变频电梯群控系统设计

-)其中表示最高楼层标记；表示外呼楼层模拟量；表示电梯当前楼层模拟量；为两台电梯最短距离。4.3群控电梯的运行规则单部电梯的运行一般比较简单，但在设计群控电梯时就需要制定一些规则保证电梯在运行过程中可以安全有效。其设计流程图如图4-4图4-4电梯群控系统流程图4.4电梯群控的I/O口分配根据设计要求，计算出所需的I/O口数量。本次设计的2台10层的电梯群控系统，由于群控要求，所以所用的I/O数量可能较多，具体的I/O口分配还有其功能如下表4-1所示。表4-1I/O分配名称变量类型变量名称外呼1层上行按钮Bool%I0.0外呼2层上行按钮Bool%I0.1外呼3层上行按钮Bool%I0.2外呼4层上行按钮Bool%I0.3外呼5层上行按钮Bool%I0.4外呼6层上行按钮Bool%I0.5外呼7层上行按钮Bool%I0.6外呼8层上行按钮Bool%I0.7外呼9层上行按钮Bool%I1.0外呼2层下行按钮Bool%I1.1外呼3层下行按钮Bool%I1.2外呼4层下行按钮Bool%I1.3外呼5层下行按钮Bool%I1.4外呼6层下行按钮Bool%I2.0外呼7层下行按钮Bool%I2.1外呼8层下行按钮Bool%I2.2外呼9层下行按钮Bool%I2.3外呼10层下行按钮Bool%I2.41号梯一层内选按钮Bool%I2.51号梯二层内选按钮Bool%I2.61号梯三层内选按钮Bool%I2.71号梯四层内选按钮Bool%I3.01号梯五层内选按钮Bool%I3.1续表4-1I/O分配名称变量类型变量名称1号梯六层内选按钮Bool%I3.21号梯七层内选按钮Bool%I3.31号梯八层内选按钮Bool%I3.41号梯九层内选按钮Bool%I3.51号梯十层内选按钮Bool%I3.62号梯一层内选按钮Bool%I3.72号梯二层内选按钮Bool%I4.02号梯三层内选按钮Bool%I4.12号梯四层内选按钮Bool%I4.22号梯五层内选按钮Bool%I4.32号梯六层内选按钮Bool%I4.42号梯七层内选按钮Bool%I4.52号梯八层内选按钮Bool%I4.62号梯九层内选按钮Bool%I4.72号梯十层内选按钮Bool%I5.01号梯手动开门Bool%I5.12号梯手动开门Bool%I5.21号梯手动关门Bool%I5.32号梯手动关门Bool%I5.41号梯光幕信号Bool%I5.52号梯光幕信号Bool%I5.61号梯开门到位Bool%I5.71号梯关门到位Bool%I6.02号梯开门到位Bool%I6.12号梯关门到位Bool%I6.2外呼1层上行指示灯Bool%Q0.0外呼2层上行指示灯Bool%Q0.1续表4-1I/O分配名称变量类型变量名称外呼3层上行指示灯Bool%Q0.2外呼4层上行指示灯Bool%Q0.3外呼5层上行指示灯Bool%Q0.4外呼6层上行指示灯Bool%Q0.5外呼7层上行指示灯Bool%Q0.6外呼8层上行指示灯Bool%Q0.7外呼9层上行指示灯Bool%Q1.0外呼2层下行指示灯Bool%Q1.1外呼3层下行指示灯Bool%Q1.2外呼4层下行指示灯Bool%Q1.3外呼5层下行指示灯Bool%Q1.4外呼6层下行指示灯Bool%Q1.5外呼7层下行指示灯Bool%Q2.0外呼8层下行指示灯Bool%Q2.1外呼9层下行指示灯Bool%Q2.2外呼10层下行指示灯Bool%Q2.31号梯一层内选指示灯Bool%Q2.41号梯二层内选指示灯Bool%Q2.51号梯三层内选指示灯Bool%Q2.61号梯四层内选指示灯Bool%Q2.71号梯五层内选指示灯Bool%Q3.01号梯六层内选指示灯Bool%Q3.11号梯七层内选指示灯Bool%Q3.21号梯八层内选指示灯Bool%Q3.