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电梯并联控制的研究 摘要 电梯是高层建筑必不可少的交通工具在规模较大的建筑内常常安装两台或两 台以上的电梯。为了提高电梯的运行效率，两台电梯通常采用并联控制，两台以上 的电梯则采用群控 在两台电梯的并联控制中，并联调度算法是整个控制系统的核心调度算法的 合理性与否直接影响到电梯运行效率的高低然而，传统的电梯并联调度算法的快 速服务性较差，存在一些有待完善之处。本文对传统并联电梯调度算法进行研究， 对其作了部分细化和补充，给出了较详细的调度原则与数学算法。 在分析电梯集选控制功能的基础上。设计两台p l c 和两台变频器组成的1 1 层电 梯的并联控制系统，给出系统组成框图，编写电梯并联控制程序，并详细阐述该系 统的并联功能和硬件、软件的设计方法。 并联控制系统的两台p l c 之间采用欧姆龙的1 ：1p “ u n k 通信交换信息，共享 厅外召唉信号、层楼信号和运行方向信号，实现两部电梯的并联调度控制。控制程 序根据两台电梯的运行状态、运行方向、轿厢与呼梯信号的位置，来决定由哪台电 梯响应呼梯信号。 该系统已成功应用于某大楼的电梯并联控制中，系统运行可靠，调度方法合理 该方案可适用于采用其它厂家的p l c 或电梯控制板控制的并联电梯系统中。 关键词：并联控制；电梯；可编程序控制器；调度算法 r e s e a r c ho ft h ee l e v a t o r sp a r a l l e lc o n t r o l ； a b s t r a c t e l e v a t o r sa g ei n d i s p e n s a b l ev e r t i c a lt r a f f i ct r a n s p o r ti nt h eh i g hb u i l d i n g s t h e r ea r e a l w a y st w o o ri n o r et h a nt w oe l e v a t o r si na l a r g es c a l eb u i l d i n g i no r d e rt oi m p r o v et h e e f - f i c i e n c yo ft h ee l e v a t o r s ，p a r a l l e lc o n t r o li sa l w a y su s e di nd o u b l ee l e v a t o r , a n dg r o u p c o n t r o li su s e di nm o r et h a nt w oe l e v a t o r s d i s p a t c ha l g o r i t h mi st h ec e n t e ro ft h es y s t e mi nt h ee l e v a t o r sp a r a l l e lc o n t r 0 1 n c r a t i o n a f i t yo ft h ed i s p a t c ha l g o r i t h mi n f l u e n c e st h ee f f i c i e n c yo ft h ee l e v a t o r s b u t , t h e r e a i es o m e t h i n gn e e d st oi m p r o v ei nt h et r a d i t i o n a le l e v a t o r sp a r a l l e lc o n t r o ld i s p a t c h a l g o r i t h m i ti sn o tg o o dt h a tt h ec e l e r i t ys e r v i c eo ft h et r a d i t i o n a lp a r a l l e lc o n t r o ld i s p a t c h a l g o r i t h m b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h et r a d i t i o n a lp a r a l l e lc o n t r o ld i s p a t c ha l g o r i t h m ，a n e wd e s i g ns c h e m eo fp a r a l l e l - e l e v a t o rd i s