基于网络控制系统的电梯电气控制设计与实现

张晶莹

基于网络控制系统的电梯电气控制设计与实现

张晶莹

（天津城市建设管理职业技术学院，天津300134）

设计实现了基于网络控制系统的电梯电气控制平台，引入了支持工业级EtherNet/IP协议的设备级环网，该环网是自动化设备相互连接的网络，允许单故障维持环网正常运行，保障了网络运行的安全性。本设计的环形拓扑中包含了门厅信号、轿厢信号、拖动控制和位置信息，实现了电梯运行的所有电气信号均在网络中传输控制，简化接线、降低安装成本、提高设备运行的稳定性和可靠性，同时实现了与上位机、人机界面和其他电梯控制系统的通信，有较高的推广和应用价值。

网络控制系统；设备级环网；电梯控制

1 引言

网络控制系统（Networked control systems，NCS）是由通信网络组成闭环回路的空间分布式控制系统，通信网络是为了连接分布在不同空间位置上的组成单元，如执行器、传感器和控制器。这种特性使其易用于设计大规模系统，而且网络控制系统相对于传统控制系统有较低的安装费用、易于系统维修与保养等优势[1]。

电梯电气系统具有元件分布分散、活动距离广、可靠性要求高、安装空间狭小等特点，传统的电梯电气控制系统布线复杂、维修不便、平层精度不高等已经成为保障电梯安全运行的障碍。上世纪50年代以来，已经有了多种工业控制网络协议。如1983年Robert Bosch公司开发的控制器区域网络（Controller area network，CAN）在汽车行业广泛应用[2]。1987年由多家公司共同开发的PROFIBUS总线也在工业网络中大量使用[3]。时至今日，许多其他的工业网络协议如现场总线（Foundation fieldbus）和设备网（DeviceNet）等相继出现。这些工业网络可以通过减少布线和加强分布式智能的方法来提高网络控制系统的效率、灵活性和可靠性。从而降低安装费用、重复配置和维护时间等成本。

本设计是基于Rockwell Automation公司推出的设备级环网（Device-level Ring，DLR）结构开发了电梯电气控制平台。DLR是自动化设备相互连接的网络，允许单故障维持环网正常运行，还包含了管理节点和环节点。其所采用的EtherNet/IP是一个开放式的以太网工业协议（Ethernet Industrial Protocol），其他弹性协议仅应用于网络基础设施，DLR则直接提供弹性给终端设备，如I/O模块、控制器等。DLR网络是单一故障容忍网络，在单一故障发生时，网络传输管理保证时间苛求数据能及时传送[4]。电梯控制系统中采用DLR网络，可有效提高电梯网络通信的可靠性，如有不稳定的物理连接、网络中的电子噪声、设备间双工方式不匹配等故障情况，均能被系统监听并发出报警。

2 电气控制系统的网络构成

基于Rockwell Automation公司CompactLogix控制系统平台开发的网络控制系统硬件构成如图1所示，系统主要由两部分网络组成，即本部电梯内部电气构成的环网，和控制系统与上位机及其他电梯构成的线性网络。其中设备级环网拓扑结构中包括各楼层的远程输入输出终端、轿厢远程输入输出终端、电梯拖动变频控制终端、电梯位置信息采集终端和控制柜本地信息终端。

图1 网络控制系统硬件构成图

分布于各楼层的远程输入输出终端将其附近的信息如安全装置信号、井道装置信号、楼层指示器、厅召唤信号等按就近方便接线原则集中在一起；轿厢远程输入输出终端安装于轿厢线盒内，对门开关信号、轿厢工作盘、超重超员等信号完成采集；电梯拖动变频控制终端位于电梯顶部对电梯的拽引系统完成驱动；位置信息采集终端安装于轿厢侧方或者后方对电梯井道内编码尺的信号完成采集；本地信息终端安装于电梯控制柜内，将保障控制系统可靠运行的信号，如控制柜是否打开、柜内散热是否正常等反馈到控制系统。这些网络终端通过进行首尾相连形成设备级环网拓扑结构。该结构不仅大大简化了电梯电气控制系统的接线，而且各输入输出信号通过环网中的信息中转站管理型工业交换机与Compactlogix控制中心进行实时通信。其特点是容许单点故障维持环网的正常运行，当网络中有故障点，环型拓扑自动地转变为线性拓扑，保持网络数据的正常通信，同时准确探测出故障点便于报警和修复，保障电梯各信号的可靠传输。本机电气控制系统通过交换机与上位机及其他电梯控制系统构成的线性拓扑结构可以完成中控室对电梯实时信息的采集和控制，并通过统一管理对电梯的实施群控。

