電梯系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制軟件建模及PLC實(shí)現(xiàn)

本文由南瓜烏梅條貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 年 月 控 制 工 程 第卷期 文章編號(hào)：【） 電梯系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制軟件建模及實(shí)現(xiàn) 馬殷元。姚闖 （蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅蘭州；蘭州鐵路局蘭州車輛段甘肅蘭州） 摘 要：為降低開發(fā)難度、提高開發(fā)效率，提出把基于層次化狀態(tài)圖的建模技術(shù)和框架技 術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制軟件的開發(fā)。以電梯控制為例說(shuō)明了把此技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制軟 件開發(fā)的過(guò)程。首先根據(jù)電梯控制要求和電梯算法建立了系統(tǒng)頂層狀態(tài)圖模型。然后分析了 系統(tǒng)任務(wù)特性，根據(jù)任務(wù)特性提出了把控制任務(wù)分成局部順序任務(wù)、全局實(shí)時(shí)任務(wù)和異步并 發(fā)任務(wù)的系統(tǒng)分析方法，給出了任務(wù)間通信的方法。提出了用函數(shù)封裝任務(wù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)嵌套、用 置位或復(fù)位函數(shù)的“使能輸八端”進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的軟件實(shí)現(xiàn)方法。最后給出了在西門子 上實(shí)現(xiàn)的電梯控制的主要程序和解決定時(shí)器失效問(wèn)題的方法。實(shí)現(xiàn)的軟件具有較高的實(shí)時(shí)】生， 設(shè)計(jì)的程序可作為類似控制軟件的框架。 關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)控制；建模；框架；電梯 中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ， （ ， ， ，； ， ， ，） ： ， ￥ “ ” 蒯 ? 比 ， ： ； 引 言 的應(yīng)用。軟件框架是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)過(guò)和驗(yàn)證過(guò)的完善與 詳實(shí)的一類軟件的模板，可在類似的軟件開發(fā)中重 用，從而提高開發(fā)效率。 本文以電梯控制為研究對(duì)象，采用狀態(tài) 機(jī)圖建立了控制軟件模型，并且介紹了可以作為 類似系統(tǒng)控制軟件框架的一個(gè)實(shí)例一電梯控制系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)方法。 開發(fā)實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制軟件是一項(xiàng)困難的任務(wù)。 文獻(xiàn)提到，實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多形式化方法只能 解決“小玩具”問(wèn)題，這種說(shuō)法在今天看來(lái)仍然是 基本正確的。很多文獻(xiàn)中介紹了采用不同方法建立 的電梯控制系統(tǒng)模型，如：改進(jìn)的 模型、 改進(jìn)的模型、面向?qū)ο蟮哪Ｐ?。建模的本意?簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低系統(tǒng)開發(fā)難度，而不少模型較復(fù)雜 或脫離實(shí)際，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并無(wú)幫助。一些模型只是 對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行了直觀的描述性建模，距離對(duì)系 統(tǒng)的控制還有一段距離。文獻(xiàn)中提出了模型驅(qū)動(dòng) 的軟件開發(fā)方法，但缺乏應(yīng)用實(shí)例。 