p a t c hp r i n c i p l ew a sg i v e ni nt h i sp a p e r 矾c n e wp r i n c i p l ed e t a i l e da n ds u p p l e m e n t e dt h et r a d i t i o n a lp a r a l l e l - e l e v a t o r d i s p a t c h a l g o r i t h m n cd e t a i l e dd i s p a t c hp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c sa l g o r i t h mw e i eg i v e n b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h ec o l l e c t i v es e l e c t i v ec o n t r o lf u n c t i o no fe l e v a t o r s , a p a r a l l e lc o n t r o ls y s t e mw a sg i v e ni nt h i sp a p e r t h e1 l - l a y e r s - e l e v a t o r sp a r a l l e lc o n t r o l s y s t e mw a sc o m p o s e do ft w op l c sa n dt w oi n v e r t o r s t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h e p a r a l l e lc o n t r o lp r o g r a m m e rw e 佗g i v e n t h ep a r a l l e lc o n t r o lf u n c t i o n , d e s i g nm e t h o d so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h i ss y s t e mw e r ei n t r o d u c e d t h e1 ：1p l c - l i n kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fo m r o nw a su s e db e t w e e nt w op l c s b ym e a n s o ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n , t h eo u t e rc a l l i n g s i g n a l s ，t h ep o s i t i o ns i g n a l sa n d t h ed i r e c t i o ns i g n a l sw e r es h a r e db yt h et w oe l e v a t o r s ，a n dt h ep a r a l l e lc o n t r o lw a s r e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r ms t a t u s ，t h ed i r e c t i o no ft w oe l e v a t o r s ，t h ep o s i t i o no f t h ee l e v a t o rc a r sa n dt h eo u t e rc a l l i n gs i g n a l s , aj u d g ew a sm a d eb yt h ec o n t r o l p r o g r a m m e rt h a tw h i c h o n ee l e v a t o rt or e s p o n dt h eo u t e rc a l l i n gs i g n a l s t h i ss y s t e mh a db e e nu s e di ne l e v a t o r s p a r a l l e lc o n t r o li nab u i l d i n g 1 1 ”s y s t e mw a s c r e d i b l ea n dt h ed i s p a t c ha l g o r