基于PLC的六部十層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真

基于PLC的六部十層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真目錄TOC\o"1-4"\h\z\u248361引言 摘要：為了進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的電梯群控策略并提高系統(tǒng)的安全性，本論文設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)規(guī)則下最小候梯時(shí)間調(diào)度的群控策略，并以西門子博圖軟件作為設(shè)計(jì)平臺(tái)、SIMATICS7-1200PLC為電梯控制器。結(jié)合電梯運(yùn)行狀態(tài)、乘客的等待時(shí)間、負(fù)載情況和緊急情況等多種因素，系統(tǒng)將電梯總體呼梯狀態(tài)進(jìn)行范圍劃分，通過(guò)群控策略進(jìn)行調(diào)度計(jì)算。選取相對(duì)候梯時(shí)間最小的電梯進(jìn)行分配。并將其與現(xiàn)有的群控策略進(jìn)行比較選擇，并進(jìn)行程序編寫和調(diào)試。最后，利用電梯仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了本次對(duì)六部十層電梯的群控策略的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能穩(wěn)定運(yùn)行，而且具有更高的安全性和可靠性。關(guān)鍵詞:PLC；電梯控制系統(tǒng)；群控調(diào)度；安全；實(shí)時(shí)監(jiān)控；1引言1.1電梯控制系統(tǒng)的研究意義近些年來(lái)，隨著城市化的推進(jìn)和高層建筑的不斷增加，電梯控制領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和壯大。伴隨著近些年來(lái)人口密度的增加，對(duì)于多步多層電梯智能控制程序的需求也逐漸加大[1-2]。與此同時(shí)，電梯出現(xiàn)意外的可能性也會(huì)隨著控制程序的復(fù)雜性而逐漸提高。所以，一個(gè)運(yùn)輸更智能且可以隨時(shí)對(duì)電梯的工作狀況進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)故障電梯進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的電梯程序，對(duì)于提高人們的出行效率，維護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)通常通過(guò)繼電器來(lái)接觸控制電路，但是這種控制容易出現(xiàn)故障，維護(hù)不便，運(yùn)行壽命短，占地空間大，正逐步被淘汰[3]，PLC作為工業(yè)設(shè)備，控制能力好，穩(wěn)定性強(qiáng)，以PLC為載體的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，并具有較好的監(jiān)控能力，非常適合電梯控制程序的改進(jìn)和應(yīng)用[4]?；赑LC的智能交互電梯控制系統(tǒng)，可以通過(guò)對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電梯故障并進(jìn)行處理，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)電梯的智能化控制，如根據(jù)人流量、時(shí)間等因素，自動(dòng)調(diào)整電梯的運(yùn)行模式，提高電梯的運(yùn)行效率和人員的出行體驗(yàn)[5]。1.2電梯控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)的電梯安全控制系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的邏輯控制方式，通?；谟邢逘顟B(tài)機(jī)或類似的算法[6]。雖然這些系統(tǒng)能夠確?；镜倪\(yùn)行安全，但其處理復(fù)雜情況的能力有限，存在一定的安全隱患。近年來(lái)，各種調(diào)度算法在電梯安全控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如最短響應(yīng)時(shí)間優(yōu)先（SSTF）和最短尋路時(shí)間優(yōu)先（SCAN）等。