基于PLC和模糊控制的电梯智能控制系统研究

2011-07-07孙景卫

制造业自动化 2011年20期

关键词：梯形图模糊控制继电器

孙景卫

（东南大学附属中大医院后勤处，南京 210009）

1 电梯智能控制系统的结构

1.1 系统的硬件组成

1.1.1 变频器

主要通过PLC 控制程序及旋转编码器检测电梯的位置信号和速度信号，控制曳引机的力矩，实现电梯的变频调速功能。它能非常有效地控制好电梯的运转状况，增强电梯的舒适感，顺畅快慢车的切换[1]。

1.1.2 PLC 控制器

主要有以下几种形式：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 控制器为主。PLC 控制器与变频器进行数据交换，通过开关信号的输入和输出、串行通讯装备及变频调速控制曳引机的运行，有效的控制电梯的上/ 下运行，是控制系统中的主要核心部件[2]。

1.1.3 串行通讯装置

它通过PLC 控制器与串行通讯线通讯，节省了以往采用的继电器控制系统中大量的接线等，从而使系统更加简便、实用。在工程检查维修过程中，也能节约大量的人力，物力，加快检测速度。串行通讯装置具体包括轿内通讯、厅外通讯、和门机信号等。

1.1.4 旋转编码器

旋转编码器把电机速度反馈的信号，转化成脉冲信号，再输入变频器及PLC 控制器，如果信号等同，变频器则输出一定的力矩给电机设备，电机设备则以更加精确的力矩拖动电梯，从而使电梯更加高效地运行；如果信号有差异，PLC 控制器则会发出报警信号，封锁电梯输出，直至故障排除，电梯恢复正常。

1.1.5 开关信号输入输出回路

开关信号主要有以下几种：减速开关信号、安全回路信号、厅轿门信号等。通过PLC 控制器运用内部的程序，输入开关信号，有效地控制输出信号，使开关输入的信号转换成驱动输出的信号，从而正确判断电梯是否安全，假若安全，正常运行；不安全，停止运行，以达到电梯智能的效果[3]。

1.2 系统的软件研究

电梯在每一层均设有电梯升降指示灯，而且每一层的内外部设有召唤按钮，用于选择到达的楼层以及开关。电梯的门由厅门和轿厢门两部分组成，其中轿厢门是由专用的电动设备拖动，并带动厅门的开关。电梯启动时首先进行工作方式选择，正常运行时，遵循就近停靠、轿内指令优先、顺向截车的原则。到层指示依据楼层计数器对PG卡产生的脉冲数值进行累加，通过累计值与楼层计数器所对应的脉冲数值进行实时对比，等同时即发送楼层计数信号，向上运行加1，向下运行减1，如此反映电梯当前位置。

电梯的控制系统不仅要满足多控制、多位置的要求，还要在接收用户信号时，能够处理各种离散信号。

按照电梯的循环动作流程：选层→自动定向→启动→加速→快慢速自动切换→平层→停车→开门→关门。系统的软件流程图如图2所示。

图2 系统软件流程图

2 PLC在电梯智能控制系统中的作用

可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）具备了代替继电器实现逻辑运算、计数、定时等功能。随着经济的发展，该装置除了具有逻辑控制功能，还增加了数据处理、联网、通信等功能。目前，电梯的控制方式主要包括PLC控制、继电器控制和微型计算机控制三种。PLC 实际上是一种用于工业自动化控制的专用计算机，与普通微机一样，以通用和专用CPU作为字处理器，实现通道的运算与数据存储。PLC依靠程序运行，采用巡回扫描的方式分时处理各项任务，这就保证了只有通过正确的程序，电梯才能运行，反之亦然；又由于PLC中的内部辅助继电器无线圈无触点，使用次数不受限制，因此，它比传统的继电器控制有着无可比拟的优越性，运行寿命更长，自动化水平更高，更适用于电梯的技术改造和控制系统的更新换代，成为现代高层建筑电梯控制系统的主流。

2.1 PLC具有极高的可靠性和安全性

PLC采用极其严格的生产工艺制造，使用了大规模的集成电路技术设计，内部电路更是采取了高新的抗干扰技术设计，因此具有极高的可靠性，安全性。例如：三菱公司制造的F系列PLC，平均无故障时间（BTMF）达到了30-50万/小时。从PLC的机外电路上看，采用PLC设计的控制系统，与同规模的继电接触器设计的控制系统相比，其电气接线以及开关接点前者不到后者的数百甚至数千分之一，因此大大降低了故障的发生率。PLC还采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大大减少。与此同时，在硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，对存储器内容的保护，采用可靠性的元件等。另外，PLC的硬件具备故障自我检测功能，因此，发生故障时能及时发出警报信息。在设计软件时，设计者还可以编入外围部件的故障自我诊断程序，可以使系统中除PLC以外的电路及设备也能具备故障自诊断检测保护功能。

2.2 PLC具有方便灵活的特性

1）扩展的灵活性：它可以通过应用的规模进行应用范围、容量及功能的扩展，也可以根据与集散控制系统(DCS)或其他上位机的通信来扩展功能，并与外围设备进行数据的交换。

