劉佳偉，李 健，董文琦，曹玉波*

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林132022；2.綏化象嶼金谷生化科技有限公司 淀粉車(chē)間,黑龍江 綏化 152023)

電梯作為高層建筑使用最廣泛的載人垂直運(yùn)輸工具，具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)客速度快、效率高和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).隨著人民生活水平的不斷提升，電梯的應(yīng)用和普及，為人們的工作和生活帶來(lái)了很大的便利.但是，在實(shí)際使用中，受到人們生活和工作節(jié)奏的限制，無(wú)論是在居民樓、商場(chǎng)、還是辦公樓等場(chǎng)所，難免在上、下班等高峰期存在擁堵現(xiàn)象，極大地增加了乘客候梯時(shí)間，給乘用人員帶來(lái)不便.因此，引入電梯的集群控制，通過(guò)設(shè)計(jì)群控算法來(lái)對(duì)多部電梯進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和協(xié)調(diào)，進(jìn)而提高系統(tǒng)運(yùn)客效率，減少乘客的候梯時(shí)間并改善乘客的乘運(yùn)感受，具有很高的實(shí)用價(jià)值.

1 電梯群控系統(tǒng)

電梯群控系統(tǒng)是將單部電梯的控制延伸至多部電梯集群控制的一種控制系統(tǒng)[1].群控系統(tǒng)主要包括單部電梯控制和多部電梯群控兩個(gè)部分，單部電梯控制主要實(shí)現(xiàn)電梯的基本運(yùn)載功能如：上電初始化、三級(jí)制動(dòng)減速和開(kāi)關(guān)門(mén)控制等；而電梯群控則是在此基礎(chǔ)上對(duì)兩部及以上電梯進(jìn)行統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多部電梯的分別調(diào)用，以此來(lái)減少用戶等待時(shí)間和乘坐時(shí)間充分發(fā)揮集群控制的優(yōu)勢(shì)[2].某10層電梯結(jié)構(gòu)組成模型如圖1所示，電梯模型主要由梯門(mén)、電機(jī)、電梯操作面板和傳感器部分組成；考慮到安全因素在模型的最上和最下端分別設(shè)計(jì)了第一限位和第二限位端開(kāi)關(guān)，用于防止電梯過(guò)運(yùn)碰撞.控制系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-1200 PLC進(jìn)行控制[3]，工程組態(tài)軟件為STEP7 Professional V16，HMI操作界面選用為WINCC Professional V16.

圖1 電梯結(jié)構(gòu)組成模型示意圖

2 系統(tǒng)控制方案

2.1 程序結(jié)構(gòu)

考慮到6部10層電梯模型的控制程序會(huì)比較大，如果程序結(jié)構(gòu)不合理，那么程序的邏輯性和可讀性將大大降低[4].因此，在編寫(xiě)程序之前首先要分配好各個(gè)控制功能需要存放的位置；同時(shí)CPU的占用內(nèi)存以及程序篇幅等因素都會(huì)在投入運(yùn)行后影響后期的維護(hù)工作[5].如圖2所示，在本次程序設(shè)計(jì)中將單部電梯的控制程序放在功能塊，應(yīng)用FB塊進(jìn)行電梯控制功能的編寫(xiě)以及存儲(chǔ)使之生成獨(dú)立的背景數(shù)據(jù)塊，并在群控程序中使用FB塊的符號(hào)欄建立中間變量，在組織塊OB1中調(diào)用該功能塊并將IO信號(hào)連接至功能塊引腳.這種深層嵌套的編程方法具有節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)存、程序可讀性好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[6].

圖2 程序結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 單部電梯控制

設(shè)計(jì)多部電梯的集群控制，首先要實(shí)現(xiàn)單部電梯的基本運(yùn)載功能.其功能主要包括：上電初始化、開(kāi)關(guān)門(mén)控制、高低速轉(zhuǎn)換、三級(jí)制動(dòng)抱閘停車(chē)和外呼(內(nèi)呼)信號(hào)響應(yīng)等，以達(dá)到對(duì)不同樓層用戶的呼梯操作進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電梯自動(dòng)運(yùn)行到目標(biāo)層進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén)操作成功載客后將乘客安全送往目的層的功能.并可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行合理的運(yùn)行狀態(tài)改進(jìn)，如：針對(duì)選層指令中可能出現(xiàn)的人為誤操作進(jìn)行相應(yīng)的判斷進(jìn)而消除錯(cuò)誤指令；在電梯運(yùn)行過(guò)程中如長(zhǎng)時(shí)間無(wú)指令或外呼信號(hào)，電梯轎廂的相應(yīng)設(shè)備能夠關(guān)閉并在有信號(hào)來(lái)時(shí)重新啟動(dòng)等.

