張晶瑩

基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的電梯電氣控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張晶瑩

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300134）

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的電梯電氣控制平臺(tái)，引入了支持工業(yè)級(jí)EtherNet/IP協(xié)議的設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)，該環(huán)網(wǎng)是自動(dòng)化設(shè)備相互連接的網(wǎng)絡(luò)，允許單故障維持環(huán)網(wǎng)正常運(yùn)行，保障了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性。本設(shè)計(jì)的環(huán)形拓?fù)渲邪碎T廳信號(hào)、轎廂信號(hào)、拖動(dòng)控制和位置信息，實(shí)現(xiàn)了電梯運(yùn)行的所有電氣信號(hào)均在網(wǎng)絡(luò)中傳輸控制，簡(jiǎn)化接線、降低安裝成本、提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)、人機(jī)界面和其他電梯控制系統(tǒng)的通信，有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)；電梯控制

1 引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Networked control systems，NCS）是由通信網(wǎng)絡(luò)組成閉環(huán)回路的空間分布式控制系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)是為了連接分布在不同空間位置上的組成單元，如執(zhí)行器、傳感器和控制器。這種特性使其易用于設(shè)計(jì)大規(guī)模系統(tǒng)，而且網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有較低的安裝費(fèi)用、易于系統(tǒng)維修與保養(yǎng)等優(yōu)勢(shì)[1]。

電梯電氣系統(tǒng)具有元件分布分散、活動(dòng)距離廣、可靠性要求高、安裝空間狹小等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的電梯電氣控制系統(tǒng)布線復(fù)雜、維修不便、平層精度不高等已經(jīng)成為保障電梯安全運(yùn)行的障礙。上世紀(jì)50年代以來(lái)，已經(jīng)有了多種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。如1983年Robert Bosch公司開(kāi)發(fā)的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Controller area network，CAN）在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用[2]。1987年由多家公司共同開(kāi)發(fā)的PROFIBUS總線也在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中大量使用[3]。時(shí)至今日，許多其他的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如現(xiàn)場(chǎng)總線（Foundation fieldbus）和設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）等相繼出現(xiàn)。這些工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)減少布線和加強(qiáng)分布式智能的方法來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的效率、靈活性和可靠性。從而降低安裝費(fèi)用、重復(fù)配置和維護(hù)時(shí)間等成本。

本設(shè)計(jì)是基于Rockwell Automation公司推出的設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)（Device-level Ring，DLR）結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了電梯電氣控制平臺(tái)。DLR是自動(dòng)化設(shè)備相互連接的網(wǎng)絡(luò)，允許單故障維持環(huán)網(wǎng)正常運(yùn)行，還包含了管理節(jié)點(diǎn)和環(huán)節(jié)點(diǎn)。其所采用的EtherNet/IP是一個(gè)開(kāi)放式的以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議（Ethernet Industrial Protocol），其他彈性協(xié)議僅應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，DLR則直接提供彈性給終端設(shè)備，如I/O模塊、控制器等。DLR網(wǎng)絡(luò)是單一故障容忍網(wǎng)絡(luò)，在單一故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸管理保證時(shí)間苛求數(shù)據(jù)能及時(shí)傳送[4]。電梯控制系統(tǒng)中采用DLR網(wǎng)絡(luò)，可有效提高電梯網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，如有不穩(wěn)定的物理連接、網(wǎng)絡(luò)中的電子噪聲、設(shè)備間雙工方式不匹配等故障情況，均能被系統(tǒng)監(jiān)聽(tīng)并發(fā)出報(bào)警。

2 電氣控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

基于Rockwell Automation公司CompactLogix控制系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩部分網(wǎng)絡(luò)組成，即本部電梯內(nèi)部電氣構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)，和控制系統(tǒng)與上位機(jī)及其他電梯構(gòu)成的線性網(wǎng)絡(luò)。其中設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包括各樓層的遠(yuǎn)程輸入輸出終端、轎廂遠(yuǎn)程輸入輸出終端、電梯拖動(dòng)變頻控制終端、電梯位置信息采集終端和控制柜本地信息終端。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

