开门、超载开门、检修开关门、停运关门等.正常运行时的轿厢开关门控制流程如图3所示，电梯控制系统得电时，开关门程序进入初始化，随后若有内外呼信号，则执行关门程序，关门到位后，轿厢开始上下行，通过变频器可以设置多种运行速度，等到达指定楼层且确认平层后，执行开门程序，电梯暂停，待下次出现内外呼梯信号，系统再循环往复.

图2 电梯控制系统流程

图3 轿厢开关门流程

2.4 上下行程序设计

电梯上下行流程如图4所示，当控制系统得电，控制器开始判断电梯是否停靠在1层，如果此时电梯正好在1层，可先判断系统是否有2～5层的上呼信号，如果有上呼，那么系统会让电梯上行；反之，电梯处于停止状态.如果系统得电时电梯并不在1层，可先判断电梯是否在2层，如果在，再判断此时1层是否有呼叫，如有电梯下行，如没有接着判断3～5层是否有上呼信号，如有电梯上行，反之电梯处于停止状态.如果系统得电时电梯在3、4层，类似判断.如果系统得电时电梯在5层，可先判断此时1～4层是否有呼叫，如有电梯下行，如没有电梯处于停止状态.

图4 电梯上下行流程

3 系统仿真运行

3.1 参数配置

运用LonMaker软件设计的下位机BA 5201DDC监控界面如图5所示，下方对应2个设备，即Lon网络接口卡及5201控制器，上方为所用控制器内部网络变量，如表2所示.其中di1～ di7为DDC控制器8个输入变量，分别对应下行、上行、轿厢门、层门、电梯运行或检修状态、楼层显示译码等；do1～ do5为DDC控制器5个输出变量，分别对应开门、关门、上行、下行和急停按钮.

图5 电梯下位机监控界面

表2 BA5201DDC变量

运用ForceControl力控组态软件，设计的电梯上位机监控界面如图6所示，图中包含多层电梯控制模型，通过组态界面可以实时显示当前电梯运行状态、轿厢所在楼层、内呼与外呼显示、开关门状态、运行/检修模式切换等.

图6 电梯上位机监控界面

3.2 运行测试

针对电梯模型进行的性能测试，主要是指测试控制系统在处理电梯内呼和外呼指令时的响应性能，即计算电梯内外呼指令的发送时间与控制系统的返回时间的差值，从而判断电梯控制系统性能达标与否.

表3 电梯内外呼性能测试结果

4 结语

单一PLC电梯控制系统，虽结构较为简单、维护成本低，但监控起来并不直观，采用DDC和PLC双核控制系统方案，具有全程运行监控和多重安全保障等诸多优点；利用Lon总线可简化系统结构，可视画面实时显示电梯主要运行状态.仿真运行试验表明，电梯控制系统运行实时性较好、可靠性高.由于篇幅限制，本次暂未讨论群控电梯设计.