i t h mw a sr e a s o n a b l e t h i ss c h e m ei ss u i t a b l ef o rt h e p a r a l l e l - e l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mu s i n gp l c so fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r so ra p p r o p r i a t i v e e l e v a t o rc o n t r o lb o a r d s k e yw o r d s ：p a r a l l e lc o n t r o l ；e l e v a t o r ；, p l c ：d i s p a t c h a l g o r i t h m 学位论文独刨性声明学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：劾磁， 日期：矿7 年白；日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。+ 不保密西 ( 请在以上方框内打v ”) 论文作者签名：矽侈屯杰 导师签名： 日期：钞7 年6 月7 日 日期：年月日 引言 引言 电梯是垂直运行的电梯( 通常简称为电梯) 、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或 水平方f 句运行的自动人行道的总称。据估计，截至2 0 0 2 年，全球在用电梯大约6 3 5 万台，其中垂直电梯约6 1 0 万台，自动扶梯和自动人行道约2 5 万台电梯已成为人 类现代生活中广泛使用的人员运输工具人们对电梯安全性、高效性、舒适性的不 断追求推动了电梯技术的进步i l j 从2 0 世纪9 0 年代起，可编程序控制器( p l c ) 在电梯控制系统中以异常快的速 度发展着，特别是在我国中小型电梯企业的产品中得到广泛的应用。由于p l c 的可 靠性高、编程和维护方便而备受广大用户的欢迎。目前，在我国的电梯行业中，p u ： 控制己取代了传统的继电器群的控制方法 由于p i c 采用循环扫描的工作方式，即“串行”工作方式，与继电器控制的“并 行”工作方式不同，克服了继电器触点的竞争和时序失配的问题，具有较强的抗干 扰能力。p l c 把传统的继电器控制逻辑变为程序控制逻辑，其内部继电器可以代替 所有用于逻辑控制的中间继电器，使电梯控制系统的噪声大大降低，控制柜的体积 大大缩小而且，在电梯的各个控制环节大量地使用通信技术，以简化布线，提高 了控制质量1 2 j ， 随着p l c 的更新换代，p l c 的微处理器的处理速度不断增加，p l c 的功能也在不 断加强，现已发展成具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理 功能、联鼹通信功能的多功能控制器。特别是2 0 世纪9 0 年代中期以后，r i s c ( 携简 指令系统) c p u 芯片在计算机行业大量使用，表面贴装技术和工艺已经成熟，使p l c 整机的体积大大缩小，而且c i u 芯片也向专业化发展。系统程序中的逻辑运算等标 准化功能用超大规模门阵列电路固化，处理速度进一步加快代表产品有欧姆龙公 司的c s l 、c j l 及c p i h 系列，三菱公司的f x m 与f x 3 u 系列等为了满足现代化的控 制与管理的需要，p l c 广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技 术，使p l c 系统的控制功能和信息管壁理功能融为一体 近十年来出现的变压变频( v v v f ) 调速技术在电梯行业中发展很快，其调速 性能已完全可与直流电动机相媲美除了具有良好的舒适感之外，电梯的平层准确 度也大为提高，而且具有明显的节能效果因此，可编程序控制器配合变频调速器 ( p u c + 变频器) 所组成的控制系统在电梯行业中得到了广泛的应用，取得了良好的 效果。 随着建筑物向大型化和高层化发展，往往需要在建筑物内安装两台或多台电梯 如果电梯各自独立运行，就很难提高运行效率，必然造成很大的能源浪费，而且， 给电梯的集中管理造成了较大的困难目前值得注意的是，现在存在一种盲目追求 青岛大学硕士学位论文 电梯高速度的倾向高速电梯不一定会缩短乘梯时间，提高输送效率，实际上还要 考虑建筑物高度、停层站数及调度技术等各种因素。