基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏子棟

摘 要：傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行，會(huì)使得長候梯率偏高。因此，有必要開展基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。其間通過基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制器及總線等硬件設(shè)計(jì)、五層并聯(lián)電梯控制信號(hào)輸入和派梯計(jì)算等軟件設(shè)計(jì)，完成對(duì)五層并聯(lián)電梯的控制。仿真對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以明顯縮短電梯運(yùn)行時(shí)間，因此更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC;五層并聯(lián);電梯;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0034-03

Optimization Design of Five-story Parallel Elevator Control System

Based on PLC

WEI Zidong

（Mechanical and Electrical Department， Guangdong Provincial Transportation Technician Institute，

Guangzhou Guangdong 510000）

Abstract： The traditional elevator control system runs for a long time， which will make the long waiting rate higher. Therefore， it is necessary to carry out PLC-based five-story parallel elevator control system optimization design research. In the meantime， through the hardware design of the PLC-based five-story parallel elevator controller and bus， and the software design of the five-story parallel elevator control signal input and elevator calculation， the control of the five-story parallel elevator is completed. The simulation comparison test results show that compared with the traditional elevator control system， the system can significantly reduce the elevator running time， so it has more practical application value.

Keywords： PLC;five-story parallel;elevator;control system

眾多建筑物都配備了多臺(tái)電梯并聯(lián)工作，傳統(tǒng)的單臺(tái)電梯獨(dú)立控制方式已經(jīng)無法滿足用戶的需要，并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)將建筑物當(dāng)中集中排列的多臺(tái)電梯設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)配，從而達(dá)到降低乘客候梯時(shí)間、乘梯時(shí)間以及減少能源消耗的目的。并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)具有突出的優(yōu)勢(shì)，受到各個(gè)國家電梯控制專家及相關(guān)學(xué)者的高度重視，電梯的調(diào)度計(jì)算也成為并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)的核心。為了進(jìn)一步優(yōu)化并聯(lián)電梯系統(tǒng)，本文開展了基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用兩臺(tái)基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制器，其中一臺(tái)用于采集電梯之外的召喚信號(hào)，利用數(shù)據(jù)通信的形式將電梯外的召喚信號(hào)、電梯運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、電梯運(yùn)行狀態(tài)調(diào)配、調(diào)配信息等傳遞到另一臺(tái)基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制器[3]。另一臺(tái)PLC五層并聯(lián)電梯控制器接收到相應(yīng)的信息后，完成對(duì)信息的銷號(hào)和定級(jí)，并自動(dòng)生成運(yùn)行策略及調(diào)度策略，控制五層并聯(lián)電梯的運(yùn)行，然后將五層并聯(lián)電梯的信息發(fā)送到對(duì)方。圖1為兩臺(tái)基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制器連接方式示意圖。

本設(shè)計(jì)選用兩臺(tái)西門子1200型號(hào)的PLC控制器，一臺(tái)PLC控制器即可對(duì)5層并聯(lián)電梯進(jìn)行分層控制，不需要其他外加分層器。電梯標(biāo)號(hào)可由1～225號(hào)自由選擇設(shè)置，工作電流小于800 mA，輸入電壓為DC24 V。當(dāng)兩部五層并聯(lián)電梯同時(shí)對(duì)電梯外部召喚信號(hào)召喚時(shí)，兩臺(tái)電梯自動(dòng)定向啟動(dòng)前往相應(yīng)的樓層，當(dāng)其中一臺(tái)電梯率先到達(dá)指定樓層時(shí)，另一臺(tái)電梯需要就近停靠在平層，不允許其懸浮在兩個(gè)樓層之間。