很少有文獻(xiàn)提及框架技術(shù)在軟件開發(fā)中 電梯控制需求描述與電梯算法 簡(jiǎn)化的電梯系統(tǒng)（忽略超重、報(bào)警、到達(dá)響鈴、 關(guān)門阻擋檢測(cè)等信號(hào)，不考慮轎廂啟停的速度控 制，每層平層停車位置使用安裝在每個(gè)樓層的行程 開關(guān)檢測(cè)）的輸入信號(hào)包括：轎廂內(nèi)目的樓層請(qǐng)求 按鈕、每層的上升招喚按鈕、每層的下降招喚按 收稿期：）； 收修定稿日期： 作者簡(jiǎn)介：馬殷元（），男，甘肅勤人，副教授，博士，主要從事復(fù)雜工業(yè)過(guò)程建模、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)等方面的教學(xué)與科研工作。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) ? 控制 工程 第卷 鈕、每層的樓層行程開關(guān)、開門按鈕、關(guān)門按鈕、 開門限位開關(guān)、關(guān)門限位開關(guān)；輸出包括：目的按 鈕指示燈、上行招喚按鈕指示燈、下降招喚按鈕指 示燈、轎廂上升（曳引電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)控制）、轎廂下 降（曳引電機(jī)反轉(zhuǎn)控制）、到達(dá)樓層顯示燈、開（門 控電機(jī)正轉(zhuǎn)）、關(guān)門（控電機(jī)反轉(zhuǎn)）、當(dāng)前電梯狀態(tài) 顯示燈（下行態(tài)、上行態(tài)或空閑態(tài)）。 電梯完成初始化后開始響應(yīng)用戶招喚按鈕和目 的按鈕的輸入，為用戶提供運(yùn)送服務(wù)。這時(shí)，用戶 和電梯的構(gòu)成如下： 如圖，圖所示。 開門按鈕壓下且門控未使能 罡 無(wú)呼叩請(qǐng)求 小干當(dāng)前屢請(qǐng)求 復(fù)位空閑使眈 置位下態(tài)使能 置位門控使訂 有大干當(dāng)前屢請(qǐng)求 復(fù)位空閑使能 用戶請(qǐng)求一電梯服務(wù)關(guān)系模式。一個(gè)轎廂對(duì)多 個(gè)用戶的服務(wù)是共享的。為了提高服務(wù)效率，需要 按照一定的策略來(lái)調(diào)度轎廂的移動(dòng)為多個(gè)用戶服 務(wù)。常用的調(diào)度算法是電梯調(diào)度算法，簡(jiǎn)稱為“電 梯算法”，它的描述如下： 電梯在運(yùn)行中服務(wù)于同方向上的請(qǐng)求，中途不 改變其運(yùn)動(dòng)方向，除非它完成所有同方向上的請(qǐng) 求任務(wù)。 競(jìng)爭(zhēng)仲裁 量位上態(tài)使能 圖 “空閑態(tài)”狀態(tài)圖 ” ” 電梯控制頂層建模 狀態(tài)圖較之經(jīng)典狀態(tài)機(jī)最主要的改進(jìn)之處是組 合狀態(tài)（層次化可嵌套狀態(tài)）的引入，它在的 模型中加入了對(duì)層次和并發(fā)的支持，消除了用 模型來(lái)描述一些復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)所發(fā)生的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換的 爆炸的町能性。同時(shí)，組合狀態(tài)是隱藏內(nèi)部細(xì)節(jié)的 理想機(jī)制，把復(fù)雜性隱藏在組合狀態(tài)的內(nèi)部，就可 以在高抽象層次上更加容易的理解和把握系統(tǒng)“。 電梯控制系統(tǒng)模型有多種，系統(tǒng)狀態(tài)的劃分也 有多種。還算合理的一種把系統(tǒng)狀態(tài)劃分為：空閑 態(tài)、上升態(tài)、下降態(tài)。個(gè)狀態(tài)問(wèn)均有狀態(tài)轉(zhuǎn)換， 還有狀態(tài)自身的轉(zhuǎn)換。該模型未考慮電梯調(diào)度算 法。 考慮到電梯算法和簡(jiǎn)化狀態(tài)圖，改進(jìn)后的電梯 控制狀態(tài)圖模型，如圖所示。 圖“上升態(tài)”狀態(tài)圖 ” ” 上 電梯控制任務(wù)分析 圖改進(jìn)的電梯控制狀態(tài)圖模型 由圖可見(jiàn)，模型到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)還有很大距離。 在此類反應(yīng)式實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng)的開發(fā)中，控制 任務(wù)的分析與設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。本文 把控制任務(wù)歸納分類成全局實(shí)時(shí)任務(wù)、局部順序任 務(wù)、異步并發(fā)任務(wù)和周期任務(wù)種。