3 网络系统的硬件设计

CompactLogix控制器系统是本设计电梯控制系统的核心，不仅完成网络信息的运算与处理，还是所有运行数据的存储中心。根据系统规模和响应性要求选用CompactLogix5370系列的1769-L30ER控制器。该控制器以小巧紧凑为优势，占据很少的空间，且安装方便、快捷是模块化安装的硬件结构。控制器对外连接有两种通道，一个是本地直连的USB接口，一个是以太网接口连接到EtherNet/IP网络，USB接口用于个人计算机和控制器的连接，运行速度为12Mbit/s，以太网虽然只有1个IP地址，但内建EtherNet/IP网络双端口，采用RJ45连接，支持全双工/半双工的10Mbit/s或者100Mbit/s、支持标准交换机、无需进行网络规划、无需路由表组态，最多支持256路EtherNet/IP网络连接。

电梯的轿厢和各楼层的门厅信号的网络站点采用POINT I/O系列终端，它具有布置灵活、成本低等特点，其适配器支持ControlNet、DeviceNet、EtherNet I/P、Profibus等工业控制网络，I/O类型支持数字量、模拟量、交流/直流及通信专用模块等类型。设计选用该系列中的1734-AENTR适配器支持EtherNet/IP网络，自带两个RJ45接口，每个EtherNet/IP节点上总共可装配63个POINT I/O模块，足以满足每层或者轿厢的数字量信号需求。

拖动电动机的驱动采用Rockwell Automation公司的Allen-Bradley PowerFlex 527型交流变频器，该变频器是首款专为与Logix控制器共同作业所设计的精巧型PowerFlex变频器，且程序以Studio 5000整合式动态指令编写而成[5]。在额定电压380～480 V，电机系列中可驱动功率涵盖了0.4～22 kW，适用于多数电梯拖动系统，其通信方式集成双端口Ether－Net/IP，通过RJ45接口连接，方便地与本系统建立DLR网络通信。

为了提高电梯运行过程中，位置监测的可靠性，在电梯控制系统中，引入线性绝对位置编码系统可将轿厢所在编码尺的位置通过解码、译码及通信模块与Compactlogix控制器建立通信，提供轿厢的实时准确位置。读码器读取到的位置数字信号通过WCSEIG210 EtherNet/IP网络转换器将位置信息生成设计所支持的通信标准，再通过嵌入式交换机将信号并入DLR环网传输。1783-ETAP是Rockwell Automation支持CompactLogix系列较早发布的嵌入式网络产品，其支持EtherNet/IP的总线型和设备级环形拓扑结构，支持设备按优先级别通信，确保重要数据的及时传输，可有效地将第三方产品通信并入DLR网络。产品具有两个端口可实现这一功能，且具备设备自身断点或故障点的诊断功能。

Stratix6000型管理型交换机是专为EtherNet/IP而设计的产品，具有IGMP侦听功能、支持全双工100Mbit/s传送、可实现端口镜像，是中小型DLR网络配置性价比较高的实现方案。系统选用该系列交换机1783-EMS08T，具有8路EtherNet/IP网络接口，其中2路可以与电梯各站点组成DLR环网，其他接口用于和上位机及人机界面等的信息传输。

4 网络组态与软件设计

上文设计采用的所有的网络终端均支持半双工/全双工100Mbit/s的自适应连接，根据系统的设计规模采用Rockwell Automation的默认典型小网络IP地址192.168.1.1—192.168.1.254.配置各网络节点的IP地址可以通过RSLinx软件来设定，其中POINT I/O 1734-AENTR适配器、1783-ETAP嵌入式交换机、变频器、人机界面也可以通过面板按钮来完成，表1为本设计IP地址的设定值。

表1 各网络站点IP地址

软件开发基于CompactLogix控制系统平台完成，使用RSLogix5000专用编程软件，可对控制器进行编程，通过组态进行监控，实现所有对外交互信息的监视和诊断，利于正确迅速地查找原因。

