基于S7-1200PLC的智能化电梯群控系统设计_周海峰.pdf

收稿日期:2022 10 24基金项目:福建省自然科学基金项目(2021J01839);福建省大学生创新创业训练项目(202210390056，202210390079)作者简介:周海峰(1970)，男，福建省莆田市人，工学博士，集美大学轮机工程学院教授，硕士生导师，主要从事智能信息处理、光机电一体化和仿生机理及节能等研究基于 S7-1200PLC 的智能化电梯群控系统设计周海峰1，4，陈立枫1，陈鑫1，郑东强2，关天敏3(1 集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021;2 集美大学 海洋装备与机械工程学院，福建 厦门 361021;3 集美大学 海洋信息工程学院，福建 厦门 361021;4 福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)摘要:随着控制系统智能化水平提高和大量人员流动的载客需求增长，群控电梯的出现使得室内人员高效率密集流动得以实现 本群控系统为三部十层电梯群控控制系统，以西门子 S7-1200PLC 为核心控制器，设计了本系统的电梯硬件组成部分、群控调度算法、WinCC 监控界面的组态软件 最后，电梯仿真实验结果证明，该控制系统可实时监控电梯的运行状态，多部电梯信息互联互通，并依托智能控制系统实现多部电梯运载的稳定和高效关键词:S7-1200PLC;三部十层电梯;群控系统;仿真中图分类号:TP273+5文献标识码:A文章编号:1673 1670(2023)02 0022 060引言随着我国人口的不断增加，很多地区已经实现高层电梯的搭建，这样可以提高居民舒适度，提高生活质量1 20 世纪美国设计了第一部真正的电梯2，随之而来的是控制系统的设计3 4，随着电梯的发展，瑞士等国家也在不断地更新改造，直至今天我国对电梯的设计也在不断地改进，成为电梯出口量最大的国家5，人们乘坐电梯时更加安全便捷6 7 笔者对三部十层集群控制电梯8 10 进行了基本设计 群控电梯之所以能在现代化建筑中得到广泛应用11，主要是因为单台电梯在人员密集流动时，很难及时将乘客送到目标楼层，不能满足现代人对快节奏生活的需求，而群控电梯可以减少候梯时间 12，提高工作效率 另外还有许多方法可以解决客流量密度较大的问题，例如通过提高电梯的运行效率 13，不仅能节约电力能源消耗，还能延长电梯使用寿命 14 15 当电梯各自独立工作时，会出现一呼百诺的混乱情况 16 乘客在乘坐电梯时往往会遇到高峰时期候梯时间较长、电梯运行流程不合理等问题17 18，尤其是在电梯交通流量较大的情况下问题更为突出 为了提高群控电梯的运行效率以满足乘客的需求，笔者主要运用 PLC 进行设计19 20，选择西门子 S7-1200 进行三部十层电梯的设计，整体设计进行交互设计，自动控制，主要以 I/O 口进行配置，包括电梯上下控制 电梯开关门控制，以及内呼、外呼的指令进行控制，能够高效精准地进行电梯的控制21，WinCC 监控界面的组态软件实现自动化和可视化，大幅减轻电梯工作人员的劳动强度，这样能使群控电梯的运行流程更加合理化1控制系统硬件设计和基本控制逻辑1 1硬件系统设计电梯控制系统包括电机拖动控制和 PLC 逻辑控制，还包括运行载客和安全检测部分，实现电梯的稳定运行 电梯系统的动力源是曳引电动机(通过一条钢丝索将曳引电动机与电梯轿厢相连接，驱动电梯完成上下行运行)，曳引电动机由接触器与变频器控制，控制回路中接触器和变频器受 PLC控制 PLC 下位机发送启动、停止、速度变化的指令，控制接触器线圈的通电与断电，以此控制其触点的闭合与断开来控制电动机的启动与停止，调整第 38 卷第 2 期2023 年 4 月平顶山学院学报Journal of Pingdingshan UniversityVol 38 No 2Apr 2023变频器的输出频率来改变电动机的运行速度 电梯的控制系统硬件部分包括轿厢内部指令按钮、开关门按钮、轿厢外部平层传感器等，在电梯井最底层和最上层有上下限位感应器，防止电梯超过电梯井的运行范围22 23 称重传感器与红外人体检测传感器输出的信号均为模拟电信号，模拟信号通过SM1234 模拟量输入模块转化为数字量输出到CPU1214C，电梯硬件组成如图 1 所示图 1电梯 PLC 控制系统硬件组成1 2基本控制逻辑通过程序的逻辑指令控制电梯及时到达相应楼层应答呼叫按钮信号 当电梯到达对应的楼层时，乘客必须根据自身的实际需求按下向上或向下的按钮 当按钮被按下后，电梯会根据群控系统的指示判断是否响应该信号 电梯上下运行指示灯及每个楼层的信号灯都不能同时点亮 