基于SCL语言的6层电梯仿真控制：逻辑设计与实现

2025年12月30日 互联网

一、系统架构与仿真环境设计

电梯仿真系统的核心架构包含三个层次：物理层模拟（楼层高度、门机运动）、逻辑控制层（状态机、呼梯处理）和人机交互层（HMI显示）。在仿真环境中，采用虚拟IO映射技术，将电梯的传感器信号（如平层开关、门限位）和执行机构（电机驱动、门机控制）抽象为内存变量，实现全软件化的测试验证。

硬件抽象层设计需重点考虑：

  1. 楼层编码方案：采用BCD码或格雷码编码，减少信号传输误差
  2. 门机状态定义：设置5个关键状态（全关/半开/全开/障碍检测/紧急停止）
  3. 呼梯按钮矩阵：通过行列扫描技术识别多按钮同时按下场景
  1. // 楼层编码示例（BCD码实现）
  2. FUNCTION_BLOCK FloorEncoder
  3. VAR_INPUT
  4.     RawSensor : ARRAY[1..6] OF BOOL; // 原始传感器输入
  5. END_VAR
  6. VAR_OUTPUT
  7.     BCDCode : INT; // 输出BCD码（0-15，6层用0-5）
  8. END_VAR
  9. BEGIN
  10.     CASE TRUE OF
  11.         RawSensor[1]: BCDCode := 1;
  12.         RawSensor[2]: BCDCode := 2;
  13.         // ...其他楼层编码
  14.         ELSE BCDCode := 0; // 默认底层
  15.     END_CASE;
  16. END_FUNCTION_BLOCK

二、开关门控制逻辑实现

门机控制采用状态机模式，包含6个核心状态：

  1. Idle：待机状态，检测开门/关门指令
  2. Opening：电机正转，监测防夹传感器
  3. OpenHold：完全打开后保持3秒
  4. Closing：电机反转，监测障碍物
  5. EmergencyStop：遇到阻力时立即停止
  6. ForceClose：超时后强制关门

关键算法设计：

  • 防夹保护：通过电流检测（模拟量输入）和红外传感器（数字量输入）双重判断
  • 平滑控制：采用S曲线加减速算法，减少机械冲击
  • 同步控制：确保门机与电梯运行方向联动
  1. // 门机状态机示例
  2. FUNCTION_BLOCK DoorController
  3. VAR
  4.     CurrentState : INT; // 当前状态
  5.     Timer : TON; // 定时器
  6.     ForceCloseTimer : TON; // 强制关门定时器
  7. END_VAR
  9. METHOD Run : BOOL
  10. BEGIN
  11.     CASE CurrentState OF
  12.         0: // Idle
  13.             IF OpenCmd THEN CurrentState := 1; END_IF;
  14.             IF CloseCmd THEN CurrentState := 3; END_IF;
  15.         1: // Opening
  16.             DriveOutput := TRUE;
  17.             IF DoorFullyOpen OR ObstacleDetected THEN
  18.                 DriveOutput := FALSE;
  19.                 CurrentState := 2;
  20.             END_IF;
  21.         // ...其他状态处理
  22.     END_CASE;
  23.     Run := TRUE;
  24. END_METHOD
  25. END_FUNCTION_BLOCK

三、楼层定位与呼梯处理

楼层定位系统采用三级冗余设计：

  1. 主定位：旋转编码器脉冲计数（精度±1mm）
  2. 辅助定位：平层开关（磁感应式）
  3. 应急定位：手动校准按钮+HMI输入

呼梯处理算法包含以下优化：

  • 同向优先：当电梯运行时，优先响应同方向呼梯
  • 最短路径：空闲时计算所有呼梯请求的最短路径
  • 容量控制：超载时禁止新增呼梯
  1. // 呼梯队列管理示例
  2. FUNCTION_BLOCK CallQueue
  3. VAR
  4.     UpCalls : ARRAY[1..6] OF BOOL; // 上行呼梯
  5.     DownCalls : ARRAY[1..6] OF BOOL; // 下行呼梯
  6.     CurrentFloor : INT;
  7.     Direction : INT; // 1=上行 -1=下行 0=停止
  8. END_VAR
  10. METHOD ProcessCalls : BOOL
  11. VAR
  12.     NextFloor : INT;
  13.     BestScore : INT := -1;
  14. BEGIN
  15.     FOR i := 1 TO 6 DO
  16.         IF (Direction = 1 AND UpCalls[i] AND i > CurrentFloor) OR
  17.            (Direction = -1 AND DownCalls[i] AND i < CurrentFloor) THEN
  18.             // 计算路径得分（距离+优先级）
  19.             Score := Abs(i - CurrentFloor) * 10 + Priority(i);
  20.             IF Score > BestScore THEN
  21.                 BestScore := Score;
  22.                 NextFloor := i;
  23.             END_IF;
  24.         END_IF;
  25.     END_FOR;
  27.     IF NextFloor <> 0 THEN
  28.         MoveToFloor(NextFloor);
  29.     END_IF;
  30.     ProcessCalls := TRUE;
  31. END_METHOD
  32. END_FUNCTION_BLOCK

四、停靠逻辑与安全控制

停靠过程分为三个阶段：

  1. 减速阶段：提前500mm开始减速（梯形速度曲线）
  2. 平层阶段：速度降至0.1m/s时启动平层校正
  3. 锁定阶段：门区信号有效后，抱闸立即动作

安全控制要点：

  • 双通道冗余：主控PLC与安全PLC互相监控
  • 超速保护：设置两级速度监控（110%额定速度报警，120%紧急制动）
  • 坠落防护：编码器失效时自动切换至最近楼层停靠

五、仿真验证与调试技巧

  1. 信号注入测试：通过HMI强制设置传感器状态，验证异常处理逻辑
  2. 边界条件测试：重点测试底层/顶层呼梯、连续呼梯、超载等场景
  3. 性能优化：
    • 减少SCAN周期（建议≤100ms）
    • 优化数据块结构（使用UDT减少内存访问）
    • 采用中断处理紧急事件

调试工具推荐：

  • 趋势图记录：实时监测速度、门机电流等关键参数
  • 强制表操作：临时修改变量值进行故障复现
  • 交叉引用表：快速定位变量使用位置

六、扩展应用建议

  1. 群控系统集成：通过PROFINET IO实现多台电梯协同调度
  2. 远程监控：集成OPC UA服务器，实现云端状态监测
  3. AI优化：引入机器学习算法优化呼梯响应策略

该仿真系统不仅可用于教学实验，其核心逻辑经过适当修改后，可直接应用于实际电梯控制系统开发。建议开发者重点关注状态机设计的健壮性和异常处理机制的完整性，这是保障电梯安全运行的关键。

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