基于FSM的电梯控制系统的设计
2017-12-19周正林
周正林，袁 宁
(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)
基于FSM的电梯控制系统的设计
周正林，袁 宁
(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)
随着我国城市化进程的不断加快，鳞次栉比的高层建筑对电梯的需求量激增。电梯作为高层楼宇中垂直运输人和货物的机电设备，安全快捷运行是极其重要的任务。建立基于有限状态机的双梯并联控制模型，利用Verilog_HDL语言对双梯控制、信号请求、状态显示等3个模块进行软件编程，通过编译和仿真，证明达到电梯的安全快捷的要求。由于采用CPLD器件，使得开发周期缩短、成本降低、设计方便，极大地提高电梯运行的效率和可靠性。
双电梯；并联调度；CPLD；状态机；模块
早期的电梯运行控制电路由继电器件组成。而继电接触器本身故障率高，可靠性与安全性较差，故目前基本不用。另一种主流方式采用PLC器件实现信号控制。PLC具有程序设计灵活、运行稳定可靠等特点，所以，它的应用很广泛[1]。随着复杂可编程逻辑器件CPLD的出现，由于其开发周期短、成本低的优势，逐渐取代了PLC。建筑物内的电梯往往是多梯，这给工程师们提出了如何对多梯实现并联控制的问题[1]。
1 控制方案选择
电梯控制有内箱请求、层层单停和方向优先等3种方式。
1)内箱请求优先控制方式。这是一种类似于出租车的工作方式，先将车上的人送至目的地后再去载客。2)层层单停控制方式。它如同火车的运行，到站即停，同时开关门。3)方向优先控制方式。它是指电梯运行到某一楼层时先考虑这一楼层是否有请求信号，有则停；无则继续运行。停下后重新启动时需要考虑两点：首先考查该楼层上方是否存在请求信号，有则上行接人，否则继续保持。然后考虑该楼层下方是否有请求信号，有则下行接人，无则继续维持原状态。如果该楼层上下方都有信号输入时，优先响应上行方向的输入请求，然后响应下行信号。这种运行模式下，双梯对用户的请求输入响应率最高，且响应时间较短。因此，比较3种方案，选择基于FSM(Finite State Machine)，即有限状态机的方向优先控制方案[2]。
2 控制器设计模式
为了保证两部电梯能够迅速合理地响应输入信号，提高运行效率，节约能源和时间，本文采用双梯并联调度的方式。工作原理为:1)八层双梯运行时，需要合理响应轿厢内的请求指令和外部楼层召唤指令，在方向优先原则下调用双梯的呼叫信号。每个未执行的信号，将被存储在寄存器内，完成动作后清零；2)当电梯运行经过某楼层时，显示模块用数码管显示楼层数；3)在外呼开关中，最低层只有向上呼叫按钮；电梯最高层只有向下呼叫按钮；其余各层均有上下行按钮；4)设有超载及故障报警的功能。当出现故障时，轿厢自动跳转到相邻楼层的平台且进入开门状态，直至故障解除；5)电梯控制系统能自行判定运行方向，譬如某一时刻有上行与下行输入信号时，电梯会在响应完同一方向的指令后，响应另一方向的指令信号；6)如果当前轿厢指令和外呼指令都不存在时，电梯会在设定时间内自行关闭电梯和轿厢内照明，重新处于等待状态[2]。
3 软件设计编程
本文的程序设计由双梯控制模块、信号请求模块、状态显示模块等3部分组成。以双梯定向运行的编程为例说明如下。
3.1 双梯定向运行条件
编程中采用优先编码的原则，运用两个状态机来实现双路八梯并联控制。在电梯向上运行的过程中，如果存在响应冲突，那由低到高依次响应各楼层的请求信号。电梯运行中，时刻检测内外的请求信号，根据方向优先原则，首先响应同方向的输入信号，然后再响应反方向的输入信号。优先编码器的设计与两电梯的运行状态有关，且一个状态机的输出作为另一个状态机的转换条件。图1是A梯上行逻辑图，说明B梯是如何影响A梯上行的。
在图1中A梯上行接人时需要满足的条件具体分为3种情况：1)A梯当前所在楼层以上有输入信号；2)当前B梯不在上升状态；3)B梯在上升状态且此刻B梯在输入信号楼层以下。通过逻辑门电路将3种情况统一考虑，实现A梯的上行。且NOWa
图2是A梯上行示意图。图2(a)所示，人在六层，A轿厢上行到二层，B轿厢下行到四层，则A梯上行；图2(b)所示，人在六层，A轿厢上行到二层，B轿厢上行到七层，则A梯上行；图2(c)所示，人在六层，A轿厢上行到二层，B轿厢上行到一层，则A梯上行。
图1 A梯上行逻辑
图2 A梯上行示意图
3.2 系统状态转换
本文的双电梯状态控制器是将A梯和B梯看作两个状态机来进行控制，A梯和B梯的状态机原理相同。分为IDLE初始状态、Open_state开门状态、Up_state上行状态、Down_state下行状态、Fast_state加速状态、Slow_state减速和Stable_state匀速状态等7个工作状态，如图3所示为A梯状态转换图，B梯与A梯一样，本文不再赘述。
4 软件仿真
篇幅所限，本文仅对A梯上行程序进行编译和仿真，其它模块同理。当A梯上行时，分B梯处于上升状态和下降状态。本文选取图2(a)所处情况对其进行编译仿真，其结果如图4所示。
图3 A梯状态转换
图4是A梯上行B梯下行时的仿真图，图中左边的虚线表示A梯的轿厢此时在二楼时，人在六楼，此时B梯处于下降状态，到达四楼，则B梯保持当前向下的运行状态不变， A梯此时跳转到up_state_a上行状态；当A梯到达六楼时,ca为高电平，立即清零此信号，如右边虚线所示，同时A梯门打开。
图4 B下行A上行仿真
5 结束语
本文介绍了八层双梯并联调度的工作原理和设计方法，在比较几种设计方案后选择方向优先的运行方案。将双电梯看成两个状态机来处理，仿真结果表明达到了预期的效果。由于只考虑了双梯如何并联调度的控制器设计，没有对电梯的加速、减速和匀速运行等状态进行详细的分析处理，难免会有不足之处，这些都有待于在以后的工作学习中进一步研究。
[1] 钟志万，廖常初.基于可编程序控制器和组态软件的双电梯联动监控系统的研究[D].重庆：重庆大学，2006.
[2] 刘剑丽，陈金鹰.基于FPGA的智能电梯控制系统设计[D].成都：成都理工大学，2014.
[3] 马志强,梁书剑,王文交,等.基于 FPGA 的电梯控制器设计[J].信息技术,2013(1).
[4] OWYANG K A,BERNICE L.New Design Flows for High Density Programmable Logic Designers.[C] Wescon Conference Record. 1997.
[5] 郭晓春.数字图像实时处理系统的FPGA实现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.
[6] 戴立江.基于EDA技术的FPGA应用研究[D].天津:天津工业大学,2004.
[7] 秦进平,刘海成.数字电子与EDA技术[M].北京:中国电力出版社，2013：168-169.
[8] 孙景卫.基于PLC和模糊控制的电梯智能控制系统研究[J].制造业自动化,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：人工智能和人工神经网络.
TP273
A
1671-4679(2017)06-0052-03
[责任编辑：郝丽英]
