基于FSM的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周正林，袁 寧

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于FSM的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周正林，袁 寧

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，鱗次櫛比的高層建筑對電梯的需求量激增。電梯作為高層樓宇中垂直運(yùn)輸人和貨物的機(jī)電設(shè)備，安全快捷運(yùn)行是極其重要的任務(wù)。建立基于有限狀態(tài)機(jī)的雙梯并聯(lián)控制模型，利用Verilog_HDL語言對雙梯控制、信號請求、狀態(tài)顯示等3個(gè)模塊進(jìn)行軟件編程，通過編譯和仿真，證明達(dá)到電梯的安全快捷的要求。由于采用CPLD器件，使得開發(fā)周期縮短、成本降低、設(shè)計(jì)方便，極大地提高電梯運(yùn)行的效率和可靠性。

雙電梯；并聯(lián)調(diào)度；CPLD；狀態(tài)機(jī)；模塊

早期的電梯運(yùn)行控制電路由繼電器件組成。而繼電接觸器本身故障率高，可靠性與安全性較差，故目前基本不用。另一種主流方式采用PLC器件實(shí)現(xiàn)信號控制。PLC具有程序設(shè)計(jì)靈活、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，所以，它的應(yīng)用很廣泛[1]。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD的出現(xiàn)，由于其開發(fā)周期短、成本低的優(yōu)勢，逐漸取代了PLC。建筑物內(nèi)的電梯往往是多梯，這給工程師們提出了如何對多梯實(shí)現(xiàn)并聯(lián)控制的問題[1]。

1 控制方案選擇

電梯控制有內(nèi)箱請求、層層單停和方向優(yōu)先等3種方式。

1)內(nèi)箱請求優(yōu)先控制方式。這是一種類似于出租車的工作方式，先將車上的人送至目的地后再去載客。2)層層單?？刂品绞?。它如同火車的運(yùn)行，到站即停，同時(shí)開關(guān)門。3)方向優(yōu)先控制方式。它是指電梯運(yùn)行到某一樓層時(shí)先考慮這一樓層是否有請求信號，有則停；無則繼續(xù)運(yùn)行。停下后重新啟動時(shí)需要考慮兩點(diǎn)：首先考查該樓層上方是否存在請求信號，有則上行接人，否則繼續(xù)保持。然后考慮該樓層下方是否有請求信號，有則下行接人，無則繼續(xù)維持原狀態(tài)。如果該樓層上下方都有信號輸入時(shí)，優(yōu)先響應(yīng)上行方向的輸入請求，然后響應(yīng)下行信號。這種運(yùn)行模式下，雙梯對用戶的請求輸入響應(yīng)率最高，且響應(yīng)時(shí)間較短。因此，比較3種方案，選擇基于FSM(Finite State Machine)，即有限狀態(tài)機(jī)的方向優(yōu)先控制方案[2]。

2 控制器設(shè)計(jì)模式

為了保證兩部電梯能夠迅速合理地響應(yīng)輸入信號，提高運(yùn)行效率，節(jié)約能源和時(shí)間，本文采用雙梯并聯(lián)調(diào)度的方式。工作原理為:1)八層雙梯運(yùn)行時(shí)，需要合理響應(yīng)轎廂內(nèi)的請求指令和外部樓層召喚指令，在方向優(yōu)先原則下調(diào)用雙梯的呼叫信號。每個(gè)未執(zhí)行的信號，將被存儲在寄存器內(nèi)，完成動作后清零；2)當(dāng)電梯運(yùn)行經(jīng)過某樓層時(shí)，顯示模塊用數(shù)碼管顯示樓層數(shù)；3)在外呼開關(guān)中，最低層只有向上呼叫按鈕；電梯最高層只有向下呼叫按鈕；其余各層均有上下行按鈕；4)設(shè)有超載及故障報(bào)警的功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，轎廂自動跳轉(zhuǎn)到相鄰樓層的平臺且進(jìn)入開門狀態(tài)，直至故障解除；5)電梯控制系統(tǒng)能自行判定運(yùn)行方向，譬如某一時(shí)刻有上行與下行輸入信號時(shí)，電梯會在響應(yīng)完同一方向的指令后，響應(yīng)另一方向的指令信號；6)如果當(dāng)前轎廂指令和外呼指令都不存在時(shí)，電梯會在設(shè)定時(shí)間內(nèi)自行關(guān)閉電梯和轎廂內(nèi)照明，重新處于等待狀態(tài)[2]。

3 軟件設(shè)計(jì)編程

本文的程序設(shè)計(jì)由雙梯控制模塊、信號請求模塊、狀態(tài)顯示模塊等3部分組成。以雙梯定向運(yùn)行的編程為例說明如下。

3.1 雙梯定向運(yùn)行條件

編程中采用優(yōu)先編碼的原則，運(yùn)用兩個(gè)狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)雙路八梯并聯(lián)控制。在電梯向上運(yùn)行的過程中，如果存在響應(yīng)沖突，那由低到高依次響應(yīng)各樓層的請求信號。電梯運(yùn)行中，時(shí)刻檢測內(nèi)外的請求信號，根據(jù)方向優(yōu)先原則，首先響應(yīng)同方向的輸入信號，然后再響應(yīng)反方向的輸入信號。優(yōu)先編碼器的設(shè)計(jì)與兩電梯的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，且一個(gè)狀態(tài)機(jī)的輸出作為另一個(gè)狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換條件。圖1是A梯上行邏輯圖，說明B梯是如何影響A梯上行的。

