集控式餐飲電梯控制系統設計

王曉東

摘要：本文闡述了餐飲業中貨梯的使用背景，分析了目前中小餐飲實體在貨運方面的困擾。依據實際需求，設計了集控式電梯控制系統，用于樓層間貨物的運送。主要包括整體設計、硬件設計、軟件設計、通信設計、安全保護設計和測試驗證等內容。成功試制了樣機，經長時間的試運行和驗證，實現了預期的所有功能。

關鍵詞：集控式；餐飲電梯；電梯系統；網絡控制；TCP/IP通信

引言

隨著管理理念的改變和技術的更新換代，許多行業對于工作效率越來越重視。餐飲業中貨物的搬運、餐具的搬運、食材以及菜樣等物品的運送，傳統的解決方法是借助于人力完成，效率較低，人力成本較高。對于樓層較高的餐飲業實體來講，借助于升降電梯是一種普遍的選擇。目前市面上存在部分餐飲用電梯產品，但其容量較小，只能運送小體積小重量的物品，比如少量菜樣，而且價格偏高，對中小型餐飲實體，是一筆較大的經濟開銷，部分餐飲實體的經營效率和服務質量因此而受限。

基于上述情況，設計一套低成本并且能夠滿足使用需求的電梯控制系統，在保證完成常規運送任務的前提下，降低經濟成本、以服務于中小型餐飲實體。

1 系統結構

由于餐飲業使用的特殊性，整個電梯系統采用集中控制，即控制箱和所有的呼叫按鈕都設在一層，專門配一名操作員，對整個電梯系統進行操作，即集中控制。

整個集控式電梯控制系統主要由機械牽引系統、電磁門鎖系統、微控制器系統、傳感器檢測系統和通信網絡系統組成，如圖1所示。

機械牽引系統主要由牽引電機、滾筒、鋼絲繩、轎廂、上下限位開關組成。該系統的牽引電機為380V交流電動機、外加滾筒以及斷火限位器、具備限位保護功能。轎廂由鋼絲繩連接到牽引電機的滾筒上，通過控制牽引電機的正反轉實現轎廂的上下運動，轎廂的四周裝有導向輪和導軌、保證轎廂上下運動的平穩性。機械限位開關能夠在轎廂上行和下行運動時起到限位作用。

電磁門鎖系統主要選用280kg磁力鎖，驅動電源為12VDC，且可反饋鎖緊情況。

微控制器系統主要由樓層控制器、信息顯示屏、呼叫按鈕等組成。每一層都設有一個樓層控制器負責檢測傳感器和驅動信息顯示屏，其中一層的控制器還負責門鎖控制和呼叫按鈕的響應。微控制器選用STC12C5A60S2，其程序存儲容量64K，且內置看門狗、模數轉換等功能、滿足控制要求。每層的信息顯示屏采用P3.75室內雙色單元板，其數據接口為通用HUB08接口，用于顯示轎廂的運動狀態和提示信息。呼叫按鈕安裝在1層控制箱上，用于選擇轎廂運送的目的地。

樓層傳感器主要選用用高可靠的SVDC金屬探測接近開關、其輸出TTL信號到控制器I/O端口、安裝于井道內對應層高的墻壁上、用于檢測位于轎廂上的平層感應金屬片。

2 網絡通信系統

餐飲電梯的多層集控，其實現方式是在每層設計一個控制器，其中1層控制器是主機，用于下達命令，2、3、4、5層控制器為從機，主要檢測各層傳感器狀態并上報給主機以及接收主機下發的命令^[1]。考慮到通信距離、通信可靠性以及1主多從的控制方式，選擇TCP/IP通信中的客戶機/服務器模式，即將1層控制器作為服務器，其余4層作為客戶端^[2]。服務器向各客戶機廣播當前樓層信息以及復位信息，客戶機檢測平層傳感器的狀態發送給服務器，并且接收來自服務器的廣播信息，以控制顯示器信息變化^[3]。

該控制系統中還設有電話呼叫系統，每層安裝一個話機，其上有呼叫按鈕，所有話機并聯在一起。按下任意1層呼叫按鈕，所有樓層的電話機都迅速響，任意樓層摘機后都能夠多方對講，1層操作員負責與每一位呼叫者聯系，調度電梯的運行，該電話呼叫系統與控制系統是互相獨立，不存在關聯。

