基于西門(mén)子S7-1200PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊玉開(kāi) 李 慧

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州341000）

近年，我國(guó)生產(chǎn)水平的提高，高層建筑如雨后春筍。電梯是必不可缺少的交通工具。傳統(tǒng)的電梯滿足不了人們的需求，因此設(shè)計(jì)電梯群控系統(tǒng)是必不可少的。此文在傳統(tǒng)電梯的控制邏輯基礎(chǔ)上，采用智能化、功能齊全、適應(yīng)性強(qiáng)的西門(mén)子S7-1200實(shí)現(xiàn)電梯的控制。較比于傳統(tǒng)控制器，S7-1200PLC 擁有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、高速輸出等特點(diǎn)，能夠滿足電梯的高頻詞運(yùn)行，電梯的安全性和可靠性能夠得到有力保障。

1 電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

此前電梯控制系統(tǒng)主要由PLC 實(shí)現(xiàn)。當(dāng)代電梯控制不僅需要滿足基本的載客運(yùn)貨，還要在安全的前提下，有效的、智能地制定最優(yōu)的響應(yīng)策略、運(yùn)行速度等。電梯控制系統(tǒng)由電力拖動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。電梯垂直方向主拖動(dòng)電路和轎廂開(kāi)關(guān)電路組成電氣拖動(dòng)系統(tǒng)。二者均采用易于控制的直流電動(dòng)機(jī)或三相異步電機(jī)及永磁同步電機(jī)作為拖動(dòng)動(dòng)力源。電氣控制系統(tǒng)主要圍繞電梯對(duì)PLC 輸入/輸出兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。指令信號(hào)、呼梯信號(hào)和位置信號(hào)組成輸入信號(hào)。開(kāi)關(guān)門(mén)信號(hào)、電梯上下行信號(hào)和指示燈信號(hào)組成輸出信號(hào)。在電梯內(nèi)部進(jìn)行樓層選擇稱(chēng)為指令信號(hào)。乘客在電梯外呼叫電梯稱(chēng)為呼梯信號(hào)。電梯所在的層樓表示位置信號(hào)。開(kāi)關(guān)門(mén)信號(hào)則表示為電梯到達(dá)所需樓層后自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)和乘客在電梯里面手動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)。上下行信號(hào)和指示燈信號(hào)則根據(jù)指令信號(hào)和呼梯信號(hào)進(jìn)行處理。控制器采用西門(mén)子鄰域小型自動(dòng)化系統(tǒng)的最新產(chǎn)品S7-1200。S7-1200 控制器使用方便靈活、功能完善、設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集。PLC 搭配適配器PM-125 后可連接Wincc 監(jiān)控畫(huà)面與EET 工程機(jī)投入使用。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于PLC 電梯控制系統(tǒng)，主要由PLC 主機(jī)、PM125、電梯整體模型等組成。PLC 主機(jī)是電梯控制系統(tǒng)的核心部分，由于PLC控制器穩(wěn)定性強(qiáng)，程序設(shè)計(jì)方便靈活因而成為電梯控制系統(tǒng)的首要選擇。控制系統(tǒng)的核心為PLC 的主機(jī)，同操作盤(pán)、呼梯盤(pán)和井道等部位保持信號(hào)傳輸，通過(guò)軟件控制向拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，控制電梯的運(yùn)行速度、方向、加/減速及制動(dòng)啟動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是PLC 電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分的考慮電梯的運(yùn)行狀況。比如，上行、下行、開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)、內(nèi)呼、外呼等，確保電梯投入使用后安全且功能完善。以呼梯信號(hào)為例。呼梯信號(hào)包括內(nèi)選信號(hào)和外呼信號(hào)，當(dāng)乘客在轎梯內(nèi)選擇好樓層后，該樓層的內(nèi)選樓層指示燈被點(diǎn)亮，內(nèi)選信號(hào)就被儲(chǔ)存，乘客到達(dá)相應(yīng)樓層并執(zhí)行開(kāi)門(mén)程序，說(shuō)明轎廂到達(dá)該樓層并執(zhí)行開(kāi)門(mén)程序等待乘客離開(kāi)，此時(shí)內(nèi)選信號(hào)應(yīng)該被清除。此外，在進(jìn)行電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電梯控制的自鎖與互鎖關(guān)系，故在進(jìn)行電梯控制設(shè)計(jì)時(shí)采用隨機(jī)邏輯控制方式。

