基于PLC和模糊控制的電梯智能控制系統(tǒng)研究

孫景衛(wèi)

（東南大學(xué) 附屬中大醫(yī)院 后勤處，南京 210009）

1 電梯智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的硬件組成

1.1.1 變頻器

主要通過PLC 控制程序及旋轉(zhuǎn)編碼器檢測電梯的位置信號和速度信號，控制曳引機(jī)的力矩，實(shí)現(xiàn)電梯的變頻調(diào)速功能。它能非常有效地控制好電梯的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，增強(qiáng)電梯的舒適感，順暢快慢車的切換[1]。

1.1.2 PLC 控制器

主要有以下幾種形式：松下PLC控制器、三菱PLC 控制器以及 LG 牌PLC 控制器，其中以三菱PLC 控制器為主。PLC 控制器與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過開關(guān)信號的輸入和輸出、串行通訊裝備及變頻調(diào)速控制曳引機(jī)的運(yùn)行，有效的控制電梯的上/ 下運(yùn)行，是控制系統(tǒng)中的主要核心部件[2]。

1.1.3 串行通訊裝置

它通過PLC 控制器與串行通訊線通訊，節(jié)省了以往采用的繼電器控制系統(tǒng)中大量的接線等，從而使系統(tǒng)更加簡便、實(shí)用。在工程檢查維修過程中，也能節(jié)約大量的人力，物力，加快檢測速度。串行通訊裝置具體包括轎內(nèi)通訊、廳外通訊、和門機(jī)信號等。

1.1.4 旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器把電機(jī)速度反饋的信號，轉(zhuǎn)化成脈沖信號，再輸入變頻器及PLC 控制器，如果信號等同，變頻器則輸出一定的力矩給電機(jī)設(shè)備，電機(jī)設(shè)備則以更加精確的力矩拖動電梯，從而使電梯更加高效地運(yùn)行；如果信號有差異，PLC 控制器則會發(fā)出報警信號，封鎖電梯輸出，直至故障排除，電梯恢復(fù)正常。

1.1.5 開關(guān)信號輸入輸出回路

開關(guān)信號主要有以下幾種：減速開關(guān)信號、安全回路信號、廳轎門信號等。通過PLC 控制器運(yùn)用內(nèi)部的程序，輸入開關(guān)信號，有效地控制輸出信號，使開關(guān)輸入的信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動輸出的信號，從而正確判斷電梯是否安全，假若安全，正常運(yùn)行；不安全，停止運(yùn)行，以達(dá)到電梯智能的效果[3]。

1.2 系統(tǒng)的軟件研究

電梯在每一層均設(shè)有電梯升降指示燈，而且每一層的內(nèi)外部設(shè)有召喚按鈕，用于選擇到達(dá)的樓層以及開關(guān)。電梯的門由廳門和轎廂門兩部分組成，其中轎廂門是由專用的電動設(shè)備拖動，并帶動廳門的開關(guān)。電梯啟動時首先進(jìn)行工作方式選擇，正常運(yùn)行時，遵循就近?？俊⑥I內(nèi)指令優(yōu)先、順向截車的原則。到層指示依據(jù)樓層計(jì)數(shù)器對PG卡產(chǎn)生的脈沖數(shù)值進(jìn)行累加，通過累計(jì)值與樓層計(jì)數(shù)器所對應(yīng)的脈沖數(shù)值進(jìn)行實(shí)時對比，等同時即發(fā)送樓層計(jì)數(shù)信號，向上運(yùn)行加1，向下運(yùn)行減1，如此反映電梯當(dāng)前位置。

電梯的控制系統(tǒng)不僅要滿足多控制、多位置的要求，還要在接收用戶信號時，能夠處理各種離散信號。

按照電梯的循環(huán)動作流程：選層→自動定向→啟動→加速→快慢速自動切換→平層→停車→開門→關(guān)門。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2 PLC在電梯智能控制系統(tǒng)中的作用

可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）具備了代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時等功能。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，該裝置除了具有邏輯控制功能，還增加了數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)、通信等功能。目前，電梯的控制方式主要包括PLC控制、繼電器控制和微型計(jì)算機(jī)控制三種。PLC 實(shí)際上是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計(jì)算機(jī)，與普通微機(jī)一樣，以通用和專用CPU作為字處理器，實(shí)現(xiàn)通道的運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲。PLC依靠程序運(yùn)行，采用巡回掃描的方式分時處理各項(xiàng)任務(wù)，這就保證了只有通過正確的程序，電梯才能運(yùn)行，反之亦然；又由于PLC中的內(nèi)部輔助繼電器無線圈無觸點(diǎn)，使用次數(shù)不受限制，因此，它比傳統(tǒng)的繼電器控制有著無可比擬的優(yōu)越性，運(yùn)行壽命更長，自動化水平更高，更適用于電梯的技術(shù)改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，成為現(xiàn)代高層建筑電梯控制系統(tǒng)的主流。