本文系統(tǒng)無(wú)周 期任務(wù)。下面根據(jù)任務(wù)的特性對(duì)其分類。 ）局部順序任務(wù)圖中所示的個(gè)狀態(tài)對(duì) 應(yīng)于系統(tǒng)的個(gè)任務(wù)。本文把這些任務(wù)定義為局部 順序任務(wù)。原因是，控制器只需要按照順序執(zhí)行其 中的一個(gè)任務(wù)。 該模型每個(gè)狀態(tài)只有一個(gè)轉(zhuǎn)換進(jìn)入點(diǎn)和轉(zhuǎn)換退 出點(diǎn)，結(jié)構(gòu)比較清晰?？臻e態(tài)向上升態(tài)轉(zhuǎn)換的條件 是：有大于當(dāng)前層的樓層的上升招喚按鈕、下降 招喚按鈕或轎廂內(nèi)目的樓層請(qǐng)求按鈕被按下。上升 態(tài)向空閑態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為：完成所有上升任務(wù)一無(wú) 大于當(dāng)前層的上升招喚按鈕、下降招喚按鈕或轎廂 內(nèi)目的樓層請(qǐng)求按鈕被按下。 空閑態(tài)和上升態(tài)控制任務(wù)的狀態(tài)圖模型，分別 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第期 馬殷元等：電梯系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制軟件建模及實(shí)現(xiàn) ? ）全局實(shí)時(shí)任務(wù) 電梯需要對(duì)多個(gè)用戶提供 后，全局實(shí)時(shí)任務(wù)一直被執(zhí)行，保證了系統(tǒng)對(duì)用戶 請(qǐng)求響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。其他類型的任務(wù)也有實(shí)時(shí)性要 求。如：轎廂?？吭谝粚樱藭r(shí)三層的下降招喚按 鈕被壓下，導(dǎo)致電梯進(jìn)入上升態(tài)，轎廂在上升運(yùn)動(dòng) 途中位于一層與二層中間時(shí)又有人按下了二層的上 行招喚按鈕，電梯應(yīng)該在上升到二層時(shí)停止并開 門。上升態(tài)任務(wù)中實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵是轎廂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 停止的判斷和停止動(dòng)作的執(zhí)行。圖中上升中狀態(tài) 的任務(wù)就是判斷是否需要停止，一旦滿足條件就執(zhí) 行停止操作。轎廂停止并開門有種情況。第一種 情況是，將在大于當(dāng)前層，并且上升招喚按鈕被按 下的樓層停止并開門；第種是，將在大于當(dāng)前層 并且轎廂內(nèi)目的樓層請(qǐng)求按鈕，被按下的層停止并 開門；第種是，將在大于當(dāng)前層，并且下降招喚 按鈕被按下并且“下降招喚按鈕”被按下的樓層 是所有召喚中最高的樓層停止并開門。在基于 的控制器實(shí)現(xiàn)中，一般來(lái)說(shuō)最大延遲時(shí)間為 程序循環(huán)掃描時(shí)間的倍。這與的速度和程序 的規(guī)模有關(guān)，同時(shí)如果合理調(diào)度任務(wù)，可以減少程 序掃描時(shí)間。 運(yùn)送服務(wù)，用戶通過(guò)各層或轎廂內(nèi)的按鈕輸入服務(wù) 請(qǐng)求，電梯控制根據(jù)電梯算法，順序服務(wù)用戶。盡 管運(yùn)送服務(wù)不是實(shí)時(shí)的，但要求對(duì)用戶輸入的確認(rèn) 響應(yīng)是實(shí)時(shí)的。當(dāng)用戶按下按鈕時(shí)，控制系統(tǒng)立即 點(diǎn)亮與上行招喚、下行招喚、目的按鈕對(duì)應(yīng)的指示 燈，實(shí)時(shí)響應(yīng)確認(rèn)用戶請(qǐng)求，并注冊(cè)這個(gè)請(qǐng)求。此 后，控制系統(tǒng)按照用戶請(qǐng)求移動(dòng)轎廂，到達(dá)有請(qǐng)求 的樓層時(shí)停止移動(dòng)轎廂，自動(dòng)開門，完成對(duì)用戶的 服務(wù)，并熄滅相應(yīng)的指示燈，注銷請(qǐng)求。這種呼叫 顯示及用戶請(qǐng)求注冊(cè)功能構(gòu)成一個(gè)全局實(shí)時(shí)任務(wù)， 在電梯正常工作狀態(tài)中該任務(wù)都需要實(shí)時(shí)執(zhí)行。 電梯轎廂在運(yùn)動(dòng)時(shí)需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示當(dāng)前到達(dá) 樓層，判斷是否有注冊(cè)的請(qǐng)求，以便在有請(qǐng)求的樓 層停止。