基于PLC 和WinCC 的三部十層電梯群控系統(tǒng)設(shè)計

溫思業(yè)，葉立仁，關(guān)有為，許文強，李洛榆

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞， 523808）

0 引言

在當(dāng)代城市中，電梯已經(jīng)成為人們重要的交通工具之一。隨著電梯的數(shù)量和規(guī)模不斷增加，如何有效地管理和控制電梯的運行成了一個重要的問題。在高層建筑中，電梯的群控系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色，它能夠確保住戶的出行安全和便利。特別是在緊急情況下，群控系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)并協(xié)調(diào)電梯的運行，保障住戶的生命財產(chǎn)安全。此外，群控系統(tǒng)還能夠提高電梯的運行效率，減少住戶等待的時間，提升乘梯的舒適度和便捷性。電梯群控系統(tǒng)是一種需要考慮多方面因素的復(fù)雜非線性動態(tài)離散系統(tǒng)[1]，它能將多臺電梯聯(lián)合起來，通過先進的控制技術(shù)和算法，實現(xiàn)電梯的高效、安全、舒適運行。本文旨在研究基于PLC 技術(shù)和WinCC 的電梯群控系統(tǒng)，分析其結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計和實現(xiàn)一個智能化的電梯群控系統(tǒng)，并進行實驗仿真驗證，為電梯群控系統(tǒng)的應(yīng)用和研究提供一種可行的方案和參考。

1 電梯群控系統(tǒng)的研究意義

電梯群控系統(tǒng)是一種利用先進的計算機技術(shù)和智能算法，對電梯進行智能調(diào)度的系統(tǒng)。其研究意義主要有以下三個方面：

（1）提高運行效率。電梯群控系統(tǒng)可以預(yù)測乘客需求和實時監(jiān)測電梯的運行狀態(tài)，根據(jù)乘客呼梯需求智能調(diào)度電梯，提高電梯的運行效率。

（2）增加經(jīng)濟效益。電梯群控系統(tǒng)可以根據(jù)乘客的需求和電梯的實際運行情況，智能調(diào)度電梯，減少空載和重載運行時間，從而降低電梯的運行成本。

（3）節(jié)能減排。電梯群控系統(tǒng)可以根據(jù)電梯當(dāng)前載客量和運行情況調(diào)度電梯，從而減少電梯的能耗。

2 電梯系統(tǒng)的組成

在現(xiàn)實生活中，電梯主要由八大系統(tǒng)組成，即電氣控制系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、門系統(tǒng)、轎廂、安全保護系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)[2]。如圖1 所示。

圖1 電梯系統(tǒng)組成

電梯系統(tǒng)中還需要輸入信號和輸出信號。電梯系統(tǒng)的輸入信號主要是分布在電梯各個樓層和轎廂中的傳感器輸入的信號，而輸出信號一般是電梯內(nèi)部電機工作的信號或者指示燈。根據(jù)電梯輸入信號，轉(zhuǎn)換為不同傳感器輸出的信號，使電梯完成初始化、啟停、變速等不同的動作。整個系統(tǒng)讓電梯安全、舒適地運行。電梯井道內(nèi)傳感器分布如圖2 所示。

圖2 電梯井道傳感器分布

3 基于PLC 和WinCC的多梯群控系統(tǒng)設(shè)計

■3.1 單梯系統(tǒng)模塊化設(shè)計

3.1.1 電梯初始化模塊

在電梯程序每次重啟后，由于無法確切知道電梯所處位置，需要對電梯進行初始化。具體做法是在運行信號發(fā)出后，確認(rèn)關(guān)門到位，電梯安全后，再使電梯運行至下端站或上端站限位處，也即向上初始化或向下初始化。到達下端限位站之后，電梯會反向運行，直至需要到達的目標(biāo)樓層。可以設(shè)置三部電梯需要初始化到達的樓層。初始化完成后，電梯正式啟動。