如果呼叫请求在完成之前接收到另一个新的呼叫请求，则电梯群控系统会主动判断这两个呼叫请求是否在相同方向上 如果与目标呼叫信号的运行方向相同，则电梯会主动停下;否则，电梯不会在该外呼信号楼层停止 在电梯的上下运行周期内，通过变频器完成电梯加速、减速和运行行驶2群体控制调度算法设计2 1外呼信号控制算法为实现系统的智能化，要通过程序运算确定最近的电梯 在三台电梯组成的群控系统中，在独立电梯基本的逻辑条件下，群控系统接收到目标位置a 所发出的信号，根据所计算出的目标位置 a 与当前位置 b 的距离差值，将三者的距离差值的绝对值储存在存储器中进行比较得出最近电梯 程序梯形图如图 2 所示图 2判定距离最近电梯的程序电梯开始上电时，电梯可能会处于任何一个楼层且开关门的状态未知，所以需要对所有电梯进行初始化程序:控制电梯同时移动到默认位置并且默认三台电梯所有楼层门全已关到位，完成系统初始化 此时打开所有电梯的风扇和照明开始进入等待，直到按钮指令输入后开始运行当有外部呼叫信号输入时，群控电梯可对轨迹上的呼叫判断且满足就近调用的原则，各电梯位置与发出呼叫信号楼层相对比得到距离最近的电梯由群控系统判断三台电梯是否都投入使用，然后判断按下呼叫按钮的位置是否在三台电梯的运行轨迹所经过的楼层之一 如果同时满足这两个条件，则该电梯立即出发，否则就直接调用距离最近的电梯前往目标楼层 外呼信号控制算法流程如图 3 所示，PLC 程序梯形图如图 4 所示2 2内部指令信号控制算法当有内部指令按钮输入时，按钮输入可能来自任意楼层，此时就需要判断当前位置和目标位置的高低 如果当前位置低于目标位置，则电梯上升;如果当前位置高于目标位置，则电梯下降系统根据距离智能调节电梯的移动速度:将电梯速度设定为速度 1(高速运行)，在 PLC 系统中32第 2 期周海峰，陈立枫，陈鑫，等:基于 S7-1200PLC 的智能化电梯群控系统设计每层楼的高度均赋值为 100，按实际每层楼 3.3 m的高度(包括 3 0 m 楼高和 0 3 m 的楼板宽度)24，当目标位置和当前位置的距离差的绝对值小于 20(即小于 0 66 m)时，设置为速度 2(减速运行)电梯到达目标位置后，则执行开门和关门动作，程序梯形图如图 5 所示，电梯内部指令信号控制算法整体流程如图 6 所示图 3电梯外呼信号控制算法流程3WinCC 监控界面以及系统仿真本系统智能化水平提升显著，解决了老旧电梯系统无自主告警、监控效率低及检测片面等问题本群控电梯系统基于内置传感器采集电梯的运行状态、是否发生故障和超载等信息，利用 S485 串口通信网络搭建起的电梯监控系统对三部十层电梯数据实时获取和分析判断，极大地提升了群控电梯警报的时效性和安全性电梯监控系统主要由主控计算机、显示装置、通信网络等部分组成 为了更好地服务乘客，主控计算机进行电梯各种信息数据的采集与处理，显示装置用于显示监视三台电梯的各种状态、数据等画面，通信网络作为群控电梯与主控计算机之间信息传输的媒介考虑到电梯运行时可能会出现的意外情况，笔者通过 WinCC 组态软件对电梯实时运行状态进行监测，为满足实际运行的需求，分别设计由电梯运行监控、外呼状态监控、电梯状态总览三个模块所组成的电梯监控系统25 3 1电梯运行实时监控画面为了方便管理人员更加详细地了解到各个电梯的内部情况以及运行状态，笔者设计了如图 7 所示的电梯运行监控系统 点击三排灯的右边的不同电梯名称的按钮，可以分别用来自由切换并显示不同的三台电梯的内部情况以及运行状态 例如，当按下“1#电梯”的按钮时，电梯运行监控界面切换到一号电梯所要到达的各个楼层以及目前所处楼层和运行方向通过高清摄像机向管理员显示出此台电梯内部的实时画面监控以方便应对突发情况，例如人员被困电梯、电动车进入电梯、抓拍电梯画面等情况运行方向的文字显示栏和箱门状态的文字显示栏则可以更加准确地知道电梯是否停止和箱门是否关闭 电梯运行监控界面如图 7 所示图 4电梯就近原则响应呼叫程序42平顶山学院学报2023 年图 5电梯速度方向控制程序图 6电梯内部指令信号控制算法流程3 2外呼状态监控画面管理人员通过外呼状态监控实时了解各电梯1 至 10 楼的实时外呼状态、三台电梯的运行方向(上升或者下降)及电梯所在楼层 该显示屏通过数码管向管理人员提供每部电梯的运行方向和所在楼层 管理人员可以通过外呼状态监控对三台电梯内外部运行情况进行实时了解 外呼状态监控界面如图 8 所示图 7电梯运行监控界面图 8电梯外呼状态监控界面3 3电梯整体状态总览画面如图 9 所示，电梯状态总览界面分别显示了三台电梯是否自动运行及初始化完成、电梯是否发生故障或超载的情况及电梯运行方向和电梯所在的当前楼层 轿厢的最大承重值可根据实际情况做出调整，此系统载重设定为 1 050 kg，当电梯发生超52第 