基于PLC的電梯群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真*

雷高偉

1.廣東石油化工學(xué)院；2.廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

如今的電梯行業(yè)發(fā)展趨勢逐漸走向了智能化，既要給乘客提供舒適的心理和生理的乘坐體驗(yàn)，也要給維修管理人員提供一個(gè)便于管理、監(jiān)控的工作條件?；赟7-1200PLC控制器，同時(shí)結(jié)合仿真模型、WinCC監(jiān)控界面于一體，采用以太網(wǎng)通訊方式設(shè)計(jì)電梯系統(tǒng)，并對其進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在乘客平均候梯時(shí)間、乘客平均乘梯時(shí)間、系統(tǒng)運(yùn)行總距離、系統(tǒng)啟停次數(shù)等指標(biāo)上均達(dá)到最佳效果。

1 電梯及系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.1 電梯概述

在日常酒店住宅中，往往使用多部電梯以提升乘坐效率，使用六部十層電梯模型進(jìn)行仿真更能反映出極端情況時(shí)電梯控制邏輯的優(yōu)劣。S7-1200是西門子推出的一款模塊化、緊湊型的新型中小規(guī)模的工業(yè)控制器，其特點(diǎn)恰好適合電梯安裝過程中需要克服的一系列環(huán)境問題[1]。電梯主要包括電梯外部設(shè)備和電梯內(nèi)部設(shè)備。外部設(shè)備包括：轎廂、曳引電動機(jī)、引導(dǎo)輪、第一第二限位開關(guān)（上下端站均有）、上下平層傳感器（每層樓均有）、外呼按鈕以及指示燈（每個(gè)樓層均有）等。內(nèi)部設(shè)備包括：樓層按鈕、樓層顯示、上下行指示燈、照明風(fēng)扇等[2]。其中，轎廂內(nèi)部還裝配有重量變送器，輸出模擬信號用于超載保護(hù)。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

基于電梯仿真模型設(shè)備的特殊性，可選擇Profibus DP和Profinet工業(yè)以太網(wǎng)這兩種通訊方式。但以太網(wǎng)通訊相較于DP通訊有接線簡單、過程設(shè)備少、承載輸入輸出信息量多等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮選擇以太網(wǎng)。在實(shí)際通訊中，通過交換機(jī)連接網(wǎng)線，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)裝載WinCC監(jiān)控環(huán)境對PLC進(jìn)行監(jiān)控，必要時(shí)還可以進(jìn)行簡單的控制，EET作為電梯仿真模型由PLC進(jìn)行控制。

2 總體控制方案設(shè)計(jì)

電梯上電運(yùn)行，首先執(zhí)行初始化程序，初始化電梯啟動準(zhǔn)備就緒后，會發(fā)出初始化準(zhǔn)備就緒信號，電梯開始正常工作，進(jìn)入等待外呼請求狀態(tài)[3]。如果接收到外呼請求信號，程序?qū)⑦M(jìn)入請求信號樓層與本樓層的關(guān)系的運(yùn)算；如果一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)沒有接收到外呼請求，則程序轉(zhuǎn)入判斷是否有內(nèi)呼請求（由于在PLC內(nèi)運(yùn)行一周期的時(shí)間非常短，可看成內(nèi)呼外呼程序并聯(lián)運(yùn)行），如果接收到內(nèi)呼請求，程序?qū)⑦M(jìn)入請求信號樓層與本樓層的關(guān)系的運(yùn)算，反之則繼續(xù)等待。通過請求信號樓層與本樓層關(guān)系運(yùn)算后，會產(chǎn)生一個(gè)變量，該變量值的正負(fù)則會決定電梯上行或者下行。電梯選向確定后，曳引電機(jī)解除抱閘，開始進(jìn)入加速運(yùn)行狀態(tài)，向目標(biāo)樓層運(yùn)行。與此同時(shí)，轎廂通過裝在每層樓的上永磁平層感應(yīng)器檢測樓層數(shù)（每層有上下兩個(gè)平層傳感器），發(fā)出信號進(jìn)行對比。當(dāng)發(fā)出的信號與目標(biāo)樓層信號不相同，則說明電梯未到達(dá)指定樓層，電梯繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)出的信號與目標(biāo)樓層信號相同，則說明電梯到達(dá)指定樓層，電梯開始進(jìn)入減速狀態(tài)。電梯減速同時(shí)也在檢測平層信號，當(dāng)電梯接觸到下平層傳感器時(shí)，電梯進(jìn)入制動狀態(tài)。電梯制動后，觸碰門鎖繼電器，電梯開門，開門完成后設(shè)置一定的時(shí)間保持開門狀態(tài)。在接客狀態(tài)下，電梯壓力傳感器會檢測重量，其信號轉(zhuǎn)換為模擬量轉(zhuǎn)入PLC，如果判定為超重，保持開門狀態(tài)，否則關(guān)門[4]。流程圖如圖1所示。