到達(dá)樓層是通過(guò)安裝在各層的行程開關(guān)檢 測(cè)的，為了顯示樓層數(shù)碼和判斷是否到達(dá)目標(biāo)樓 層，當(dāng)前樓層用數(shù)字量表示。程序中通過(guò)編程把行 程開關(guān)輸出了量變換成相應(yīng)的樓層的數(shù)字并顯示。 這個(gè)功能構(gòu)成“當(dāng)前層更新”全局實(shí)時(shí)任務(wù)。 ）異步并發(fā)任務(wù) 電梯在上升態(tài)、下降態(tài)、 空閑態(tài)控制任務(wù)的執(zhí)行中均允許有門的操作，門的 操作也可與呼叫顯示及用戶請(qǐng)求注冊(cè)任務(wù)同時(shí)發(fā) 生?？梢园验T的操作分析出來(lái)在門控制中實(shí)現(xiàn)。門 控制任務(wù)的狀態(tài)圖，如圖所示。 控制任務(wù)間的通信與任務(wù)調(diào)度 任務(wù)：呼叫顯示及用戶請(qǐng)求注冊(cè)完成請(qǐng)求的響 應(yīng)和請(qǐng)求信息的注冊(cè)，對(duì)用戶的服務(wù)在任務(wù)上升態(tài)、 下降態(tài)中完成。任務(wù)：呼叫顯示及用戶請(qǐng)求注冊(cè)模 塊與上升態(tài)下降態(tài)模塊構(gòu)成請(qǐng)求信息的生產(chǎn)者一消 費(fèi)者模式。任務(wù)之間的通信可使用共享內(nèi)存的方法 實(shí)現(xiàn)。呼叫顯示及用戶請(qǐng)求注冊(cè)任務(wù)置位相應(yīng)變量， 上升態(tài)、下降態(tài)查詢相應(yīng)變量，完成服務(wù)后復(fù)位變 關(guān) 下 量。 由于已經(jīng)根據(jù)其特性對(duì)任務(wù)進(jìn)行了分類，任務(wù) 的調(diào)度就比較簡(jiǎn)單了。本文采用最自然的順 序調(diào)度的任務(wù)調(diào)度策略。局部順序控制任務(wù)相互沒(méi) 有重疊，同時(shí)只有一個(gè)在運(yùn)行。全局實(shí)時(shí)任務(wù)一直 運(yùn)行。上升態(tài)、下降態(tài)、空閑態(tài)任務(wù)中通過(guò)置位： 門控制使能變量來(lái)啟動(dòng)門控制任務(wù)。門控制完成后 復(fù)位門控制使能變量，以便于需要任務(wù)同步的任務(wù) 得到門當(dāng)前的狀態(tài)。要注意的是異步并發(fā)任務(wù)：門 控制的使能（置位控制變量，使得該任務(wù)被執(zhí)行） 圖 “門控制”狀態(tài)圖 控制可能導(dǎo)致任務(wù)重入（任務(wù)執(zhí)行完成前有被從頭 重復(fù)執(zhí)行）問(wèn)題，在本系統(tǒng)中不允許該任務(wù)重入， 所以在任務(wù)使能前要滿足的條件是該任務(wù)沒(méi)有被使 能，參見(jiàn)圖。 ” ” 門控制任務(wù)執(zhí)行時(shí)間可能跨躍個(gè)局部順序任 務(wù)。如：用戶在電梯處于空閑態(tài)時(shí)按下開門按鈕， 又按下一個(gè)轎廂內(nèi)目的樓層請(qǐng)求按鈕使電梯進(jìn)入上 升態(tài)，而門的操作任務(wù)還沒(méi)有完成。由以上點(diǎn)， 把任務(wù)執(zhí)行可能與多個(gè)任務(wù)重疊和并發(fā)操作的“門 控制”任務(wù)定義為異步并發(fā)任務(wù)。 ）任務(wù)的實(shí)時(shí)性在電梯進(jìn)入正常工作狀態(tài) 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ）狀態(tài)嵌套的實(shí)現(xiàn) 圖只是一個(gè)頂層的狀 態(tài)圖模型，在原點(diǎn)復(fù)歸、上升態(tài)、下降態(tài)、空閑態(tài) 中又包含了各自的底層的轉(zhuǎn)態(tài)一轉(zhuǎn)換邏輯。也就是 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 控制工程 第卷 說(shuō)，它們嵌套了子狀態(tài)。很多廠家提供了順 序功能圖（）語(yǔ)言編程環(huán)境，利用順序功能圖語(yǔ) 言可以實(shí)現(xiàn)平面的狀態(tài)圖模型。但語(yǔ)言編程不 能直接實(shí)現(xiàn)狀態(tài)嵌套使用起來(lái)不方便。但與 狀態(tài)圖基本思想是一致的，就是“把大的任務(wù)分成 小的（階段）步一即狀態(tài)，每個(gè)階段（步）的程序只考 慮處理與該步有關(guān)的輸入，通過(guò)控制小的（階段） 步程序的執(zhí)行順序，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，與當(dāng)前小的 （階段）步無(wú)關(guān)的程序和輸入被忽略”。