软件设计流程图如图2所示，软件控制系统主要由系统初始化子程序、报警子程序、网络故障判断子程序和电梯运算控制程序组成。系统初始化是在电梯上电时调用，完成设备网络的建立、设备状态的判断等，系统准备就绪后进入工作循环，当电梯发生系统报警时，控制系统第一时间发出警示，当系统检测到网络故障时，发出网络故障报警，并且设备环网拓扑转换为线性拓扑继续完成当前运行后停机，确保运行安全。电梯运算控制根据实时读取到轿厢的绝对位置信息、拖动系统控制运行进程、门厅信息、轿厢信息综合运算，对电梯拖动系统进行最优控制。

图2 软件设计流程图

5 调试与实验

实验借助电梯实训装置THBCET-3完成，装置如图3所示。由于该装置与智能建筑中升降电梯的结构基本相同，所用设备、器件与实际电梯高度一致，其轿厢及对重装置、导向系统、门层和轿厢门机开关系统、机械安全保护系统等均可在本设计中采纳。根据设计要求将网络控制系统植入控制柜，与轿厢和厅外呼盘的远程终端组成网络，井道内安装垂直编码尺和读码器替代原来的光电开关。

图3 实验装置

实验过程主要测试了该系统对网络断点故障的反映能力和应对措施。容错是以太网通道的关键，当连接失败时，以太网通道技术应该自动的通过保留连接重新分配传输，这个自动恢复时间一般认为少于1 s安全。但本设计所采用的DLR网络，在不超过50个网络节点时，环恢复时间小于3 ms.为了验证DLR环网控制在电梯运行中的可靠性传输，在电梯自动运行过程中，某一时刻设置网络断点，实现过程如图4所示。

图4 运行组态界面

电梯全自动运行到1层与2层之间时，13：53：10在楼层1门厅信号终端1734-AENTR适配器断开一个网络连接，13：53：10网络状态显示该电站192.168.1.21发生故障，13：53：51电梯继续自动运行到2层停止，并发出“网络故障”报警等待检修人员的确认与恢复。

经多次实验和运行，该网络控制系统不仅能完成电梯控制的基本要求，而且在传输网络单点发生硬件故障时，系统能够有效地接收各终端数据完成电梯的正常运行并发出精确。

在施工过程中，由于采用网络传输，接线更加灵活、方便、简单，拖动控制和轿厢位置反馈的信息数据则可以帮助系统判断可能发生的钢丝绳打滑、轿厢失速等异常状况，从而做出有效判断和预防措施，对工程应用有较高的推广价值。

[1]Lian F L，Moyne J R，Tilbury D M.Performance evaluation of control networks：Ethernet，Controlnet，and DeviceNet. IEEE Control Systems Magazine，2001，21（1）：66-83.

[2]Farsi M，Ratcliff K，Barbosa M.An overview of controller area network.Computing and Control Engineering Journal，1999，10（3）：113-120

[3]Weigmann J，Kilian G.Decentralization with PROFIBUSDP：Architecture and Fundamentals，Configuration and Use with SIMATIC S7.New York：John Wiley and Sons，Inc.，2000.

[4]邓李.集成构架中型系统[M].北京：机械工业出版社，2014.

[5]Rockwell Automation.pflex-sg002-en-p.pdf：PowerFlex Low Voltage Selection Guide.www.rockwellautomation.com，2015.

Design and Implementation of Elevator Electrical Control Based on Network Control System

ZHANG Jing-ying
（Tianjin Urban Construction Administration，Career Technical College，Tianjin 300134，China）

In this paper，the design and implementation of elevator electrical control platform based on networked control systems，equipment level introduces support industrial grade EtherNet/IP protocol ring，the ring network is the automation equipment of interconnected networks，allowing a single fault ring maintain normal operation，guarantee the safety of network operation.The design of the ring topology contains a Hall signal，car signal，drive control and location information，to achieve all the electrical signal of the elevator are transmitted in the network control，simplify wiring and lower installation cost，improve the operation stability and reliability of equipment，and to achieve the communication with the host computer，man-machine interface and other elevator the control system，has a very high value of promotion and application.

network control system；equipment level loop network；elevator control

TP393.1

A

1672-545X（2017）07-0252-04

2017-04-11

作者姓名：张晶莹（1983-），女，天津人，讲师研究方向：机电一体化技术。