溫思業(yè)，葉立仁，關(guān)有為，許文強(qiáng)，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(yùn)行成了一個(gè)重要的問(wèn)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(yùn)行，保障住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。此外，群控系統(tǒng)還能夠提高電梯的運(yùn)行效率，減少住戶等待的時(shí)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(dòng)態(tài)離散系統(tǒng)[1]，它能將多臺(tái)電梯聯(lián)合起來(lái)，通過(guò)先進(jìn)的控制技術(shù)和算法，實(shí)現(xiàn)電梯的高效、安全、舒適運(yùn)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(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能化的電梯群控系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)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(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能算法，對(duì)電梯進(jìn)行智能調(diào)度的系統(tǒng)。其研究意義主要有以下三個(gè)方面：

（1）提高運(yùn)行效率。電梯群控系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)乘客需求和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)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(yùn)行效率。

（2）增加經(jīng)濟(jì)效益。電梯群控系統(tǒng)可以根據(jù)乘客的需求和電梯的實(shí)際運(yùn)行情況，智能調(diào)度電梯，減少空載和重載運(yùn)行時(shí)間，從而降低電梯的運(yùn)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(yùn)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、門(mén)系統(tǒng)、轎廂、安全保護(hù)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(hào)和輸出信號(hào)。電梯系統(tǒng)的輸入信號(hào)主要是分布在電梯各個(gè)樓層和轎廂中的傳感器輸入的信號(hào)，而輸出信號(hào)一般是電梯內(nèi)部電機(jī)工作的信號(hào)或者指示燈。根據(jù)電梯輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換為不同傳感器輸出的信號(hào)，使電梯完成初始化、啟停、變速等不同的動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)讓電梯安全、舒適地運(yùn)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(jì)

■3.1 單梯系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

3.1.1 電梯初始化模塊

在電梯程序每次重啟后，由于無(wú)法確切知道電梯所處位置，需要對(duì)電梯進(jìn)行初始化。具體做法是在運(yùn)行信號(hào)發(fā)出后，確認(rèn)關(guān)門(mén)到位，電梯安全后，再使電梯運(yùn)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(dá)下端限位站之后，電梯會(huì)反向運(yùn)行，直至需要到達(dá)的目標(biāo)樓層?？梢栽O(shè)置三部電梯需要初始化到達(dá)的樓層。初始化完成后，電梯正式啟動(dòng)。

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(jì)效益而設(shè)計(jì)，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?？傊娞蒿L(fēng)扇的設(shè)計(jì)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(méi)有乘客時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉兩系統(tǒng)以節(jié)約能源，提高電梯經(jīng)濟(jì)效益。程序設(shè)計(jì)是當(dāng)電梯有載重量（即有乘客進(jìn)入后）的時(shí)候開(kāi)啟照明，無(wú)人且電梯待機(jī)時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，節(jié)約能源。

3.1.3 電梯運(yùn)行方向及速度控制

本文中程序設(shè)計(jì)電梯在滿足上行總條件后，在電梯關(guān)門(mén)到位并且無(wú)超載現(xiàn)象后，將會(huì)啟動(dòng)電梯上行接觸器，同時(shí)點(diǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)的電梯，它的出現(xiàn)是基于電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，交流電機(jī)的性能和效率得到了大幅提升，使得交流電機(jī)成為電梯行業(yè)中的主流電機(jī)類型之一。SK 和XK 是電機(jī)正、反轉(zhuǎn)接觸器，用以實(shí)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(dòng)原理圖

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

表1 符號(hào)說(shuō)明

圖5 電梯上行三級(jí)制動(dòng)

■3.2 群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 電梯群控技術(shù)介紹

電梯群控技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)和智能控制系統(tǒng)，對(duì)多臺(tái)電梯進(jìn)行集中控制和調(diào)度，以提高電梯的運(yùn)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(chǎng)、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、地鐵等公共場(chǎng)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?，F(xiàn)代電梯群控系統(tǒng)多采用計(jì)算機(jī)控制，能設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的群控系統(tǒng)，應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛，也使得電梯調(diào)度越來(lái)越高效。

3.2.2 群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，為了保證電梯能在一個(gè)樓層開(kāi)門(mén)的時(shí)候能有乘客出梯也有乘客乘梯，因此本文電梯群控設(shè)計(jì)最優(yōu)先的原則是在所有電梯均不處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，有同一方向的同一樓層內(nèi)選信號(hào)的電梯優(yōu)先響應(yīng)此呼梯信號(hào)。程序段如圖6 所示。此原則能有效減少電梯的?？颗c啟動(dòng)次數(shù)，電梯每次啟動(dòng)需要從低速切換到高速狀態(tài)，每次?？啃枰獜母咚偾袚Q到低速狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)三級(jí)制動(dòng)減速才能?？?，這需要花費(fèi)不少時(shí)間。因此減少電梯停靠與啟動(dòng)次數(shù)能有效減少乘客的平均候梯時(shí)間。

