周正林，袁 寧

(黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于FSM的電梯控制系統(tǒng)的設計

周正林，袁 寧

(黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

隨著我國城市化進程的不斷加快，鱗次櫛比的高層建筑對電梯的需求量激增。電梯作為高層樓宇中垂直運輸人和貨物的機電設備，安全快捷運行是極其重要的任務。建立基于有限狀態(tài)機的雙梯并聯(lián)控制模型，利用Verilog_HDL語言對雙梯控制、信號請求、狀態(tài)顯示等3個模塊進行軟件編程，通過編譯和仿真，證明達到電梯的安全快捷的要求。由于采用CPLD器件，使得開發(fā)周期縮短、成本降低、設計方便，極大地提高電梯運行的效率和可靠性。

雙電梯；并聯(lián)調度；CPLD；狀態(tài)機；模塊

早期的電梯運行控制電路由繼電器件組成。而繼電接觸器本身故障率高，可靠性與安全性較差，故目前基本不用。另一種主流方式采用PLC器件實現信號控制。PLC具有程序設計靈活、運行穩(wěn)定可靠等特點，所以，它的應用很廣泛[1]。隨著復雜可編程邏輯器件CPLD的出現，由于其開發(fā)周期短、成本低的優(yōu)勢，逐漸取代了PLC。建筑物內的電梯往往是多梯，這給工程師們提出了如何對多梯實現并聯(lián)控制的問題[1]。

1 控制方案選擇

電梯控制有內箱請求、層層單停和方向優(yōu)先等3種方式。

1)內箱請求優(yōu)先控制方式。這是一種類似于出租車的工作方式，先將車上的人送至目的地后再去載客。2)層層單?？刂品绞健Ｋ缤疖嚨倪\行，到站即停，同時開關門。3)方向優(yōu)先控制方式。它是指電梯運行到某一樓層時先考慮這一樓層是否有請求信號，有則停；無則繼續(xù)運行。停下后重新啟動時需要考慮兩點：首先考查該樓層上方是否存在請求信號，有則上行接人，否則繼續(xù)保持。然后考慮該樓層下方是否有請求信號，有則下行接人，無則繼續(xù)維持原狀態(tài)。如果該樓層上下方都有信號輸入時，優(yōu)先響應上行方向的輸入請求，然后響應下行信號。這種運行模式下，雙梯對用戶的請求輸入響應率最高，且響應時間較短。因此，比較3種方案，選擇基于FSM(Finite State Machine)，即有限狀態(tài)機的方向優(yōu)先控制方案[2]。

2 控制器設計模式

為了保證兩部電梯能夠迅速合理地響應輸入信號，提高運行效率，節(jié)約能源和時間，本文采用雙梯并聯(lián)調度的方式。工作原理為:1)八層雙梯運行時，需要合理響應轎廂內的請求指令和外部樓層召喚指令，在方向優(yōu)先原則下調用雙梯的呼叫信號。每個未執(zhí)行的信號，將被存儲在寄存器內，完成動作后清零；2)當電梯運行經過某樓層時，顯示模塊用數碼管顯示樓層數；3)在外呼開關中，最低層只有向上呼叫按鈕；電梯最高層只有向下呼叫按鈕；其余各層均有上下行按鈕；4)設有超載及故障報警的功能。當出現故障時，轎廂自動跳轉到相鄰樓層的平臺且進入開門狀態(tài)，直至故障解除；5)電梯控制系統(tǒng)能自行判定運行方向，譬如某一時刻有上行與下行輸入信號時，電梯會在響應完同一方向的指令后，響應另一方向的指令信號；6)如果當前轎廂指令和外呼指令都不存在時，電梯會在設定時間內自行關閉電梯和轎廂內照明，重新處于等待狀態(tài)[2]。

3 軟件設計編程

本文的程序設計由雙梯控制模塊、信號請求模塊、狀態(tài)顯示模塊等3部分組成。以雙梯定向運行的編程為例說明如下。

3.1 雙梯定向運行條件

編程中采用優(yōu)先編碼的原則，運用兩個狀態(tài)機來實現雙路八梯并聯(lián)控制。在電梯向上運行的過程中，如果存在響應沖突，那由低到高依次響應各樓層的請求信號。電梯運行中，時刻檢測內外的請求信號，根據方向優(yōu)先原則，首先響應同方向的輸入信號，然后再響應反方向的輸入信號。優(yōu)先編碼器的設計與兩電梯的運行狀態(tài)有關，且一個狀態(tài)機的輸出作為另一個狀態(tài)機的轉換條件。圖1是A梯上行邏輯圖，說明B梯是如何影響A梯上行的。