圖1 電梯運(yùn)行總體流程圖Fig.1 Overall flow chart of elevator operation

3 電梯部分控制方案

3.1 初始化控制

電梯收到EET給出的自動運(yùn)行信號時(shí)，電梯正常啟動，同時(shí)置位下行接觸器、低速接觸器，電梯為向下運(yùn)行狀態(tài)。電梯下行過程中觸碰到下端站第一限位開關(guān)后，復(fù)位下行接觸器，同時(shí)置位上行接觸器、低速接觸器，電梯上行運(yùn)行狀態(tài)。電梯上行過程中到達(dá)初始化樓層（可使用WinCC決定先上行還是先下行）并且同時(shí)接收到上下平層傳感器發(fā)出的信號，說明電梯到達(dá)指定樓層。電梯復(fù)位上行接觸器、低速接觸器，并置位輸出準(zhǔn)備就緒的信號[5]。

3.2 制動控制

為了增加電梯制動的平順性，設(shè)計(jì)電梯制動為三級制動。電梯轎廂到達(dá)目標(biāo)樓層后，當(dāng)電梯上行時(shí)碰到下平層信號或下行碰到上平層信號時(shí)，發(fā)出制動信號，電梯從高速運(yùn)行切換到低速運(yùn)行一段時(shí)間。然后啟動一級制動并關(guān)閉低速接觸器運(yùn)行一段時(shí)間后，啟動二級制動運(yùn)行一段時(shí)間后，啟動三級制動抱閘停機(jī)。在電梯上（下）行制動過程中，當(dāng)同時(shí)檢測到上下平層信號時(shí)，關(guān)閉上（下）行接觸器[6]。

3.3 轎廂上下行、開關(guān)門控制

當(dāng)電梯轎廂接收到上行或下行有效請求信號時(shí)，首先進(jìn)行自檢判斷，即保證轎廂門鎖信號、關(guān)門到位信號均存在（常開）且開門繼電器信號不存在（常閉）的情況下，根據(jù)電梯上下行指示，自鎖上行或下行接觸器，置位上下行指示燈，使曳引電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。當(dāng)電梯到達(dá)最高層或最低層時(shí)，均自動改變電梯運(yùn)行方向。電梯運(yùn)行方向定義：當(dāng)電梯方向標(biāo)志向上時(shí)，定義方向此時(shí)為“1”，當(dāng)電梯方向標(biāo)志向下時(shí)，定義電梯方向此時(shí)為“2”。電梯同時(shí)接收到上下平層信號后開門，開門狀態(tài)一直持續(xù)到有開門到位信號，表示開門完成。開門完成后，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，保持開門到位狀態(tài)；若計(jì)時(shí)時(shí)間到了，且無任何人為和故障信號，電梯關(guān)門。當(dāng)接收到有效的開門請求信號時(shí)，開門繼電器置位，電梯開門；開門狀態(tài)完成后，開始計(jì)時(shí)，保持開門到位狀態(tài)；若計(jì)時(shí)時(shí)間到了，且無任何信號，電梯關(guān)門。在關(guān)門動作執(zhí)行期間，如果收到轎廂外本層樓的上下行信號或轎廂內(nèi)開門信號，立即執(zhí)行開門動作，計(jì)時(shí)器重新計(jì)時(shí)。當(dāng)乘客在轎廂內(nèi)時(shí)，如果電梯處于開門動作執(zhí)行期間，無論何時(shí)，乘客按下關(guān)門按鈕，立即執(zhí)行關(guān)門動作；當(dāng)關(guān)門到位信號出現(xiàn)，表示關(guān)門完成，發(fā)出關(guān)門完成指示。為了保證電梯內(nèi)乘客的生命安全，電梯配備有光幕傳感器和壓力傳感器，防止乘客在通過電梯門時(shí)被夾傷和電梯的超重運(yùn)行。當(dāng)乘客觸發(fā)到光幕信號時(shí)，電梯執(zhí)行開門動作，開門到位后計(jì)時(shí)保持；當(dāng)電梯超重時(shí)，電梯開門并一直保持開門狀態(tài)。

3.4 轎廂樓層登記

在電梯井中，每層樓都有一套上下平層傳感器，且上下平層傳感器信號默認(rèn)為1。電梯初始化完畢后所在樓層數(shù)為X。當(dāng)電梯上行時(shí)，首先觸碰下平層傳感器，下平層傳感器由1變0，產(chǎn)生下降沿，此時(shí)轎廂所在樓層數(shù)X加1；當(dāng)電梯下行時(shí)，首先觸碰上平層傳感器，上平層傳感器由1變0，產(chǎn)生下降沿，此時(shí)轎廂所在樓層數(shù)X減1。為了防止出錯(cuò)，上行時(shí)，離開一層，數(shù)字定義為二，離開二層，數(shù)字定義為三，以類推；下行時(shí)，離開六層，數(shù)字定義為五，離開五層數(shù)字定義為四，依次類推。