31号梯九层内选指示灯Bool%Q3.41号梯十层内选指示灯Bool%Q3.52号梯一层内选指示灯Bool%Q3.6续表4-1I/O分配名称变量类型变量名称2号梯二层内选指示灯Bool%Q3.72号梯三层内选指示灯Bool%Q4.02号梯四层内选指示灯Bool%Q4.12号梯五层内选指示灯Bool%Q4.22号梯六层内选指示灯Bool%Q4.32号梯七层内选指示灯Bool%Q4.42号梯八层内选指示灯Bool%Q4.52号梯九层内选指示灯Bool%Q4.62号梯十层内选指示灯Bool%Q4.71号梯上行指示灯Bool%Q5.01号梯下行指示灯Bool%Q5.12号梯上行指示灯Bool%Q5.22号梯下行指示灯Bool%Q5.31号梯高速运行Bool%Q5.41号梯低速运行Bool%Q5.52号梯高速运行Bool%Q5.62号梯低速运行Bool%Q5.71号梯门电机正转Bool%Q6.01号梯门电机反转Bool%Q6.12号梯门电机正转Bool%Q6.22号梯门电机反转Bool%Q6.31号梯超重信号Int%IW962号梯超重信号Int%IW984.5电梯群控梯形图程序设计梯形图是PLC常用的图形化编程语言，采用类似继电器控制电路图的形式，让控制逻辑清晰可见。它具有直观易懂、方便调试、灵活通用的特点，由触点、线圈、指令盒构成，触点反映输入信号，线圈控制输出设备，指令盒实现特定功能。PLC按特定顺序扫描梯形图，实现实时控制。主要的步骤就是分配好I/O口后，按控制要求和电梯运行规则编写FC（功能块），最后在电脑上通过软件进行仿真与监控。4.5.1电梯运行的主程序由于梯形图程序是顺序扫描运行，首先需要创建主函数OB1（组织块），将电梯进行初始化，然后创建子模块FC（函数块），调用函数来完成电梯群控的运行过程。运行过程为，开始进行初始化，所有电梯的位置都在一楼，等待呼叫信号。当有呼叫信号产生时，两台电梯根据规制进行响应。主程序图如图4-5所示图4-5主程序图4.5.2内选呼梯及开关门模块电梯内选呼梯模块功能是模拟乘客在轿厢内进行楼层选择的模块，乘客在电梯轿厢内通过操作轿厢内的选层按钮来选择要到达的楼层。当乘客进入电梯后，根据自己的目的地，按下相应楼层的按钮，电梯控制系统接收到信号后，会驱动电梯运行到所选楼层并平层停稳。内选呼梯方式是电梯最基本的操作功能之一，方便乘客自主选择楼层，实现垂直方向的运输需求。当乘客按下目标楼层后，电梯会开始运行，同时被选择的楼层按钮指示灯会亮起。当轿厢到达目标楼层后，指示灯应该消除。其设计程序如图4-6、图4-7所示图4-6内选图4-7内呼到位停层消除开关门程序较为复杂，首先要检测轿厢位置，判断轿厢是否处于运行状态，如果处于上行或下行状态则不能进行开关动作。电梯运行状态时要记录轿厢位置，这样方便确定平层信号，确定电梯轿厢是否到位。在保证轿厢到位后，进行自动开关门，可以选择定时器来完成这一功能。此外，当手动开关门按钮或者光幕响应时，也应该进行开关门动作。具体程序如图4-8、4-9、4-10、4-11、4-12、4-13所示图4-8轿厢检测图4-9到位开关门图4-10外呼开关门图4-11各梯开关门图4-12平层显示图4-13手动开门及光幕4.5.3外呼指令电梯外呼指令通过外呼按钮实现，乘客在楼层候梯厅根据出行需求按下带有向上箭头的上行外呼按钮或向下箭头的下行外呼按钮，当按钮按下后，信号传输至电梯主控制器，主控制器综合电梯当前位置、运行方向、轿厢内呼叫信号等信息，依据预设调度算法决定响应电梯。在外呼号响应的同时，外呼按钮附近的召唤登记指示灯、电梯运行方向指示灯以及楼层显示等装置，能让乘客及时了解呼叫状态与电梯运行情况。程序编写过程中，当外呼上行或下行信号触发时，经过群控算法后，然后进行开关门操作，1号梯和2号梯的开关门需要区分。