最后，在電梯運(yùn)行過(guò)程中加入相應(yīng)的保護(hù)功能，如：在關(guān)門(mén)過(guò)程中若紅外傳感器有信號(hào)輸入則停止關(guān)門(mén)動(dòng)作并執(zhí)行開(kāi)門(mén)程序，且在未平層狀態(tài)下電梯不會(huì)開(kāi)門(mén)防止發(fā)生危險(xiǎn)；電梯超員(超載)時(shí)，電梯發(fā)出超載指示梯門(mén)保持打開(kāi)狀態(tài)；在電梯觸碰到上(下)端的終端限位開(kāi)關(guān)時(shí)，電梯會(huì)自動(dòng)反向運(yùn)行到達(dá)最近平層防止超限運(yùn)行.

針對(duì)以上單部電梯的功能，設(shè)計(jì)單部電梯控制流程圖,如圖3所示.

圖3 單部電梯控制流程圖

2.3 電梯群控

通常情況下單部電梯就可以滿足日常的載客需求，但是在一些特定的時(shí)間段或地區(qū)下(如：早晚上下班高峰期、節(jié)假日高峰期、樓層分區(qū)等)，就需要針對(duì)多部多層電梯實(shí)施聯(lián)合控制.具體來(lái)講，至少需要協(xié)調(diào)以下幾方面因素[7]：

(1)電梯內(nèi)乘客：電梯越快到達(dá)越好(?？吭缴僭胶?，感覺(jué)越舒服越好(不要擁擠等)；

(2)電梯外侯梯乘客：電梯來(lái)的越快越好；

(3)物業(yè)等相關(guān)單位：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)運(yùn)送能力越高越好，系統(tǒng)整體能耗越少越好.

針對(duì)以上可能出現(xiàn)的情況以及需要考慮的因素，本次設(shè)計(jì)采用最小等候時(shí)間的控制算法.即為對(duì)用戶的呼梯信號(hào)進(jìn)行樓層判斷，計(jì)算各電梯到達(dá)目標(biāo)樓層所需要的時(shí)間，從中選擇到達(dá)所需時(shí)間最短的號(hào)梯進(jìn)行呼梯信號(hào)響應(yīng).

首先要確定電梯從當(dāng)前位置上升或下降到目標(biāo)呼梯信號(hào)層的時(shí)間，包括電梯不?？恐苯玉傁蚰繕?biāo)呼梯信號(hào)層的時(shí)間，電梯需要中途?？繒r(shí)的減速損耗時(shí)間，停止時(shí)的開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間和乘客進(jìn)出電梯的時(shí)間.然后對(duì)這些時(shí)間進(jìn)行整合計(jì)算，求得各個(gè)電梯對(duì)此召喚響應(yīng)的時(shí)間值，并選擇最小時(shí)間值對(duì)應(yīng)的號(hào)梯去進(jìn)行呼梯信號(hào)響應(yīng)[8].群控程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示.

圖4 電梯群控系統(tǒng)流程圖

最小等候時(shí)間的控制算法需要對(duì)各梯當(dāng)前樓層和樓層位置進(jìn)行詳細(xì)的記錄，因此在單部電梯的控制程序中就將所需要的樓層位置等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái).其次，考慮到反向截梯原則在群控程序的設(shè)計(jì)中將上呼和下呼信號(hào)進(jìn)行分開(kāi)存儲(chǔ)，在算法計(jì)算中也分別進(jìn)行運(yùn)算，這樣在響應(yīng)呼梯信號(hào)時(shí)可以有效減少電梯的反向運(yùn)行以節(jié)約整個(gè)電梯系統(tǒng)的能耗[9-10].最后，在群控程序編輯過(guò)程中將所有的外呼信號(hào)采集后進(jìn)行集中處理，防止有呼梯信號(hào)卻長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有號(hào)梯進(jìn)行響應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)而提高群控系統(tǒng)的載客效率.

3 監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用的上位機(jī)系統(tǒng)編輯軟件是在TIA Portal編程軟件中集成的SIMATIC WINCC Professional V16.整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：監(jiān)控系統(tǒng)主界面、1號(hào)梯監(jiān)控界面、2號(hào)梯監(jiān)控界面和報(bào)警記錄界面等.

監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖5所示，主界面從左至右依次為：外呼信號(hào)燈顯示、各梯樓層位置及開(kāi)關(guān)門(mén)狀態(tài)顯示、各梯箱內(nèi)樓層位置及上下行狀態(tài)顯示、各梯的故障、照明、風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)顯示，最下方為各畫(huà)面的切換按鈕可以實(shí)時(shí)切換至不同號(hào)梯監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài).主畫(huà)面主要負(fù)責(zé)顯示各梯的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警提示；各梯監(jiān)控界面則負(fù)責(zé)對(duì)各梯內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示和報(bào)警；方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障信息，避免事故的發(fā)生.

圖5 上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面

4 結(jié) 論

在電梯群控系統(tǒng)中，選用西門(mén)子S7-1200 PLC作為核心控制器，使用并優(yōu)化最小等候時(shí)間的控制算法，實(shí)現(xiàn)了6部10層電梯的統(tǒng)一調(diào)度.應(yīng)用WINCC設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控界面，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，便于工作人員的控制操作和報(bào)警處理.經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)安全可靠，優(yōu)化后的最小等候時(shí)間算法相較于傳統(tǒng)的控制算法可以減少5%的平均候梯時(shí)間，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.