3控制系統設計

3.1集控式控制實現

餐飲業中的貨物運送電梯的使用中，從1層向上層運輸和從各層向1層運輸的次數居多，因此采用集中控制，1層為主控制器，稱為主機，其余各層的控制器受1層主機的調度，稱為分機，使用者通過呼叫系統與1層操作員取得聯系，在1層的操作面板上操控。

其中主機和分機的任務有所區別，主機調度所有分機的運行，分機檢測所在樓層的傳感器信號并發送給主機，以及接收并執行主機下達的命令，功能結構圖如圖3。

3.2控制系統硬件設計

控制系統主芯片選用STC公司的可以用串口下載程序的40腳封裝的STC12C5A60S2。它采用優化之后的增強型51內核，支持多種片上資源，包括60K ROM，1280字節RAM，兩個全雙工串行口，8路10位AD轉換器等資源^[4]。

3.2.1曳引電機升降控制電路

提升電機采用滾筒電動機外加斷火限位器、可以保證電機上行限位后允許下行動作，下行限位后允許上行動作。其上下運行的核心是三相異步電動機的正反轉動作，采用2個220V交流驅動接觸器控制該電機的正反轉操作。這兩個交流接觸器是微控制器驅動直流繼電器控制的^[5]。控制電路圖如圖5。

3.2.2機械限位控制電路

機械限位開關主要有三處、一處位于斷火限位器上、另外兩處分別位于轎廂頂部和轎廂底部的上限位和下限位^[6]，這兩個機械限位開關固定于對應墻面上，其常閉觸點串聯在交流接觸器的線圈電路上，當轎廂頂面或者底面的金屬結構件碰撞這兩個傳感器之后，會強行切斷交流接觸器的控制電路，從而切斷提升電機的控制電源，同時產生開關信號給控制器，觸發其斷開驅動信號。

3.2.3傳感器信息輸入電路

本集控式餐飲控制系統中，每層均設有平層檢測傳感器，選用金屬接近開關，在每層墻面上的對應位置上安裝平層檢測傳感器^{[7]，并且將其連接到該層的控制器上，當轎廂運動靠近該傳感器的時候，控制器采集到信號，并將其通過網絡發送到主機，主機根據之前請求狀況以及現在的樓層信息進行判斷，向各個從機發送廣播信息，各從機根據接收到的廣播信息更新各自顯示屏上的信息。}

3.2.4信息顯示電路設計

每個樓層都安裝有一塊信息顯示屏、用于顯示系統開機畫面、自檢信號以及轎廂實時運動狀態。該顯示屏運用標準件P3.75室內雙色單元板，控制器內部寫有對應的驅動掃描程序。顯示畫面如圖8。

系統中，采用74LS245雙向總線收發器將來自微控制器的J/○口的顯示控制信號放大。這些I/O口按照HUB08的時序給單元板發送顯示數據。

3.2.5門鎖控制電路

本集控式餐飲電梯每層都裝有一部電磁門鎖，在轎廂運行過程中，每層門鎖鎖緊，當轎廂到達指定樓層停止后，對應樓層的電磁門鎖打開。當操作員呼叫轎廂的時候，系統檢測每個樓層門鎖，如果有某一層或多層層門未關，系統提示“某層門未關”信息，且轎廂不響應該請求。該電磁門鎖的控置驅動電壓為12VDC，并且有一組檢測點，可以通過微控制檢測這個點的通斷情況來判別門鎖是否已被鎖上。

3.2.6呼叫按鈕電路

該集控式餐飲電梯設有呼叫操作面板^[8]，安裝于1層控制箱前面板上，并與控制器連接。每個按鈕的背后都有紅色背光燈，在主控制器中，設計有多個繼電器電路，專門用于控制每個按鍵的背光燈，使用戶按下的請求按鍵被點亮，轎廂運動到達目的地停止之后、該鍵指示燈熄滅^[9]。

3.2.7通信設計

本集控式餐飲電梯控制系統中，將1層控制器設置為主機，其余4個樓層設置為分機，消息可以分機到主機，也可以主機到每個分機。其分機到主機的消息主要包括各自復位時的狀況和轎廂路過平層傳感器的狀態，以便于主機時刻掌握分機的狀況；主機到各個分機的廣播消息包括當前電梯的運動狀態以及當前樓層信息，以便于分機時刻更新顯示內容。基于如上的分析，我們采用TCP/IP通信的C/S模式。

