付冬冬

摘 要：本設(shè)計(jì)基于羅克韋爾公司三層網(wǎng)絡(luò)，采用ControlLogix系列PLC，模擬了電梯群控系統(tǒng)的控制。實(shí)現(xiàn)了單個(gè)電梯正常安全運(yùn)行、交通模式智能選擇、電梯的運(yùn)行高度顯示、超重報(bào)警等功能。同時(shí)，利用RSview32組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)電梯群各種功能的動(dòng)態(tài)演示。論文以羅克韋爾PLC作為控制器，變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，異步電機(jī)作為控制對(duì)象，測(cè)速發(fā)電機(jī)作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在羅克韋爾網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上搭建控制回路。在控制器中加入模糊控制規(guī)則，使廳呼信號(hào)產(chǎn)生時(shí)系統(tǒng)智能派梯，提高了電梯群服務(wù)質(zhì)量。系統(tǒng)在滿足簡(jiǎn)單的響應(yīng)廳外、廳內(nèi)召喚等電梯基本要求的基礎(chǔ)上，從能耗、平均等待時(shí)間和平均候梯時(shí)間等方面對(duì)電梯服務(wù)進(jìn)行改進(jìn)和提高。相比傳統(tǒng)的單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)以及DCS控制系統(tǒng)等，PLC具有成本低、穩(wěn)定性高、便于操作的特點(diǎn)，本方案具有更高的安全性和穩(wěn)定性以及實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：模糊控制；電梯群控；智能算法；智能控制

引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，高層建筑的數(shù)量也不斷地增多，于是客運(yùn)電梯、貨載電梯等各式各樣的電梯被投入使用，在一棟大樓內(nèi)，往往需要安裝多臺(tái)電梯。如何使電梯高效、安全的運(yùn)行，成為了人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題。由于電梯交通客流變化的隨機(jī)性以及電梯群控系統(tǒng)的不確定性、多目標(biāo)性、擾動(dòng)性、非線性和信息的不完備性等因素，沒(méi)有辦法建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，也無(wú)法采用傳統(tǒng)的控制方法很好地解決這些問(wèn)題，這勢(shì)必需要采用智能控制技術(shù)。作為智能控制技術(shù)之一的模糊控制技術(shù)，在解決非線性、不確定性等問(wèn)題上具有很大的優(yōu)勢(shì)。

所謂電梯群控系統(tǒng)（EGCS：Elevator Group Control System），就是指將建筑物中的多部電梯依據(jù)大樓的功能及樓層人口分布狀況劃分出乘梯群（Elevator Group），再由微機(jī)控制系統(tǒng)，或者可編程控制器對(duì)電梯群的指令信號(hào)、內(nèi)呼信號(hào)、外呼信號(hào)、進(jìn)行統(tǒng)一的登記和管理，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的派梯策略和建筑物中的實(shí)際交通狀況，得到最優(yōu)派梯決策的控制系統(tǒng)[1]。從電梯控制的智能化角度講，需要在電梯群的控制程序中采用先進(jìn)的調(diào)度規(guī)則使被控電梯群有優(yōu)質(zhì)的服務(wù)質(zhì)量，即在不同的交通情況下，使群控能夠派出最適合的電梯響應(yīng)呼叫。而評(píng)價(jià)電梯的綜合因素包括乘客心理因素以及環(huán)境因素等，在本設(shè)計(jì)中可以對(duì)應(yīng)到乘客候梯時(shí)間的長(zhǎng)度、乘客乘梯時(shí)間的長(zhǎng)度、能源消耗的作為評(píng)價(jià)函數(shù)，群控系統(tǒng)的作用即是對(duì)多個(gè)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化控制[2]。