1.2 總線設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用Kvaser-2450型號(hào)控制器局域網(wǎng)總線作為五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)的總線，用于對(duì)電梯運(yùn)行實(shí)施檢測(cè)和控制，從而解決電梯控制系統(tǒng)中各個(gè)電子設(shè)備之間的通信問題，減少電子設(shè)備之間大量的信號(hào)線，將單獨(dú)的總線連接在系統(tǒng)中原有的外圍器件之上。Kvaser-2450控制器局域網(wǎng)總線具備32位數(shù)字輸入和輸出功能，可通過基礎(chǔ)模塊控制。這個(gè)IP20保護(hù)級(jí)別的模塊具備高溫、反向極性和電源電涌保護(hù)功能，總線中包含一個(gè)電源LED燈顯示設(shè)備，用于顯示電梯狀態(tài)。采用2級(jí)24VDC輸入電壓（-15%/+20%）。DIN導(dǎo)軌安裝簡便，無須使用外界工具即可完成安裝，成本低廉，數(shù)據(jù)傳輸最遠(yuǎn)距離可達(dá)15 km，數(shù)據(jù)傳輸速度快，最高可達(dá)2 Mbit/s。Kvaser-2450控制器局域網(wǎng)總線主要用于描述電梯與其他電子設(shè)備之間的信息傳遞方式。Kvaser-2450控制器局域網(wǎng)總線可以利用多種不同物理介質(zhì)的雙絞線、光纖等，完成對(duì)控制信號(hào)的差分電壓傳送。表1為Kvaser-2450控制器局域網(wǎng)總線中芯片引腳的各項(xiàng)參數(shù)。

Kvaser-2450控制器局域網(wǎng)總線中選用JSPO半導(dǎo)體型芯片，該型號(hào)芯片可支持12位和32位識(shí)別碼，速率達(dá)1 Mbit/s，可讀寫訪問錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。

2 基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 五層并聯(lián)電梯控制信號(hào)輸入

遠(yuǎn)程控制不具備編程能力，因此在控制信號(hào)輸入到主站時(shí)，需要首先完成執(zhí)行送出信號(hào)在遠(yuǎn)程控制中的顯示。電梯控制信號(hào)通信采用S-Ans通信協(xié)議。

五層并聯(lián)電梯信號(hào)的輸出屬于人為操作，系統(tǒng)需要將相應(yīng)的操作信號(hào)在電梯內(nèi)部轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，并利用PLC控制器自動(dòng)進(jìn)行采集。人為錯(cuò)誤操作常常會(huì)造成電梯產(chǎn)生錯(cuò)誤控制信號(hào)，為了不影響電梯正常運(yùn)行，首先需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行掃描，根據(jù)正確的控制順序，將錯(cuò)誤控制信號(hào)過濾，并將正確的控制信號(hào)采集，存儲(chǔ)在PLC控制器中，再通過相應(yīng)派梯計(jì)算得出的控制數(shù)據(jù)，控制五層并聯(lián)電梯的運(yùn)行。

2.2 派梯計(jì)算

確定五層并聯(lián)電梯控制信號(hào)輸入及相應(yīng)解釋后，利用式（1）計(jì)算派梯指標(biāo)。

[Εmn=CEm×Wn=Cm1×Wm1+Cm2×Wm2+Cm3×Wm3]? ? ? ?（1）

式中，[Εmn]為第[m]種運(yùn)行模式下，第[n]部電梯的綜合派梯指標(biāo)，當(dāng)[Εmn=max（Εm1，Εm2，Εm3…，Εm5）]時(shí)，第部電梯為最佳的派梯選擇;[CEm]為第[n]部電梯的綜合輸入特征量;[Cm1]、[Cm2]、[Cm3]為三個(gè)不同的輸入特征量，分別表示電梯相應(yīng)召喚時(shí)間、電梯內(nèi)部乘客平均乘梯時(shí)間以及電梯相應(yīng)召喚所需電能;[Wn]為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo);[Wm1]、[Wm2]、[Wm3]為三個(gè)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別代表AWT、ART和TEN的權(quán)值，其取值范圍為在0～1，且[Wm1+Wm2+Wm3=1]。

為實(shí)現(xiàn)乘客召喚電梯時(shí)保持最小候梯時(shí)間，按照順向截梯的原則，電梯的等待時(shí)間不僅要與電梯和召喚的方向相關(guān)，還要與相互之間的位置有關(guān)。根據(jù)五層并聯(lián)電梯的實(shí)際運(yùn)行情況，通過三種不同評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算出各個(gè)電梯的等待時(shí)間，公式如下。? ? [? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?T1=|A1-A2|）×Bt+M×QtT2=（|X1-A2|+|X1+X2|+|A1-A2|）×Bt+M×Qt? ? ? ? ? ? ? T3=（|X1-A2|+|X1-A1|×Bt+M×Qt]