首先需要外呼常开触点接通，然后判断1号或者2号是否平层，检测到电梯平层后，外呼同层线圈接通，外呼同层线圈接通后，将启动开关门定时器，使得电梯门自东开启。具体程序如图4-14所示图4-14区分两部电梯外呼开关门电梯外呼显示用于为乘客提供关键信息，内容涵盖实时楼层、运行方向、呼叫登记确认及特殊状态标识。乘客进行外呼操作后，外呼上行线圈通电，电梯开始运行，同时外呼上行指示灯亮起。当电梯到达目标楼层后，平层信号接通，经过定时器延时后，外呼上行线圈复位，外呼按钮指示灯进行复位，以便进行下一次外呼操作。具体程序如图4-15所示图4-15外呼指示显示及复位4.5.4运行指令电梯运行程序从乘客按下外呼按钮或内呼楼层按钮，群控系统开始接收召唤信号，轿厢位置传感器实时检测轿厢位置，控制器依据群控算法确定运行方向后，曳引机驱动轿厢启动运行，运行中系统根据位置和距离调节速度，到达目标楼层时依靠平层信号准确停靠，随后轿厢门和层门打开进入开门等待状态，等待时间结束或接收到关门指令则关门，若还有其他呼叫便重复运行流程，若无则进入待机。在整个运行过程中，控制系统持续监测部件状态，一旦检测到故障或异常，立即采取相应措施并报警，保障电梯安全和高效运行。电梯运行包括上行和下行两部分，这里以一台电梯的上行为例进行介绍，下行采用相反的逻辑。首先进行轿厢位置判断，当轿厢处于平层时进行上行操作，在判断梯内选楼层的指示灯。同时，为保证电梯在运行过程中安全，需要串联下行指示常闭触点、各楼层平层信号、超载信号等。同时考虑到上行是去响应电梯内呼信号和外呼信号，应该把内呼指令和外呼指令也串联在其中。具体程序如图4-16、4-17、4-18所示图4-16内呼上行图4-17外呼上行图4-18电梯行程序4.5.5数码管楼层显示模块数码管楼层显示是电梯用于展示当前所在楼层的装置，由多个数码管组成，通过控制发光二极管的亮灭来显示楼层数字，能让乘客快速获取楼层信息。楼层数显示采用七段数码管显示，分为A、B、C、D、E、F、G，当平层信号接通后各楼层对应的数码管段会响应，通过七段数码管的亮灭显示所在的楼层数。具体程序设计如图4-19所示图4-19楼层数码管显示4.5.6外呼群控算法外呼群控算法在电梯系统中发挥着核心作用，它能依据不同区域和时间段的呼叫情况优化电梯资源分配，减少乘客等待时间，避免候梯厅人员聚集。优化运行路径以降低能耗，减少电梯空驶与频繁启停。还能协调多部电梯协同工作，提升系统整体运行效率，让人员和货物在大型建筑中实现及时、顺畅的垂直流动。群控算法作为电梯群控的核心，本文采用的最短距离算法。首先外呼操作后，记录下目标楼层的位置和轿厢当先位置，然后利用总楼层减去外呼目标楼层位置，再加上两台电梯当前位置得到两台电梯与目标楼层的真实距离。比较两台电梯的真实距离，选择距离最短的电梯进行响应。其中要注意的是：无任务的电梯应该先响应、处于逆向运行的电梯不能响应、出现故障的电梯不能响应。具体程序如图4-20、4-21、4-22所示。图4-20标记楼层位置图4-21计算真实距离图4-22选择合适电梯运行4.6故障报警及照明电梯照明能够为电梯轿厢提供足够的光线，确保乘客在电梯内能够看清周围环境，包括楼层显示、轿厢内部设施等。故障报警是当电梯出现故障、异常情况时，乘客可以通过按下报警按钮触发报警装置。报警系统通常还会配备语音提示功能，在触发报警后，会向乘客播放提示信息。在电梯运行过程中，上行或下行触点闭合后通过定时器延时使得照明线圈通电进而实现照明功能。故障报警程序是当轿厢内乘客按下报警按钮后触发报警显示，同时设有检修开关，方便检修人员进行排查故障，加快维修速度。具体程序见图4-23、4-24图4-23照明系统图4-24故障报警4.7HMI仿真搭建4.7.1WinCC监控画面设计WinCC可实现电梯群控多方面的功能。