1 電梯群控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 電梯系統(tǒng)總體控制方案

系統(tǒng)以控制器ControlLogix為核心，應(yīng)用以太網(wǎng)，選擇變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，異步電機(jī)作為控制對(duì)象，測(cè)速發(fā)電機(jī)作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，構(gòu)成閉環(huán)控制回路[3]。通過(guò)PLC的輸入端輸入內(nèi)呼、外呼信號(hào)，以及交通流信息和重量檢測(cè)信息，通過(guò)輸出端發(fā)出的呼梯信號(hào)指示，運(yùn)行方向指示，樓層信號(hào)指示，以及開(kāi)關(guān)門停機(jī)控制等來(lái)控制電梯群的安全正常運(yùn)行、報(bào)警、顯示等功能。控制框圖如下。

圖1 PLC控制框圖

1.2 電梯控制系統(tǒng)功能

基于模糊算法，將各個(gè)電梯的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥：刂破髦?，群控器中根?jù)已經(jīng)設(shè)定的模糊化規(guī)則進(jìn)行模糊處理，將處理后的數(shù)據(jù)，得到一個(gè)隸屬度的輸出后，根據(jù)不同交通流下的不同權(quán)值相乘，最后得到一個(gè)派梯函數(shù)的最終值[4]。

為了兼顧乘客的乘梯需求和電梯的運(yùn)載能力及其能量損耗，能最大的滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)和要求，電梯群控系統(tǒng)索要納入考慮的問(wèn)題如下[5]：

（1）決策變量：即單位時(shí)間間隔內(nèi)不同種類客流人數(shù)的百分比、各電梯的運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行方向、所在樓層、呼叫信號(hào)所在樓層等）。

（2）評(píng)價(jià)函數(shù)：即在在某種客流交通模式下，給予乘客平均候梯時(shí)間、乘客的平均乘梯時(shí)間、電梯能耗的不同權(quán)值相加后所組成的評(píng)價(jià)函數(shù)。

（3）客流交通模式：電梯的客流交通模式是由電梯群系統(tǒng)在某單位時(shí)間內(nèi)，電梯上下行以及中間層的客流人數(shù)進(jìn)行計(jì)算和辨別，它反映了電梯群控系統(tǒng)所處的交通狀況[6]。

2 電梯群控系統(tǒng)原理

2.1 模糊控制的基本原理

該系統(tǒng)是在模糊控制數(shù)字化控制的基礎(chǔ)上建立的，它的控制器叫做模糊控制器。該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字變量的輸入、模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊推理（決策）、去模糊化處理進(jìn)而輸出完成整個(gè)過(guò)程[7]。如圖2 所示。

圖2 模糊推理流程圖

2.2 交通流辨別

不同地區(qū)不同用途的建筑內(nèi)的客流交通都各不相同，同時(shí)，在同一座建筑內(nèi)的客流信息的改變隨著時(shí)間的改變也會(huì)以一定的規(guī)律進(jìn)行變化。對(duì)建筑物內(nèi)的客流特征進(jìn)行學(xué)習(xí)是為電梯群配以最恰當(dāng)?shù)呐商莶呗缘幕A(chǔ)[8]。

一般來(lái)說(shuō)，客流交通可以分為以下四種：

（1）上行高峰交通模式；（2）下行高峰交通模式；（3）層間交通；（4）空閑交通。

文章模擬對(duì)客流模式進(jìn)行判別。將大樓內(nèi)5分鐘的客流人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將上行人數(shù)，下行人數(shù)，以及中間層活動(dòng)人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

