楊柏松，方偉鍇，方鍇鑫，邵龍秋，陸伙樺

（1.廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048）

電梯作為高層建筑必要的交通工具，在保障安全運(yùn)行的條件下，如何提高電梯運(yùn)行的安全性和高效性，使乘客在乘梯的過程中能體會(huì)到電梯的快捷且有序，這涉及到多部電梯高效群控的問題[1]。高層寫字樓多是根據(jù)上下班時(shí)間段設(shè)定高峰期，但當(dāng)將比較固定的時(shí)間模式高峰期運(yùn)用到大型商場(chǎng)、酒店，并不能很好地把控乘客的乘梯高峰期，因此，為合理對(duì)多部電梯進(jìn)行高效群控，可根據(jù)樓層外呼按鈕的呼叫次數(shù)頻率，來判別該樓層是否屬于人流量密集群，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)當(dāng)呼叫頻率次數(shù)在設(shè)定的一個(gè)時(shí)間段逐漸變化，采用自動(dòng)切換情景模式方法來滿足于不同時(shí)間段人流量需求。因此在設(shè)計(jì)方面上不僅要滿足于單部電梯基本功能，且要求多部電梯達(dá)到高效群控的層次，這將涉及到高效算法的合理性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以三部電梯十層為仿真對(duì)象[2]，在隨機(jī)人群和不同情景模式下運(yùn)行，驗(yàn)證群控高峰期算法的實(shí)用性和優(yōu)越性。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 單步電梯基本功能

主要包括轎廂啟?？刂?、系統(tǒng)初始化、轎廂開關(guān)門、各種指示（超重、故障、所在樓層、廳外廳內(nèi)按鈕）、取消廳內(nèi)按鈕錯(cuò)誤指令、待載休眠等功能。

1.2 三部電梯群控

根據(jù)廳外廳內(nèi)呼梯按鈕規(guī)定時(shí)間內(nèi)頻率達(dá)到設(shè)定值，或者與其他樓層進(jìn)行比較，列出優(yōu)先執(zhí)行級(jí)，則可以對(duì)高密集人群層區(qū)進(jìn)行高效載客；根據(jù)呼梯頻率系統(tǒng)可判斷處于哪種情景模式，通過有效變換系統(tǒng)情景模式實(shí)現(xiàn)高效率載客，使電梯群控進(jìn)入聯(lián)動(dòng)控制模式；可根據(jù)數(shù)層按鈕頻率高、進(jìn)梯載重量數(shù)值大、且執(zhí)行完該層又很快接收到該層呼叫信號(hào)，派另一部靠近呼叫樓層的電梯去執(zhí)行且載重量數(shù)值同樣較大，可判斷為上班高峰期模式，因此根據(jù)不同的人流量特征，可把電梯執(zhí)行任務(wù)高效群控的情景模式主要分為上、下班高峰，會(huì)餐前、后高峰等。通過電梯能夠自動(dòng)切換情景模式適應(yīng)低、高峰需求，合理分配來梯數(shù)量和時(shí)間，保證可靠安全條件下，提高電梯工作效率[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電梯仿真控制系統(tǒng)硬件部分由西門子S7-1200系列控制器、工控機(jī)、上位機(jī)組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示；通信方式采用以太網(wǎng)連接，通過設(shè)置好相同的網(wǎng)段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，還可采用其他幾種通信方式[4-5]。西門子S7-1200 控制器屬于緊湊型模塊，有著強(qiáng)大的功能屬性，適用范圍廣、可擴(kuò)展性強(qiáng)且靈活性高的功能設(shè)計(jì)，此系列以模塊化和精小型設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口以及套裝多模塊配置優(yōu)化功能。西門子S7-1200 系列控制器采用1214 DC/DC/DC型號(hào)，貨號(hào)為6ES7214-1AG40-0XB0；邏輯控制程序于博圖軟件TIA Portal V15.1 上運(yùn)行，工控機(jī)電梯仿真模型為被控對(duì)象。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)邏輯控制程序設(shè)計(jì)

3.1 正常分散派梯模式

多部電梯運(yùn)行以單部電梯功能為基礎(chǔ)，當(dāng)有多個(gè)指令呼叫時(shí)且有反方向呼梯，采用集選控制（群控算法邏輯）原則對(duì)轎廂合理地派送，如引入一些數(shù)值運(yùn)算，對(duì)控制變量定義為常數(shù)，引入上下行順接或反接，距離遠(yuǎn)近、轎廂載客重量判斷等原則，來綜合作出最優(yōu)的派梯選擇，達(dá)到最優(yōu)目的，將大大減少乘客候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間和避免電梯反向運(yùn)轉(zhuǎn)造成更多能源損耗。正常分散派梯模式邏輯圖如圖2 所示。