分布于各樓層的遠(yuǎn)程輸入輸出終端將其附近的信息如安全裝置信號(hào)、井道裝置信號(hào)、樓層指示器、廳召喚信號(hào)等按就近方便接線原則集中在一起；轎廂遠(yuǎn)程輸入輸出終端安裝于轎廂線盒內(nèi)，對(duì)門開(kāi)關(guān)信號(hào)、轎廂工作盤、超重超員等信號(hào)完成采集；電梯拖動(dòng)變頻控制終端位于電梯頂部對(duì)電梯的拽引系統(tǒng)完成驅(qū)動(dòng)；位置信息采集終端安裝于轎廂側(cè)方或者后方對(duì)電梯井道內(nèi)編碼尺的信號(hào)完成采集；本地信息終端安裝于電梯控制柜內(nèi)，將保障控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的信號(hào)，如控制柜是否打開(kāi)、柜內(nèi)散熱是否正常等反饋到控制系統(tǒng)。這些網(wǎng)絡(luò)終端通過(guò)進(jìn)行首尾相連形成設(shè)備級(jí)環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅大大簡(jiǎn)化了電梯電氣控制系統(tǒng)的接線，而且各輸入輸出信號(hào)通過(guò)環(huán)網(wǎng)中的信息中轉(zhuǎn)站管理型工業(yè)交換機(jī)與Compactlogix控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。其特點(diǎn)是容許單點(diǎn)故障維持環(huán)網(wǎng)的正常運(yùn)行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有故障點(diǎn)，環(huán)型拓?fù)渥詣?dòng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性拓?fù)?，保持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正常通信，同時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)出故障點(diǎn)便于報(bào)警和修復(fù)，保障電梯各信號(hào)的可靠傳輸。本機(jī)電氣控制系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)與上位機(jī)及其他電梯控制系統(tǒng)構(gòu)成的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以完成中控室對(duì)電梯實(shí)時(shí)信息的采集和控制，并通過(guò)統(tǒng)一管理對(duì)電梯的實(shí)施群控。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

CompactLogix控制器系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)電梯控制系統(tǒng)的核心，不僅完成網(wǎng)絡(luò)信息的運(yùn)算與處理，還是所有運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)中心。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和響應(yīng)性要求選用CompactLogix5370系列的1769-L30ER控制器。該控制器以小巧緊湊為優(yōu)勢(shì)，占據(jù)很少的空間，且安裝方便、快捷是模塊化安裝的硬件結(jié)構(gòu)?？刂破鲗?duì)外連接有兩種通道，一個(gè)是本地直連的USB接口，一個(gè)是以太網(wǎng)接口連接到EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，USB接口用于個(gè)人計(jì)算機(jī)和控制器的連接，運(yùn)行速度為12Mbit/s，以太網(wǎng)雖然只有1個(gè)IP地址，但內(nèi)建EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)雙端口，采用RJ45連接，支持全雙工/半雙工的10Mbit/s或者100Mbit/s、支持標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)、無(wú)需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、無(wú)需路由表組態(tài)，最多支持256路EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)連接。

電梯的轎廂和各樓層的門廳信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)采用POINT I/O系列終端，它具有布置靈活、成本低等特點(diǎn)，其適配器支持ControlNet、DeviceNet、EtherNet I/P、Profibus等工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，I/O類型支持?jǐn)?shù)字量、模擬量、交流/直流及通信專用模塊等類型。設(shè)計(jì)選用該系列中的1734-AENTR適配器支持EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，自帶兩個(gè)RJ45接口，每個(gè)EtherNet/IP節(jié)點(diǎn)上總共可裝配63個(gè)POINT I/O模塊，足以滿足每層或者轎廂的數(shù)字量信號(hào)需求。

拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用Rockwell Automation公司的Allen-Bradley PowerFlex 527型交流變頻器，該變頻器是首款專為與Logix控制器共同作業(yè)所設(shè)計(jì)的精巧型PowerFlex變頻器，且程序以Studio 5000整合式動(dòng)態(tài)指令編寫而成[5]。在額定電壓380～480 V，電機(jī)系列中可驅(qū)動(dòng)功率涵蓋了0.4～22 kW，適用于多數(shù)電梯拖動(dòng)系統(tǒng)，其通信方式集成雙端口Ether－Net/IP，通過(guò)RJ45接口連接，方便地與本系統(tǒng)建立DLR網(wǎng)絡(luò)通信。

為了提高電梯運(yùn)行過(guò)程中，位置監(jiān)測(cè)的可靠性，在電梯控制系統(tǒng)中，引入線性絕對(duì)位置編碼系統(tǒng)可將轎廂所在編碼尺的位置通過(guò)解碼、譯碼及通信模塊與Compactlogix控制器建立通信，提供轎廂的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確位置。讀碼器讀取到的位置數(shù)字信號(hào)通過(guò)WCSEIG210 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器將位置信息生成設(shè)計(jì)所支持的通信標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)嵌入式交換機(jī)將信號(hào)并入DLR環(huán)網(wǎng)傳輸。1783-ETAP是Rockwell Automation支持CompactLogix系列較早發(fā)布的嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，其支持EtherNet/IP的總線型和設(shè)備級(jí)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持設(shè)備按優(yōu)先級(jí)別通信，確保重要數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，可有效地將第三方產(chǎn)品通信并入DLR網(wǎng)絡(luò)。產(chǎn)品具有兩個(gè)端口可實(shí)現(xiàn)這一功能，且具備設(shè)備自身斷點(diǎn)或故障點(diǎn)的診斷功能。

Stratix6000型管理型交換機(jī)是專為EtherNet/IP而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，具有IGMP偵聽(tīng)功能、支持全雙工100Mbit/s傳送、可實(shí)現(xiàn)端口鏡像，是中小型DLR網(wǎng)絡(luò)配置性價(jià)比較高的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)選用該系列交換機(jī)1783-EMS08T，具有8路EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)接口，其中2路可以與電梯各站點(diǎn)組成DLR環(huán)網(wǎng)，其他接口用于和上位機(jī)及人機(jī)界面等的信息傳輸。