圖6 電梯優(yōu)先響應(yīng)有相同內(nèi)選信號(hào)樓層

本文的電梯群控方案設(shè)計(jì)主要基于最短距離調(diào)度原則，因此方案核心在于如何計(jì)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(hào)樓層的物理距離，還要考慮電梯當(dāng)前的運(yùn)行方向，比如此時(shí)5 樓出現(xiàn)上呼信號(hào)，3 樓與7 樓各有一部電梯正在運(yùn)行，3 樓的向上運(yùn)行，7 樓的向下運(yùn)行，此時(shí)兩部電梯的實(shí)際距離5 樓看似相同，但是需要響應(yīng)5 樓上呼信號(hào)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(jì)（以5 層上呼信號(hào)為例）：

設(shè)1 號(hào)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(yùn)行狀態(tài)為上行，當(dāng)前樓層與目標(biāo)樓層的實(shí)際距離為：

（2）電梯當(dāng)前樓層大于5，運(yùn)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(shí)際距離為：

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

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

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

下呼信號(hào)分配以5 層下呼信號(hào)為例，分三種情況。

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

（2）電梯當(dāng)前樓層小于5，且運(yùn)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(shí)際距離為：

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

綜上，當(dāng)某一樓層出現(xiàn)下呼信號(hào)時(shí)，1 號(hào)電梯此時(shí)距離此信號(hào)響應(yīng)的實(shí)際樓層數(shù)如下：

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

圖7 最短距離計(jì)算

圖8 呼梯信號(hào)分配

當(dāng)分配好呼梯信號(hào)后，若有其他電梯有內(nèi)選信號(hào)先到達(dá)此樓層并且運(yùn)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(hào)響應(yīng)。比如5 層上呼信號(hào)先由2 號(hào)梯響應(yīng)，而后2 號(hào)梯由于一些其他原因停滯（如有乘客在某一樓層停靠時(shí)長(zhǎng)時(shí)間按住開(kāi)門(mén)按鈕導(dǎo)致電梯無(wú)法正常運(yùn)行），此時(shí)1 號(hào)梯若先?？吭? 樓，也能消除2 號(hào)梯的信號(hào)響應(yīng)。

■3.3 WinCC 組態(tài)畫(huà)面

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

監(jiān)控畫(huà)面同時(shí)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(hào)、所有電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、傳感器當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)一部電梯上行時(shí)，上行信號(hào)燈變綠，對(duì)應(yīng)的呼梯或內(nèi)選信號(hào)燈亮起，同時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)的指示燈亮起，到達(dá)指定樓層后，三級(jí)制動(dòng)減速燈依次亮起，減速完成后電梯的上下平層信號(hào)燈變綠。WinCC 設(shè)計(jì)的電梯模型如圖9 所示。監(jiān)控畫(huà)面布局如圖10 所示。

圖9 電梯模型

圖10 監(jiān)控畫(huà)面布局

4 程序仿真及結(jié)果分析

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

（1）1 號(hào)梯位于8 層，運(yùn)行狀態(tài)為下行，內(nèi)選信號(hào)為1 層，1 號(hào)梯離7 層下呼信號(hào)最近，因此將響應(yīng)7 層下呼信號(hào)。

（2）2 號(hào)梯位于2 層，運(yùn)行狀態(tài)為上行，內(nèi)選信號(hào)為4-10 層，根據(jù)有內(nèi)選信號(hào)優(yōu)先，再用最短距離計(jì)算分配外呼信號(hào)的方式，為2 號(hào)梯分配3-6 層上呼信號(hào)及8 層上呼信號(hào)。

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

（4）此時(shí)2 號(hào)梯處于超載狀態(tài)，可由監(jiān)控畫(huà)面看出超載指示燈亮起，電梯保持開(kāi)門(mén)狀態(tài)供乘客進(jìn)出，等待電梯載重量減少后，電梯關(guān)門(mén)，恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

（5）仿真工程20 分鐘載客300 人最終運(yùn)輸乘客數(shù)為268 人，乘客平均乘梯時(shí)間為63.98s，平均候梯時(shí)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該群控系統(tǒng)能有效地提高電梯運(yùn)行效率和促進(jìn)節(jié)能減排，較好地完成了程序設(shè)計(jì)目標(biāo)。在物理學(xué)中，永動(dòng)機(jī)是無(wú)法實(shí)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(shì)，但相對(duì)地，也有其缺陷，未來(lái)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(jì)還有些許不足，希望能在未來(lái)加入依據(jù)電梯當(dāng)前載客量多少來(lái)響應(yīng)呼梯信號(hào)作為一部分權(quán)重，使電梯更加智能化。