這些算法能夠優(yōu)化電梯的調(diào)度，提高系統(tǒng)的效率和安全性[7-8]。智能化電梯安全控制系統(tǒng)利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)學(xué)習(xí)乘客行為模式和流量分布，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整電梯的運(yùn)行策略，從而提高系統(tǒng)的安全性和乘客的舒適度[9]。大型建筑中常存在多部電梯并行運(yùn)行的情況，為提高系統(tǒng)的安全性和效率，多電梯聯(lián)合控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[10]。這些系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多部電梯之間的協(xié)同運(yùn)行，避免擁堵和空載等安全隱患。利用環(huán)境感知技術(shù)，如傳感器、視頻監(jiān)控等，可以實(shí)現(xiàn)更智能化的電梯安全控制系統(tǒng)[11]。圖像識(shí)別技術(shù)與電梯調(diào)度系統(tǒng)的相互結(jié)合是今后的發(fā)展方向。這些系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)乘客的異常行為（電梯乘客異常行為是指乘客在電梯內(nèi)做出的威脅設(shè)備正常運(yùn)行以及乘客生命安全的一系列危險(xiǎn)動(dòng)作）、電梯的運(yùn)行狀態(tài)以及周圍環(huán)境的情況，為安全控制提供更精準(zhǔn)的信息和反饋。由于需要部署大量的傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析，系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維成本相對(duì)較高。1.3控制器和相關(guān)仿真軟件用來(lái)實(shí)現(xiàn)電梯安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器為S7-1200系列PLC，該系列PLC擁有模塊化的設(shè)計(jì)，用戶能按照個(gè)人需求來(lái)配置相對(duì)應(yīng)的輸入/輸出模塊。其處理性能強(qiáng)大，響應(yīng)速度快，能勝任各種復(fù)雜控制任務(wù)，并且該P(yáng)LC內(nèi)置多種通信接口，支持多種通信協(xié)議，能夠與其他設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)的交換和集成[12]。控制軟件為TotallyIntegratedAutomationPortalV18，此軟件是西門子公司推出的工業(yè)自動(dòng)化軟件平臺(tái)的最新版本。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及，安全性成為越來(lái)越重要的考慮因素[13]。它提供的對(duì)新硬件設(shè)備的支持、性能提升、功能改進(jìn)、安全性增強(qiáng)以及與其他系統(tǒng)集成，使得設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)更加高效。仿真軟件使用的是ElevatorSimulationPro，該軟件是一款專業(yè)的電梯系統(tǒng)模擬軟件，主要用于模擬和分析不同環(huán)境下電梯系統(tǒng)的運(yùn)行情況[14]，包括商業(yè)大廈、住宅樓或工業(yè)設(shè)施等場(chǎng)景，允許用戶模擬電梯系統(tǒng)的運(yùn)行，包括乘客流量、電梯移動(dòng)和?？康炔僮鳎@種模擬功能能夠幫助使用者評(píng)估不同場(chǎng)景下電梯系統(tǒng)的性能和效率。ElevatorSimulationPro還支持不同場(chǎng)景和條件的建模，用戶可以模擬高峰期、緊急情況或維護(hù)計(jì)劃等不同情況，以評(píng)估電梯系統(tǒng)在不同工作條件下的表現(xiàn)；該軟件具有直觀的可視化界面，顯示電梯系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、乘客流動(dòng)、電梯位置等信息，這種可視化表示有助于使用者更直觀地了解電梯系統(tǒng)運(yùn)行情況[15]。