3.5 電梯群控過程

針對乘客平均候梯時(shí)間、乘客平均乘梯時(shí)間、系統(tǒng)運(yùn)行總距離、系統(tǒng)啟停次數(shù)4個(gè)指標(biāo)，最大的困難在于乘客出現(xiàn)的隨機(jī)性。電梯模型仿真軟件EET模擬了30分鐘內(nèi)不同樓層不同人數(shù)（上限為400人）頻繁使用電梯的情況。這種復(fù)雜情況導(dǎo)致了電梯群控必然是一個(gè)多輸入端的優(yōu)化系統(tǒng)。電梯群控主要是應(yīng)對當(dāng)接收到來自不同樓層的外呼請求時(shí)，該如何分配電梯去響應(yīng)的情況。在這里將外呼請求分成6個(gè)區(qū)域，1層至3層上呼為一區(qū)，4層至7層上呼為二區(qū)，8層至9層上呼為三區(qū)，8層至10層下呼為四區(qū)，4層至7層下呼為五區(qū)，2層至3層下呼為六區(qū)。當(dāng)有外呼請求時(shí)，首先可以將這些外呼請求劃分在某個(gè)區(qū)，然后依據(jù)每個(gè)區(qū)的請求狀況去決定分配哪幾部電梯去響應(yīng)。當(dāng)電梯響應(yīng)被分配區(qū)域的請求且被分配區(qū)域上（下）請求數(shù)為0時(shí)，重新將電梯被分配區(qū)域中間變量數(shù)設(shè)為10，這時(shí)電梯就從一區(qū)開始尋找可以被分配的區(qū)域，若電梯上下行接觸器有運(yùn)行，則從電梯所在的區(qū)域開始尋找。判斷電梯是否被分配到某一區(qū)域的條件有三個(gè)：（1）此區(qū)域沒電梯但有請求個(gè)數(shù)；（2）響應(yīng)此區(qū)域的電梯后方在此區(qū)域有請求；（3）此區(qū)域請求個(gè)數(shù)大于被分配的電梯個(gè)數(shù)，即請求個(gè)數(shù)比較多。

當(dāng)條件滿足時(shí)，電梯被分配區(qū)域中間變量值為被分配的區(qū)域值，并把電梯的狀態(tài)置為響應(yīng)途中。在開始響應(yīng)被分配區(qū)域的信號時(shí)，電梯的狀態(tài)就會置為正在響應(yīng)，只要在此區(qū)域遇到信號就會去響應(yīng)，當(dāng)響應(yīng)完被分配區(qū)域的信號時(shí)，電梯的狀態(tài)就會置為響應(yīng)完成，此后，電梯只響應(yīng)內(nèi)呼，在碰到與內(nèi)呼同層且與電梯同方向的信號也會響應(yīng)并消除其按鈕指示燈。當(dāng)將所有內(nèi)呼信號響應(yīng)完成后，電梯又開始重新尋找可被分配的區(qū)域。通過在仿真模型上測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Test result

4 結(jié)語

組態(tài)調(diào)試完成后，在工控機(jī)上運(yùn)行工程文件進(jìn)行跑分，設(shè)置人數(shù)為400人，運(yùn)行時(shí)間為30分鐘。由跑分結(jié)果可看出，乘客候梯時(shí)間和乘梯時(shí)間都比較短，適應(yīng)于人們現(xiàn)在的快節(jié)奏生活，符合當(dāng)前智能電梯的設(shè)計(jì)原則。為了更進(jìn)一步減低能耗，在后續(xù)設(shè)計(jì)了更為細(xì)致地控制了轎廂內(nèi)的風(fēng)扇照明系統(tǒng)，當(dāng)電梯空載且無被分配區(qū)域請求時(shí)，電梯空閑待載時(shí)間超過15秒后，關(guān)閉電梯照明指示、電梯風(fēng)扇指示、讓電梯進(jìn)入待機(jī)模式，減少能耗損失，通過電能控制電梯，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的效果，當(dāng)電梯有請求時(shí)，重新啟動風(fēng)扇和照明，電梯重新正常工作。綜上，此電梯設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了在最短時(shí)間內(nèi)搭載了最多的乘客，也大大減低了能耗，達(dá)到了中等偏上的性能要求，實(shí)現(xiàn)了電梯智能化、綠色化、可視化的控制準(zhǔn)則。