2.1 PLC具有極高的可靠性和安全性

PLC采用極其嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，使用了大規(guī)模的集成電路技術(shù)設(shè)計(jì)，內(nèi)部電路更是采取了高新的抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)，因此具有極高的可靠性，安全性。例如：三菱公司制造的F系列PLC，平均無故障時間（BTMF）達(dá)到了30-50萬/小時。從PLC的機(jī)外電路上看，采用PLC設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，與同規(guī)模的繼電接觸器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)相比，其電氣接線以及開關(guān)接點(diǎn)前者不到后者的數(shù)百甚至數(shù)千分之一，因此大大降低了故障的發(fā)生率。PLC還采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大大減少。與此同時，在硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，對存儲器內(nèi)容的保護(hù)，采用可靠性的元件等。另外，PLC的硬件具備故障自我檢測功能，因此，發(fā)生故障時能及時發(fā)出警報信息。在設(shè)計(jì)軟件時，設(shè)計(jì)者還可以編入外圍部件的故障自我診斷程序，可以使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也能具備故障自診斷檢測保護(hù)功能。

2.2 PLC具有方便靈活的特性

1）擴(kuò)展的靈活性：它可以通過應(yīng)用的規(guī)模進(jìn)行應(yīng)用范圍、容量及功能的擴(kuò)展，也可以根據(jù)與集散控制系統(tǒng)(DCS)或其他上位機(jī)的通信來擴(kuò)展功能，并與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

2）編程的靈活性：PLC 編程大多采用與實(shí)際電路相當(dāng)類似的梯形圖，對廣大電氣技術(shù)人員來說易于掌握，易于接受。這種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程方式，比普通的計(jì)算機(jī)語言更易理解，故梯形圖被稱為面向“藍(lán)領(lǐng)的編程語言”，PLC 也被稱為“藍(lán)領(lǐng)計(jì)算機(jī)”。

2.3 PLC具有易操作的特性

PLC 的操作有兩種：即程序輸入和程序更改。程序的輸入可以直接顯示；程序的更改，可以直接根據(jù)所需要的地址編號或接點(diǎn)號進(jìn)行搜索或順序?qū)ふ?，然后再進(jìn)行更改。目前，大多數(shù)PLC仍沿用了繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。 既考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平，又繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，因而十分容易理解和掌握。梯形圖和繼電器控制電路圖原理相似，都是用PLC的少量開關(guān)量的邏輯控制指令來實(shí)現(xiàn)繼電器電路的控制功能。通過短期培訓(xùn)或閱讀PLC的用戶手冊，電氣技術(shù)人員很快就能學(xué)會如何使用梯形圖編制控制程序。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，PLC在執(zhí)行梯形圖程序時，需用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行，執(zhí)行梯形圖程序的時間比較長一些，但對于多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，完全可以滿足控制要求。

2.4 PLC具有極強(qiáng)的抗干擾性

1）軟件方面：PLC 的監(jiān)控定時器可適用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運(yùn)算處理器的延遲，避免在程序調(diào)試和程序出錯時，因程序錯誤而導(dǎo)致死循環(huán)；當(dāng) CPU、輸入/輸出接口、通信、電池等有異常時，PLC 的自診斷功能可以檢測到這些問題，并采取相關(guān)的措施，防止故障擴(kuò)大化；當(dāng)停電時，后備電池仍能正常工作。

2）硬件方面：在設(shè)計(jì)中采用了濾波器等電路增強(qiáng) PLC 對電源波動、電噪聲、電磁波、振動等的干擾，確保 PLC 在高溫、高濕的工業(yè)環(huán)境下能穩(wěn)定地工作；在輸入/輸出(I/O)通道采取光電隔離，有效抑制外部干擾源對 PLC 的影響；運(yùn)用具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料對中央處理器（CPU)等重要部件進(jìn)行屏蔽，以減少電磁干擾[4]。

目前我國大部分城市的中小型電梯系統(tǒng)都采用可編程控制器（PLC）控制，用PLC 控制可以降低控制系統(tǒng)的成本，而且可編程控制器（PLC）編程簡單，擴(kuò)展性強(qiáng)，配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)，維護(hù)方便，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。