在圖1中A梯上行接人時需要滿足的條件具體分為3種情況：1)A梯當前所在樓層以上有輸入信號；2)當前B梯不在上升狀態(tài)；3)B梯在上升狀態(tài)且此刻B梯在輸入信號樓層以下。通過邏輯門電路將3種情況統(tǒng)一考慮，實現A梯的上行。且NOWafloor_s_ra表示B梯當前所在的樓層大于A梯外部請求優(yōu)先執(zhí)行的信號所在樓層；floor_ra!=0為A梯樓層信號寄存器不清零，表示該樓層請求信號等待執(zhí)行。

圖2是A梯上行示意圖。圖2(a)所示，人在六層，A轎廂上行到二層，B轎廂下行到四層，則A梯上行；圖2(b)所示，人在六層，A轎廂上行到二層，B轎廂上行到七層，則A梯上行；圖2(c)所示，人在六層，A轎廂上行到二層，B轎廂上行到一層，則A梯上行。

圖1 A梯上行邏輯

圖2 A梯上行示意圖

3.2 系統(tǒng)狀態(tài)轉換

本文的雙電梯狀態(tài)控制器是將A梯和B梯看作兩個狀態(tài)機來進行控制，A梯和B梯的狀態(tài)機原理相同。分為IDLE初始狀態(tài)、Open_state開門狀態(tài)、Up_state上行狀態(tài)、Down_state下行狀態(tài)、Fast_state加速狀態(tài)、Slow_state減速和Stable_state勻速狀態(tài)等7個工作狀態(tài)，如圖3所示為A梯狀態(tài)轉換圖，B梯與A梯一樣，本文不再贅述。

4 軟件仿真

篇幅所限，本文僅對A梯上行程序進行編譯和仿真，其它模塊同理。當A梯上行時，分B梯處于上升狀態(tài)和下降狀態(tài)。本文選取圖2(a)所處情況對其進行編譯仿真，其結果如圖4所示。

圖3 A梯狀態(tài)轉換

圖4是A梯上行B梯下行時的仿真圖，圖中左邊的虛線表示A梯的轎廂此時在二樓時，人在六樓，此時B梯處于下降狀態(tài)，到達四樓，則B梯保持當前向下的運行狀態(tài)不變， A梯此時跳轉到up_state_a上行狀態(tài)；當A梯到達六樓時,ca為高電平，立即清零此信號，如右邊虛線所示，同時A梯門打開。

圖4 B下行A上行仿真

5 結束語

本文介紹了八層雙梯并聯(lián)調度的工作原理和設計方法，在比較幾種設計方案后選擇方向優(yōu)先的運行方案。將雙電梯看成兩個狀態(tài)機來處理，仿真結果表明達到了預期的效果。由于只考慮了雙梯如何并聯(lián)調度的控制器設計，沒有對電梯的加速、減速和勻速運行等狀態(tài)進行詳細的分析處理，難免會有不足之處，這些都有待于在以后的工作學習中進一步研究。

[1] 鐘志萬，廖常初.基于可編程序控制器和組態(tài)軟件的雙電梯聯(lián)動監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[2] 劉劍麗，陳金鷹.基于FPGA的智能電梯控制系統(tǒng)設計[D].成都：成都理工大學，2014.

[3] 馬志強,梁書劍,王文交,等.基于 FPGA 的電梯控制器設計[J].信息技術,2013(1).

[4] OWYANG K A,BERNICE L.New Design Flows for High Density Programmable Logic Designers.[C] Wescon Conference Record. 1997.

[5] 郭曉春.數字圖像實時處理系統(tǒng)的FPGA實現[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[6] 戴立江.基于EDA技術的FPGA應用研究[D].天津:天津工業(yè)大學,2004.

[7] 秦進平,劉海成.數字電子與EDA技術[M].北京:中國電力出版社，2013：168-169.

[8] 孫景衛(wèi).基于PLC和模糊控制的電梯智能控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,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：人工智能和人工神經網絡.

TP273

A

1671-4679(2017)06-0052-03

[責任編輯：郝麗英]