在实时监控层面，能实时展示每部电梯的楼层、运行及门状态等信息，同时监测关键设备的运转情况，让运行状况一目了然。呼叫调度上，模拟外呼按钮发送信号，基于预设算法自动分配电梯响应，实现调度的优化，满足不同时段的客流需求。故障诊断与报警方面，实时监测各类故障信号，一旦出现故障，便在监控画面弹窗显示详细信息并触发声音报警，还能记录故障历史，方便统计分析。数据管理与分析时，记录电梯的运行数据，依此生成各类报表，为管理提供支持。博途中WinCCAdvanced和WinCCProfessional项目结构涵盖画面、HMI变量、HMI警报、连接设置、配方、历史数据、脚本、报表及用户管理器等。画面管理可以设计全局模板画面，画面选项用于创建单个运行监控画面并编辑对象的事件；HMI变量用于管理内部变量或建立与PLC连接的过程值变量，可进行变量的添加、删除和更改；HMI警报归档警报变量并设置消息类别；历史数据定期收集归档过程变量，可通过曲线列表展示。本次设计包括绘制仿真画面，电梯仿真画面由电梯、井道、电梯楼层、轿厢体、层门及轿厢门，内外呼按钮以及指示灯、楼层显示及运行方向、手动开关门按钮等。在建立HMI画面前需要将其与PLC连接起来具体见图4-25所示图4-25组态连接图电梯群控HMI设计时，界面布局上主屏幕直观呈现所有电梯实时位置、方向和载重，监控屏幕展示单梯详细状态并设控制项，报警模块可以实时记录故障等信。显示模块可以显示两台电梯到达的楼层及电梯上下行指示灯。交互设计注重操作便捷，提供视觉反馈，当按下外呼按钮、内呼按钮、开关门按钮后指示灯亮起给乘客以提示。载重模块可以自定义重量模拟人员情况。同时HMI画面的视觉设计要采用合理色彩搭配和易读字体，方便管理人员在不同场景下掌控电梯群运行状态。具体如图4-26所示图4-26HMI仿真图第5章仿真验证5.1外呼操作当乘客进行外呼操作时，外呼信号会被实时登记并点亮按钮指示灯，控制系统随即根据电梯当前状态优化运行方向：若电梯空闲则直接响应，运行中电梯按序停靠登记楼层，到达后自动开门并熄灭对应按钮灯，同时持续接收新请求并动态调整路径。外呼4层上，7层下，8层上指令时，电梯会按顺序开始运行，到达目标楼层后，平层指示灯亮起，电梯门自动打开。满足其设计要求，指示灯、外呼、开关门都与预期效果一致。如图5-1所示图5-1外呼仿真验证5.2内呼操作当乘客在电梯轿厢内按下目标楼层按钮时，内呼信号会被实时登记并点亮按钮指示灯，控制系统随即根据电梯当前状态优化运行方向：若电梯空闲则直接响应，运行中电梯按序停靠登记楼层，到达后自动开门并熄灭对应按钮灯，同时持续接收新请求并动态调整路径（如改变下行方向响应新的下方外呼）。不同系统可能采用"最短路径优先"等算法，但核心目标均为在安全前提下提升运行效率，减少乘客候梯时间。内呼按钮按下后，2台电梯按指定运行规则动作，到达目标楼层后梯门打开，完成任务。当2号电梯到达7层时，此时内呼2、3、9楼层，电梯会最先响应9，然后下行，按顺序依次响应2、3。与预期结果一致，完成设计要求。如图5-2所示图5-2内呼仿真验证5.3超载及报警当电梯超载触发报警信号后，系统将立即通过重量传感器检测到载重超限（通常为额定载重的105%-110%），强制激活声光报警并保持开门状态，禁止运行指令。此时轿厢和外呼面板会显示超载提示，若载重未恢复至额定值以下，电梯将持续锁定。整个流程以安全为核心，通过多重保护机制防止过载运行，确保人员和设备安全。当1号电梯和2号电梯都超载时，电梯门无法关闭，电梯满载指示灯亮起，手动关门无法响应。同时，内呼或外呼信号都无法响应，这样保证了梯内乘客的安全。与所预期的结果一致，完成设计要求。