基于虛擬電梯模型的電梯性能分析

基于虛擬電梯模型的電梯性能分析

電梯是典型的控制對象。目前，電線控制主要采用電線控制系統(tǒng)。在電梯控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中,首先要經(jīng)過控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系的設(shè)計(jì)編程,然后進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)測試,取得滿意效果后才能投入實(shí)際系統(tǒng)中使用。但是,由于受到場地、經(jīng)費(fèi)等諸多客觀條件的限制,直接使用實(shí)際電梯對象進(jìn)行控制測試是不現(xiàn)實(shí)的。為此,需要應(yīng)用和現(xiàn)場相一致的PLC控制設(shè)備與具有相應(yīng)功能的虛擬對象相結(jié)合的方式搭建電梯控制運(yùn)行的測試平臺,這樣既可在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件的早期開發(fā),同時(shí)又可以進(jìn)行控制算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)和測試。應(yīng)用力控監(jiān)控組態(tài)軟件構(gòu)建虛擬電梯模型,通過調(diào)用力控組態(tài)軟件的通信接口,實(shí)現(xiàn)了Twincat軟PLC與虛擬電梯模型間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)了控制器軟PLC與虛擬電梯模型集成的目的。這種新型測試平臺改變了以往實(shí)物實(shí)驗(yàn)測試平臺的運(yùn)行模式,可以實(shí)現(xiàn)全虛擬運(yùn)行。1基于電梯邏輯控制中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)平層開關(guān)的設(shè)計(jì)應(yīng)用力控組態(tài)軟件對三層電梯進(jìn)行虛擬建模來模擬電梯運(yùn)行邏輯。為使模型簡單可靠,在電梯建模時(shí)略去了和電梯邏輯控制關(guān)系不太密切的電梯結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)電梯邏輯控制中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)平層開關(guān)的設(shè)計(jì)并用動畫形式表達(dá)模型的運(yùn)行狀態(tài)。1.1電梯模型的建立對于垂直運(yùn)行的電梯,其結(jié)構(gòu)主要由曳引機(jī)、巷道、對重裝置、安全裝置、信號操縱系統(tǒng)、轎廂與廳門等組成。電梯的控制主要是召梯、選層、減速、平層停站、開門、關(guān)門。但在建模時(shí),為使模型簡化并突出主要功能,在電梯模型中略去了曳引機(jī)、對重裝置、安全裝置等,重點(diǎn)設(shè)計(jì)了各層的外呼請求按鈕,轎廂內(nèi)請求按鈕,開關(guān)門按鈕和各層的平層開關(guān)等主要功能。其中電梯的運(yùn)行界面如圖1。其中,右側(cè)的數(shù)字,表示轎廂內(nèi)的操作面板;操作面板由進(jìn)入轎廳的乘客控制,通過選擇按鈕輸入選層要求,并由字體顏色改變來顯示。此外,在轎箱內(nèi)的操作面板上方還設(shè)置了開門和關(guān)門按鈕。1.2plc和電梯模型的輸出接口為真實(shí)模擬電梯的運(yùn)行,首先把基本的輸入輸出信號進(jìn)行定義,再設(shè)計(jì)基本的限位開關(guān),然后進(jìn)行基本的動畫設(shè)計(jì),最后進(jìn)行通訊設(shè)置,以實(shí)現(xiàn)軟PLC和電梯模型的聯(lián)合運(yùn)行。1.2.1集團(tuán)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)虛擬電梯的具體I/O點(diǎn)分配如表1。1.2.2平層開關(guān)動作與否更合理虛擬電梯位置模擬可以通過電梯轎廂的位置坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn),所以平層開關(guān)的動作與否應(yīng)該通過轎廂當(dāng)前位置坐標(biāo)與樓層坐標(biāo)對比后得到。其具體設(shè)計(jì)腳本如下:1.2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控動畫連接即建立畫面與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系,使靜態(tài)畫面動作,達(dá)到模擬真實(shí)情況.