4 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與軟件設(shè)計(jì)

上文設(shè)計(jì)采用的所有的網(wǎng)絡(luò)終端均支持半雙工/全雙工100Mbit/s的自適應(yīng)連接，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模采用Rockwell Automation的默認(rèn)典型小網(wǎng)絡(luò)IP地址192.168.1.1—192.168.1.254.配置各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的IP地址可以通過(guò)RSLinx軟件來(lái)設(shè)定，其中POINT I/O 1734-AENTR適配器、1783-ETAP嵌入式交換機(jī)、變頻器、人機(jī)界面也可以通過(guò)面板按鈕來(lái)完成，表1為本設(shè)計(jì)IP地址的設(shè)定值。

表1 各網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)IP地址

軟件開(kāi)發(fā)基于CompactLogix控制系統(tǒng)平臺(tái)完成，使用RSLogix5000專用編程軟件，可對(duì)控制器進(jìn)行編程，通過(guò)組態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)所有對(duì)外交互信息的監(jiān)視和診斷，利于正確迅速地查找原因。

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，軟件控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)初始化子程序、報(bào)警子程序、網(wǎng)絡(luò)故障判斷子程序和電梯運(yùn)算控制程序組成。系統(tǒng)初始化是在電梯上電時(shí)調(diào)用，完成設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的建立、設(shè)備狀態(tài)的判斷等，系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后進(jìn)入工作循環(huán)，當(dāng)電梯發(fā)生系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，控制系統(tǒng)第一時(shí)間發(fā)出警示，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，發(fā)出網(wǎng)絡(luò)故障報(bào)警，并且設(shè)備環(huán)網(wǎng)拓?fù)滢D(zhuǎn)換為線性拓?fù)淅^續(xù)完成當(dāng)前運(yùn)行后停機(jī)，確保運(yùn)行安全。電梯運(yùn)算控制根據(jù)實(shí)時(shí)讀取到轎廂的絕對(duì)位置信息、拖動(dòng)系統(tǒng)控制運(yùn)行進(jìn)程、門廳信息、轎廂信息綜合運(yùn)算，對(duì)電梯拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)控制。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)借助電梯實(shí)訓(xùn)裝置THBCET-3完成，裝置如圖3所示。由于該裝置與智能建筑中升降電梯的結(jié)構(gòu)基本相同，所用設(shè)備、器件與實(shí)際電梯高度一致，其轎廂及對(duì)重裝置、導(dǎo)向系統(tǒng)、門層和轎廂門機(jī)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)、機(jī)械安全保護(hù)系統(tǒng)等均可在本設(shè)計(jì)中采納。根據(jù)設(shè)計(jì)要求將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)植入控制柜，與轎廂和廳外呼盤的遠(yuǎn)程終端組成網(wǎng)絡(luò)，井道內(nèi)安裝垂直編碼尺和讀碼器替代原來(lái)的光電開(kāi)關(guān)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要測(cè)試了該系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)斷點(diǎn)故障的反映能力和應(yīng)對(duì)措施。容錯(cuò)是以太網(wǎng)通道的關(guān)鍵，當(dāng)連接失敗時(shí)，以太網(wǎng)通道技術(shù)應(yīng)該自動(dòng)的通過(guò)保留連接重新分配傳輸，這個(gè)自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間一般認(rèn)為少于1 s安全。但本設(shè)計(jì)所采用的DLR網(wǎng)絡(luò)，在不超過(guò)50個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，環(huán)恢復(fù)時(shí)間小于3 ms.為了驗(yàn)證DLR環(huán)網(wǎng)控制在電梯運(yùn)行中的可靠性傳輸，在電梯自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，某一時(shí)刻設(shè)置網(wǎng)絡(luò)斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 運(yùn)行組態(tài)界面

電梯全自動(dòng)運(yùn)行到1層與2層之間時(shí)，13：53：10在樓層1門廳信號(hào)終端1734-AENTR適配器斷開(kāi)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，13：53：10網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示該電站192.168.1.21發(fā)生故障，13：53：51電梯繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行到2層停止，并發(fā)出“網(wǎng)絡(luò)故障”報(bào)警等待檢修人員的確認(rèn)與恢復(fù)。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行，該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不僅能完成電梯控制的基本要求，而且在傳輸網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)發(fā)生硬件故障時(shí)，系統(tǒng)能夠有效地接收各終端數(shù)據(jù)完成電梯的正常運(yùn)行并發(fā)出精確。

在施工過(guò)程中，由于采用網(wǎng)絡(luò)傳輸，接線更加靈活、方便、簡(jiǎn)單，拖動(dòng)控制和轎廂位置反饋的信息數(shù)據(jù)則可以幫助系統(tǒng)判斷可能發(fā)生的鋼絲繩打滑、轎廂失速等異常狀況，從而做出有效判斷和預(yù)防措施，對(duì)工程應(yīng)用有較高的推廣價(jià)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

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[4]鄧?yán)?集成構(gòu)架中型系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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：張晶瑩（1983-），女，天津人，講師研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。