2電梯控制系統(tǒng)框架及原理2.1電梯控制系統(tǒng)的組成部分（1）傳感器和輸入信號(hào)電梯控制系統(tǒng)通常會(huì)使用各種傳感器來(lái)檢測(cè)電梯運(yùn)行狀態(tài)和乘客需求，例如上/下平層傳感器傳感器、門開(kāi)關(guān)傳感器、負(fù)載傳感器等。這些傳感器會(huì)向控制系統(tǒng)發(fā)送輸入信號(hào)，提供電梯當(dāng)前的狀態(tài)信息。（2）控制算法控制算法是電梯控制系統(tǒng)的核心部分，其目標(biāo)是根據(jù)輸入信號(hào)和預(yù)設(shè)的運(yùn)行策略，確定電梯的運(yùn)行方式和調(diào)度順序。常見(jiàn)的控制算法包括基于調(diào)度算法（如最短路徑算法、最小等待時(shí)間算法）、基于優(yōu)先級(jí)的算法（如VIP優(yōu)先級(jí)、緊急情況優(yōu)先級(jí)）等。（3）電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控控制系統(tǒng)會(huì)持續(xù)監(jiān)控電梯的運(yùn)行狀態(tài)，包括轎廂位置、門狀態(tài)、負(fù)載情況等。通過(guò)傳感器提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)可以了解電梯當(dāng)前的位置和狀態(tài)，以便做出相應(yīng)的調(diào)度和控制決策。（4）門控制電梯門的開(kāi)關(guān)控制是電梯控制系統(tǒng)的重要功能之一。控制系統(tǒng)需要根據(jù)乘客的請(qǐng)求和電梯的運(yùn)行狀態(tài)，合理地控制電梯門的開(kāi)啟和關(guān)閉，以確保乘客的安全和便利。（5）調(diào)度和分配控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)乘客的請(qǐng)求和電梯的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地調(diào)度和分配電梯資源，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的運(yùn)行效率和乘客體驗(yàn)。這涉及到電梯的?？繕菍舆x擇、乘客的優(yōu)先級(jí)分配等問(wèn)題。（6）故障處理和安全保護(hù)控制系統(tǒng)需要具備故障處理和安全保護(hù)功能，以及時(shí)應(yīng)對(duì)電梯運(yùn)行中可能出現(xiàn)的故障和緊急情況，保障乘客的安全。電梯的安全保護(hù)功能包括緊急停車、應(yīng)急通信、火災(zāi)報(bào)警等。2.2六部十層電梯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.1電梯結(jié)構(gòu)電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般由電梯控制器、電梯傳感器、電梯執(zhí)行器和電梯操作面板等組成。每部電梯都包括轎廂、門系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、控制器、傳感器和用戶界面等組件。傳感器包含上/下平層傳感器、門開(kāi)關(guān)傳感器、上/下端站限位傳感器等。上/下平層傳感器用于檢測(cè)電梯當(dāng)前位置，門開(kāi)關(guān)傳感器用于監(jiān)測(cè)門的狀態(tài)，上/下端站限位傳感器用于檢測(cè)電梯轎廂運(yùn)行時(shí)位置是否超過(guò)限位。主控制器根據(jù)傳感器信號(hào)和乘客請(qǐng)求，執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)度算法，控制電梯的運(yùn)行[16]。電動(dòng)機(jī)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般放置于樓層頂部，用于驅(qū)動(dòng)電梯進(jìn)行上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)通常采用曳引電動(dòng)機(jī)，通過(guò)傳感器和控制器的指令來(lái)控制電梯的運(yùn)行。電梯還要求配備有安全裝置，如限速器、安全門邊緣裝置和緊急停車按鈕等。這些裝置可以在緊急情況下立即停止電梯運(yùn)行，保障乘客的安全。每個(gè)樓層和電梯內(nèi)部都設(shè)有用戶界面，包括按鈕和顯示屏。乘客可以通過(guò)按鈕選擇目標(biāo)樓層，顯示屏則顯示電梯的當(dāng)前狀態(tài)和運(yùn)行信息，以便乘客了解電梯的動(dòng)態(tài)。