電梯群控節(jié)能技術(shù)與優(yōu)化研究

曹鑒橋

摘要：當(dāng)前伴隨經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，建筑施工工藝持續(xù)更新，城市常住人口增多，高層、超高層建筑占比增大，推動(dòng)城市化發(fā)展的同時(shí)，也給建筑電梯運(yùn)行帶來一定壓力，單部電梯已經(jīng)無法滿足建筑使用需求，如何通過技術(shù)革新提升電梯群運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)舒適感與環(huán)保性的統(tǒng)一，開始成為眾多從業(yè)者關(guān)注的焦點(diǎn)問題?；诖?，本文引入PLC技術(shù)，對(duì)電梯群控系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化探討。

關(guān)鍵詞：電梯群控;節(jié)能;技術(shù)優(yōu)化

前言：在經(jīng)濟(jì)新格局持續(xù)轉(zhuǎn)型背景下，各行各業(yè)迎來了高速發(fā)展的繁榮階段，帶來國民經(jīng)濟(jì)跨越式增長的同時(shí)，也使得能源耗竭問題日益突出，節(jié)能環(huán)保開始作為世界性話題登上時(shí)代舞臺(tái)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在我國社會(huì)終端能耗當(dāng)中，建筑耗能占比可達(dá)20.7%以上，因此必須將之作為節(jié)能減排的攻堅(jiān)對(duì)象。當(dāng)前在建筑節(jié)能技術(shù)的研究進(jìn)展中，電梯群控節(jié)能技術(shù)仍處于相對(duì)薄弱狀態(tài)，有必要加強(qiáng)關(guān)注。

1電梯群控節(jié)能技術(shù)研究背景

電梯群控系統(tǒng)EGCS是在自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ)上衍生和發(fā)展而來的，主要是為了解決當(dāng)代大型、高層建筑住戶出行困難的問題，其設(shè)計(jì)和布局與樓層、客流狀況等都有一定的關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶有乘梯需求時(shí)，只需在當(dāng)前樓層發(fā)出呼叫請(qǐng)求，電梯群控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)收集和判別，并對(duì)轎廂運(yùn)行狀況、位置等進(jìn)行匹配，生成最佳調(diào)度方案，從而減少等待時(shí)間，提升使用體驗(yàn)的同時(shí)，也能有效減少能量損耗。該技術(shù)最早起源于20世紀(jì)40年代，最初以繼電器為控制中心，在時(shí)序控制的基礎(chǔ)上，并行了預(yù)選分區(qū)控制，前種控制模式下，電梯并不直接響應(yīng)請(qǐng)求，必須先經(jīng)過基站才能到達(dá)指定樓層，不合理的基站返回設(shè)計(jì)提升了空載概率，很容易造成能源浪費(fèi)。后者則按照樓層對(duì)電梯群進(jìn)行分組，不同組別電梯只在固定樓層運(yùn)行，這種方式雖然能夠有效控制能耗，但會(huì)降低使用體驗(yàn)，適用性較低。進(jìn)入70年代，集成電路技術(shù)應(yīng)用逐漸廣泛，能夠使用更加復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，也正是從此開始，電梯群控系統(tǒng)進(jìn)入智能化發(fā)展階段。當(dāng)用戶發(fā)出呼叫信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可以直接響應(yīng)并自發(fā)采用調(diào)度策略，候梯時(shí)間是該階段調(diào)度的主要依據(jù)。在1975年之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)興盛，電梯群控系統(tǒng)也找到了新的發(fā)展思路，控制策略修改起來更加便捷，當(dāng)前又進(jìn)一步增加了節(jié)能降耗的內(nèi)在要求，電梯群控系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)集選控制、待載休眠等一系列節(jié)能功能，但在調(diào)度響應(yīng)層面，仍舊存在較大的節(jié)能優(yōu)化空間，有極大的探討研究價(jià)值。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯分析

在節(jié)能環(huán)保成為時(shí)代主命題的當(dāng)下，電梯群控系統(tǒng)ECGS節(jié)能技術(shù)也受到了部分研究者的關(guān)注，王皓夫（2017）聚焦模糊控制理論，綜合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行整合，搭建出可用于綜合評(píng)價(jià)的函數(shù)，提升了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，使之能夠更加自如地應(yīng)對(duì)各種擾動(dòng)，從而為合理調(diào)度奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)能耗控制。劉清則引入人工蜂群算法，當(dāng)用戶發(fā)出呼叫請(qǐng)求時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)接收信息，并將管轄區(qū)域內(nèi)的電梯轎廂轉(zhuǎn)化為蜜源，搭建起優(yōu)化模型。這種方式簡化了算法流程，能夠顯著提升響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，但實(shí)際載頻測試時(shí)，表現(xiàn)出的誤差不是很理想[1]?；诖?，本次設(shè)計(jì)中引入PLC技術(shù)，結(jié)合模糊控制法進(jìn)行調(diào)度計(jì)算，對(duì)從站及主站能源消耗、系統(tǒng)損耗等進(jìn)行綜合分析，并在此基礎(chǔ)上討論優(yōu)化設(shè)計(jì)路徑。項(xiàng)目研究中，選取一棟24層建筑為試驗(yàn)對(duì)象，內(nèi)設(shè)3部電梯，選取三菱FC系列PCL系統(tǒng)，以內(nèi)嵌方式置于電梯內(nèi)部，以控制其垂直運(yùn)動(dòng)，3臺(tái)系統(tǒng)之間采用ZigBee無線局域網(wǎng)完成連接，優(yōu)化后的群控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足如下要求：