3 模糊控制在電梯智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

模糊控制（Fuzzy Control）是目前自動控制系統(tǒng)的研究中比較成功的領(lǐng)域之一。模糊控制是一種基于規(guī)則的智能控制模式，它無需依賴被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，尤其適用于具有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)、參數(shù)的時變性、多輸入/多輸出的強(qiáng)耦合性、嚴(yán)重非線性或過程的控制，且魯棒性高，控制方法簡單。模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器，輸入、輸出接口，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控對象和測量裝備五部分組成[5]。電梯交通系統(tǒng)是一個具有不確定的、非線性的、多輸入、多輸出的系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含很多模糊的、不明確的信息，這些模糊信息都需要采用模糊集來詮釋。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于電梯中，可使控制器的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的目的。同時，在帶模糊邏輯的電梯群控系統(tǒng)中，平均候梯時間減少10% 20%，超過1min 的長侯梯率減少20% 30%，效果明顯高于常規(guī)電梯的群控系統(tǒng)。模糊控制技術(shù)在電梯的群控系統(tǒng)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為以下幾個方面，其模糊控制的流程圖如圖所示：

圖3 模糊控制流程圖

3.1 模糊推理

這是模糊控制的核心部分，它具備模擬人腦的模糊推理能力。模糊推理的流程是根據(jù)模糊邏輯中的包含的關(guān)系和推理規(guī)則來運(yùn)行的，主要是使用專家設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理后選出響應(yīng)層樓層呼梯信號的最佳轎廂位置。

3.2 模糊化

把輸入信號映射到相應(yīng)區(qū)域的一個具體位置后，再將它轉(zhuǎn)換為該區(qū)域中的一個模糊子集，也就是把輸入的精確量轉(zhuǎn)換為模糊量。

3.3 知識庫

知識庫一般由模糊規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。它包含了控制系統(tǒng)中所要求的目標(biāo)和相關(guān)知識，其中數(shù)據(jù)庫包含了各種語言變量的隸屬函數(shù)，模糊空間的分級數(shù)，尺度變換因子和等信息；規(guī)則庫則包含了用模糊語言變量設(shè)計(jì)的一系列控制規(guī)則，他們凝聚了控制專家專業(yè)的知識和豐富的經(jīng)驗(yàn)。

3.4 清晰化

清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）轉(zhuǎn)化為實(shí)際的可作用于被控對象的精確量。如監(jiān)視系統(tǒng)中對圖像解析和處理中使用模糊技術(shù)來確定乘客人數(shù)；根據(jù)客流密度、進(jìn)出人數(shù)、層間客流情況進(jìn)行交通模式識別；根據(jù)轎廂底部重量傳感器所示重量， 使用模糊技術(shù)確定轎廂內(nèi)乘客人數(shù)[6]。

3.5 模糊預(yù)測

對電梯的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。采用各種模型建模（參數(shù)和非參數(shù)模型），從而適應(yīng)電梯系統(tǒng)的復(fù)雜模型；并且采用滾動策略，在局部優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對全局的優(yōu)化策略。同時，利用反饋校正，解決電梯系統(tǒng)干擾等不確定因素。

3.6 與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合組成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦結(jié)構(gòu)的思維功能，具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和聯(lián)想功能，對專家知識的利用率低，精度較高，人工干預(yù)少。但缺點(diǎn)是它不能及時處理和描述模糊信息，不具有可解釋性，同時它對樣本的要求較高。而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是具有模糊權(quán)系數(shù)或者輸入信號是模糊量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊系統(tǒng)相對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，具有對樣本的要求較低、推理過程容易理解、專家知識利用較好等優(yōu)點(diǎn)，但棘手的是它無法自動生成和調(diào)整隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則。將二者有機(jī)地相結(jié)合，可以起到互補(bǔ)的效果。

4 結(jié)論

常規(guī)自動控制系統(tǒng)中，傳感器與執(zhí)行器是獨(dú)立接線，多個傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成系統(tǒng)需要大量導(dǎo)線，把基于PLC和模糊控制的電梯智能控制系統(tǒng)應(yīng)用到測控系統(tǒng)中，能節(jié)省大量導(dǎo)線，可提高系統(tǒng)可靠性。因此十分適合中小企業(yè)進(jìn)行自主開發(fā)，無須大投入，就可使電梯產(chǎn)品上檔次，跟上國際大趨勢，在激烈的市場競爭中處于有利地位。

[1] 陳美謙. 基于PLC/MCGS 的電梯系統(tǒng)研究[M]. 廈門: 廈門大學(xué), 2007.

[2] 馬馨宏.基于PLC 的交流貨梯控制[M].長春:吉林大學(xué), 2004.

[3] 朱昌明, 洪治育, 張惠僑. 電梯與自動扶梯——原理、設(shè)計(jì)、安裝、測試[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1995.

[4] 周萬珍, 高鴻彬. PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

[5] 張延琪.電工視圖自學(xué)通[M].北京:中國電力出版社, 2005.

[6] 張漢杰. 現(xiàn)代電梯控制技術(shù)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1996.