具体如图5-3所示图5-3超载及报警仿真验证5.4外呼群控系统5.4.11号2号都无任务当1号和2号电梯均无任务时，电梯控制系统会根据预设调度算法（如最短距离优先）选择响应外呼信号：首先接收并解析楼层外呼请求，同步检测两台电梯均处于空闲状态后，通过比较电梯位置与外呼楼层的物理距离（如1号电梯在5层，2号在3层，外呼位于4层则优先调度2号）生成指令。被选中的电梯将立即前往目标楼层，到达后自动开门并完成服务，同时系统持续监控新请求，若在运行中出现更优调度场景（如另一台电梯更接近新外呼点），可能动态调整分配。但核心逻辑均为通过资源合理分配，实现响应速度与运行效率的平衡。1号电梯和2号电梯都无任务时，1号电梯处于1层，2号电梯处于10层。当3楼和7楼外呼信号触发后，按照最短距离算法，电梯响应与离自身最近的外呼信号。1号电梯会到达3楼，2号电梯会到达7层。从图可以看到与预期结果一致，满足设计要求。如图5-4所示图5-41号2号无任务外呼群控5.4.21或2号电梯有任务时当1号电梯有任务而2号电梯处于空闲状态时，电梯控制系统会优先调度2号电梯响应外呼信号：首先接收并解析楼层外呼请求，评估2号电梯的可用状态后生成目标楼层和运行方向指令，驱动电梯前往指定楼层开门服务乘客。1号电梯要上行到10层，此时，2层外呼，2号电梯应该进行响应，完成此任务。如图5-5所示图5-51/2号有任务外呼群控结论本研究围绕两台十层变频电梯群控系统展开，成功实现了系统的硬件、软件设计及群控算法设计，在多方面取得了创新性成果。硬件系统设计从系统需求、性能、成本和可靠性出发，对各器件作了充分考虑，最终选用西门子S7-1200系列1214C型PLC,可靠且功能强、便于维护，能满足电梯工作的复杂电磁环境要求；并采用了数字量输入输出模块和模拟量输入模块来完成系统各方面的信号处理；选择西门子G120变频器，该变频器功率容量适合电梯工作、频率范围符合电梯运行要求、控制精度符合要求以及提供相关通信接口，能够使电梯工作更加平顺。电机选用巨人通力GETM30250永磁同步无齿轮曳引机，该曳引机体积小、传递效率高，可以满足住宅电梯的载重、速度、安全要求。同时，还绘制出了完整的主电路图和PLC接线图，保证了系统的电气连接正确可靠。软件系统设计方面，在TIAPortal编程软件中充分应用该软件能够使用多种编程语言、具有多种编程元件库以及有强大仿真功能的特点，利用模块化编程思想进行了整个系统的梯形图程序的设计。通过引入最短距离群控算法作为核心算法，通过对各部电梯到外呼信号的距离进行精准计算并选取合适的评价函数选出最恰当的派梯方案，使电梯的调度更加科学合理，提高了调度效率。最后通过利用WinCC监控仿真验证系统功能，仿真表明在外界呼操作、内部呼操作、超载报警、外呼群控等方面都达到了系统设计要求，外呼时有信号及时登记，电梯逐层呼叫，呼到达层层准确停止；内呼时电梯根据实际载重量、分时分线选取最近的电梯去应答；当发生超载后，第一时间启动超载报警并且禁止其工作；在外呼群控中，不同工况下根据实际情况都可做出合理选择，采用最优方式进行合理调度，明显减少乘客候梯时间，改善乘梯感受。然而，本研究也存在一定的局限性。虽然群控算法采用最短距离算法得到了较好的控制效果，但在实际运用当中会因为突发的大客流以及长时间的高峰时段，还有楼层数较多并且有楼层的功能突然变化造成人流分布的变化等难题，群控算法还需要更多的完善和优化。另外当前算法对于多目标均衡方面还未到达最佳状态，还存在着不少的改进空间。目前选用硬件中的部分器件价格较高，在满足高要求的前提下应考虑用经济实惠的型号代替，降低系统整体的成本，有利于提高市场竞争力。在未来的发展方面，可将模糊控制算法、神经网络算法与目前已有最短距离算法进行结合，将模糊控制算法用于解决电梯群控中的不确定及非线性的问题；运用神经网络算法所具有的学习和自适应的优点，实现电梯群控系统中多算法联合调度方式的优化，以获得更加智能化的调度结果；持续跟踪新出现的各种硬件器件，探索出更先进的、性价比更好的传感器和控制器；应用物联网技术实现电梯的远程监控、故障预测以及智能维护，以此来提高电梯群控系统的整体性能与服务质量。