首先，初始狀態(tài)下電梯隨意停留在某一樓層，能夠根據(jù)乘客請(qǐng)求，正確判斷電梯內(nèi)選、外部信號(hào)，并跟隨指令到達(dá)請(qǐng)求樓層。停留之后應(yīng)當(dāng)及時(shí)打開，留出5s的空白時(shí)間，供乘客上下，減少非自動(dòng)控制模式下的等待時(shí)間。其次，當(dāng)超載問題發(fā)生時(shí)，電梯門應(yīng)當(dāng)始終保持敞開，待到超載信號(hào)消除后，再行關(guān)閉，在任一電梯停留樓層，乘客按下外呼按鈕后，電梯門都應(yīng)當(dāng)直接打開，避免其它電梯調(diào)運(yùn)造成的能源浪費(fèi)。第三，在滿足常規(guī)運(yùn)行及節(jié)能需求的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)配備有安全防護(hù)措施，當(dāng)電梯未到達(dá)平層時(shí)，內(nèi)選、外呼按鈕應(yīng)當(dāng)處于失效狀態(tài)?？紤]到電梯存在極限位置，可以在兼顧節(jié)能需求的同時(shí)，安裝光電感應(yīng)器、安全觸板等，當(dāng)PCL系統(tǒng)感知到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，要能夠及時(shí)執(zhí)行開門指令。第四，根據(jù)建筑人流狀況靈活設(shè)置基站，當(dāng)電梯長時(shí)間處于空載狀態(tài)時(shí)，直接返回基站，減少調(diào)運(yùn)耗能，同時(shí)轎廂關(guān)閉環(huán)境下，若超過8s未收到請(qǐng)求信息，風(fēng)扇、照明等設(shè)備停止工作，待到信號(hào)出現(xiàn)后，自動(dòng)恢復(fù)正常，其系統(tǒng)運(yùn)行邏輯可見圖1。

3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

減少主站、分站能源消耗，提升運(yùn)行精準(zhǔn)度，是群控系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵所在，因此在核心設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)引用了PLC自動(dòng)控制技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)需要配備低壓電器、控制終端、變頻器以及傳感器等。軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，則需要根據(jù)建筑電梯使用實(shí)況，合理編寫內(nèi)外呼梯程序、平層檢測程序等，同時(shí)考慮超載、安全等因素，編寫開門程序、加速程序，在保障安全的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行效率。

3.1低壓電器設(shè)計(jì)

低壓電器是電梯控制系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的裝置，接觸器是其中最為常見的種類，與繼電器一同裝置于控制柜中，節(jié)能技術(shù)下，用PCL裝置取代繼電器，與行程開關(guān)、指示燈等一同裝設(shè)于轎廂內(nèi)部，控制照明、消防等系統(tǒng)。接觸器則分為主/輔兩種，負(fù)責(zé)抱閘控制，當(dāng)電梯遇到緊急情況時(shí)，也由其負(fù)責(zé)急停控制，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用集成思路，以PLC技術(shù)為依托進(jìn)行整合，減少能源消耗。行程開關(guān)主要位于轎頂、井道之中，負(fù)責(zé)上、下門區(qū)的檢測，對(duì)極限值進(jìn)行提示。

3.2控制終端設(shè)計(jì)

PLC是自動(dòng)化技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，其生產(chǎn)制造引入了微電子技術(shù)、通訊技術(shù)等高端科技，能夠取代傳統(tǒng)繼電器，在工業(yè)生產(chǎn)中執(zhí)行邏輯、記時(shí)等任務(wù)，從而滿足遠(yuǎn)程控制需求。由于PLC核心系統(tǒng)無法直接識(shí)別脈沖信號(hào)，因此AD模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換支持，出于簡化接線構(gòu)造的考慮，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用DS18B20外圍結(jié)構(gòu)的AD模塊，信息采樣以32bit模式為主，遵循交叉編譯控制邏輯，提升系統(tǒng)智能性。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，指令轉(zhuǎn)換模塊主要采用周期運(yùn)轉(zhuǎn)模式，以自由振蕩為基準(zhǔn)，借助高速A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，芯片型號(hào)為AD9225，通道寬度為12bit，轉(zhuǎn)換速率為25MSPS，整體轉(zhuǎn)換速度極高，幾乎可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)換。整個(gè)信號(hào)處理是在嵌入式環(huán)境下完成的，ADSP-BF537BBC-5A芯片為核心，完成原始信息的采集，接著總線負(fù)責(zé)加載指令，并發(fā)起電壓沖擊響應(yīng)，完成調(diào)試后，在通信協(xié)議的支持下，完成信息集成傳輸。

