基于S7-1200 PLC 的电梯群控高峰期的设计及仿真

杨柏松，方伟锴，方锴鑫，邵龙秋，陆伙桦

（1.广东石油化工学院，广东 茂名 525000；2.岭南师范学院，广东 湛江 524048）

电梯作为高层建筑必要的交通工具，在保障安全运行的条件下，如何提高电梯运行的安全性和高效性，使乘客在乘梯的过程中能体会到电梯的快捷且有序，这涉及到多部电梯高效群控的问题[1]。高层写字楼多是根据上下班时间段设定高峰期，但当将比较固定的时间模式高峰期运用到大型商场、酒店，并不能很好地把控乘客的乘梯高峰期，因此，为合理对多部电梯进行高效群控，可根据楼层外呼按钮的呼叫次数频率，来判别该楼层是否属于人流量密集群，若在规定时间内当呼叫频率次数在设定的一个时间段逐渐变化，采用自动切换情景模式方法来满足于不同时间段人流量需求。因此在设计方面上不仅要满足于单部电梯基本功能，且要求多部电梯达到高效群控的层次，这将涉及到高效算法的合理性。系统设计以三部电梯十层为仿真对象[2]，在随机人群和不同情景模式下运行，验证群控高峰期算法的实用性和优越性。

1 设计要求

1.1 单步电梯基本功能

主要包括轿厢启停控制、系统初始化、轿厢开关门、各种指示（超重、故障、所在楼层、厅外厅内按钮）、取消厅内按钮错误指令、待载休眠等功能。

1.2 三部电梯群控

根据厅外厅内呼梯按钮规定时间内频率达到设定值，或者与其他楼层进行比较，列出优先执行级，则可以对高密集人群层区进行高效载客；根据呼梯频率系统可判断处于哪种情景模式，通过有效变换系统情景模式实现高效率载客，使电梯群控进入联动控制模式；可根据数层按钮频率高、进梯载重量数值大、且执行完该层又很快接收到该层呼叫信号，派另一部靠近呼叫楼层的电梯去执行且载重量数值同样较大，可判断为上班高峰期模式，因此根据不同的人流量特征，可把电梯执行任务高效群控的情景模式主要分为上、下班高峰，会餐前、后高峰等。通过电梯能够自动切换情景模式适应低、高峰需求，合理分配来梯数量和时间，保证可靠安全条件下，提高电梯工作效率[3]。

2 系统硬件设计

电梯仿真控制系统硬件部分由西门子S7-1200系列控制器、工控机、上位机组成。系统网络拓扑连接结构图如图1 所示；通信方式采用以太网连接，通过设置好相同的网段，实现网络数据共享，还可采用其他几种通信方式[4-5]。西门子S7-1200 控制器属于紧凑型模块，有着强大的功能属性，适用范围广、可扩展性强且灵活性高的功能设计，此系列以模块化和精小型设计，可实现高标准工业通信的通信接口以及套装多模块配置优化功能。西门子S7-1200 系列控制器采用1214 DC/DC/DC型号，货号为6ES7214-1AG40-0XB0；逻辑控制程序于博图软件TIA Portal V15.1 上运行，工控机电梯仿真模型为被控对象。

图1 系统网络拓扑连接结构图

3 系统逻辑控制程序设计

3.1 正常分散派梯模式

多部电梯运行以单部电梯功能为基础，当有多个指令呼叫时且有反方向呼梯，采用集选控制（群控算法逻辑）原则对轿厢合理地派送，如引入一些数值运算，对控制变量定义为常数，引入上下行顺接或反接，距离远近、轿厢载客重量判断等原则，来综合作出最优的派梯选择，达到最优目的，将大大减少乘客候梯时间、乘梯时间和避免电梯反向运转造成更多能源损耗。正常分散派梯模式逻辑图如图2 所示。

图2 正常分散派梯模式逻辑图

所遵循运行原则有：

1）电梯初始化。电梯断电或检修完重新启动，需进行电梯系统的初始化来判别电梯所在楼层数。初始化完毕后开始接收厅外呼梯任务；初始化过程如图3 所示，由系统程序给入控制器启动触发信号，初始化开始直至初始化完成，电梯运行低速触碰第一上限位，再下降至待命楼层，初始化完成。

图3 初始化逻辑图

2）先呼先执行。当电梯接收到向下接梯任务，此时又有新的反向指令，则优先完成向下及同向任务，如电梯位于3 层接收到1 层向上的任务，此时又接收到6 层向下任务，优先执行1 层呼梯任务，把6 层向下的指令先寄存到程序的寄存器，程序寄存器也设置优先级，后面接收到的指令也都按优先级放到寄存器上，再根据是否同向可搭载而进行执行任务。

3）待载休眠。电梯待机一段时间（一般时间设置为30 s）无接收到呼梯任务，则进入休眠待机模式，减少能源损耗。

4）电梯运行故障。电梯启动时由系统保护回路检测电梯系统有无故障，若有则对电梯进行停靠、不使用，如图4 启动逻辑控制。电梯系统是否故障主要判别电机的运行状态和轿厢的上下平层限位开关；电梯的运转主要靠电机的正反转来提供动力，对电机设置缺相保护、过电流保护等，由保护回路检测出故障进行报警[17-20]。