对于不太高但停站数较多的建 筑物，高速电梯一般只能在中、低速运行，而高速梯与中、低速梯的开关门时间及 乘客出入电梯的时间无甚差别，为了提高电梯运行效率，减少乘客乘梯时间，近年 来出现了直接停靠、快速关门、提前开门( 电梯运行至开门区域时，可以在电梯运 行中提前开门，提高电梯的运行效率) 和开门再平层( 电梯停靠在层站，大量进出 人或货物，电梯会因为钢丝绳和橡皮的弹性变形，造成平层波动，给人员和货物进 出带来不便，这时系统允许在开着门的状态下慢速自动运行到平层位置) 等新技术 因此，在快速和高速电梯中，控制方式和调度方法就显得尤为重要。近年来，新的 控制技术和调度原则大量出刻z j 在一个大楼内电梯的设置数量，是按大楼人员的客流量及其在某一较短时间内 疏散乘客的要求和缩短乘客候梯时间等诸因素，即交通分析的结果决定的这样， 在电梯的控制系统中就必须考虑到如何提高电梯群( 组) 的运行效率。因此，对于 两台电梯出现了并联控制方式，对于多台电梯出现了多梯群控等新型的控制方式p j 。 电梯并联控制概述 两台电梯并联控制或是多台电梯群控，其最直观的感觉是两台或多台电梯并排 设置并且共享各个层楼的厅外呼梯信号，并能按预定的规律进行各电梯的自动调度 工作。 据一些资料数据显示，电梯并联后的运送能力提高了2 0 - 3 0 左右。减少了电 梯因停层而带来的加减速、开门、关门及等待的时间，因而在上、下班客流量的高 峰时段，乘员候梯和乘梯的时间大大减短。电梯运行实际能量消耗的5 0 是在减速、 加速这段运行过程中。电梯并联后，电梯停层数量的减少很大程度减少电梯运行的 电力消耗。 电梯并联控制的发展现状 在实际的工程中，双梯并联控制的成功案例已经出现，并受到业界关注。最早 的电梯并联的案例是1 9 8 5 年8 月，中国迅达上海电梯厂试制成功两台并联2 5 0 m s 高 速电梯，安装在上海交通大学包兆龙图书馆 近年来，随着电梯行业的发展，电梯并联控制和群控功能也已经成为各种电梯 控制器的必备功能，包括采用p l c 和各种电梯专用控制板。各个厂家的p l c 大多具 有本系列p “之间进行通信、联网的功能，如欧姆龙p i e 的1 ：1p 崛u n l 【或i ：n 链 接功能1 4 】和三菱p l c 的l ：1 链接或n ：n 链接阎，都可以将本公司的p l c 通过串行通信的 方式进行连接组网，非常简单地就可以实现p l c 之问的数据交换与共享对于电梯 专用控制板，如d p - 3 0 0 0 系列全电脑控制智能型串行通讯电梯专用控制器，同样具有 2 引言 并联、群控及远程监控功能嘲 在实际应用中，实现电梯的并联控制有两个方向一是使用一台p i c 控制两台 电梯，实现双梯并联。二是在两台p l c 之间使用串行通信方式连接，两台p l c 共享 一部分数据存储区，进行数据交换，从而实现电梯的并联运行。其中，第二种方案 应用较多，也是本课题的研究方向，其结构原理如图1 所示 两台p i _ c 共享厅外召唤信号，并以串行通信的形式将电梯运行状态、电梯位置 等信息互相传递。在双方p l c 接到上述信息后便进行厅外呼梯信号的登记与消除， 并产生运行决策和调度决策，控制本梯运行，并同时将本梯的各种信息回送给对方 p l c ，协调运行该方法降低了系统硬件成本，可节省大量的电缆材料，给电梯的 并联改造和电梯的维护带来很大的方便，提高了控制系统的运行效率，节能效果显 著。 图1 电梯并联控制系统 本课题主要解决的问题 本课题的主要任务是给某电梯公司设计一套1 1 层的电梯集选控制程序，并通过 实际应用检验。在此基础上，应用1 ：1p l c - l 矾k 通信功能，设计出两台电梯并联的 控制程序，并应用到某大楼的电梯中。使用欧姆龙两台c q m l h 型p i e 分别控制两台 电梯的运行，实现两台电梯的并联控制两部电梯在运行时相互协调，实现高效、 节能的运行目的。 电梯并联控制是一种较为复杂的控制方式通过本课题的研究，希望可以找到 适合电梯并联运行的调度算法，摸索出一套切实可行的电梯并联运行的解决方案， 能够在电梯并联控制的程序设计方面获得一些经验，给其他从事电梯并联控制或电 梯群控技术研究的企业和个人提供一些参考和借鉴 本文的主要内容 3 青岛大学硕士学位论文 本文研究的电梯并联控制系统是在两台电梯集选控制的基础上，将欧姆龙p l c 所支持的p l c - l i n k 通信方式运用到电梯的并联控制中。此方法的通信稳定性好， 可靠性高，对电梯集选控制程序的修改量较小，易于实现。 本文共分六章，各章的主要内容介绍如下： 第一章简要回顾了电梯的发展史，并简要的对各种电梯的作用、电梯的分类以 及技术现状和发展方向作了介绍。