电梯系统实时控制软件建模及PLC实现

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２００９年Ｉ１月控制工程Ｎｏｖ．２００９Ｖ０１．１６．Ｎｏ．６第１６卷９６期ＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｉｎａ文章编号：１６７１－７８４８【２００９）０６－０７８７－０４电梯系统实时控制软件建模及ＰＬＣ实现马殷元１。

姚闯２（１．兰州交通大学机电技术研究所，甘肃兰州７３００７０；２．兰州铁路局兰州车辆段．甘肃兰州７３００００）摘要：为降低开发难度、提高开发效率，提出把基于层次化状态图的建模技术和框架技术应用于ＰＩＥ实时控制软件的开发。

以电梯控制为例说明了把此技术应用于ＰＬＣ实时控制软件开发的过程。

首先根据电梯控制要求和电梯算法建立了系统顶层状态图模型。

然后分系统任务特性，根据任务特性提出了把控制任务分成局部顺序任务、全局实时任务和析了发任务的系统分析方法，给出了任务间通信的方法。

提出了用函数封装任务实现状异步并置位或复位函数的“使能输八端”进行任务调度的软件实现方法。

最后给出了态嵌套、用上实现的电梯控制的主要程序和解决定时器失效问题的方法。

实现的软件在西门子ＰＬＣ具有较高的实时－】生，设计的ＰＬＣ程序可作为类似控制软件的框架。

关键词：实时控制；建模；框架；ＰＩ￡；电梯中图分类号：ＴＰ３１５文献标识码：ＡＲｅａｌ．．ＴｉｍｅＣｏｎｔｒｏｌＳｏｆｔｗａｒｅＭｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄＰＬＣ．．ＣｏｄｅＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｆｏｒＥｌｅｖａｔｏｒＳｙｓｔｅｍＭＡＹｉｎ—ｙｌｌ，ａｏ，，ＹＡ０Ｃｈｕａｎｇ（１．ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｅａｌＴ＆ＲＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ｈｍｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．ＬａｎｚｈｏｕＲｏｌｌｉｎｇＳｔｏｃｋＤｅｐｏｔ，ＬⅢ．ｈｏｌｌＲａｉｌｗａｙＢｕｒｅａｕ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇＰＬＣｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｒｅａｌ—ｔｉｍｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｍｏｄｅｌｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓｙｓｔｅｍ，ａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ￥ｏｆｔｗｍ＇ｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓ．ｗｈｉｃｈｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｉｎａｄｏｐｔｅｄ．ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ∞ｅｌｅｖａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｙｓ—ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｅｒｎ－ｌｅｖｅｌｍｏｄｅｌｏｆｅｌｅｖａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｔａｓｋｓａｒｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｍａｎｄｓａｎｄｔｈｅｅｌｅｖａｔｏｒａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｌａｂｅｌｌｅｄｂｙｔｈｅｉｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｓｔｈｅｐｒｉｖａｔｅ—ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ—ｃｏｎｔｒｏｌｔａｓｋ．ｔｈｅｐｕｂｌｉｃ—ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｔａｓｋａｎｄｔｈｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ—ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔｓｅｔｔｉｎｇｏｒｔａｓｋ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒ．ｔａｓｋｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓ“Ｅｎａｂｌｅｉｎｐｕｔｂｉｔ”．ａｐｒ０００蒯．Ｂｙｏｎｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｔａｓｋｓｉｎｔｏｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅｓ．ａｎｄｂｙｒｅｓｅｔｔｉｎｇｔｈｅｉｓｐｒｅｓ?ｓｔｒａｅｔｕｍｌｉｚｅｄｔｏｐｒｏｇｒａｍｂａｓｅｄｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍｏｆａｎｅｌｅｖａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｅｎｔｅｄ．Ａｎｄａｎｄｃａｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｌｖｅｔｈｅｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｉｍｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅＰ比ｐｒｏｇｒａｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄＤｏｓｓｏｓｓｃｓｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｂｅｕｓｅｄ∞ａｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅＰＩＥｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｒｅａｌ—ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅａｌ．ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ；ｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ＰＬＣ；ｅｌｅｖａｔｏｒ．１引言详实的一类软件的模板，可在类似的应用。