3.1.2 照明及風(fēng)扇模塊（節(jié)能）

此模塊主要是為了使電梯更加節(jié)能和具有經(jīng)濟效益而設(shè)計，風(fēng)扇在電梯轎廂內(nèi)的主要作用是加快電梯內(nèi)的空氣流通，既能使空氣保持清新，降低電梯轎廂內(nèi)的溫度，也能祛除電梯內(nèi)的異味。總之，電梯風(fēng)扇的設(shè)計可以提高電梯內(nèi)部的空氣質(zhì)量和乘客舒適度[3]。電梯照明系統(tǒng)和風(fēng)扇系統(tǒng)是為了乘客服務(wù)的，因此，當(dāng)電梯內(nèi)沒有乘客時，應(yīng)該關(guān)閉兩系統(tǒng)以節(jié)約能源，提高電梯經(jīng)濟效益。程序設(shè)計是當(dāng)電梯有載重量（即有乘客進入后）的時候開啟照明，無人且電梯待機時關(guān)閉系統(tǒng)，節(jié)約能源。

3.1.3 電梯運行方向及速度控制

本文中程序設(shè)計電梯在滿足上行總條件后，在電梯關(guān)門到位并且無超載現(xiàn)象后，將會啟動電梯上行接觸器，同時點亮上行指示燈、復(fù)位下行接觸器以及下行指示燈。如圖3所示。

圖3 電梯上行控制

電梯速度控制原理：本文采用的電梯加速模型是基于交流雙速電梯模型。交流雙速電梯是一種采用交流電機驅(qū)動的電梯，它的出現(xiàn)是基于電機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著電機技術(shù)的不斷進步，交流電機的性能和效率得到了大幅提升，使得交流電機成為電梯行業(yè)中的主流電機類型之一。SK 和XK 是電機正、反轉(zhuǎn)接觸器，用以實現(xiàn)電梯上行或下行。如圖4 所示。

圖4 交流雙速電梯驅(qū)動原理圖

以上行速度控制為例，電梯剛開始啟動時SK 及MK 閉合，電梯進入低速啟動狀態(tài)，經(jīng)過50ms 后，電梯進入一級加速狀態(tài)，MK 斷開，KK 閉合，電梯進入穩(wěn)速運行狀態(tài)。當(dāng)電梯到達目的樓層，將會有開門條件，接收到停梯指令和上平層信號后，KK 斷電釋放，MK 閉合通電，將電梯高速運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低速運行，之后的1s 內(nèi)，2A~4A 依次閉合，電梯逐級減速，提高乘客停梯制動的舒適感。接收到下平層信號后，電梯至平層位置，接觸器全部斷電釋放，電梯抱閘停止運行。程序段如圖5 所示。

表1 符號說明

圖5 電梯上行三級制動

■3.2 群控系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 電梯群控技術(shù)介紹

電梯群控技術(shù)是指通過計算機和智能控制系統(tǒng)，對多臺電梯進行集中控制和調(diào)度，以提高電梯的運行效率和服務(wù)質(zhì)量的技術(shù)[4]。電梯群控技術(shù)可以使電梯調(diào)度更加智能化，安全可靠，節(jié)能環(huán)保。電梯群控技術(shù)的應(yīng)用，可以用于各種高層建筑、商場、醫(yī)院、機場、地鐵等公共場所的電梯管理和調(diào)度，提高電梯的效率和服務(wù)質(zhì)量，提高用戶的滿意度。現(xiàn)代電梯群控系統(tǒng)多采用計算機控制，能設(shè)計更加復(fù)雜的群控系統(tǒng)，應(yīng)用場景更加廣泛，也使得電梯調(diào)度越來越高效。