从电梯的机械系统和电气系统两个方面讲述了电 梯的基本结构。 第二章研究了电梯的控制功能以及运行工艺，给出了一般数学算法。并对继电 器控制与p i c 控制作了比较。介绍了通用型变频器在电梯调速系统中的应用 第三章讲述了电梯的并联调度算法。并重点研究了电梯的几种常用的并联调度 原则，给出了一般数学算法 第四章简要讲述了电梯群控的一般概念，以及使用p l c 实现群控的可行性。 第五章是本文的主体部分。给出了电梯集选控制的主要程序以及电梯并联程序 的主要部分，并介绍了1 ：1p i f _ - l i n k 的编程方法以及安川6 7 6 g i j 型通用变频器的 主要参数设置、s 字运行曲线及三种选择卡的使用。讨论了p l c 的工作方式对电梯 运行的影响，并提出了解决方案。 4 第一章电梯的结构与原理 第一章电梯的结构与原理 1 1 电梯概述 在我国，电梯、扶梯、自动人行道等都属于起重运输设备电梯是在垂直方向 上运行的运输设备。随着科学技术日新月异的发展，人们的物质文化生活的逐步提 高，电梯产品在人们的生活中的地位将会和汽车一样，成为重要的运输设备之一 据国内外有关资料介绍i l l ，公元前2 8 0 0 年在古代埃及，当时为了建筑金字塔， 曾使用过有人力驱动的升降机械。1 8 5 8 年美国研制出以蒸汽为动力，并通过蜗轮减 速装置驱动的蒸汽梯1 8 7 8 年英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。 伴随着电动机技术的发展，1 9 世纪初开始使用交流异步单速和双速电动机作动 力的交流电梯，特别是交流双速电动机的出现，显著改善了电梯的工作性能，现在 仍然广泛应用于速度为0 6 3 m s 以下的电梯产品中在2 0 世纪初，美国的奥的斯电 梯公司首先使用直流电动机作为动力1 9 7 0 年以后，大规模集成电路在电梯控制系 统中投入使用以后，控制柜体积大大减小，可靠性与稳定性不断改善2 0 世纪跚 年代后，变压变频( v v v f ) 控制的电梯先后由三菱、日立、奥的斯等电梯公司推 向市场目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘j 疃 舒适。计算机和p 【c 成功地应用于电梯的电气控制系统中，电梯的质量和运行效率 显著提高 1 2 电梯的分类 1 2 1 按用途分类 电梯按照用途可分为：乘客电梯、载货电梯、客货两用电梯、病床电梯、船用 电梯、消防电梯与汽车电梯等多个类型。 1 2 2 按额定速度分类 1 低速电梯：电梯的运行速度v l m s 。 2 快速电梯：电梯的运行速度l m s v 肋l 锨l a ，衄l 时， 电梯将继续上升。如果三个条件全不满足，则电梯处于下降或停止状态。其中：a s 是电梯厅外上召唤请求按钮，a x 是电梯厅外下召唤请求按钮，是轿内请 求按钮，仰是电梯轿厢的现行位置 除非电梯满足停止条件，则必须先让电梯停止，消除该层的请求指令， 再来根据上述条件判断电梯是否继续上行 2 若电梯处于下降状态，只要满足 a s c 加】d ri 缸 上占l o r l a x ，上占i o 曰l j ，上占i 时， 电梯将进行定向，响应轿内与厅外指令，电梯起动上行如果三个条件全不满足， 则电梯处于停止待机状态 4 若电梯处于待机状态，只要满足m s l b 】o r a x l b 】o r 阱，t l b 】时， 电梯将进行定向，响应轿内与厅外指令，电梯起动下行如果三个条件全不满足， 则电梯处于停止待机状态。 由此可见，不管原来是怎样的状态，总要先判断是否满足停止逻辑条件， 它的优先级最高，所以电梯的停止逻辑在电梯的控制程序中分量很大。 2 1 2 电梯的停止逻辑 电梯的停止逻辑关系到电梯到达指定层站是否停靠的问题。停止逻辑也是电梯 集选控制的一项重要内容。停止逻辑必须使用限位开关，主要是让电梯一定在限位 开关闭合处停止。 1 轿内请求指令到i 层停靠，电梯运行到i 层后时必须停止 停止逻辑条件为：皿- m 。- 1 2 当电梯上升运行时，第i 层有厅外请求上行指令，电梯运行到i 层时， 必须停止 停止逻辑条件为：l m - 1 a n d i 胁- 舢1 l ；其中m 为曳引电动机；当 m - 1 时电梯上行，m - 0 时电梯下行 3 电梯上升运行时，第f 层有请求下行指令，电梯到达f 层时，不一定停 止当该请求在所有的请求指令当中，层次是最高的( 即最远端) ，则电梯运 行到该层时响应该指令并停止如果该请求指令在所有请求指令当中层次不 是最高的，则电梯不响应