硬件選用濟南有人科技有限公司的TCP-232-T模塊，該模塊可以將TCP/IP信號轉化為232格式，可以工作在透傳方式，并且支持C/S模式的通信，大多數的中低端微控制器都能夠支持這種方案。設置好網絡通信參數后該模塊會自動組建網絡并進入C/S工作模式進行通信。

3.3 控制系統軟件設計

3.3.1自檢初始化設計

系統通電之后，需要進行自檢，包括系統參數配置、顯示器屏初始畫面加載、轎廂復位、主機分機組網等操作。

3.3.2呼叫按鈕響應控制

該系統設置有7個按鍵，其中12345分別代表5個樓層的呼叫請求按鍵，還設有復位和急停按鍵。每個按鍵下方設有指示燈，通過程序控制，按下對應樓層按鍵后，電梯轎廂運行的時，該按鈕下方的指示燈點亮，轎廂達對應樓層停止運行后，按鈕下方指示燈熄滅。系統設置一個運行指示燈，轎廂運行的時，該燈閃爍，轎廂停止運行的時候，該燈停止閃爍轉為熄滅。復位按鈕是防止當系統出現死鎖已經程序跑飛的等異常情況，按下此鍵系統復位轎廂回到1層。急停按鈕用于突發狀況的時候，按下此鍵系統停止電機運行，進入斷電保護狀態，以免意外發生。

3.3.3樓層呼叫邏輯控制

該控制系統中只能運行一條指令，即在轎廂運動過程中系統不響應任何樓層按鍵，直到轎廂運動停止之后。

轎廂在每一次運行結束后都會更新內部的樓層存儲變量，當下一次按鍵請求的時候，比較請求樓層和當前記憶樓層的數值，計算出轎廂運動方向，驅動牽引電機運動并到達對應樓層后停止。

