電梯群控節能技術與優化研究

曹鑒橋

摘要：當前伴隨經濟飛速發展，建筑施工工藝持續更新，城市常住人口增多，高層、超高層建筑占比增大，推動城市化發展的同時，也給建筑電梯運行帶來一定壓力，單部電梯已經無法滿足建筑使用需求，如何通過技術革新提升電梯群運行效率，實現舒適感與環保性的統一，開始成為眾多從業者關注的焦點問題。基于此，本文引入PLC技術，對電梯群控系統節能技術進行了優化探討。

關鍵詞：電梯群控;節能;技術優化

前言：在經濟新格局持續轉型背景下，各行各業迎來了高速發展的繁榮階段，帶來國民經濟跨越式增長的同時，也使得能源耗竭問題日益突出，節能環保開始作為世界性話題登上時代舞臺。據相關數據顯示，在我國社會終端能耗當中，建筑耗能占比可達20.7%以上，因此必須將之作為節能減排的攻堅對象。當前在建筑節能技術的研究進展中，電梯群控節能技術仍處于相對薄弱狀態，有必要加強關注。

1電梯群控節能技術研究背景

電梯群控系統EGCS是在自動化技術基礎上衍生和發展而來的，主要是為了解決當代大型、高層建筑住戶出行困難的問題，其設計和布局與樓層、客流狀況等都有一定的關聯。當用戶有乘梯需求時，只需在當前樓層發出呼叫請求，電梯群控系統會自動收集和判別，并對轎廂運行狀況、位置等進行匹配，生成最佳調度方案，從而減少等待時間，提升使用體驗的同時，也能有效減少能量損耗。該技術最早起源于20世紀40年代，最初以繼電器為控制中心，在時序控制的基礎上，并行了預選分區控制，前種控制模式下，電梯并不直接響應請求，必須先經過基站才能到達指定樓層，不合理的基站返回設計提升了空載概率，很容易造成能源浪費。后者則按照樓層對電梯群進行分組，不同組別電梯只在固定樓層運行，這種方式雖然能夠有效控制能耗，但會降低使用體驗，適用性較低。進入70年代，集成電路技術應用逐漸廣泛，能夠使用更加復雜的邏輯運算，也正是從此開始，電梯群控系統進入智能化發展階段。當用戶發出呼叫信號時，系統可以直接響應并自發采用調度策略，候梯時間是該階段調度的主要依據。在1975年之后，計算機技術興盛，電梯群控系統也找到了新的發展思路，控制策略修改起來更加便捷，當前又進一步增加了節能降耗的內在要求，電梯群控系統已經能夠實現集選控制、待載休眠等一系列節能功能，但在調度響應層面，仍舊存在較大的節能優化空間，有極大的探討研究價值。

2系統設計邏輯分析

在節能環保成為時代主命題的當下，電梯群控系統ECGS節能技術也受到了部分研究者的關注，王皓夫（2017）聚焦模糊控制理論，綜合神經網絡算法進行設計，將相關指標進行整合，搭建出可用于綜合評價的函數，提升了系統的自適應能力，使之能夠更加自如地應對各種擾動，從而為合理調度奠定基礎，實現能耗控制。劉清則引入人工蜂群算法，當用戶發出呼叫請求時，控制器會自動接收信息，并將管轄區域內的電梯轎廂轉化為蜜源，搭建起優化模型。這種方式簡化了算法流程，能夠顯著提升響應速度，從而實現節能降耗，但實際載頻測試時，表現出的誤差不是很理想[1]。基于此，本次設計中引入PLC技術，結合模糊控制法進行調度計算，對從站及主站能源消耗、系統損耗等進行綜合分析，并在此基礎上討論優化設計路徑。項目研究中，選取一棟24層建筑為試驗對象，內設3部電梯，選取三菱FC系列PCL系統，以內嵌方式置于電梯內部，以控制其垂直運動，3臺系統之間采用ZigBee無線局域網完成連接，優化后的群控系統應當滿足如下要求：

首先，初始狀態下電梯隨意停留在某一樓層，能夠根據乘客請求，正確判斷電梯內選、外部信號，并跟隨指令到達請求樓層。停留之后應當及時打開，留出5s的空白時間，供乘客上下，減少非自動控制模式下的等待時間。其次，當超載問題發生時，電梯門應當始終保持敞開，待到超載信號消除后，再行關閉，在任一電梯停留樓層，乘客按下外呼按鈕后，電梯門都應當直接打開，避免其它電梯調運造成的能源浪費。第三，在滿足常規運行及節能需求的同時，還應當配備有安全防護措施，當電梯未到達平層時，內選、外呼按鈕應當處于失效狀態。考慮到電梯存在極限位置，可以在兼顧節能需求的同時，安裝光電感應器、安全觸板等，當PCL系統感知到危險信號時，要能夠及時執行開門指令。第四，根據建筑人流狀況靈活設置基站，當電梯長時間處于空載狀態時，直接返回基站，減少調運耗能，同時轎廂關閉環境下，若超過8s未收到請求信息，風扇、照明等設備停止工作，待到信號出現后，自動恢復正常，其系統運行邏輯可見圖1。

3系統軟硬件設計

減少主站、分站能源消耗，提升運行精準度，是群控系統節能技術的關鍵所在，因此在核心設計環節引用了PLC自動控制技術，整個系統需要配備低壓電器、控制終端、變頻器以及傳感器等。軟件設計環節，則需要根據建筑電梯使用實況，合理編寫內外呼梯程序、平層檢測程序等，同時考慮超載、安全等因素，編寫開門程序、加速程序，在保障安全的前提下，進一步優化運行效率。