電梯外形及部分工作原理如圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4所示。圖2-1電梯模型原理示意圖圖2-2七段數(shù)碼管圖2-3電梯控制系統(tǒng)外形圖圖2-4六部十層電梯整體外形圖2.2.2電梯工作原理當(dāng)乘客在某個(gè)樓層按下上行或下行按鈕或在轎廂內(nèi)部按樓層按鈕時(shí)，傳感器將檢測(cè)到乘客的請(qǐng)求，并將信號(hào)傳送到控制器?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前電梯的位置和運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)度算法，決定哪部電梯應(yīng)該響應(yīng)乘客的請(qǐng)求。被選中的電梯將啟動(dòng)并移動(dòng)到乘客所在的樓層，開(kāi)啟門讓乘客進(jìn)入。隨后，根據(jù)乘客選擇的目標(biāo)樓層，電梯將啟動(dòng)并按照設(shè)定的路徑運(yùn)行到目標(biāo)樓層，再次開(kāi)啟門讓乘客出入[17]。整個(gè)過(guò)程中，傳感器和控制器持續(xù)監(jiān)測(cè)電梯狀態(tài)，并確保運(yùn)行安全和有效，其工作原理如圖2-5所示。圖2-5電梯工作原理圖2.2.3電梯設(shè)定參數(shù)電梯模型為六部十層，為了使實(shí)驗(yàn)具有普適性，需要分別設(shè)置客梯和貨梯，并使他們的不同載重能夠滿足不同場(chǎng)景下的運(yùn)輸需求。750/1050kg的客梯載重量可以輕松應(yīng)對(duì)一般的乘客運(yùn)輸，而1200kg的貨梯載重量則適用于貨物運(yùn)輸?shù)忍厥鈭?chǎng)景。考慮電梯在高峰期的運(yùn)載能力，單步定員設(shè)計(jì)為10人，保證電梯系統(tǒng)在繁忙時(shí)段能夠高效運(yùn)行，減少乘客等待時(shí)間，提高出行效率。這一設(shè)計(jì)還能夠確保乘客在電梯內(nèi)有足夠的空間，提升了乘坐體驗(yàn)和舒適度。通過(guò)合理設(shè)置載重和定員，可以確保電梯系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)超載，保障乘客的安全。同時(shí)，遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計(jì)也有助于降低潛在風(fēng)險(xiǎn)，確保電梯系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[18]。表2-1六部十層電梯設(shè)計(jì)參數(shù)名稱設(shè)計(jì)參數(shù)名稱設(shè)計(jì)參數(shù)客梯數(shù)量6個(gè)客梯層數(shù)10層單步載重客梯750/1050kg貨梯1200kg單步定員10人3單步電梯控制程序設(shè)計(jì)3.1上下行當(dāng)電梯處于靜止/運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，還未進(jìn)入電梯乘客會(huì)通過(guò)電梯大廳內(nèi)的上行/下行按鈕召喚電梯，而處于電梯內(nèi)部的乘客會(huì)按下電梯轎廂內(nèi)部的選層按鈕。電梯接收到向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定樓層/向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定樓層的請(qǐng)求后，電梯啟動(dòng)并向上/下運(yùn)行，途中可能會(huì)停靠其他樓層接收乘客或放下乘客。電梯上下行與高低速、指示燈、三級(jí)制動(dòng)、開(kāi)關(guān)門等模塊聯(lián)系密切。當(dāng)單步電梯處理上下行任務(wù)時(shí)，在電梯未超載的前提下，如果“電梯正在向上運(yùn)行”或者“電梯在未接到外層呼梯任務(wù)前，電梯內(nèi)部有人按下了比當(dāng)前電梯位置更高的樓層對(duì)應(yīng)的內(nèi)選按鈕”，那么它會(huì)優(yōu)先去接距離自己當(dāng)前位置最近且想要去上層的乘客；反之，如果“電梯正在向下運(yùn)行”或者“電梯在未接到外層呼梯任務(wù)前，電梯內(nèi)部有人按下了比當(dāng)前電梯位置更低的樓層對(duì)應(yīng)的內(nèi)選按鈕”，那么它會(huì)優(yōu)先去接距離自己當(dāng)前位置最近且想要去下層的乘客。