2 期周海峰，陈立枫，陈鑫，等:基于 S7-1200PLC 的智能化电梯群控系统设计载的情况时，称重传感器将质量信号转化为电信号经电缆传输给控制系统，进而发出超重警报示意乘客和管理人员 当电梯发生故障时，监控系统能及时向电梯发出警报和控制信息，并通过 S485 串口通信网络向 PLC 上位机传输信号的同时利用红外人体探测器检测是否有人，电梯监控系统的主控计算机向电梯发出控制信号使之进入特定的工作模式图 9电梯整体状态监控界面3 4电梯系统仿真电梯仿真画面如图 10 所示，图中为三部十层电梯的模型 从下至上分别代表一到十层的电梯开关门，通过点击电梯门左侧数字按钮可以实现电梯内部指令输入 电梯门下侧分别为电梯速度与方向指示灯，电梯门右上方的数字仪表盘为电梯位置相对于底部的距离差，通过点击电梯最右侧的电梯外部呼叫按钮可以实现调用最近电梯图 10WinCC 仿真界面3 5实验结果与仿真分析三部十层电梯群控系统通过 WinCC 组态软件仿真运行，借助模拟乘客模型作为 PLC 控制群控电梯实验案例 建立一个十层楼高三台电梯的系统模型，假设模拟电梯乘客人数为 500 人，每层的流动人员均设置为 50 人，对居民楼上午上班时间段(从 800 到 815，一共 15 min)进行模拟仿真实验，由于上午大部分人需要上班或上学，各层乘客的目标楼层均设定为 1 层，电梯的配置参数如表 1所示表 1电梯基本配置参数核定人数/人电梯额定速度/(m/s)额定加速度/(m/s2)楼层高度/m额定载重/kg121 50 33 31 050对三部十层电梯进行模拟实验，结果见表 2，可以得到乘客平均候梯时间为 21 64 s(衡量电梯运行效率的重要指标)与普通电梯对比，群控电梯通过多种算法提高运行效率，减少了多余的能量消耗，运行更加高效、稳定、节能，满足了用户对智能群控电梯的需求26，WinCC 监控界面的组态软件实现自动化和可视化，大幅减轻电梯工作人员的劳动强度表 2电梯仿真实验数据电梯参数1 号电梯2 号电梯3 号电梯总平均值乘客候梯平均时间/s24 0521 4219 4321 64乘客乘梯平均时间/s35 6434 3932 6534 22乘客长时间候梯率/%0 170 120 080 12电梯停靠次数/次103145183144载客量/人153167180168电梯运行总里程/m269 45305 94289 83291 274结论通过 PLC 编程制成了本群控算法程序，运用于多部电梯控制可提高载客效率，一定程度上减少能耗和时间，为人员的流通提供了方便 利用上位机软件 WinCC 制成的监控系统，使得电梯更加安全，人机交互操作界面友好，设计人性化，自动化程度高，降低了操作员的学习成本，减少了电梯工作人员的劳动量，未来将研究如何进一步提高运行效率、减少能源消耗参考文献:1 郭圣莉，尹露 老旧小区加装电梯政策演变及逻辑意62平顶山学院学报2023 年涵:基于 67 份政策文本的量化分析J 行政论坛，2021(1):82 91 2 徐兵，林建杰，杨华勇 液压电梯的发展历程及展望 J 机床与液压，2005(10):9 10，29 3 WU S，CHENG M H，BECK J L，et al An engineering ap-plication of earthquake early warning:ePAD-based decisionframework for elevator control J Journal of Structural En-gineering，2016，142(1):04015092 4Otis Elevator Company Patent issued for elevator controlsystem and elevator system having inspection control sta-tion:US 10787341 P 2020 09 29 5 恩旺，刘子金，张淼 中国电梯行业的技术发展与趋势 J 建筑科学，2018(9):110 118 6 顾徐毅，朱昌明，张鹏，等 电梯系统综合安全评价方法的研究 J 中国安全科学学报，2008(6):146 151 7 巫细波，杨再高 智慧城市理念与未来城市发展 J 城市发展研究，2010(11):56 60，40 8 王坚，段振刚，叶晓剑 基于三菱 PLC 的群控电梯智能系统设计与实现 J 电气应用，2013(20):93 96 9 杨祯山，邵诚 电梯群控技术的现状与发展方向 J 控制与决策，2005(12):1321 1331 10 WEI J，ZHAO G 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