3.1低壓電器設計

低壓電器是電梯控制系統中較為關鍵的裝置，接觸器是其中最為常見的種類，與繼電器一同裝置于控制柜中，節能技術下，用PCL裝置取代繼電器，與行程開關、指示燈等一同裝設于轎廂內部，控制照明、消防等系統。接觸器則分為主/輔兩種，負責抱閘控制，當電梯遇到緊急情況時，也由其負責急停控制，設計時可以采用集成思路，以PLC技術為依托進行整合，減少能源消耗。行程開關主要位于轎頂、井道之中，負責上、下門區的檢測，對極限值進行提示。

3.2控制終端設計

PLC是自動化技術高速發展的產物，其生產制造引入了微電子技術、通訊技術等高端科技，能夠取代傳統繼電器，在工業生產中執行邏輯、記時等任務，從而滿足遠程控制需求。由于PLC核心系統無法直接識別脈沖信號，因此AD模塊進行轉換支持，出于簡化接線構造的考慮，本次優化設計中，主要應用DS18B20外圍結構的AD模塊，信息采樣以32bit模式為主，遵循交叉編譯控制邏輯，提升系統智能性。為實現節能目標，指令轉換模塊主要采用周期運轉模式，以自由振蕩為基準，借助高速A/D轉換器進行轉化，芯片型號為AD9225，通道寬度為12bit，轉換速率為25MSPS，整體轉換速度極高，幾乎可實現瞬時轉換。整個信號處理是在嵌入式環境下完成的，ADSP-BF537BBC-5A芯片為核心，完成原始信息的采集，接著總線負責加載指令，并發起電壓沖擊響應，完成調試后，在通信協議的支持下，完成信息集成傳輸。

3.3傳感器設計

信息采集是傳感器模塊的主要職責，但同時其也具備組網控制的能力，應用時可以在ZigBee的協議范疇內，對該模塊進行優化設計，使其與上位機建立聯系，自動執行節能指令。設計中還引入了高通濾波電路，這樣不僅可以增強其節能效果，還可以實現高低電壓保護，使之更好應對浪涌電壓等狀況[2]，提升安全性和穩定性。信息輸出模塊是電梯群控系統的重要組成部分，能夠控制節能系統的信息輸出程序，同時為傳輸協議的優化提供通道，在程序加載環節中，還可以對指令進行轉化。本次設計的輸出模塊主要結合了PIC總線理念，以嵌入式開發為基準，采用EE-NOTE68振蕩器，各部件采集、生成的電子信號可以在該模塊的支撐下，實現重復再現[3]，完成交流信號的生產。在信號傳輸上，采用了ZigBee無線連接網絡，在滿足高效傳輸需求的同時，還能顯著降低能耗，采用的碰撞避免機制，使得信息傳輸質量更佳可靠，避免了與其他網絡的干擾與碰撞。同時該系統持續運作的時間也較短，即使電梯為間歇運作模式，它也能在較短的時間內啟動和運行，從而使電梯群控系統在聯網狀態下，達到節能效果。

3.4軟件設計

軟件程序以總線形式串聯，該模塊主要以控制對象為通訊信號，在電梯群控系統中，以功能為依據，可將這些信號群分為兩類，一類是起到控制功能的信號，由微處理器發出，存儲器、執行等負責裝置接收，讀寫信號就是常見的類型，在電梯出現異常時，還會發出終端相應信號。由其他部件向CPU發出的信號也處于該范疇，比如復位信號、就緒信號等，雙向性、靈活性使其最大特征。另一類則為時序信號，主要負責計時，是自動化功能實現的重要支撐。本次設計中，仍舊以ADSP21160為中心，在完成傳感識別后，借助A/D轉換器，實現總線控制，可視化處理以LCDDMA為技術支撐，方便達成中央控制，同時滿足上位機通信需求。

4應用效果分析

調試環節對電梯進行了優化參數設置，載頻數值為500Hz，低頻控制在15Hz，指令輸入環節，設置了2個14bit的通道，相對誤差計算在合理范圍之內，說明系統穩定性控制較好。在此基礎上與前述神經網絡算法等進行了比較，變速運動狀態下，設計系統耗能大致為500Kj，人工蜂群算法下，耗能大致為856Kj，采用神經網絡算法的電梯群控系統中，耗能則為975Kj;在勻速運動狀態下，三者的耗能測試結果分別為214Kj、1023Kj以及1254Kj，充分說明本次設計節能效果優質，可滿足多數建筑中電梯群控系統的節能需求。

結論：綜上所述，電梯是現代智能建筑中重要的工具設備，在保障住戶出行安全，提升舒適感等方面意義重大。本次研究重點關注了電梯群控系統節能降耗問題，以PLC技術為基礎，引入高速A/D轉換器，同時結合ZigBee技術完成信息的采集、生成與傳輸，經過實地調試和測驗后發現，該系統不僅能夠顯著提升節能效果，還可以減少乘客候梯時間，優化乘坐體驗，總體來說實用價值較高。

參考文獻：

[1]蔡碧貞.電梯群控節能技術的優化提升[J].電子技術與軟件工程，2021（14）：229-230.

[2]劉愛云.基于PLC的電梯節能群控系統研究[J].電子測量技術，2019，42（17）：95-100.

[3]劉清，關榆君.電梯群控系統節能優化調度控制[J].計算機仿真，2018，35（10）：340-344.