以轎廂為例,當(dāng)軟PLC采集到虛擬模型的呼梯命令,運(yùn)行控制程序,引起實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中控制變量UP/DOWN變化,然后執(zhí)行相應(yīng)上升/下降命令,實(shí)現(xiàn)轎廂上行/下行。電梯門的開閉和相關(guān)請求按鈕響應(yīng)等也須經(jīng)過動畫連接,最后達(dá)到虛擬電梯運(yùn)行的動畫效果。轎廂的上下移動是通過對轎廂坐標(biāo)的運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的,對于轎廂上下移動控制是由up和down兩個(gè)變量來控制的。其具體腳本程序設(shè)計(jì)如下:程序執(zhí)行時(shí)間間隔為100ms。1.3三樓虛擬單元模型的群體控制擴(kuò)展電梯群控模型只需要按上述方法再設(shè)計(jì)一個(gè)同樣的電梯模型,然后兩電梯模型的外呼請求信號共用即可。其界面如圖2所示。2新型控制技術(shù)電梯控制仿真系統(tǒng)采用德國Beckhoff的TwinCAT軟PLC與力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟PLC技術(shù)是一種基于PC并遵循IEC61131—3編程標(biāo)準(zhǔn)的新型控制技術(shù),與傳統(tǒng)硬PLC相比,為用戶提供了更多的開放性,以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,是目前工業(yè)自動化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。其步驟為:先對電梯的各種不同狀態(tài)進(jìn)行劃分;然后把具有相同性質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行合并并考慮每一種狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況;最后對力控組態(tài)軟件與倍福軟PLC兩者的通信進(jìn)行設(shè)置,則由電梯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和力控組態(tài)軟件與軟PLC兩者的關(guān)聯(lián)就可以快速且正確地設(shè)計(jì)電梯的控制程序。2.1順路服務(wù)控制1)自動響應(yīng)各層樓召喚信號(含上呼喚和下呼喚)。2)自動響應(yīng)轎廂內(nèi)服務(wù)指令信號。3)控制遵循順路服務(wù)原則。4)自動開門。5)延時(shí)關(guān)門。6)待服務(wù)超時(shí)后自動下1樓等待。2.2增設(shè)電梯正常使用狀態(tài)由于電梯在底層和頂層的控制規(guī)律非常相似,所以對一層和三層進(jìn)行集中處理。當(dāng)電梯在一層或三層時(shí)如果一二層有請求或一二層有內(nèi)選且電梯關(guān)門到位,電梯此時(shí)就可以下行;當(dāng)電梯在一層或三層時(shí)如果二層三層有請求或二層三層有內(nèi)選且電梯此時(shí)關(guān)門到位,電梯此時(shí)就可以上行。當(dāng)電梯在一層或三層時(shí)如果內(nèi)選一樓三樓或一樓三樓有請求時(shí),電梯此時(shí)停靠開門。具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。二層由于在中間位置,可能上行或下行,所以要對二層進(jìn)行單獨(dú)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析。當(dāng)電梯在二層時(shí),如果三層無請求一層有內(nèi)選且二層關(guān)門到位或一層有請求且當(dāng)前服務(wù)方向?yàn)橄滦袝r(shí),電梯下行。如果三層有內(nèi)選或三層有請求且當(dāng)前服務(wù)方向?yàn)樯闲星乙殃P(guān)門到位時(shí),電梯上行。如果有二層內(nèi)選或有和當(dāng)前服務(wù)方向同方向請求時(shí),電梯?？块_門。具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可以寫出電梯的控制程序。2.3輸出和輸出信號變量設(shè)置的原則如下,第一所有的控制變量和指示變量都作為輸出變量。第二各種限位開關(guān)信號和請求信號都作為輸入變量。第三服務(wù)方向預(yù)測和表示各種服務(wù)狀態(tài)的變量都設(shè)為中間變量。3電梯模型間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運(yùn)行前需要先進(jìn)行通信設(shè)置,以實(shí)現(xiàn)控制器和虛擬電梯模型間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。然后把控制程序?qū)懭胲汸LC,運(yùn)行電梯模型和控制程序,通過虛擬電梯的人機(jī)界面就可以觀察控制程序?qū)﹄娞莸膶?shí)時(shí)控制結(jié)果。