3.1 群控算法需遵循原則

3.1.1 自由站和基站原則。部分電梯在基站等待，其余電梯在上一指令樓層待命。

3.1.2 先到先行原則。如果倆臺(tái)電梯先后到達(dá)基站等待命令，若上層/下層呼叫，應(yīng)執(zhí)行先到先行原則。

3.1.3 順接反不接原則。假如4 號(hào)梯正在上行，若4 號(hào)梯上方出現(xiàn)上行呼叫信號(hào)，則由4 號(hào)電梯去接，在基站的其余電梯不執(zhí)行；假如4 號(hào)梯下方出現(xiàn)上行呼叫信號(hào)，由基站的電梯去執(zhí)行。

3.1.4 最小等待時(shí)間調(diào)度原則。當(dāng)外呼指令發(fā)送后，通過(guò)計(jì)算每部電梯的平均侯悌時(shí)間，選擇最適合電梯去接送，確保減少乘客的侯悌時(shí)間。

3.1.5 成本調(diào)度原則。綜合考慮電梯接送完成后的能耗，確保最低能耗。

3.2 控制算法設(shè)計(jì)

本文采用的是基于調(diào)度原則的群控算法。基于調(diào)度原則的群控算法，最短侯悌時(shí)間，接受各臺(tái)電梯發(fā)出的呼梯信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每臺(tái)電梯所需時(shí)間，選擇時(shí)間最短的電梯去接送。多目標(biāo)函數(shù)解、計(jì)算最優(yōu)函數(shù)解、最佳派梯方案統(tǒng)稱(chēng)為電梯群控算法。呼梯處理全部模塊、計(jì)算呼梯到達(dá)的時(shí)間、呼梯分配過(guò)程等組成電梯群控算法。當(dāng)群控模塊啟動(dòng)后，計(jì)算出每臺(tái)電梯乘客的侯悌時(shí)間、電梯能耗和平均侯悌時(shí)間。通過(guò)對(duì)比數(shù)值找出最小值（乘客侯悌時(shí)間＞平均候梯時(shí)間＞電梯能耗）記為最優(yōu)電梯，真正的外呼指令傳輸給最優(yōu)梯的虛擬外呼，完成群控控制。群控算法流程圖如圖1 所示。

圖1 群控算法流程圖

3.3 電梯部分環(huán)節(jié)梯形圖設(shè)計(jì)

3.3.1 初始化環(huán)節(jié)

電梯開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，轎廂可能處于任意樓層，因此初始化程序的設(shè)計(jì)是非常必要的。初始化程序的功能是將電梯下行到下限位開(kāi)關(guān)處，然后電梯運(yùn)行到初始化所設(shè)置的樓層待命，等待運(yùn)行信號(hào)。初始化完成后，根據(jù)呼梯信號(hào)進(jìn)行運(yùn)行。

3.3.2 群控算法的核心程序

從高效率的角度分析，電梯的集群控制系統(tǒng)應(yīng)遵循待機(jī)電梯優(yōu)先響應(yīng)呼叫，如果無(wú)待機(jī)電梯。應(yīng)選擇合適的電梯響應(yīng)該呼叫的原則。同單部電梯相類(lèi)似的原則，集群控制程序應(yīng)在每個(gè)掃描周期開(kāi)始時(shí)優(yōu)先掃描有無(wú)呼梯信號(hào)，若沒(méi)有呼梯信號(hào)，電梯部分邏輯程序掃描結(jié)束。若有呼梯信號(hào)，程序開(kāi)始對(duì)各個(gè)電梯進(jìn)行距離比較算法，選擇距離最近的電梯處理此信號(hào)。如果所有電梯都不適合處理此呼叫，則保留此呼叫并進(jìn)行下一周期掃描，以此類(lèi)推。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用西門(mén)子S7-1200PLC 控制器，在TIA 博圖平臺(tái)下硬件組態(tài)，編程上通過(guò)計(jì)算平均侯悌時(shí)間、電梯能耗、平均侯悌時(shí)間的參數(shù)，并經(jīng)過(guò)多次模擬仿真實(shí)驗(yàn)得出：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、侯悌時(shí)間更短、能耗低、安全可靠，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。