电梯群控系统研究及优化设计

刘佳伟，李 健，董文琦，曹玉波*

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院,吉林 吉林132022；2.绥化象屿金谷生化科技有限公司 淀粉车间,黑龙江 绥化 152023)

电梯作为高层建筑使用最广泛的载人垂直运输工具，具有操作简单、运客速度快、效率高和可靠性强等优点.随着人民生活水平的不断提升，电梯的应用和普及，为人们的工作和生活带来了很大的便利.但是，在实际使用中，受到人们生活和工作节奏的限制，无论是在居民楼、商场、还是办公楼等场所，难免在上、下班等高峰期存在拥堵现象，极大地增加了乘客候梯时间，给乘用人员带来不便.因此，引入电梯的集群控制，通过设计群控算法来对多部电梯进行统一的调度和协调，进而提高系统运客效率，减少乘客的候梯时间并改善乘客的乘运感受，具有很高的实用价值.

1 电梯群控系统

电梯群控系统是将单部电梯的控制延伸至多部电梯集群控制的一种控制系统[1].群控系统主要包括单部电梯控制和多部电梯群控两个部分，单部电梯控制主要实现电梯的基本运载功能如：上电初始化、三级制动减速和开关门控制等；而电梯群控则是在此基础上对两部及以上电梯进行统一控制，实现对多部电梯的分别调用，以此来减少用户等待时间和乘坐时间充分发挥集群控制的优势[2].某10层电梯结构组成模型如图1所示，电梯模型主要由梯门、电机、电梯操作面板和传感器部分组成；考虑到安全因素在模型的最上和最下端分别设计了第一限位和第二限位端开关，用于防止电梯过运碰撞.控制系统选用西门子S7-1200 PLC进行控制[3]，工程组态软件为STEP7 Professional V16，HMI操作界面选用为WINCC Professional V16.

图1 电梯结构组成模型示意图

2 系统控制方案

2.1 程序结构

考虑到6部10层电梯模型的控制程序会比较大，如果程序结构不合理，那么程序的逻辑性和可读性将大大降低[4].因此，在编写程序之前首先要分配好各个控制功能需要存放的位置；同时CPU的占用内存以及程序篇幅等因素都会在投入运行后影响后期的维护工作[5].如图2所示，在本次程序设计中将单部电梯的控制程序放在功能块，应用FB块进行电梯控制功能的编写以及存储使之生成独立的背景数据块，并在群控程序中使用FB块的符号栏建立中间变量，在组织块OB1中调用该功能块并将IO信号连接至功能块引脚.这种深层嵌套的编程方法具有节约系统内存、程序可读性好、维护方便等优点[6].

图2 程序结构示意图

2.2 单部电梯控制

设计多部电梯的集群控制，首先要实现单部电梯的基本运载功能.其功能主要包括：上电初始化、开关门控制、高低速转换、三级制动抱闸停车和外呼(内呼)信号响应等，以达到对不同楼层用户的呼梯操作进行及时响应，实现电梯自动运行到目标层进行开关门操作成功载客后将乘客安全送往目的层的功能.并可以根据不同的需求进行合理的运行状态改进，如：针对选层指令中可能出现的人为误操作进行相应的判断进而消除错误指令；在电梯运行过程中如长时间无指令或外呼信号，电梯轿厢的相应设备能够关闭并在有信号来时重新启动等.

最后，在电梯运行过程中加入相应的保护功能，如：在关门过程中若红外传感器有信号输入则停止关门动作并执行开门程序，且在未平层状态下电梯不会开门防止发生危险；电梯超员(超载)时，电梯发出超载指示梯门保持打开状态；在电梯触碰到上(下)端的终端限位开关时，电梯会自动反向运行到达最近平层防止超限运行.

针对以上单部电梯的功能，设计单部电梯控制流程图,如图3所示.

图3 单部电梯控制流程图

2.3 电梯群控

通常情况下单部电梯就可以满足日常的载客需求，但是在一些特定的时间段或地区下(如：早晚上下班高峰期、节假日高峰期、楼层分区等)，就需要针对多部多层电梯实施联合控制.具体来讲，至少需要协调以下几方面因素[7]：

(1)电梯内乘客：电梯越快到达越好(停靠越少越好)，感觉越舒服越好(不要拥挤等)；

(2)电梯外侯梯乘客：电梯来的越快越好；

(3)物业等相关单位：单位时间内运送能力越高越好，系统整体能耗越少越好.

针对以上可能出现的情况以及需要考虑的因素，本次设计采用最小等候时间的控制算法.即为对用户的呼梯信号进行楼层判断，计算各电梯到达目标楼层所需要的时间，从中选择到达所需时间最短的号梯进行呼梯信号响应.

首先要确定电梯从当前位置上升或下降到目标呼梯信号层的时间，包括电梯不停靠直接驶向目标呼梯信号层的时间，电梯需要中途停靠时的减速损耗时间，停止时的开关门时间和乘客进出电梯的时间.然后对这些时间进行整合计算，求得各个电梯对此召唤响应的时间值，并选择最小时间值对应的号梯去进行呼梯信号响应[8].群控程序设计流程图如图4所示.

图4 电梯群控系统流程图

最小等候时间的控制算法需要对各梯当前楼层和楼层位置进行详细的记录，因此在单部电梯的控制程序中就将所需要的楼层位置等数据存储下来.其次，考虑到反向截梯原则在群控程序的设计中将上呼和下呼信号进行分开存储，在算法计算中也分别进行运算，这样在响应呼梯信号时可以有效减少电梯的反向运行以节约整个电梯系统的能耗[9-10].最后，在群控程序编辑过程中将所有的外呼信号采集后进行集中处理，防止有呼梯信号却长时间没有号梯进行响应的现象进而提高群控系统的载客效率.

3 监控画面设计

本次设计选用的上位机系统编辑软件是在TIA Portal编程软件中集成的SIMATIC WINCC Professional V16.整个监控系统主要包括：监控系统主界面、1号梯监控界面、2号梯监控界面和报警记录界面等.

监控系统主界面如图5所示，主界面从左至右依次为：外呼信号灯显示、各梯楼层位置及开关门状态显示、各梯箱内楼层位置及上下行状态显示、各梯的故障、照明、风扇运行状态显示，最下方为各画面的切换按钮可以实时切换至不同号梯监控运行状态.主画面主要负责显示各梯的运行状态和报警提示；各梯监控界面则负责对各梯内的运行状态进行显示和报警；方便操作人员及时发现故障信息，避免事故的发生.

图5 上位机监控画面

4 结 论

在电梯群控系统中，选用西门子S7-1200 PLC作为核心控制器，使用并优化最小等候时间的控制算法，实现了6部10层电梯的统一调度.应用WINCC设计的上位机监控界面，能够实时监控系统的运行状态，便于工作人员的控制操作和报警处理.经过仿真验证，系统安全可靠，优化后的最小等候时间算法相较于传统的控制算法可以减少5%的平均候梯时间，具有较高的实际应用价值.