3.3傳感器設(shè)計(jì)

信息采集是傳感器模塊的主要職責(zé)，但同時(shí)其也具備組網(wǎng)控制的能力，應(yīng)用時(shí)可以在ZigBee的協(xié)議范疇內(nèi)，對(duì)該模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其與上位機(jī)建立聯(lián)系，自動(dòng)執(zhí)行節(jié)能指令。設(shè)計(jì)中還引入了高通濾波電路，這樣不僅可以增強(qiáng)其節(jié)能效果，還可以實(shí)現(xiàn)高低電壓保護(hù)，使之更好應(yīng)對(duì)浪涌電壓等狀況[2]，提升安全性和穩(wěn)定性。信息輸出模塊是電梯群控系統(tǒng)的重要組成部分，能夠控制節(jié)能系統(tǒng)的信息輸出程序，同時(shí)為傳輸協(xié)議的優(yōu)化提供通道，在程序加載環(huán)節(jié)中，還可以對(duì)指令進(jìn)行轉(zhuǎn)化。本次設(shè)計(jì)的輸出模塊主要結(jié)合了PIC總線理念，以嵌入式開發(fā)為基準(zhǔn)，采用EE-NOTE68振蕩器，各部件采集、生成的電子信號(hào)可以在該模塊的支撐下，實(shí)現(xiàn)重復(fù)再現(xiàn)[3]，完成交流信號(hào)的生產(chǎn)。在信號(hào)傳輸上，采用了ZigBee無線連接網(wǎng)絡(luò)，在滿足高效傳輸需求的同時(shí)，還能顯著降低能耗，采用的碰撞避免機(jī)制，使得信息傳輸質(zhì)量更佳可靠，避免了與其他網(wǎng)絡(luò)的干擾與碰撞。同時(shí)該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)作的時(shí)間也較短，即使電梯為間歇運(yùn)作模式，它也能在較短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)和運(yùn)行，從而使電梯群控系統(tǒng)在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，達(dá)到節(jié)能效果。

3.4軟件設(shè)計(jì)

軟件程序以總線形式串聯(lián)，該模塊主要以控制對(duì)象為通訊信號(hào)，在電梯群控系統(tǒng)中，以功能為依據(jù)，可將這些信號(hào)群分為兩類，一類是起到控制功能的信號(hào)，由微處理器發(fā)出，存儲(chǔ)器、執(zhí)行等負(fù)責(zé)裝置接收，讀寫信號(hào)就是常見的類型，在電梯出現(xiàn)異常時(shí)，還會(huì)發(fā)出終端相應(yīng)信號(hào)。由其他部件向CPU發(fā)出的信號(hào)也處于該范疇，比如復(fù)位信號(hào)、就緒信號(hào)等，雙向性、靈活性使其最大特征。另一類則為時(shí)序信號(hào)，主要負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，是自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)的重要支撐。本次設(shè)計(jì)中，仍舊以ADSP21160為中心，在完成傳感識(shí)別后，借助A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)總線控制，可視化處理以LCDDMA為技術(shù)支撐，方便達(dá)成中央控制，同時(shí)滿足上位機(jī)通信需求。

4應(yīng)用效果分析

調(diào)試環(huán)節(jié)對(duì)電梯進(jìn)行了優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，載頻數(shù)值為500Hz，低頻控制在15Hz，指令輸入環(huán)節(jié)，設(shè)置了2個(gè)14bit的通道，相對(duì)誤差計(jì)算在合理范圍之內(nèi)，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性控制較好。在此基礎(chǔ)上與前述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等進(jìn)行了比較，變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)耗能大致為500Kj，人工蜂群算法下，耗能大致為856Kj，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的電梯群控系統(tǒng)中，耗能則為975Kj;在勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，三者的耗能測試結(jié)果分別為214Kj、1023Kj以及1254Kj，充分說明本次設(shè)計(jì)節(jié)能效果優(yōu)質(zhì)，可滿足多數(shù)建筑中電梯群控系統(tǒng)的節(jié)能需求。

結(jié)論：綜上所述，電梯是現(xiàn)代智能建筑中重要的工具設(shè)備，在保障住戶出行安全，提升舒適感等方面意義重大。本次研究重點(diǎn)關(guān)注了電梯群控系統(tǒng)節(jié)能降耗問題，以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，引入高速A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)結(jié)合ZigBee技術(shù)完成信息的采集、生成與傳輸，經(jīng)過實(shí)地調(diào)試和測驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)不僅能夠顯著提升節(jié)能效果，還可以減少乘客候梯時(shí)間，優(yōu)化乘坐體驗(yàn)，總體來說實(shí)用價(jià)值較高。

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