在電梯上下運(yùn)行的過(guò)程中，將在其會(huì)經(jīng)過(guò)的樓層停止并開(kāi)門使想要到達(dá)該樓層的乘客離開(kāi)轎廂。電梯上行情況范例：電梯當(dāng)前處于第1層且無(wú)任務(wù)，若第2層電梯門口有人按下了上行呼梯按鈕/下行呼梯按鈕，或者電梯內(nèi)部有人按下了2層內(nèi)選按鈕，那么電梯會(huì)收到到達(dá)并停在2層的指令，此時(shí)電梯打開(kāi)上行接觸器向上層運(yùn)動(dòng)。同理，電梯當(dāng)前若停留在3層，那么當(dāng)其收到到達(dá)并停在2層的指令后，電梯將打開(kāi)下行接觸器向下層運(yùn)動(dòng)。上行接觸器與下行接觸器為互鎖狀態(tài)，不能同時(shí)工作。電梯上/下行對(duì)應(yīng)程序如圖3-1、圖3-2。3.2高低速通常在電梯沒(méi)有乘客時(shí)，或者在高峰時(shí)段，電梯將高速運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)樓層以快速接送乘客。高速運(yùn)行時(shí)，電梯加速和減速較快，節(jié)省時(shí)間。電梯運(yùn)行過(guò)程中有乘客時(shí)，或者在低峰時(shí)段，通常采用低速運(yùn)行。低速運(yùn)行時(shí)，電梯加速和減速較慢，可以給乘客提供更加舒適的乘坐體驗(yàn)。一般情況下，當(dāng)電梯到達(dá)目標(biāo)樓層的前一樓層時(shí)，由高速轉(zhuǎn)為低速，即關(guān)閉高速接觸器并同時(shí)打開(kāi)低速接觸器，而后在停梯前開(kāi)始三級(jí)制動(dòng)減速停梯。高速接觸器和低速接觸器應(yīng)該為互鎖狀態(tài)，以保證乘客乘梯安全。3.3按鈕與指示燈按鈕分為外部按鈕和內(nèi)部按鈕。外部按鈕位于電梯大廳轎廂門旁，用于乘客召喚電梯，分為上行呼梯按鈕和下行呼梯按鈕；內(nèi)部按鈕位于電梯內(nèi)部的按鈕面板，用于乘客選擇目標(biāo)樓層。指示燈也分為外部指示燈和內(nèi)部指示燈。外部指示燈包含上下行指示和上下行呼梯按鈕指示燈，位于每個(gè)樓層的電梯門旁，用來(lái)指示電梯的運(yùn)行方向（上行或下行）和乘客希望上樓或下樓；內(nèi)部指示燈包含電梯內(nèi)選按鈕指示燈和七段數(shù)碼管，位于電梯內(nèi)部按鈕旁，用于指示電梯當(dāng)前所在樓層和乘客選擇的目標(biāo)樓層。如果有一位乘客在電梯內(nèi)同時(shí)登記了多個(gè)樓層，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的轎廂內(nèi)乘客重量，自動(dòng)取消這些樓層；乘客還可以在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)按壓已登記的樓層按鈕來(lái)主動(dòng)取消已登記的樓層，從而避免電梯無(wú)效運(yùn)行、浪費(fèi)能源。按鈕與指示燈對(duì)應(yīng)程序如圖3-3、圖3-4所示。圖3-1電梯上行程序圖3-2電梯下行程序圖3-3內(nèi)選按鈕指示燈程序圖3-4七段數(shù)碼管程序3.4計(jì)算樓層數(shù)電梯需要能夠準(zhǔn)確地計(jì)算樓層數(shù)，以便在乘客選擇目標(biāo)樓層時(shí)準(zhǔn)確到達(dá)目的地。電梯內(nèi)部有上下平層傳感器，用于檢測(cè)電梯位置。電梯運(yùn)行前需要進(jìn)行初始化，初始化過(guò)后電梯方能確認(rèn)自己當(dāng)前所在樓層，然后由電梯內(nèi)部程序根據(jù)傳感器檢測(cè)到的樓層位置通過(guò)電梯內(nèi)部相應(yīng)的編程邏輯進(jìn)行計(jì)算和更新，再然后通過(guò)電梯內(nèi)部的七段數(shù)碼管顯示當(dāng)前所在樓層。計(jì)算樓層數(shù)程序如圖3-5所示。圖3-5計(jì)算樓層數(shù)程序3.5開(kāi)關(guān)門電梯的開(kāi)關(guān)門是確保乘客進(jìn)出安全的重要部分，一般由電動(dòng)機(jī)和門機(jī)構(gòu)組成，負(fù)責(zé)控制門的打開(kāi)和關(guān)閉。在門的開(kāi)關(guān)區(qū)域安裝有傳感器，用于檢測(cè)是否有人或物體阻礙門的關(guān)閉，以避免夾傷事故。電梯門通常裝有安全裝置，如光電開(kāi)關(guān)或壓力傳感器，用于檢測(cè)門口的安全情況，并在必要時(shí)停止門的關(guān)閉動(dòng)作。