参考文献周丹,彭炜波,李柯.基于S7-1200六部十层电梯群控系统的WinCC组态设计[J].自动化应用,2024,65(15):89-93.DOI:10.19769/j.zdhy.2024.15.024.付琳.基于蚁群优化神经网络的电梯群控系统的研究[D].哈尔滨工程大学,2024.DOI:10.27060/ki.ghbcu.2024.001641.王婧.人工智能方法在电梯群控系统中的应用[J].机电技术,2015,(02):130-132.Y.Dongmei,"Dispatchingstrategyofelevatorgroupcontrolsystembasedonpolicy-bookingfuzzyoptimization,"2014IEEEInternationalConferenceonInformationandAutomation(ICIA),Hailar,China,2014,pp.578-581,doi:10.1109/ICInfA.2014.6932720.代玉凤.基于PLC智能群控电梯系统设计[D].河北科技大学,2018.郭亮,易荣伟.PLC技术在电梯控制系统的应用[J].数字技术与应用,2021,39(04):19-21.DOI:10.19695/12-1369.2021.04.07.李根.基于PLC的电梯群控系统设计与研究[D].广西大学,2020.DOI:10.27034/ki.ggxiu.2020.000639.姬汉国.电梯群控技术的现状与发展趋势[J].价值工程,2014,33(31):55-56.DOI:10.14018/13-1085/n.2014.31.031.AljošaV,JörgS,ThomasB,etal.Elevatorgroupcontrolasaconstrainedmultiobjectiveoptimizationproblem[J].AppliedSoftComputingJournal,2022,115J.JiangandX.Zhang,"Variablefrequencyspeed-regulationsystemofelevatorusingPLCtechnology,"20113rdInternationalConferenceonAdvancedComputerControl,Harbin,China,2011,pp.328-332,doi:10.1109/ICACC.2011.6016425.黄艺娜.基于交通运行模式的电梯群控控制系统设计[J].宁德师范学院学报(自然科学版),2022,34(03):262-267.DOI:10.15911/ki.35-1311/n.2022.03.008.曾程.探讨变频调速技术在电梯舒适度改造中的应用[J].模具制造,2024,24(09):228-230.DOI:10.13596/ki.44-1542/th.2024.09.075.肖海乐,顾月刚.变频器应用现状及发展趋势[J].电子技术与软件工程,2018,(20):217.DOI:10.20109/ki.etse.2018.20.166.牟晓晨.基于蚁群算法优化的电梯群控研究[D].沈阳理工大学,2019.DOI:10.27323/ki.gsgyc.2019.000110.AhmadF,FakhirI,KhanAS,etal.Petrinet-basedmodelingandcontrolofthemulti-elevatorsystems[J].NeuralComputingandApplications,2014,