if （flg_run_shangxia==l）//向上

{

if （Rem_run_buf

{

Rem_run_buf_Jieshou_temp；//記憶之前位置的變量

num_del=Jieshou_temp-l；

if （Jieshou_lc>=Ya oqu_lc）

{

STOP

pai[O]=pai[O]&Oxe0;；//熄滅指示燈

switch（Yaoqu_lc）//門鎖處理，打開到達樓層門鎖

{

case Ox05：pai[l]=pai[l]&Ox7f;；break；

case Ox04：pai[l]=pai[l]&Oxbf;；break；

case Ox03：pai[l]=pai[l]&Oxdf;；break；

case Ox02：pai[l]=pai[l]&Oxef;；break；

case Ox01：pai[l]=pai[l]&Oxf7;；break；

default：break；

）

Yaoqu_lc=Dangqian_lc=Jieshou_lc；

Sendbyte（'#'）；

Sendint（Jiestiou_lc）；

Sendstring（ "farv"）；

flg_run=0；

）

else

{

Sendstring（"#goup"）；

Sendint（Jieshou_Ic）；

）

）//如果不滿足，就視為無效信號，不作處理

）

eIse if（flg_run_shangxia==2）//下

{

if（Rem—run—buf>Jieshou_temp）//確保操作正確

{

Rem_run_buf=Jieshou_temp；//記憶之前位置的變量

num—del=Jiesh.ujemp一1；

if（Jiesh.u_lc<=Ya.qu_lc

{

STOP

pai[0]=pai[0]&0xe0；//熄滅指示燈

switch（Yaoqu_lc//門鎖處理，打開到達樓層門鎖

{

case ox05：pai[1]=pai[1]&0x7f；break；

case ox04：pai[1]=pai[1]&Oxbf;；break；

case Ox03：pai[1]=pai[1]&0xdf；break；

case ox02：pai[1]=pai[1]&0xef；break；

case ox01：pai[1]=pai[1]&Oxf7;；breakj

default：break：

）

Yaoqu_Ic=Dangqian_Ic=Jieshou_Ic；

Sendbyte（'#'）；

Sendint（Jieshou_lc）；

Sendstring（"farv"）；

flg_run=0；

）

elSe

（

Sendst ring（"#godn"）；

Sendint（Jieshou_c）；

）

）

）//如果不滿足，就視為無效信號，不作處理

樓層控制程序

3.3.4安全保護控制

對于本餐飲電梯控制系統，安全保護功能主要包括斷火限位器機械保護、上下運行限位保護、按鍵請求保護、程序算法保護、急停按鍵保護等方面。其中斷火限位器是限制牽引電機滾筒鋼絲繩升降極限位置，限位開關是監測轎廂實際位置的極限狀況，當觸碰限位開關時立即切斷動力電源；按鍵請求保護是指在轎廂運動過程中不響應任何樓層按鍵請求：程序算法保護主要通過監控轎廂位置是否超過目的地位置而進行急停保護動作；急停按鍵保護用于緊急情況下的操作，其作用是切斷控制電路，讓轎廂停止運行。

3.3.5顯示信息控制

每層樓的信息顯示屏的作用是顯示初始化自檢信息、轎廂的上下運動方向信息、當前的實時樓層信息、各個樓層門鎖未關閉的報警信息以及待機廣告信息。

3.3.6牽引電機運動控制程序

牽引電機運動控制主要分為上升和下降兩個動作，由于轎廂運動速度較慢，所以對于轎廂的啟動停止沒有變速控制要求，上升下降都是同一個速度。其上下運動主要是通過控制兩路交流接觸器分別吸合來控制交流電動機正反轉運動，從而控制轎廂上升下降運動。

3.3.7門鎖控制程序

在轎廂啟動時，檢測所有門鎖是否關嚴，只有關嚴之后才啟動運行，在轎廂運動過程中保持門鎖得電，門鎖緊閉。當轎廂到達目的樓層停止運動之后，對應樓層的門鎖才失電開鎖。

3.3.8總體協調設計

在整個系統運行中，所有處理任務需要實時掃描處理。比如通信收發程序、傳感器檢測程序、門鎖控制程序、顯示掃描程序等，都對實時性要求較高，需要主程序合理的調度，保證系統的穩定性和可靠性。

4 測試驗證

設計方案確定后，按照設計要求試制了樣機，并對樣機進行了全部功能性測試和可靠性測試。功能方面，通過長時間的操作試用，不斷查找問題，比如程序邏輯上的錯誤，以及對安全保護方面的嚴謹性等方面進行驗證和修訂，最終滿足使用要求^{[10]。硬件系統中的所有部件經過長時間的較高負荷運轉，觀察其熱穩定性和可靠性，經過多次的方案改進，系統的可靠性達到了使用要求，其安全性可靠性得到了保證。}

5 結語

通過對集控式餐飲電梯控制系統進行整體設計、硬件設計、軟件設計、系統測試等環節的設計，成功試制了一臺樣機，并通過長時間的試運行和驗證，實現了預期的所有功能，并且功能和可靠性都得到了較好的保障，達到了預期的效果。安裝到餐飲實體進行長時間運行，用戶反饋狀況良好，得到了市場的初步認可。同時也存在一些不足，控制電路部分的發熱較明顯，交流電動機動作產生的微弱電磁干擾偶爾會造成顯示畫面閃爍現象。

參考文獻：

[1]昊德平.基于CAN總線與DSP的電梯遠程監控系統硬件設計[J]電氣時代，2014，07：98-99+106

[2]歐景，劉迎珍，林景波，王胤燊，佟為明CAN總線電梯控制系統的研制[J]低壓電器，2012.18：36-40

[3]昊德平.基于CAN總線的電梯遠程監控系統設計[J]現代建筑電氣，2014，07：18-20

[4]閔鈴.基于單片機的電梯控制系統探討[J]科技展望，2015，01：110

[5]李潤娟，賈宇向基于PLC的電梯控制系統設計[J]產業與科技論壇，2014，01：83-84

[6]張煒煒，基于PLC技術的群控電梯主從站設計[D]南京理工大學，2012

[7]楊章勇，基于PLC的電梯控制系統的設計與仿真[D]長安大學，2012

[8]周樺，電梯PLC控制系統的設計與實現[D]電子科技大學，2012

[9]百云，基于PLC的電梯控制系統的設計與實現[J]工業控制計算機，2009，04：5-6

[10]趙俊，電梯控制系統的可靠性設計分析[J]電子制作，2014，02：29