基于PLC的电梯群控系统设计与仿真*

雷高伟

1.广东石油化工学院；2.广东省石化装备故障诊断重点实验室

如今的电梯行业发展趋势逐渐走向了智能化，既要给乘客提供舒适的心理和生理的乘坐体验，也要给维修管理人员提供一个便于管理、监控的工作条件。基于S7-1200PLC控制器，同时结合仿真模型、WinCC监控界面于一体，采用以太网通讯方式设计电梯系统，并对其进行测试。测试结果显示，该系统在乘客平均候梯时间、乘客平均乘梯时间、系统运行总距离、系统启停次数等指标上均达到最佳效果。

1 电梯及系统组成结构

1.1 电梯概述

在日常酒店住宅中，往往使用多部电梯以提升乘坐效率，使用六部十层电梯模型进行仿真更能反映出极端情况时电梯控制逻辑的优劣。S7-1200是西门子推出的一款模块化、紧凑型的新型中小规模的工业控制器，其特点恰好适合电梯安装过程中需要克服的一系列环境问题[1]。电梯主要包括电梯外部设备和电梯内部设备。外部设备包括：轿厢、曳引电动机、引导轮、第一第二限位开关（上下端站均有）、上下平层传感器（每层楼均有）、外呼按钮以及指示灯（每个楼层均有）等。内部设备包括：楼层按钮、楼层显示、上下行指示灯、照明风扇等[2]。其中，轿厢内部还装配有重量变送器，输出模拟信号用于超载保护。

1.2 系统硬件组成

基于电梯仿真模型设备的特殊性，可选择Profibus DP和Profinet工业以太网这两种通讯方式。但以太网通讯相较于DP通讯有接线简单、过程设备少、承载输入输出信息量多等优点，综合考虑选择以太网。在实际通讯中，通过交换机连接网线，实现了PC机装载WinCC监控环境对PLC进行监控，必要时还可以进行简单的控制，EET作为电梯仿真模型由PLC进行控制。

2 总体控制方案设计

电梯上电运行，首先执行初始化程序，初始化电梯启动准备就绪后，会发出初始化准备就绪信号，电梯开始正常工作，进入等待外呼请求状态[3]。如果接收到外呼请求信号，程序将进入请求信号楼层与本楼层的关系的运算；如果一个运行周期内没有接收到外呼请求，则程序转入判断是否有内呼请求（由于在PLC内运行一周期的时间非常短，可看成内呼外呼程序并联运行），如果接收到内呼请求，程序将进入请求信号楼层与本楼层的关系的运算，反之则继续等待。通过请求信号楼层与本楼层关系运算后，会产生一个变量，该变量值的正负则会决定电梯上行或者下行。电梯选向确定后，曳引电机解除抱闸，开始进入加速运行状态，向目标楼层运行。与此同时，轿厢通过装在每层楼的上永磁平层感应器检测楼层数（每层有上下两个平层传感器），发出信号进行对比。当发出的信号与目标楼层信号不相同，则说明电梯未到达指定楼层，电梯继续运行。当发出的信号与目标楼层信号相同，则说明电梯到达指定楼层，电梯开始进入减速状态。电梯减速同时也在检测平层信号，当电梯接触到下平层传感器时，电梯进入制动状态。电梯制动后，触碰门锁继电器，电梯开门，开门完成后设置一定的时间保持开门状态。在接客状态下，电梯压力传感器会检测重量，其信号转换为模拟量转入PLC，如果判定为超重，保持开门状态，否则关门[4]。流程图如图1所示。

图1 电梯运行总体流程图Fig.1 Overall flow chart of elevator operation

3 电梯部分控制方案

3.1 初始化控制

电梯收到EET给出的自动运行信号时，电梯正常启动，同时置位下行接触器、低速接触器，电梯为向下运行状态。电梯下行过程中触碰到下端站第一限位开关后，复位下行接触器，同时置位上行接触器、低速接触器，电梯上行运行状态。电梯上行过程中到达初始化楼层（可使用WinCC决定先上行还是先下行）并且同时接收到上下平层传感器发出的信号，说明电梯到达指定楼层。电梯复位上行接触器、低速接触器，并置位输出准备就绪的信号[5]。

3.2 制动控制

为了增加电梯制动的平顺性，设计电梯制动为三级制动。电梯轿厢到达目标楼层后，当电梯上行时碰到下平层信号或下行碰到上平层信号时，发出制动信号，电梯从高速运行切换到低速运行一段时间。然后启动一级制动并关闭低速接触器运行一段时间后，启动二级制动运行一段时间后，启动三级制动抱闸停机。在电梯上（下）行制动过程中，当同时检测到上下平层信号时，关闭上（下）行接触器[6]。

