電梯群控系統研究及優化設計

劉佳偉，李 健，董文琦，曹玉波*

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林132022；2.綏化象嶼金谷生化科技有限公司 淀粉車間,黑龍江 綏化 152023)

電梯作為高層建筑使用最廣泛的載人垂直運輸工具，具有操作簡單、運客速度快、效率高和可靠性強等優點.隨著人民生活水平的不斷提升，電梯的應用和普及，為人們的工作和生活帶來了很大的便利.但是，在實際使用中，受到人們生活和工作節奏的限制，無論是在居民樓、商場、還是辦公樓等場所，難免在上、下班等高峰期存在擁堵現象，極大地增加了乘客候梯時間，給乘用人員帶來不便.因此，引入電梯的集群控制，通過設計群控算法來對多部電梯進行統一的調度和協調，進而提高系統運客效率，減少乘客的候梯時間并改善乘客的乘運感受，具有很高的實用價值.

1 電梯群控系統

電梯群控系統是將單部電梯的控制延伸至多部電梯集群控制的一種控制系統[1].群控系統主要包括單部電梯控制和多部電梯群控兩個部分，單部電梯控制主要實現電梯的基本運載功能如：上電初始化、三級制動減速和開關門控制等；而電梯群控則是在此基礎上對兩部及以上電梯進行統一控制，實現對多部電梯的分別調用，以此來減少用戶等待時間和乘坐時間充分發揮集群控制的優勢[2].某10層電梯結構組成模型如圖1所示，電梯模型主要由梯門、電機、電梯操作面板和傳感器部分組成；考慮到安全因素在模型的最上和最下端分別設計了第一限位和第二限位端開關，用于防止電梯過運碰撞.控制系統選用西門子S7-1200 PLC進行控制[3]，工程組態軟件為STEP7 Professional V16，HMI操作界面選用為WINCC Professional V16.

圖1 電梯結構組成模型示意圖

2 系統控制方案

2.1 程序結構

考慮到6部10層電梯模型的控制程序會比較大，如果程序結構不合理，那么程序的邏輯性和可讀性將大大降低[4].因此，在編寫程序之前首先要分配好各個控制功能需要存放的位置；同時CPU的占用內存以及程序篇幅等因素都會在投入運行后影響后期的維護工作[5].如圖2所示，在本次程序設計中將單部電梯的控制程序放在功能塊，應用FB塊進行電梯控制功能的編寫以及存儲使之生成獨立的背景數據塊，并在群控程序中使用FB塊的符號欄建立中間變量，在組織塊OB1中調用該功能塊并將IO信號連接至功能塊引腳.這種深層嵌套的編程方法具有節約系統內存、程序可讀性好、維護方便等優點[6].

圖2 程序結構示意圖

2.2 單部電梯控制

設計多部電梯的集群控制，首先要實現單部電梯的基本運載功能.其功能主要包括：上電初始化、開關門控制、高低速轉換、三級制動抱閘停車和外呼(內呼)信號響應等，以達到對不同樓層用戶的呼梯操作進行及時響應，實現電梯自動運行到目標層進行開關門操作成功載客后將乘客安全送往目的層的功能.并可以根據不同的需求進行合理的運行狀態改進，如：針對選層指令中可能出現的人為誤操作進行相應的判斷進而消除錯誤指令；在電梯運行過程中如長時間無指令或外呼信號，電梯轎廂的相應設備能夠關閉并在有信號來時重新啟動等.

最后，在電梯運行過程中加入相應的保護功能，如：在關門過程中若紅外傳感器有信號輸入則停止關門動作并執行開門程序，且在未平層狀態下電梯不會開門防止發生危險；電梯超員(超載)時，電梯發出超載指示梯門保持打開狀態；在電梯觸碰到上(下)端的終端限位開關時，電梯會自動反向運行到達最近平層防止超限運行.

針對以上單部電梯的功能，設計單部電梯控制流程圖,如圖3所示.

圖3 單部電梯控制流程圖

2.3 電梯群控

通常情況下單部電梯就可以滿足日常的載客需求，但是在一些特定的時間段或地區下(如：早晚上下班高峰期、節假日高峰期、樓層分區等)，就需要針對多部多層電梯實施聯合控制.具體來講，至少需要協調以下幾方面因素[7]：

(1)電梯內乘客：電梯越快到達越好(停靠越少越好)，感覺越舒服越好(不要擁擠等)；

(2)電梯外侯梯乘客：電梯來的越快越好；

(3)物業等相關單位：單位時間內運送能力越高越好，系統整體能耗越少越好.

針對以上可能出現的情況以及需要考慮的因素，本次設計采用最小等候時間的控制算法.即為對用戶的呼梯信號進行樓層判斷，計算各電梯到達目標樓層所需要的時間，從中選擇到達所需時間最短的號梯進行呼梯信號響應.

首先要確定電梯從當前位置上升或下降到目標呼梯信號層的時間，包括電梯不停靠直接駛向目標呼梯信號層的時間，電梯需要中途停靠時的減速損耗時間，停止時的開關門時間和乘客進出電梯的時間.然后對這些時間進行整合計算，求得各個電梯對此召喚響應的時間值，并選擇最小時間值對應的號梯去進行呼梯信號響應[8].群控程序設計流程圖如圖4所示.

圖4 電梯群控系統流程圖

最小等候時間的控制算法需要對各梯當前樓層和樓層位置進行詳細的記錄，因此在單部電梯的控制程序中就將所需要的樓層位置等數據存儲下來.其次，考慮到反向截梯原則在群控程序的設計中將上呼和下呼信號進行分開存儲，在算法計算中也分別進行運算，這樣在響應呼梯信號時可以有效減少電梯的反向運行以節約整個電梯系統的能耗[9-10].最后，在群控程序編輯過程中將所有的外呼信號采集后進行集中處理，防止有呼梯信號卻長時間沒有號梯進行響應的現象進而提高群控系統的載客效率.

3 監控畫面設計

本次設計選用的上位機系統編輯軟件是在TIA Portal編程軟件中集成的SIMATIC WINCC Professional V16.整個監控系統主要包括：監控系統主界面、1號梯監控界面、2號梯監控界面和報警記錄界面等.

監控系統主界面如圖5所示，主界面從左至右依次為：外呼信號燈顯示、各梯樓層位置及開關門狀態顯示、各梯箱內樓層位置及上下行狀態顯示、各梯的故障、照明、風扇運行狀態顯示，最下方為各畫面的切換按鈕可以實時切換至不同號梯監控運行狀態.主畫面主要負責顯示各梯的運行狀態和報警提示；各梯監控界面則負責對各梯內的運行狀態進行顯示和報警；方便操作人員及時發現故障信息，避免事故的發生.

圖5 上位機監控畫面

4 結 論

在電梯群控系統中，選用西門子S7-1200 PLC作為核心控制器，使用并優化最小等候時間的控制算法，實現了6部10層電梯的統一調度.應用WINCC設計的上位機監控界面，能夠實時監控系統的運行狀態，便于工作人員的控制操作和報警處理.經過仿真驗證，系統安全可靠，優化后的最小等候時間算法相較于傳統的控制算法可以減少5%的平均候梯時間，具有較高的實際應用價值.