該方法的關(guān) 鍵是，忽略了無(wú)關(guān)的輸入和程序，把大的控制任務(wù) 簡(jiǎn)化成很多小的控制任務(wù)一狀態(tài)。受此啟發(fā)，可以 把小的控制任務(wù)即狀態(tài)封裝在子程序（或函數(shù)） 中，通過(guò)控制子程序“使能輸入端”（參見(jiàn)圖中 的語(yǔ)句）控制子程序是否被執(zhí)行，就可以方便的實(shí) 現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度，控制調(diào)度的順序也就實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的 切換即狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)子程序是可以嵌套的，狀 態(tài)嵌套問(wèn)題隨之解決。 ）控制軟件框架用西門子的編 程環(huán)境 實(shí)現(xiàn)的主程序（），如圖所示。 轉(zhuǎn)移，需要在子程序外部置位子程序中的第一個(gè)狀 態(tài)的控制位變量。 子程序中定時(shí)器問(wèn)題的解決 在用“子程序封裝任務(wù)”實(shí)現(xiàn)狀態(tài)嵌套的實(shí) 現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，子程序中的定期器在第一次啟動(dòng) 運(yùn)行時(shí)可以正常工作，在此后，定時(shí)器不能正常啟 動(dòng)，以致程序在定時(shí)器處卡殼。 幫助 中的使用說(shuō)明中要求： 啟動(dòng)定時(shí)器需要在其輸入端（）加一個(gè)正向邊 沿，并且信號(hào)的變化是必須的。造成子程序中定時(shí) 器不能啟動(dòng)的原因是子程序不是連續(xù)掃描的，而是 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的需要調(diào)度執(zhí)行的。 這樣，定時(shí)器的輸入端（）在使能（置）前可 能無(wú)法得到復(fù)位（置）信號(hào)，滿足不了“邊沿觸 發(fā)”的條件。因此，可把子程序中定時(shí)器的語(yǔ)句放 到子程序中所有語(yǔ)句的最前面，這樣在子程序進(jìn)入 時(shí)。先掃描定時(shí)器語(yǔ)句，定時(shí)器的輸入端（）可得 到復(fù)位信號(hào)，此后的掃描中定時(shí)器的輸入端再使能 啟動(dòng)，就滿足了定時(shí)器“邊沿觸發(fā)”的啟動(dòng)條件。 結(jié)語(yǔ) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)層曳引型模型電梯上實(shí)現(xiàn) 并驗(yàn)證，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。設(shè)計(jì)中使用控制子程 序“使能位”實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，在掃描程 序時(shí)只需掃描執(zhí)行部分子程序，正常工作時(shí) 程序掃描條數(shù)為整個(gè)程序的，系統(tǒng)效率較不 使用任務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)有較大提高。另外，本文介紹 的系統(tǒng)開發(fā)方法具有模型和實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系直接明 了、實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，提出的任務(wù) 分類方法對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意 義。給出的軟件（圖）還可以作為類似控制系統(tǒng)軟 件的模板。這兩點(diǎn)的應(yīng)用町以提高開發(fā)效率。 圖電梯控制主程序 參考文獻(xiàn)（）： 桂先洲，戴金海任務(wù)圖模，！中實(shí)時(shí)任務(wù)設(shè)計(jì)軟件學(xué)報(bào) 圖中的初始化在初始化程序塊 中實(shí)現(xiàn)。在原點(diǎn)復(fù)歸任務(wù)程序的最后的語(yǔ)句中，通 過(guò)復(fù)位原點(diǎn)復(fù)歸使能、置位呼叫顯示使能（見(jiàn)圖） 語(yǔ)句，使呼叫顯示及層更新子程序