當(dāng)電梯需要開(kāi)門時(shí)，給開(kāi)門繼電器輸出信號(hào)，開(kāi)門繼電器工作；同理，當(dāng)電梯需要開(kāi)關(guān)門時(shí)，給關(guān)門繼電器輸出信號(hào)，關(guān)門繼電器工作，開(kāi)關(guān)門繼電器保持互鎖。開(kāi)關(guān)門程序如圖3-6所示。圖3-6開(kāi)關(guān)門部分3.6初始化當(dāng)電梯PLC變頻程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，程序初始化最主要的步驟就是給通信以及數(shù)據(jù)賦予最初的數(shù)值，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，常見(jiàn)的初始化步驟包括系統(tǒng)檢測(cè)、校準(zhǔn)位置和系統(tǒng)復(fù)位。初始化時(shí)電梯系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行各種檢測(cè)，包括傳感器、門機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)等是否正常工作。電梯會(huì)通過(guò)向上/向下初始化到達(dá)第一限位，然后重置電梯當(dāng)前位置，確保系統(tǒng)知道電梯所在的準(zhǔn)確樓層位置。在初始化過(guò)程中，電梯系統(tǒng)會(huì)將各個(gè)部件和參數(shù)恢復(fù)到初始狀態(tài)，以確保電梯處于可用狀態(tài)。電梯初始化過(guò)程如圖3-7所示。圖3-7電梯初始化過(guò)程3.7三級(jí)制動(dòng)為了確保電梯在運(yùn)行過(guò)程中的安全性，通常要采用三級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)不同的緊急情況，當(dāng)電梯檢測(cè)到緊急情況（如電梯速度異?；蛳到y(tǒng)故障）時(shí)，會(huì)立即啟動(dòng)一級(jí)制動(dòng)，切斷電梯的動(dòng)力源，使電梯停止運(yùn)行。如果一級(jí)制動(dòng)無(wú)法解決問(wèn)題，電梯會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，例如通過(guò)應(yīng)用電梯轎廂的摩擦制動(dòng)器來(lái)減速和停止電梯。如果二級(jí)制動(dòng)也失敗，電梯會(huì)啟動(dòng)最終的緊急制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)緊急緩沖裝置或安全制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)確保電梯安全停止，最大限度地減少事故風(fēng)險(xiǎn)。4六部十層電梯程序設(shè)計(jì)4.1電梯載客模型分析6部10層電梯模型預(yù)設(shè)安置在一棟寫字樓里，寫字樓包含超市樓層，辦公樓層，以及會(huì)客室。預(yù)估人流量較大，電梯目標(biāo)乘客類型復(fù)雜，且會(huì)有早晚高峰。因此電梯程序設(shè)計(jì)應(yīng)偏向于提升效率，保障安全。電梯的調(diào)度分配以內(nèi)護(hù)信號(hào)和外呼信號(hào)作為目標(biāo)變量，將運(yùn)行方向和電梯當(dāng)前載重量視為干擾變量，通過(guò)計(jì)算電梯接送乘客所需花費(fèi)的時(shí)間來(lái)分配任務(wù)，規(guī)劃路線，以此來(lái)減少乘客平均候梯時(shí)間，提升乘客出行效率。4.2電梯調(diào)度算法電梯調(diào)度算法采用“平均最小侯梯時(shí)間調(diào)度”。即通過(guò)電梯外呼信號(hào)，電梯內(nèi)選信號(hào)以及電梯當(dāng)前所處位置和載重量來(lái)判斷派哪一部電梯去接乘客在整體上效率最高。使用該方法首先要計(jì)算每部電梯響應(yīng)外呼信號(hào)所需運(yùn)動(dòng)的距離，舉例說(shuō)明：設(shè)電梯響應(yīng)呼梯信號(hào)的運(yùn)動(dòng)距離為s，電梯當(dāng)前樓層數(shù)為a，電梯執(zhí)行下行任務(wù)停留的最遠(yuǎn)端樓層數(shù)為b，電梯執(zhí)行上行任務(wù)時(shí)停留的最遠(yuǎn)端樓層數(shù)為c。