（2）

式中，[T1]為召喚控制信號(hào)的方向與電梯當(dāng)前的運(yùn)行方向相同，且在電梯方向前方時(shí)的等待時(shí)間;[T2]為召喚控制信號(hào)的方向與電梯當(dāng)前運(yùn)行方向相同，且在電梯后方時(shí)的等待時(shí)間;[T3]為召喚控制信號(hào)的方向與電梯當(dāng)前運(yùn)行方向相反時(shí)的等待時(shí)間;[A1]為電梯外部召喚所在樓層數(shù);[A2]為電梯在外部召喚到來時(shí)的當(dāng)前樓層數(shù);[Bt]為電梯以額定勻速行駛途徑某一層時(shí)所需時(shí)間;[M]為電梯運(yùn)行到被召喚樓層響應(yīng)電梯內(nèi)部指令及外部召喚所停留的層站數(shù);[Qt]為電梯加減速、開關(guān)門以及停止時(shí)的平均時(shí)間;[X1]為電梯在本方向到達(dá)的最遠(yuǎn)?？繕菍訑?shù);[X2]為電梯在到達(dá)本方向后的最遠(yuǎn)?？繕菍訑?shù)。

根據(jù)電梯處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)計(jì)算出的召喚控制信號(hào)結(jié)果的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算出電梯到底達(dá)時(shí)所需時(shí)間，并選擇時(shí)間最短時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為召喚控制信號(hào)，保證電梯運(yùn)行時(shí)間。

3 試驗(yàn)

在仿真軟件平臺(tái)中構(gòu)建五層建筑物，增設(shè)兩臺(tái)加入本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電梯和兩臺(tái)加入傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的電梯，構(gòu)成仿真試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行本設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

設(shè)置電梯群共有8部電梯，標(biāo)號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#，其中，標(biāo)號(hào)1#、2#、3#、4#為加入本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的五層互聯(lián)電梯，標(biāo)號(hào)5#、6#、7#、8#為加入傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的五層互聯(lián)電梯。五層建筑物不包括地下部分，設(shè)置電梯在勻速運(yùn)行時(shí)的速度為250 m/min，即平均通過一層樓的時(shí)間需要1 s，設(shè)置電梯的額定載荷為1 000 kg（約為16人），設(shè)置電梯的加速及減速的時(shí)間為1.5 s，開關(guān)電梯門的時(shí)間約為1.5 s，乘客平均轉(zhuǎn)移時(shí)間需要2.5 s。隨機(jī)選擇25名乘客分布在建筑物的各個(gè)樓層，首先記錄加入本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的五層并聯(lián)電梯運(yùn)行過程中的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，并將其設(shè)置為試驗(yàn)組。再以相同的方式記錄加入傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的并聯(lián)電梯運(yùn)行過程中的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，比較兩次仿真試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)準(zhǔn)備，完成整個(gè)仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，八部電梯完成運(yùn)行后，與對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)5#、6#、7#、8#電梯相比，標(biāo)號(hào)1#、2#、3#、4#電梯所用時(shí)間明顯更少。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)相比，本文提出的基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，平均乘梯時(shí)間明顯縮短，長候梯率明顯降低，為乘客節(jié)約更多的運(yùn)行時(shí)間，其更適用于實(shí)際建筑物中對(duì)電梯的控制。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)中存在的問題，本文提出了一種基于PLC的五層并聯(lián)電梯控制系統(tǒng)，并通過仿真試驗(yàn)證明了該方法與傳統(tǒng)方法相比明顯縮短了運(yùn)行時(shí)間。未來，建筑物的發(fā)展將會(huì)更加復(fù)雜化和智能化，而對(duì)于電梯控制系統(tǒng)無疑會(huì)造成更大的考驗(yàn)。在今后的研究中，人們會(huì)將更多智能化的控制技術(shù)、更加精細(xì)化的傳感設(shè)備以及更加巧妙的機(jī)械技術(shù)應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)中，從而使電梯系統(tǒng)為人類做出更大的貢獻(xiàn)。

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