2）编程的灵活性：PLC 编程大多采用与实际电路相当类似的梯形图，对广大电气技术人员来说易于掌握，易于接受。这种面向生产、面向用户的编程方式，比普通的计算机语言更易理解，故梯形图被称为面向“蓝领的编程语言”，PLC 也被称为“蓝领计算机”。

2.3 PLC具有易操作的特性

PLC 的操作有两种：即程序输入和程序更改。程序的输入可以直接显示；程序的更改，可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后再进行更改。目前，大多数PLC仍沿用了继电控制形式的“梯形图编程方式”。既考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，又继承了传统控制线路的清晰直观，因而十分容易理解和掌握。梯形图和继电器控制电路图原理相似，都是用PLC的少量开关量的逻辑控制指令来实现继电器电路的控制功能。通过短期培训或阅读PLC的用户手册，电气技术人员很快就能学会如何使用梯形图编制控制程序。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，PLC在执行梯形图程序时，需用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行，执行梯形图程序的时间比较长一些，但对于多数机电控制设备来说，完全可以满足控制要求。

2.4 PLC具有极强的抗干扰性

1）软件方面：PLC 的监控定时器可适用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延迟，避免在程序调试和程序出错时，因程序错误而导致死循环；当 CPU、输入/输出接口、通信、电池等有异常时，PLC 的自诊断功能可以检测到这些问题，并采取相关的措施，防止故障扩大化；当停电时，后备电池仍能正常工作。

2）硬件方面：在设计中采用了滤波器等电路增强 PLC 对电源波动、电噪声、电磁波、振动等的干扰，确保 PLC 在高温、高湿的工业环境下能稳定地工作；在输入/输出(I/O)通道采取光电隔离，有效抑制外部干扰源对 PLC 的影响；运用具有良好的导电、导磁材料对中央处理器（CPU)等重要部件进行屏蔽，以减少电磁干扰[4]。

目前我国大部分城市的中小型电梯系统都采用可编程控制器（PLC）控制，用PLC 控制可以降低控制系统的成本，而且可编程控制器（PLC）编程简单，扩展性强，配套齐全，功能完善，适用性强，维护方便，是实现机电一体化的理想控制设备。

3 模糊控制在电梯智能控制系统中的应用

模糊控制（Fuzzy Control）是目前自动控制系统的研究中比较成功的领域之一。模糊控制是一种基于规则的智能控制模式，它无需依赖被控对象精确的数学模型，尤其适用于具有不确定性的复杂系统、参数的时变性、多输入/多输出的强耦合性、严重非线性或过程的控制，且鲁棒性高，控制方法简单。模糊控制系统通常由模糊控制器，输入、输出接口，执行机构，被控对象和测量装备五部分组成[5]。电梯交通系统是一个具有不确定的、非线性的、多输入、多输出的系统，系统中包含很多模糊的、不明确的信息，这些模糊信息都需要采用模糊集来诠释。将模糊控制技术应用于电梯中，可使控制器的性能指标达到最优的目的。同时，在带模糊逻辑的电梯群控系统中，平均候梯时间减少10% 20%，超过1min 的长侯梯率减少20% 30%，效果明显高于常规电梯的群控系统。模糊控制技术在电梯的群控系统中的应用主要表现为以下几个方面，其模糊控制的流程图如图所示：

图3 模糊控制流程图

3.1 模糊推理

这是模糊控制的核心部分，它具备模拟人脑的模糊推理能力。模糊推理的流程是根据模糊逻辑中的包含的关系和推理规则来运行的，主要是使用专家设计的模糊规则进行模糊推理后选出响应层楼层呼梯信号的最佳轿厢位置。

3.2 模糊化

把输入信号映射到相应区域的一个具体位置后，再将它转换为该区域中的一个模糊子集，也就是把输入的精确量转换为模糊量。

3.3 知识库

知识库一般由模糊规则库和数据库构成。它包含了控制系统中所要求的目标和相关知识，其中数据库包含了各种语言变量的隶属函数，模糊空间的分级数，尺度变换因子和等信息；规则库则包含了用模糊语言变量设计的一系列控制规则，他们凝聚了控制专家专业的知识和丰富的经验。

3.4 清晰化

清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）转化为实际的可作用于被控对象的精确量。如监视系统中对图像解析和处理中使用模糊技术来确定乘客人数；根据客流密度、进出人数、层间客流情况进行交通模式识别；根据轿厢底部重量传感器所示重量，使用模糊技术确定轿厢内乘客人数[6]。

3.5 模糊预测

对电梯的状态进行预测。采用各种模型建模（参数和非参数模型），从而适应电梯系统的复杂模型；并且采用滚动策略，在局部优化的基础上实现对全局的优化策略。同时，利用反馈校正，解决电梯系统干扰等不确定因素。

3.6 与人工神经网络相结合组成模糊神经网络

人工神经网络是模拟人脑结构的思维功能，具有很强的自学习和联想功能，对专家知识的利用率低，精度较高，人工干预少。但缺点是它不能及时处理和描述模糊信息，不具有可解释性，同时它对样本的要求较高。而模糊神经网络是具有模糊权系数或者输入信号是模糊量的神经网络，模糊系统相对于神经网络而言，具有对样本的要求较低、推理过程容易理解、专家知识利用较好等优点，但棘手的是它无法自动生成和调整隶属度函数和模糊规则。将二者有机地相结合，可以起到互补的效果。