软件框架是已经实现过和验证过的完善与本文以电梯控制为研究对象，采用ＵＭＬ状态用，从而提高开发效率。

的软件开发中重类似系统控制软件框架的一个实例一机图∞１建立了控制软件模型，并且介绍了可以作为电梯控制系统的实现方法。

２文献［１］提到，实时系统设计的开发实时系统控制软件是一项困难的任务。

１…。

许多形式化方法只能解决“小玩具”问题，这种说法在今天看来仍然是基本正确的。

很多文献中介绍了采用不同方法建立的电梯控制系统模型，如：改进的ＰｅｔｆｉＮｅｔ模型、改进的ＵＭＬ模型、面向对象的模型。

建模的本意是简化系统，降低系统开发难度，而不少模型较复杂或脱离实际，对系统实现并无帮助。

一些模型只是对系统的行为进行了直观的描述性建模，距离对系统的控制还有一段距离。

文献［２］中提出了模型驱动的ＰＬＣ软件开发方法，但缺乏应用实例。

很少有文献提及框架技术在ＰＬＣ软件开发中电梯控制需求描述与电梯算法简化的电梯系统（忽略超重、报警、到达响铃、制，每层平层停车位置使用安装在每关门阻挡检测等信号，不考虑轿厢启停的速度控个楼层的行程开关检测）的输入信号包括：轿厢内目的楼层请求按钮、每层的上升招唤按钮、每层的下降招唤按收稿１３期：２００８４）９－０３；收修定稿日期：２００８－１０－０８作者简介：马殷元（１９７３．），男，甘肃Ｋ勤人，副教授，博士，主要从事复杂工业过程建模、计算机控制系统开发等方面的教学与科研工作。

万方数据７８８?控制工程第１６卷开门限位开关、关门限位开关；输钮、每层的楼层行程开关、开门按钮、关门按钮、出包括：目的按钮指示灯、上行招唤按钮指示灯、下降招唤按钮指示灯、轿厢上升（曳引电机启动正转控制）、轿厢下降（曳引电机反转控制）、到达楼层显示灯、开ｆ１（门控电机正转）、关门（ｆ１控电机反转）、当前电梯状态显示灯（下行态、上行态或空闲态）。

电梯完成初始化后开始响应用户招唤按钮和目的按钮的输入，为用户提供运送服务。

这时，用户和电梯的构成如下：如图２，图３所示。

开门按钮压下且门控未使能罡］Ｉ无呼叩请求小干当前屡请求复位空闲使眈置位下态使能置位门控使订有大干当前屡请求复位空闲使能用户请求一电梯服务关系模式。

一个轿厢对多按照一定的策略来调度轿厢的移动个用户的服务是共享的。

为了提高服务效率，需要．为多个用户服务。

常用的调度算法是电梯调度算法，简称为“电梯算法”，它的描述如下：电梯在运行中服务于同方向上的请求，中途不改变其运动方向，除非它完成ｒ所有同方向上的请求任务。

Ｆｉｇ．２竞争仲裁量位上态使能图２“空闲态”状态图Ｓａｔｅｃｈａｒｔｓｏｆ”Ｉｄｅｌｓｌａｔｅｃｏｎｔｒｏｌ”ｔａｓｋ３电梯控制顶层建模合状态（层次化可嵌套状态）的引入，状态图较之经典状态机最主要的改进之处是组它在ＦＳＭ的模型中加入了对层次和并发的支持，消除了用ＦＳＭ模型来描述一些复杂系统时所发生的状态和转换的爆炸的町能性。