圖2 正常分散派梯模式邏輯圖

所遵循運(yùn)行原則有：

1）電梯初始化。電梯斷電或檢修完重新啟動(dòng)，需進(jìn)行電梯系統(tǒng)的初始化來判別電梯所在樓層數(shù)。初始化完畢后開始接收廳外呼梯任務(wù)；初始化過程如圖3 所示，由系統(tǒng)程序給入控制器啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，初始化開始直至初始化完成，電梯運(yùn)行低速觸碰第一上限位，再下降至待命樓層，初始化完成。

圖3 初始化邏輯圖

2）先呼先執(zhí)行。當(dāng)電梯接收到向下接梯任務(wù)，此時(shí)又有新的反向指令，則優(yōu)先完成向下及同向任務(wù)，如電梯位于3 層接收到1 層向上的任務(wù)，此時(shí)又接收到6 層向下任務(wù)，優(yōu)先執(zhí)行1 層呼梯任務(wù)，把6 層向下的指令先寄存到程序的寄存器，程序寄存器也設(shè)置優(yōu)先級(jí)，后面接收到的指令也都按優(yōu)先級(jí)放到寄存器上，再根據(jù)是否同向可搭載而進(jìn)行執(zhí)行任務(wù)。

3）待載休眠。電梯待機(jī)一段時(shí)間（一般時(shí)間設(shè)置為30 s）無接收到呼梯任務(wù)，則進(jìn)入休眠待機(jī)模式，減少能源損耗。

4）電梯運(yùn)行故障。電梯啟動(dòng)時(shí)由系統(tǒng)保護(hù)回路檢測(cè)電梯系統(tǒng)有無故障，若有則對(duì)電梯進(jìn)行?？?、不使用，如圖4 啟動(dòng)邏輯控制。電梯系統(tǒng)是否故障主要判別電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和轎廂的上下平層限位開關(guān)；電梯的運(yùn)轉(zhuǎn)主要靠電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來提供動(dòng)力，對(duì)電機(jī)設(shè)置缺相保護(hù)、過電流保護(hù)等，由保護(hù)回路檢測(cè)出故障進(jìn)行報(bào)警[17-20]。

圖4 電梯運(yùn)行啟動(dòng)邏輯控制圖

5）群控算法。系統(tǒng)采用到的群控算法是系統(tǒng)進(jìn)行多部電梯控制的核心，所遵循算法原則有：

①順向執(zhí)行、反向暫不響應(yīng)。當(dāng)電梯接到向上呼叫指令，又突然接到向下指令，則優(yōu)先執(zhí)行向上指令和向上的同向指令；如電梯?？坑? 層，收到5 層呼梯向上指令，又接收到3 層呼梯向下指令，則會(huì)優(yōu)先執(zhí)行5 層請(qǐng)求指令，等到向上同向指令執(zhí)行完畢，再執(zhí)行反向指令；

②故障梯不參與派梯。當(dāng)電梯運(yùn)行進(jìn)行派梯時(shí)，檢測(cè)到哪部電梯有故障，則不呼叫此梯執(zhí)行任務(wù)，直接跳過故障梯命令系統(tǒng)；

③就近原則。當(dāng)三部電梯執(zhí)行完任務(wù)后，各停留在執(zhí)行任務(wù)后所在樓層，當(dāng)接收到新任務(wù)時(shí)，會(huì)根據(jù)所給命令層與電梯所停靠樓層進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出最近距離的電梯進(jìn)行執(zhí)行任務(wù)。原理：當(dāng)前按鈕按下樓層數(shù)（若有負(fù)層需先取絕對(duì)值）減去電梯?？繕菍訑?shù)，差取絕對(duì)值，將三部梯三個(gè)差結(jié)果進(jìn)行比較運(yùn)算，從而取差絕對(duì)值最小的電梯進(jìn)行接梯，若運(yùn)算結(jié)果一樣，則優(yōu)先執(zhí)行順序?yàn)椋和蛱荩究臻e梯＞1、2、3 號(hào)梯。

3.2 高峰期派梯模式

在高峰期間，為更好地減少候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間、電梯運(yùn)行總距離、啟停次數(shù)，達(dá)到增加載客效率目的，采用切換不同情景模式方法，使系統(tǒng)合理地進(jìn)行派梯。當(dāng)運(yùn)行過程中載重量大于設(shè)定值則不接受同向呼梯請(qǐng)求，重量設(shè)定值一般為電梯允許承載量的95%。為避免當(dāng)載客量較多時(shí)，運(yùn)行過程中接收同向呼梯導(dǎo)致超重、增加乘梯、候梯時(shí)間以及電梯啟停次數(shù)，以造成工作效率下降，所以當(dāng)載重量大于等于設(shè)定值則通過限制同向呼梯，達(dá)到高效工作目的。