進(jìn)入乘客百分比u1：在5分鐘內(nèi)，進(jìn)入電梯的乘客占總乘客數(shù)的百分比。見(jiàn)式1。

（1）

進(jìn)入乘客百分比u2：在5分鐘內(nèi)，離開(kāi)電梯乘客數(shù)占總乘客數(shù)的百分比。見(jiàn)式2。

（2）

層間乘客百分比u3：在5分鐘內(nèi)，層間交通乘客占總乘客數(shù)的百分比。見(jiàn)式3。

（3）

相對(duì)交通強(qiáng)度u4：在5分鐘內(nèi)，交通強(qiáng)度和進(jìn)入最高峰交通強(qiáng)度的比值。見(jiàn)式4。

（4）

λin：5分鐘內(nèi)，進(jìn)入電梯的乘客人數(shù)。

λout：5分鐘內(nèi)，離開(kāi)電梯的乘客人數(shù)。

λinter：5分鐘內(nèi)，層間乘客的人數(shù)。

HC：在5分鐘內(nèi)，電梯群系統(tǒng)到達(dá)乘客人數(shù)和所載乘客數(shù)的百分比。在這里，取HC=97，即載客率為97%。endprint

當(dāng)u4≤30時(shí)，此時(shí)交通強(qiáng)度大幅度降低，電梯處于空閑模式。若u4>30時(shí)，處于其他交通模式。若此時(shí)u1≥75，進(jìn)入的乘客客流處于大幅度上升階段，故處于上行高峰模式，若u1<75，則處于其他交通模式。若此時(shí)u2≥70，離開(kāi)的乘客客流處于大幅度上升階段，故處于下行高峰模式，若u2<70，則處于其他模式，也就是層間交通模式[9]。

2.3 模糊派梯原理

2.3.1 評(píng)價(jià)函數(shù)的建立。在電梯群控系統(tǒng)中，不同的調(diào)度策略會(huì)產(chǎn)生不同的調(diào)度結(jié)果，而調(diào)度策略的好壞取決于電梯的調(diào)度是否符合當(dāng)前的交通流的情況。在現(xiàn)實(shí)中不同的調(diào)度側(cè)重的因素是各不相同的，我們需要將各種調(diào)度的側(cè)重點(diǎn)總結(jié)起來(lái)，然后用定量的方式，給予不同情況下不同的側(cè)重點(diǎn)一個(gè)重要程度的標(biāo)準(zhǔn)，也就是所謂的權(quán)重。最后將最后的結(jié)果相加，得到一個(gè)函數(shù)值，比較后，得出該種情況下最優(yōu)的派梯策略[10]。

通常情況下，我們選用三個(gè)方面作為電梯群控系統(tǒng)評(píng)價(jià)：乘客的平均候梯時(shí)間（AWT）、平均乘梯時(shí)間（ART）、能源消耗（RPC）。

AWT：所有乘客候梯時(shí)間的平均值，

ART：平均乘梯時(shí)間也是描述電梯群控系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

RPC：電梯運(yùn)行過(guò)程中的能耗狀況是衡量電梯是否節(jié)能高效的一個(gè)重要因素。

電梯的調(diào)度算法實(shí)際上是一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)，綜合以上四個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可設(shè)定電梯的評(píng)價(jià)函數(shù)如式（5）所示：

（5）

Si：評(píng)價(jià)函數(shù)值，表示第i臺(tái)電梯響應(yīng)某召喚信號(hào)的可信度。

SAWT：平均候梯時(shí)間短的隸屬度，其值越大說(shuō)明候梯時(shí)間短的可能性越大。

SART：平均乘梯時(shí)間短的隸屬度，其值越大說(shuō)明乘梯時(shí)間短的可能性越大。

SRPC：能源消耗低的隸屬度，其值越大說(shuō)明電梯能源消耗低的可能性越大。

2.3.2 權(quán)系數(shù)的設(shè)定。根據(jù)系統(tǒng)不同的交通流中的客流特點(diǎn)及側(cè)重的評(píng)價(jià)條件情況，在這里擬出一份較為合理的評(píng)價(jià)函數(shù)的權(quán)系數(shù)值，如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)函數(shù)的權(quán)系數(shù)

2.3.3 群控器輸入量的確定和計(jì)算。對(duì)于電梯系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入量有很多，同時(shí)他們之間相關(guān)聯(lián)的量也很多，如何選取合適的輸入?yún)⒘恳彩且粋€(gè)電梯群控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。雖然不同的算法設(shè)計(jì)，選取不同的輸入量但最后的控制效果上都大同小異，唯一不同的就是算法策略的復(fù)雜程度不同而已[11]。在這里，我們介紹幾個(gè)納入計(jì)算的輸入量：