同时，组合状态是隐藏内部细节的理想机制，把复杂性隐藏在组合状态的内部，就可以在高抽象层次上更加容易的理解和把握系统'“Ｊ。

电梯控制系统模型有多种，系统状态的划分也有多种。

还算合理的一种把系统状态划分为：空闲态、上升态、下降态。

３个状态问均有状态转换，还有状态自身的转换。

该模型未考虑电梯调度算法。

考虑到电梯算法和简化状态图，改进后的电梯控制状态图模型，如图１所示。

图３“上升态”状态图Ｆｉｇ．３Ｓａｔｅｃｈａｒｔｓｏｆ”Ｕｐｗａｒｄｓｓｔａｔｅｃｏｎｔｒｏｌ”ｔａｓｋ上４电梯控制任务分析图１改进的电梯控制状态图模型Ｆｉｇ．１Ｒｅｆｉｎｅｄ在此类反应式实时多任务控制系统的开由图ｌ可见，模型到系统实现还有很大距离。

发中，控制任务的分析与设计对于系统实现至关重要…。

本文把控制任务归纳分类成全局实时任务、局部顺序任务、异步并发任务和周期任务４种。

本文系统无周期任务。

下面根据任务的特性对其分类。

１）局部顺序任务图ｌ中所示的５个状态对应于系统的５个任务。

本文把这些任务定义为局部顺序任务。

原因是，控制器只需要按照顺序执行其中的一个任务。

Ｓｌａｔｅｃｈａｒｔｓｍｏｄｅｌｏｆｅｌｅｖａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ出点，结构比较清晰。

空闲态向上升态该模型每个状态只有一个转换进入点和转换退转换的条件是：有大于当前层的楼层Ｌ的上升招唤按钮、下降招唤按钮或轿厢内目的楼层请求按钮被按下。

上升态向空闲态转换的条件为：完成所有上升任务一无大于当前层的上升招唤按钮、下降招唤按钮或轿厢内目的楼层请求按钮被按下。

空闲态和上升态控制任务的状态图模型，分别万方数据第６期马殷元等：电梯系统实时控制软件建模及ＰＬＣ实现７８９?２）全局实时任务电梯需要对多个用户提供请求响应的实时性。

其他类型的任后，全局实时任务一直被执行，保证了系统对用户务也有实时性要求。

如：轿厢停靠在一层，此时三层的下降招唤按钮被压下，导致电梯进入上升态，轿厢在上升运动途中位于一层与二层中间时又有人按下了二层的上行招唤按钮，停止门。

上升态任务中实时性的关键是轿厢运动过程中电梯应该在上升到二层时停止并开．的任务就是判断是否需要停止，一旦满足条的判断和停止动作的执行。

图３中上升中状态件就执行停止操作。

轿厢停止并开门有３种情况。

第一种情况是，将在大于当前层，并且上升招唤按钮被按下的楼层停止并开门；第２种是，将在大于当前层并且轿厢内目的楼层请求按钮，被按下的层停止并开门；第３种是，将在大于当前层，并且下降招唤按钮被按下并且“下降招唤按钮”被按下的楼层是所有召唤中最高的楼层停止并开门。

在基于ＰＬＣ的控制器实现中，一般来说最大延迟时间为ＰＬＣ程序循环扫描时间的２倍。

这与ＰＬＣ的速度和程序的规模有关，同时如果合理调度任务，可以减少程序扫描时间。

请求，电梯控制根据电梯算法，顺运送服务，用户通过各层或轿厢内的按钮输入服务序服务用户。

尽管运送服务不是实时的，但要求对用户输入的确认响应是实时的。

当用户按下按钮时，控制系统立即点亮与上行招唤、下行招唤、目的按钮对应的指示灯，实时响后，控制系统按照用户请求移动轿厢，到达有请求应确认用户请求，并注册这个请求。

此的楼层时停止移动轿厢，自动开门，完成对用户的服务，并熄灭相应的指示灯，注销请求。

这种呼叫显示及用户请求注册功能构成一个全局实时任务，在电梯正常工作状态中该任务都需要实时执行。

电梯轿厢在运动时需实时监测、显示当前到达楼层，判断是否有注册的请求，以便在有请求的楼层停止。

到达楼层是通过安装在各层的行程开关检测的，为了显示楼层数码和判断是否到达目标楼层，当前楼层用数字量表示。