3.3 轿厢上下行、开关门控制

当电梯轿厢接收到上行或下行有效请求信号时，首先进行自检判断，即保证轿厢门锁信号、关门到位信号均存在（常开）且开门继电器信号不存在（常闭）的情况下，根据电梯上下行指示，自锁上行或下行接触器，置位上下行指示灯，使曳引电机正转反转。当电梯到达最高层或最低层时，均自动改变电梯运行方向。电梯运行方向定义：当电梯方向标志向上时，定义方向此时为“1”，当电梯方向标志向下时，定义电梯方向此时为“2”。电梯同时接收到上下平层信号后开门，开门状态一直持续到有开门到位信号，表示开门完成。开门完成后，计时器开始计时，保持开门到位状态；若计时时间到了，且无任何人为和故障信号，电梯关门。当接收到有效的开门请求信号时，开门继电器置位，电梯开门；开门状态完成后，开始计时，保持开门到位状态；若计时时间到了，且无任何信号，电梯关门。在关门动作执行期间，如果收到轿厢外本层楼的上下行信号或轿厢内开门信号，立即执行开门动作，计时器重新计时。当乘客在轿厢内时，如果电梯处于开门动作执行期间，无论何时，乘客按下关门按钮，立即执行关门动作；当关门到位信号出现，表示关门完成，发出关门完成指示。为了保证电梯内乘客的生命安全，电梯配备有光幕传感器和压力传感器，防止乘客在通过电梯门时被夹伤和电梯的超重运行。当乘客触发到光幕信号时，电梯执行开门动作，开门到位后计时保持；当电梯超重时，电梯开门并一直保持开门状态。

3.4 轿厢楼层登记

在电梯井中，每层楼都有一套上下平层传感器，且上下平层传感器信号默认为1。电梯初始化完毕后所在楼层数为X。当电梯上行时，首先触碰下平层传感器，下平层传感器由1变0，产生下降沿，此时轿厢所在楼层数X加1；当电梯下行时，首先触碰上平层传感器，上平层传感器由1变0，产生下降沿，此时轿厢所在楼层数X减1。为了防止出错，上行时，离开一层，数字定义为二，离开二层，数字定义为三，以类推；下行时，离开六层，数字定义为五，离开五层数字定义为四，依次类推。

3.5 电梯群控过程

针对乘客平均候梯时间、乘客平均乘梯时间、系统运行总距离、系统启停次数4个指标，最大的困难在于乘客出现的随机性。电梯模型仿真软件EET模拟了30分钟内不同楼层不同人数（上限为400人）频繁使用电梯的情况。这种复杂情况导致了电梯群控必然是一个多输入端的优化系统。电梯群控主要是应对当接收到来自不同楼层的外呼请求时，该如何分配电梯去响应的情况。在这里将外呼请求分成6个区域，1层至3层上呼为一区，4层至7层上呼为二区，8层至9层上呼为三区，8层至10层下呼为四区，4层至7层下呼为五区，2层至3层下呼为六区。当有外呼请求时，首先可以将这些外呼请求划分在某个区，然后依据每个区的请求状况去决定分配哪几部电梯去响应。当电梯响应被分配区域的请求且被分配区域上（下）请求数为0时，重新将电梯被分配区域中间变量数设为10，这时电梯就从一区开始寻找可以被分配的区域，若电梯上下行接触器有运行，则从电梯所在的区域开始寻找。判断电梯是否被分配到某一区域的条件有三个：（1）此区域没电梯但有请求个数；（2）响应此区域的电梯后方在此区域有请求；（3）此区域请求个数大于被分配的电梯个数，即请求个数比较多。

当条件满足时，电梯被分配区域中间变量值为被分配的区域值，并把电梯的状态置为响应途中。在开始响应被分配区域的信号时，电梯的状态就会置为正在响应，只要在此区域遇到信号就会去响应，当响应完被分配区域的信号时，电梯的状态就会置为响应完成，此后，电梯只响应内呼，在碰到与内呼同层且与电梯同方向的信号也会响应并消除其按钮指示灯。当将所有内呼信号响应完成后，电梯又开始重新寻找可被分配的区域。通过在仿真模型上测试，测试结果如表1所示。

表1 测试结果Tab.1 Test result

4 结语

组态调试完成后，在工控机上运行工程文件进行跑分，设置人数为400人，运行时间为30分钟。由跑分结果可看出，乘客候梯时间和乘梯时间都比较短，适应于人们现在的快节奏生活，符合当前智能电梯的设计原则。为了更进一步减低能耗，在后续设计了更为细致地控制了轿厢内的风扇照明系统，当电梯空载且无被分配区域请求时，电梯空闲待载时间超过15秒后，关闭电梯照明指示、电梯风扇指示、让电梯进入待机模式，减少能耗损失，通过电能控制电梯，实现了节能环保的效果，当电梯有请求时，重新启动风扇和照明，电梯重新正常工作。综上，此电梯设计方案实现了在最短时间内搭载了最多的乘客，也大大减低了能耗，达到了中等偏上的性能要求，实现了电梯智能化、绿色化、可视化的控制准则。