WT（廳層召喚候梯時(shí)間）：從某一廳層召喚信號(hào)產(chǎn)生計(jì)時(shí)，到被第i部電梯響應(yīng)時(shí)乘客的候梯時(shí)間，其包括轎廂運(yùn)行時(shí)間和轎廂停靠時(shí)間兩部分。見(jiàn)式6。

WT=運(yùn)行時(shí)間+停車時(shí)間 （6）

其中，由于為了簡(jiǎn)便，這里我們每臺(tái)電梯的設(shè)定運(yùn)行時(shí)間和停車時(shí)間都相同，所以等待廳召信號(hào)時(shí)間的關(guān)鍵問(wèn)題即是電梯所在樓層和廳呼信號(hào)產(chǎn)生樓層間的距離問(wèn)題。

CV（電梯剩余容量）：相應(yīng)某一廳呼信號(hào)后，某電梯的剩余容量。CV的值越大，則電梯對(duì)新召喚的響應(yīng)能力越強(qiáng)，其值與乘客進(jìn)出電梯的流量有關(guān)。在計(jì)算時(shí)，取轎廂的容量為額定容量的80%。在這里，我們電梯的額定重量為1500kg，則轎廂的容量為1200kg。見(jiàn)式7。

CV=（1200-x）/1200 （7）

x：電梯內(nèi)的承重重量。

GD（集中度）：由于電梯相比于勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在加速、減速運(yùn)動(dòng)消耗的能量更多。為了表示電梯接受的所有的召喚信號(hào)（包括內(nèi)呼信號(hào)和外呼信號(hào)）和新產(chǎn)生廳呼信號(hào)的位置的密集程度，所以引入GD（集中度）的概念。這個(gè)指標(biāo)是反應(yīng)能耗的重要參考依據(jù)。見(jiàn)式8。

GD=mindistance/（4*floorhigh）=mindistance/16 （8）

min distance：是某外呼信號(hào)和某電梯要停靠的所有樓層站的最小的距離。

floorhigh：建筑物一層的高度。

2.4 模糊派梯控制算法的設(shè)計(jì)

2.4.1 群控器輸入量的確定和計(jì)算。廳層召喚候梯時(shí)間WT、電梯剩余容量CV、集中度GD模糊化如圖3所示。

圖3 廳層召喚候梯時(shí)間WT、電梯剩余容量CV、集中度GD模糊化

2.4.2 輸出模糊處理。將輸出模糊處理，平均候梯時(shí)間AWT的大小與用輸入變量WT、CV相關(guān)；由CV則可獲得平均乘梯時(shí)間ART的適應(yīng)性[12]；能耗RPC則與WT、GD相關(guān)。AWT、ART和RPC的隸屬函數(shù)如圖4所示。

圖4 AWT、ART和RPC的隸屬函數(shù)

將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)AWT、ART和RPC的隸屬度用七個(gè)模糊變量“最大（VVL）、很大（VL）”、“大（L）”、“中（M）”、“小（S）”、“很?。╒S）、最?。╒VS）”表示。

3 系統(tǒng)硬件仿真

3.1 仿真參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本次設(shè)計(jì)沒(méi)有用到實(shí)際電梯的模型，但是運(yùn)用到了羅克韋爾自動(dòng)化平臺(tái)以及三臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)以及直流測(cè)速電動(dòng)機(jī)以及旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)模擬電梯運(yùn)行的過(guò)程，本次模擬的參數(shù)設(shè)置如下：