3.1設(shè)置程序設(shè)置力控組態(tài)軟件與倍福軟PLC兩者的通信可通過接口設(shè)置來實(shí)現(xiàn),其步驟如下:1)在力控IO設(shè)備組態(tài)中找到PLC,然后再在PLC中找到Beckhoff;2)選擇BC系列進(jìn)行設(shè)備配置,設(shè)置設(shè)備名稱,更新周期設(shè)為100ms,要和腳本程序執(zhí)行間隔時(shí)間一致,超時(shí)時(shí)間設(shè)為8秒;3)進(jìn)行冗余主機(jī)設(shè)置,填寫AMSNetID和Port;4)在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中進(jìn)行I/O數(shù)據(jù)的鏈接,首先選擇你所建立的設(shè)備名稱,然后增加連接項(xiàng),通過設(shè)置參數(shù)類型,數(shù)據(jù)類型,地址偏移和位偏移來確定所要鏈接的軟PLC變量。通過以上設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件和軟PLC之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。3.2電梯操作的總體情況通過對三層電梯控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真表明了本文所提出的電梯模型設(shè)計(jì)方法的可行性。系統(tǒng)運(yùn)行的步驟為:1)運(yùn)行虛擬電梯模型;2)打開軟PLC,并運(yùn)行系統(tǒng);3)下載PLC程序到軟PLC;4)運(yùn)行PLC程序;5)在虛擬電梯界面上進(jìn)行操作,并觀察電梯的運(yùn)行情況。系統(tǒng)的運(yùn)行情況:第一步,在一樓有乘客進(jìn)入電梯要去3樓,二樓有向上向下請求,三樓有向下的請求,此時(shí)電梯開始上升。如圖5(a)所示。第二步,當(dāng)電梯上升至二樓時(shí),熄滅上樓請求指示,電梯開門等乘客全部進(jìn)入電梯后關(guān)門。如圖5(b)所示。第三步,電梯關(guān)門后繼續(xù)上升,到達(dá)三樓后開門,并熄滅轎廂內(nèi)的3樓請求和3樓下樓請求,等轎廂內(nèi)乘客走出轎廂后下樓的乘客進(jìn)入轎廂,然后關(guān)門。如圖5(c)所示。第四步,關(guān)門后,電梯開始下降,同時(shí)有人選擇了一樓內(nèi)選,當(dāng)電梯下降至二樓時(shí)開門,同時(shí)熄滅二樓的下樓請求指示,等待二樓乘客全部進(jìn)入轎廂后關(guān)門,然后繼續(xù)下降。如圖5(d)、圖5(e)和圖5(f)所示。3.3控制程序錯(cuò)誤分析設(shè)計(jì)PLC電梯控制程序時(shí),由于控制邏輯比較復(fù)雜,導(dǎo)致原始控制程序常有邏輯錯(cuò)誤,這時(shí)可以把原始控制程序?qū)懭胲汸LC中,并和電梯模型進(jìn)行聯(lián)合仿真,如果控制程序有邏輯錯(cuò)誤,就可以在仿真界面上清楚地看出故障所在。然后可根據(jù)故障的表現(xiàn)來分析控制程序的錯(cuò)誤所在。改變控制程序后再進(jìn)行聯(lián)合仿真,觀察仿真模型的運(yùn)行情況,如果控制程序仍有錯(cuò)誤,可繼續(xù)根據(jù)故障表現(xiàn)不斷修改控制程序,直到電梯運(yùn)行正常。模型不僅可以分析和排除PLC控制程序的邏輯錯(cuò)誤,而且還可以模擬一些常見的機(jī)械故障,例如我們可以把平層開關(guān)的功能禁用,然后就可以通過仿真模型觀察當(dāng)平層開關(guān)出故障時(shí)的電梯運(yùn)行情況。通過已知故障表現(xiàn)和實(shí)際故障表現(xiàn)對比,就可以快速排除故障。4基于plc的聯(lián)合仿真該系統(tǒng)克服了電梯模型自身電氣、機(jī)械故障等缺點(diǎn),使用方便、簡單、直觀,可以為電梯程序的設(shè)計(jì)者提供一個(gè)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)測試平臺,通過虛擬電梯模型可以很方便地模擬出真實(shí)電梯的各種動作情況,而且可擴(kuò)展性好,可很方便地?cái)U(kuò)展至任意層數(shù)的電梯模型,以方便電梯PLC程序的調(diào)試,保證控制程序的正確性。由于虛擬電梯模型還可以模擬一些電梯常見故障,方便故障分析和排除故障。同時(shí)虛擬電梯模型成本低廉,而且不會在程序調(diào)試過程中由于程序的錯(cuò)誤而導(dǎo)致設(shè)備的損壞。應(yīng)用本文方法,根據(jù)實(shí)際電梯層數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的電梯模型,然后即可根據(jù)電梯控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖編寫相應(yīng)的控制程序,和相應(yīng)的虛擬電梯模