孫景衛(wèi)

（東南大學 附屬中大醫(yī)院 后勤處，南京 210009）

1 電梯智能控制系統(tǒng)的結構

1.1 系統(tǒng)的硬件組成

1.1.1 變頻器

主要通過PLC 控制程序及旋轉編碼器檢測電梯的位置信號和速度信號，控制曳引機的力矩，實現電梯的變頻調速功能。它能非常有效地控制好電梯的運轉狀況，增強電梯的舒適感，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 控制器與變頻器進行數據交換，通過開關信號的輸入和輸出、串行通訊裝備及變頻調速控制曳引機的運行，有效的控制電梯的上/ 下運行，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通訊、廳外通訊、和門機信號等。

1.1.4 旋轉編碼器

旋轉編碼器把電機速度反饋的信號，轉化成脈沖信號，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設備，電機設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，電梯恢復正常。

1.1.5 開關信號輸入輸出回路

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

1.2 系統(tǒng)的軟件研究

電梯在每一層均設有電梯升降指示燈，而且每一層的內外部設有召喚按鈕，用于選擇到達的樓層以及開關。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備拖動，并帶動廳門的開關。電梯啟動時首先進行工作方式選擇，正常運行時，遵循就近?？?、轎內指令優(yōu)先、順向截車的原則。到層指示依據樓層計數器對PG卡產生的脈沖數值進行累加，通過累計值與樓層計數器所對應的脈沖數值進行實時對比，等同時即發(fā)送樓層計數信號，向上運行加1，向下運行減1，如此反映電梯當前位置。

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現邏輯運算、計數、定時等功能。隨著經濟的發(fā)展，該裝置除了具有邏輯控制功能，還增加了數據處理、聯(lián)網、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算機控制三種。PLC 實際上是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計算機，與普通微機一樣，以通用和專用CPU作為字處理器，實現通道的運算與數據存儲。PLC依靠程序運行，采用巡回掃描的方式分時處理各項任務，這就保證了只有通過正確的程序，電梯才能運行，反之亦然；又由于PLC中的內部輔助繼電器無線圈無觸點，使用次數不受限制，因此，它比傳統(tǒng)的繼電器控制有著無可比擬的優(yōu)越性，運行壽命更長，自動化水平更高，更適用于電梯的技術改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，成為現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采用極其嚴格的生產工藝制造，使用了大規(guī)模的集成電路技術設計，內部電路更是采取了高新的抗干擾技術設計，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）達到了30-50萬/小時。從PLC的機外電路上看，采用PLC設計的控制系統(tǒng)，與同規(guī)模的繼電接觸器設計的控制系統(tǒng)相比，其電氣接線以及開關接點前者不到后者的數百甚至數千分之一，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、計數器等器件，控制柜的設計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，對存儲器內容的保護，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。在設計軟件時，設計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以外的電路及設備也能具備故障自診斷檢測保護功能。

2.2 PLC具有方便靈活的特性

1）擴展的靈活性：它可以通過應用的規(guī)模進行應用范圍、容量及功能的擴展，也可以根據與集散控制系統(tǒng)(DCS)或其他上位機的通信來擴展功能，并與外圍設備進行數據的交換。

2）編程的靈活性：PLC 編程大多采用與實際電路相當類似的梯形圖，對廣大電氣技術人員來說易于掌握，易于接受。這種面向生產、面向用戶的編程方式，比普通的計算機語言更易理解，故梯形圖被稱為面向“藍領的編程語言”，PLC 也被稱為“藍領計算機”。

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，可以直接根據所需要的地址編號或接點號進行搜索或順序尋找，然后再進行更改。目前，大多數PLC仍沿用了繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。 既考慮到大多數工廠企業(yè)電氣技術人員的讀圖習慣及編程水平，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的少量開關量的邏輯控制指令來實現繼電器電路的控制功能。通過短期培訓或閱讀PLC的用戶手冊，電氣技術人員很快就能學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，需用解釋程序將它翻譯成匯編語言然后執(zhí)行，執(zhí)行梯形圖程序的時間比較長一些，但對于多數機電控制設備來說，完全可以滿足控制要求。

2.4 PLC具有極強的抗干擾性

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算處理器的延遲，避免在程序調試和程序出錯時，因程序錯誤而導致死循環(huán)；當 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，并采取相關的措施，防止故障擴大化；當停電時，后備電池仍能正常工作。

2）硬件方面：在設計中采用了濾波器等電路增強 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；運用具有良好的導電、導磁材料對中央處理器（CPU)等重要部件進行屏蔽，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，擴展性強，配套齊全，功能完善，適用性強，維護方便，是實現機電一體化的理想控制設備。

3 模糊控制在電梯智能控制系統(tǒng)中的應用

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學模型，尤其適用于具有不確定性的復雜系統(tǒng)、參數的時變性、多輸入/多輸出的強耦合性、嚴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)行機構，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。將模糊控制技術應用于電梯中，可使控制器的性能指標達到最優(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)。模糊控制技術在電梯的群控系統(tǒng)中的應用主要表現為以下幾個方面，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模糊邏輯中的包含的關系和推理規(guī)則來運行的，主要是使用專家設計的模糊規(guī)則進行模糊推理后選出響應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區(qū)域的一個具體位置后，再將它轉換為該區(qū)域中的一個模糊子集，也就是把輸入的精確量轉換為模糊量。

3.3 知識庫

知識庫一般由模糊規(guī)則庫和數據庫構成。它包含了控制系統(tǒng)中所要求的目標和相關知識，其中數據庫包含了各種語言變量的隸屬函數，模糊空間的分級數，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計的一系列控制規(guī)則，他們凝聚了控制專家專業(yè)的知識和豐富的經驗。

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）轉化為實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來確定乘客人數；根據客流密度、進出人數、層間客流情況進行交通模式識別；根據轎廂底部重量傳感器所示重量， 使用模糊技術確定轎廂內乘客人數[6]。

3.5 模糊預測

對電梯的狀態(tài)進行預測。采用各種模型建模（參數和非參數模型），從而適應電梯系統(tǒng)的復雜模型；并且采用滾動策略，在局部優(yōu)化的基礎上實現對全局的優(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 與人工神經網絡相結合組成模糊神經網絡

人工神經網絡是模擬人腦結構的思維功能，具有很強的自學習和聯(lián)想功能，對專家知識的利用率低，精度較高，人工干預少。但缺點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。而模糊神經網絡是具有模糊權系數或者輸入信號是模糊量的神經網絡，模糊系統(tǒng)相對于神經網絡而言，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，但棘手的是它無法自動生成和調整隸屬度函數和模糊規(guī)則。將二者有機地相結合，可以起到互補的效果。

4 結論

常規(guī)自動控制系統(tǒng)中，傳感器與執(zhí)行器是獨立接線，多個傳感器和執(zhí)行器構成系統(tǒng)需要大量導線，把基于PLC和模糊控制的電梯智能控制系統(tǒng)應用到測控系統(tǒng)中，能節(jié)省大量導線，可提高系統(tǒng)可靠性。因此十分適合中小企業(yè)進行自主開發(fā)，無須大投入，就可使電梯產品上檔次，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, 2007.

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

[3] 朱昌明, 洪治育, 張惠僑. 電梯與自動扶梯——原理、設計、安裝、測試[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 1995.

[4] 周萬珍, 高鴻彬. PLC分析與設計應用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

[5] 張延琪.電工視圖自學通[M].北京:中國電力出版社, 2005.

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