（1）樓層數(shù)：4層；（2）每層樓的高度：4m；（3）運(yùn)行速度：1m/s；（4）加減速加速度：1.5m/s2；（5）每臺(tái)電梯的額定負(fù)荷：1500kg（實(shí)際承重不能超過(guò)額定負(fù)荷的80%，即1200kg）；（6）拖動(dòng)系統(tǒng)：曳引式升降，交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，機(jī)械齒輪傳動(dòng)；（7）調(diào)速：變頻器（PowerFlex40）進(jìn)行變頻調(diào)速，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)反饋，反饋電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系；（8）控制器選擇ControlLogix 1756-5561。I/O模塊選擇ACN1794，F(xiàn)lex的I/O遠(yuǎn)程模塊。模擬輸入與輸出分別選擇input CH0和output CH0，量程選擇-10-10V二進(jìn)制補(bǔ)碼百分比。endprint

3.2 硬件框圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)流程圖

本次設(shè)計(jì)使用的是由美國(guó)AB公司開(kāi)發(fā)的RSLogix5000編程軟件。RSLogix5000是專門針對(duì)Logix5550系列處理器而生成的專用的編程開(kāi)發(fā)環(huán)境。利用RSLogix5000編程軟件可以創(chuàng)建或者移除可執(zhí)行代碼（如梯形圖，功能塊）；在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的變化；組態(tài)ControlLogix系統(tǒng)的I/O模塊和設(shè)備；組態(tài)控制器到控制的通訊；對(duì)Logix5550處理器編程，包括對(duì)運(yùn)動(dòng)控制編程。

本設(shè)計(jì)中的模糊派梯部分梯形圖如圖6所示。

4.2 組態(tài)界面設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

4.2.1 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件，譯自英文SCADA，即Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。本次設(shè)計(jì)中將用到的是RSView32組態(tài)軟件，它是由羅克韋爾自帶的監(jiān)控軟件，和硬件進(jìn)行連接更方便。

4.2.2 組態(tài)畫(huà)面

圖7 系統(tǒng)登陸界面與系統(tǒng)主控界面

圖8 趨勢(shì)曲線與報(bào)警界面

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立一個(gè)虛擬的、抽象的電梯模型，明確了程序功能的劃分，將多個(gè)簡(jiǎn)單的子程序發(fā)展完善了，將電梯調(diào)度的功能提出來(lái)作為一個(gè)單獨(dú)的、功能單一的核心程序的編制，方便了電梯調(diào)度的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，體現(xiàn)了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的編程思想。將模糊控制規(guī)則運(yùn)用到系統(tǒng)中，通過(guò)改變不同權(quán)重以及參數(shù)，從而達(dá)到電梯快速響應(yīng)的效果，并且不斷增加和完善單梯的功能。

參考文獻(xiàn)

[1]梁春燕，謝劍英.智能大廈中的電梯群控系統(tǒng)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2000，19（3）：16-18.

[2]朱昌明，畢曉亮.電梯智能群控系統(tǒng)研究概況[J].電梯?？?，2003，1（6）：1-6.

[3]章衛(wèi)國(guó)，楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M].西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，1999，6-54

[4]李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制理論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版

社，1996，45-46

[5]M.L.Siikonen.Elevator traffic simulation.Simulation，1993（4）：257-26

[6]宗群，王朝陽(yáng)，岳有軍.電梯群控系統(tǒng)多口標(biāo)模糊控制算法的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2000，22（7）：23-24

[7]祁郁.基于模糊控制的電梯節(jié)能技術(shù)研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)信息與控制學(xué)院，2009，9.

[8]C.Barney， S.M.Dos Santos， Elevator traffic analysis design and control [J].

[9]宗群，曹燕飛，曲照偉.電梯群控系統(tǒng)中智能控制方法[J].電氣傳動(dòng)，1998.

[10]王國(guó)萍.多目標(biāo)的電梯群控系統(tǒng)算法分析[J].控制理論與應(yīng)用，2005，24（3）：6-8.

[11]楊禎山，邵誠(chéng).電梯群控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].控制與決策，2005，20（12）：1321-1331.

[12]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)工業(yè)出版社，2007，6.endprint