1）上班高峰期時(shí)，人流量主要位于首層至各樓層，可通過測(cè)重傳感器測(cè)量出進(jìn)入轎廂乘客的重量與設(shè)定值比較，從而根據(jù)系統(tǒng)邏輯判斷是否接受同向其他樓層外呼請(qǐng)求，工作邏輯如圖5，若此時(shí)執(zhí)行任務(wù)的轎廂重量大于允許接收同向指令重量設(shè)定值，則減少同向執(zhí)行指令和其他樓層廳外呼叫之間的響應(yīng)，達(dá)到節(jié)約時(shí)間目的；可通過距離計(jì)算安排其他梯進(jìn)行派送乘客完成任務(wù)。

圖5 高峰期邏輯控制圖

2）下班高峰期如同上班高峰期對(duì)轎廂重量進(jìn)行判定是否同向接客。

3）會(huì)餐前后高峰時(shí)人流量主要集中于各樓層至目的層，可采用分區(qū)派送，1、2、3 號(hào)梯分別負(fù)責(zé)低、中、高層部分；通過合理分配樓層派梯，減少電梯啟停次數(shù)，縮短候梯時(shí)間。

3.3 電梯控制PLC程序梯形圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序根據(jù)邏輯設(shè)計(jì)原則進(jìn)行編程，以單步電梯功能為基礎(chǔ)，包括初始化、（超重、故障、所在樓層、廳外廳內(nèi)按鈕）指示、開關(guān)門等程序，按流程圖對(duì)各功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，集選控制則在單步電梯功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合判斷分配派梯。在集選控制程序中較多用比較指令進(jìn)行判斷以及簡(jiǎn)易加減法運(yùn)算，如部分集選控制程序畫面如圖6 所示，采用比較指令判斷電梯重量、運(yùn)行方向等；另外在判斷轎廂所在樓層與呼叫層的距離可用呼叫樓層數(shù)值減去電梯所在樓層數(shù)值，根據(jù)差值的正負(fù)判斷電梯需上行或下行及上下行的距離，決定順向接梯或不響應(yīng)，把最簡(jiǎn)單的思維邏輯運(yùn)用到算法中來，使算法邏輯原則更加有條理。

圖6 系統(tǒng)控制程序畫面圖

4 人機(jī)交互界面WinCC畫面設(shè)計(jì)

根據(jù)電梯界面基本設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)WinCC 畫面連接輸入輸出變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)各變量實(shí)時(shí)監(jiān)控，使系統(tǒng)程序調(diào)試和優(yōu)化過程中更加清晰得出變量的變化過程，逐步對(duì)程序完善。并且方便操作員通過WinCC 監(jiān)控畫面直接修改參數(shù)，以提高工作效率。按畫面簡(jiǎn)潔明了、操作方便快捷的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。部分實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面如圖7 所示。

圖7 電梯實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面圖

5 仿真運(yùn)行效果

采用TIA Portal V15.1和Elevator Simulation Basic軟件通過以太網(wǎng)連接聯(lián)機(jī)，進(jìn)行對(duì)電梯系統(tǒng)模型仿真，仿真對(duì)象為三部十層電梯模型，比較仿真結(jié)果數(shù)據(jù)來證明方法的可行性。實(shí)行方法有未加入高峰期邏輯設(shè)計(jì)仿真接客模式和加入高峰期邏輯設(shè)計(jì)接客模式。仿真運(yùn)行分?jǐn)?shù)和各項(xiàng)指標(biāo)如表1 所示。

表1 未加入高峰期邏輯設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

當(dāng)把高峰期多種情景模式下考慮到其中，按照高峰期邏輯流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 加入高峰期邏輯設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

6 結(jié)束語

由以上兩種仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析可知，當(dāng)把高峰期乘梯情景模式邏輯設(shè)計(jì)運(yùn)用到電梯運(yùn)轉(zhuǎn)中，與正常分散派梯模式下的載客情況相比效率大大提高，可體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的邏輯算法的可行性和高效性，能夠進(jìn)一步滿足人流量密集區(qū)域乘梯需求，實(shí)現(xiàn)載客量大幅提高，乘客候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間降低等要求，達(dá)到電梯高效接客的目的。