3.2.2 群控系統(tǒng)設(shè)計

首先，為了保證電梯能在一個樓層開門的時候能有乘客出梯也有乘客乘梯，因此本文電梯群控設(shè)計最優(yōu)先的原則是在所有電梯均不處于待機狀態(tài)時，有同一方向的同一樓層內(nèi)選信號的電梯優(yōu)先響應(yīng)此呼梯信號。程序段如圖6 所示。此原則能有效減少電梯的停靠與啟動次數(shù)，電梯每次啟動需要從低速切換到高速狀態(tài)，每次停靠需要從高速切換到低速狀態(tài)，再經(jīng)過三級制動減速才能停靠，這需要花費不少時間。因此減少電梯停靠與啟動次數(shù)能有效減少乘客的平均候梯時間。

圖6 電梯優(yōu)先響應(yīng)有相同內(nèi)選信號樓層

本文的電梯群控方案設(shè)計主要基于最短距離調(diào)度原則，因此方案核心在于如何計算電梯與呼梯樓層之間的最短距離上[5]。最短距離并非電梯當(dāng)前所處樓層與呼梯信號樓層的物理距離，還要考慮電梯當(dāng)前的運行方向，比如此時5 樓出現(xiàn)上呼信號，3 樓與7 樓各有一部電梯正在運行，3 樓的向上運行，7 樓的向下運行，此時兩部電梯的實際距離5 樓看似相同，但是需要響應(yīng)5 樓上呼信號的距離不同，3 樓的電梯僅有兩層，而7 樓的電梯由于轎廂內(nèi)乘客目的樓層的模糊性，有可能需要下降到1 層再向上，因此派遣3 樓的電梯較為合理。

最短距離模塊設(shè)計（以5 層上呼信號為例）：

設(shè)1 號電梯當(dāng)前樓層為x1(x1 ≠y)，目標(biāo)樓層為y=5，若是上行則z=1，下行則z=0。

首先需要將電梯當(dāng)前樓層與上下行狀態(tài)組合，分為三種情況。

（1）電梯當(dāng)前樓層小于5，且運行狀態(tài)為上行，當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層的實際距離為：

（2）電梯當(dāng)前樓層大于5，運行狀態(tài)為上行，設(shè)上行目標(biāo)樓層為10 層，而后返回后下行目標(biāo)樓層為1 層，實際距離為：

（3）電梯當(dāng)前運行狀態(tài)為下行，設(shè)電梯目標(biāo)樓層為1層，為最遠距離，則實際距離為：

綜上，當(dāng)某一樓層上呼按鈕被乘客按下時，1 號電梯此時距離此信號響應(yīng)的樓層數(shù)如下：

運用此分段函數(shù)，分別算出1，2，3 號電梯距離此上呼信號的實際距離，比較出最短距離的電梯，并將此信號分配給此電梯。

下呼信號分配以5 層下呼信號為例，分三種情況。

（1）電梯當(dāng)前樓層大于5，且運行狀態(tài)為下行，則當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層實際距離為：

（2）電梯當(dāng)前樓層小于5，且運行狀態(tài)為下行，預(yù)設(shè)下行目標(biāo)樓層為1 層，而后上行至10 層，實際距離為：

（3）電梯運行狀態(tài)為上行，則當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層實際距離為：

綜上，當(dāng)某一樓層出現(xiàn)下呼信號時，1 號電梯此時距離此信號響應(yīng)的實際樓層數(shù)如下：

當(dāng)呼梯信號出現(xiàn)時，以此方式計算出三部電梯距離呼梯信號的實際距離，再通過MIN 指令獲取三個實際距離的最小值，使實際距離目標(biāo)樓層最近的電梯響應(yīng)呼梯信號。最短距離計算程序段如圖7 所示。呼梯信號分配流程如圖8 所示。

圖7 最短距離計算

圖8 呼梯信號分配

當(dāng)分配好呼梯信號后，若有其他電梯有內(nèi)選信號先到達此樓層并且運行狀態(tài)與呼梯方向相同，此電梯也能消除另一電梯的上呼信號響應(yīng)。比如5 層上呼信號先由2 號梯響應(yīng)，而后2 號梯由于一些其他原因停滯（如有乘客在某一樓層停靠時長時間按住開門按鈕導(dǎo)致電梯無法正常運行），此時1 號梯若先停靠在5 樓，也能消除2 號梯的信號響應(yīng)。