在圖1中A梯上行接人時(shí)需要滿足的條件具體分為3種情況：1)A梯當(dāng)前所在樓層以上有輸入信號；2)當(dāng)前B梯不在上升狀態(tài)；3)B梯在上升狀態(tài)且此刻B梯在輸入信號樓層以下。通過邏輯門電路將3種情況統(tǒng)一考慮，實(shí)現(xiàn)A梯的上行。且NOWafloor_s_ra表示B梯當(dāng)前所在的樓層大于A梯外部請求優(yōu)先執(zhí)行的信號所在樓層；floor_ra!=0為A梯樓層信號寄存器不清零，表示該樓層請求信號等待執(zhí)行。

圖2是A梯上行示意圖。圖2(a)所示，人在六層，A轎廂上行到二層，B轎廂下行到四層，則A梯上行；圖2(b)所示，人在六層，A轎廂上行到二層，B轎廂上行到七層，則A梯上行；圖2(c)所示，人在六層，A轎廂上行到二層，B轎廂上行到一層，則A梯上行。

圖1 A梯上行邏輯

圖2 A梯上行示意圖

3.2 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

本文的雙電梯狀態(tài)控制器是將A梯和B梯看作兩個(gè)狀態(tài)機(jī)來進(jìn)行控制，A梯和B梯的狀態(tài)機(jī)原理相同。分為IDLE初始狀態(tài)、Open_state開門狀態(tài)、Up_state上行狀態(tài)、Down_state下行狀態(tài)、Fast_state加速狀態(tài)、Slow_state減速和Stable_state勻速狀態(tài)等7個(gè)工作狀態(tài)，如圖3所示為A梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，B梯與A梯一樣，本文不再贅述。

4 軟件仿真

篇幅所限，本文僅對A梯上行程序進(jìn)行編譯和仿真，其它模塊同理。當(dāng)A梯上行時(shí)，分B梯處于上升狀態(tài)和下降狀態(tài)。本文選取圖2(a)所處情況對其進(jìn)行編譯仿真，其結(jié)果如圖4所示。

圖3 A梯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

圖4是A梯上行B梯下行時(shí)的仿真圖，圖中左邊的虛線表示A梯的轎廂此時(shí)在二樓時(shí)，人在六樓，此時(shí)B梯處于下降狀態(tài)，到達(dá)四樓，則B梯保持當(dāng)前向下的運(yùn)行狀態(tài)不變， A梯此時(shí)跳轉(zhuǎn)到up_state_a上行狀態(tài)；當(dāng)A梯到達(dá)六樓時(shí),ca為高電平，立即清零此信號，如右邊虛線所示，同時(shí)A梯門打開。

圖4 B下行A上行仿真

5 結(jié)束語

本文介紹了八層雙梯并聯(lián)調(diào)度的工作原理和設(shè)計(jì)方法，在比較幾種設(shè)計(jì)方案后選擇方向優(yōu)先的運(yùn)行方案。將雙電梯看成兩個(gè)狀態(tài)機(jī)來處理，仿真結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期的效果。由于只考慮了雙梯如何并聯(lián)調(diào)度的控制器設(shè)計(jì)，沒有對電梯的加速、減速和勻速運(yùn)行等狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的分析處理，難免會有不足之處，這些都有待于在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步研究。

[1] 鐘志萬，廖常初.基于可編程序控制器和組態(tài)軟件的雙電梯聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[2] 劉劍麗，陳金鷹.基于FPGA的智能電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：成都理工大學(xué)，2014.

[3] 馬志強(qiáng),梁書劍,王文交,等.基于 FPGA 的電梯控制器設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2013(1).

[4] OWYANG K A,BERNICE L.New Design Flows for High Density Programmable Logic Designers.[C] Wescon Conference Record. 1997.

[5] 郭曉春.數(shù)字圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011.

[6] 戴立江.基于EDA技術(shù)的FPGA應(yīng)用研究[D].天津:天津工業(yè)大學(xué),2004.

[7] 秦進(jìn)平,劉海成.數(shù)字電子與EDA技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2013：168-169.

[8] 孫景衛(wèi).基于PLC和模糊控制的電梯智能控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,2011(20).

Design of elevator control system based on FSM

ZHOU Zhenglin,YUAN Ning

(College of Electrical Information Engineering，Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China)

Along with urbanization in our country, the demand of elevator for high-rise buildings increases. The safety and convenient of elevators are extremely important, as the mechanical and electrical equipment for vertical transportation of people and goods in high-rise buildings. This paper establishes a double ladder parallel control model based on finite state machine. To program the function of the double ladder controlling and signal request and status display this paper uses the Verilog_HDL language. Through compiling and simulation, it is proved to achieve the safety and quick lift requirements. Because of the employment of CPLD device in this design, the development cycle is shortened, the cost is reduced, and the convenience of design is improved, as well as the efficiency and reliability of the elevator operation.

dual elevator；parallel dispatching；CPLD; state machine；module

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.06.011

2017-06-09

周正林(1963-)，男，副教授，研究方向：人工智能和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).

TP273

A

1671-4679(2017)06-0052-03

[責(zé)任編輯：郝麗英]