图4 电梯运行启动逻辑控制图

5）群控算法。系统采用到的群控算法是系统进行多部电梯控制的核心，所遵循算法原则有：

①顺向执行、反向暂不响应。当电梯接到向上呼叫指令，又突然接到向下指令，则优先执行向上指令和向上的同向指令；如电梯停靠于3 层，收到5 层呼梯向上指令，又接收到3 层呼梯向下指令，则会优先执行5 层请求指令，等到向上同向指令执行完毕，再执行反向指令；

②故障梯不参与派梯。当电梯运行进行派梯时，检测到哪部电梯有故障，则不呼叫此梯执行任务，直接跳过故障梯命令系统；

③就近原则。当三部电梯执行完任务后，各停留在执行任务后所在楼层，当接收到新任务时，会根据所给命令层与电梯所停靠楼层进行计算，计算出最近距离的电梯进行执行任务。原理：当前按钮按下楼层数（若有负层需先取绝对值）减去电梯停靠楼层数，差取绝对值，将三部梯三个差结果进行比较运算，从而取差绝对值最小的电梯进行接梯，若运算结果一样，则优先执行顺序为：同向梯＞空闲梯＞1、2、3 号梯。

3.2 高峰期派梯模式

在高峰期间，为更好地减少候梯时间、乘梯时间、电梯运行总距离、启停次数，达到增加载客效率目的，采用切换不同情景模式方法，使系统合理地进行派梯。当运行过程中载重量大于设定值则不接受同向呼梯请求，重量设定值一般为电梯允许承载量的95%。为避免当载客量较多时，运行过程中接收同向呼梯导致超重、增加乘梯、候梯时间以及电梯启停次数，以造成工作效率下降，所以当载重量大于等于设定值则通过限制同向呼梯，达到高效工作目的。

1）上班高峰期时，人流量主要位于首层至各楼层，可通过测重传感器测量出进入轿厢乘客的重量与设定值比较，从而根据系统逻辑判断是否接受同向其他楼层外呼请求，工作逻辑如图5，若此时执行任务的轿厢重量大于允许接收同向指令重量设定值，则减少同向执行指令和其他楼层厅外呼叫之间的响应，达到节约时间目的；可通过距离计算安排其他梯进行派送乘客完成任务。

图5 高峰期逻辑控制图

2）下班高峰期如同上班高峰期对轿厢重量进行判定是否同向接客。

3）会餐前后高峰时人流量主要集中于各楼层至目的层，可采用分区派送，1、2、3 号梯分别负责低、中、高层部分；通过合理分配楼层派梯，减少电梯启停次数，缩短候梯时间。

3.3 电梯控制PLC程序梯形图设计

系统程序根据逻辑设计原则进行编程，以单步电梯功能为基础，包括初始化、（超重、故障、所在楼层、厅外厅内按钮）指示、开关门等程序，按流程图对各功能进行模块化设计，集选控制则在单步电梯功能实现的基础上进行综合判断分配派梯。在集选控制程序中较多用比较指令进行判断以及简易加减法运算，如部分集选控制程序画面如图6 所示，采用比较指令判断电梯重量、运行方向等；另外在判断轿厢所在楼层与呼叫层的距离可用呼叫楼层数值减去电梯所在楼层数值，根据差值的正负判断电梯需上行或下行及上下行的距离，决定顺向接梯或不响应，把最简单的思维逻辑运用到算法中来，使算法逻辑原则更加有条理。

图6 系统控制程序画面图

4 人机交互界面WinCC画面设计

根据电梯界面基本设计要求，通过对WinCC 画面连接输入输出变量，实现对各变量实时监控，使系统程序调试和优化过程中更加清晰得出变量的变化过程，逐步对程序完善。并且方便操作员通过WinCC 监控画面直接修改参数，以提高工作效率。按画面简洁明了、操作方便快捷的原则进行设计。部分实时监控画面如图7 所示。

图7 电梯实时监控画面图

5 仿真运行效果

采用TIA Portal V15.1和Elevator Simulation Basic软件通过以太网连接联机，进行对电梯系统模型仿真，仿真对象为三部十层电梯模型，比较仿真结果数据来证明方法的可行性。实行方法有未加入高峰期逻辑设计仿真接客模式和加入高峰期逻辑设计接客模式。仿真运行分数和各项指标如表1 所示。

表1 未加入高峰期逻辑设计仿真结果

当把高峰期多种情景模式下考虑到其中，按照高峰期逻辑流程图进行设计，仿真结果如表2 所示。

表2 加入高峰期逻辑设计仿真结果

6 结束语

由以上两种仿真结果数据进行比较和分析可知，当把高峰期乘梯情景模式逻辑设计运用到电梯运转中，与正常分散派梯模式下的载客情况相比效率大大提高，可体现系统设计采用的逻辑算法的可行性和高效性，能够进一步满足人流量密集区域乘梯需求，实现载客量大幅提高，乘客候梯时间、乘梯时间降低等要求，达到电梯高效接客的目的。