■3.3 WinCC 組態(tài)畫面

在電梯控制程序運行過程中，變量不斷進行著變化，變量反饋了電梯所有電機、傳感器的狀態(tài)，通過對WinCC 畫面連接變量，能實現(xiàn)對電梯運行狀態(tài)的可視化，更直觀地體現(xiàn)出所有電梯當(dāng)前運行的狀態(tài)或是哪部分存在的問題。方便了相關(guān)人員對電梯的管理以及故障時的維修，提高了工作效率。

監(jiān)控畫面同時包含了三部電梯所處樓層、當(dāng)前的上下行狀態(tài)、1-10 層的內(nèi)外呼梯信號、所有電機的運行狀態(tài)、傳感器當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)一部電梯上行時，上行信號燈變綠，對應(yīng)的呼梯或內(nèi)選信號燈亮起，同時電機啟動，對應(yīng)的指示燈亮起，到達指定樓層后，三級制動減速燈依次亮起，減速完成后電梯的上下平層信號燈變綠。WinCC 設(shè)計的電梯模型如圖9 所示。監(jiān)控畫面布局如圖10 所示。

圖9 電梯模型

圖10 監(jiān)控畫面布局

4 程序仿真及結(jié)果分析

在將PLC 程序下載進S7-1200 后，進入WinCC 調(diào)試界面，于畫面左下角調(diào)整電梯初始化樓層，開始仿真后，能在上位機的WinCC 監(jiān)控畫面中獲取三部電梯實時的狀態(tài)及外呼信號分配等信息，如圖11 所示。由此監(jiān)控畫面可以看出分配信號有7 層下呼，1，3，4，5，6，8 層上呼信號，電梯仿真結(jié)果分析如下：

（1）1 號梯位于8 層，運行狀態(tài)為下行，內(nèi)選信號為1 層，1 號梯離7 層下呼信號最近，因此將響應(yīng)7 層下呼信號。

（2）2 號梯位于2 層，運行狀態(tài)為上行，內(nèi)選信號為4-10 層，根據(jù)有內(nèi)選信號優(yōu)先，再用最短距離計算分配外呼信號的方式，為2 號梯分配3-6 層上呼信號及8 層上呼信號。

（3）3 號梯位于5 層，運行狀態(tài)為下行，內(nèi)選信號為1，2，4 層，依據(jù)相同方案為其分配1 層上呼信號。

（4）此時2 號梯處于超載狀態(tài)，可由監(jiān)控畫面看出超載指示燈亮起，電梯保持開門狀態(tài)供乘客進出，等待電梯載重量減少后，電梯關(guān)門，恢復(fù)正常運行狀態(tài)。

（5）仿真工程20 分鐘載客300 人最終運輸乘客數(shù)為268 人，乘客平均乘梯時間為63.98s，平均候梯時間為103s。電梯載客量仿真結(jié)果如圖12 所示。

圖12 電梯載客量

5 結(jié)語

本文設(shè)計了可用于三部十層電梯的群控系統(tǒng)方案，客流模型仿真實驗結(jié)果表明，該群控系統(tǒng)能有效地提高電梯運行效率和促進節(jié)能減排，較好地完成了程序設(shè)計目標(biāo)。在物理學(xué)中，永動機是無法實現(xiàn)的，但是人們也一直在追求更高的能量轉(zhuǎn)化效率。電梯載人效率也是一樣的，每一種電梯群控算法各有各的優(yōu)勢，但相對地，也有其缺陷，未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，群控策略可能由多種算法策略結(jié)合[6]。本文電梯群控系統(tǒng)設(shè)計還有些許不足，希望能在未來加入依據(jù)電梯當(dāng)前載客量多少來響應(yīng)呼梯信號作為一部分權(quán)重，使電梯更加智能化。