當(dāng)電梯在任一樓層處于停止?fàn)顟B(tài)，不用向上/向下移動(dòng)執(zhí)行任務(wù)或者電梯正在1層接客等待上行時(shí)，計(jì)算電梯響應(yīng)一層上呼信號(hào)的運(yùn)動(dòng)距離所需的公式為：s=|a?1|（4-1）當(dāng)電梯向下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，計(jì)算其響應(yīng)1層上呼信號(hào)的運(yùn)動(dòng)距離的公式為：s=|a?b|+|b?1|（4-2）當(dāng)電梯正在執(zhí)行向上的任務(wù)且電梯當(dāng)前樓層數(shù)大于1時(shí)，計(jì)算電梯響應(yīng)一層上呼運(yùn)動(dòng)距離的公式為：s=|a?c|+|1?b|+|b?c|（4-3）計(jì)算樓層數(shù)程序段如圖4-1所示。圖4-1計(jì)算運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算電梯響應(yīng)外呼信號(hào)所需運(yùn)動(dòng)的距離的同時(shí)，還要計(jì)算電梯執(zhí)行該任務(wù)之前所需完成的任務(wù)數(shù)量。將“電梯響應(yīng)一層上呼信號(hào)”以及“電梯有一層內(nèi)選信號(hào)”合并為一個(gè)任務(wù)，任務(wù)名稱為“1上含內(nèi)選”，同理得“2上含內(nèi)選”“2下含內(nèi)選”“3上含內(nèi)選”“3下含內(nèi)選”等；將“電梯響應(yīng)1層上呼信號(hào)”作為任務(wù)“1上”，同理得“2上”“3上”“2下”“3下”等。令“停1上含內(nèi)”為int型信號(hào)，若執(zhí)行“1上含內(nèi)選任務(wù)”即電梯在之后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)在1層?？?，則令“停1上含內(nèi)”等于1，反之則令其等于0，同理有“停2上含內(nèi)”“停3上含內(nèi)”等。電梯當(dāng)前樓層數(shù)等于2時(shí)，令“電梯下行含內(nèi)停梯次數(shù)”的值等于“停1上含內(nèi)”；電梯當(dāng)前樓層數(shù)等于3時(shí)，令“電梯下行含內(nèi)停梯次數(shù)”的值等于“停1上含內(nèi)”+“停2下含內(nèi)”。當(dāng)電梯位于其它樓層時(shí)，重復(fù)上述操作。由類似方式可求得“電梯上行含內(nèi)停梯次數(shù)”。求得以上變量后可在程序內(nèi)通過(guò)加法計(jì)數(shù)器計(jì)算電梯在不同位置響應(yīng)不同呼梯信號(hào)前所需完成的任務(wù)數(shù)量。計(jì)算電梯執(zhí)行任務(wù)前所需完成的任務(wù)數(shù)量的部分程序段如圖4-2、圖4-3、圖4-4所示。圖4-2計(jì)算電梯執(zhí)行任務(wù)前所需完成的任務(wù)數(shù)量（第一部分）圖4-3計(jì)算電梯執(zhí)行任務(wù)前所需完成的任務(wù)數(shù)量（第二部分）圖4-4計(jì)算電梯執(zhí)行任務(wù)前所需完成的任務(wù)數(shù)量（第三部分）變量設(shè)定如下：（1）“電梯高速前進(jìn)一層所需時(shí)間”=IN1；（2）“電梯高速轉(zhuǎn)低速后制動(dòng)所需時(shí)間”=IN2；（3）“電梯停梯接人所需時(shí)間”=IN3；（4）“電梯執(zhí)行1層上呼任務(wù)前所需完成的任務(wù)數(shù)量”=IN4；（5）“電梯響應(yīng)1層上呼運(yùn)動(dòng)距離”=IN5；（6）“1.0”=IN6；（7）“電梯響應(yīng)1層上呼所需時(shí)間”=OUT由此可得OUT=(IN5-IN4-IN6)*IN1+IN3*IN4+(IN4+IN6)*IN2程序段如圖4-5所示：圖4-5計(jì)算電梯響應(yīng)任務(wù)所需時(shí)間同理，可求得電梯在任意位置響應(yīng)不同任務(wù)所需時(shí)間。4.3電梯調(diào)度分配求得六部電梯響應(yīng)各個(gè)外呼任務(wù)所需時(shí)間時(shí)，對(duì)六部電梯進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度分配。在電梯未滿載且樓層信號(hào)尚未被分配的情況下，不同樓層外呼信號(hào)分別分配給到達(dá)并處理其任務(wù)時(shí)間最短的電梯，分配程序如圖4-6所示。電梯會(huì)實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前是否處于早晚高峰時(shí)間，若出現(xiàn)早高峰，即短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量乘客按下一樓上行呼梯按鈕，但二層以上外呼信號(hào)較少的時(shí)候，所有電梯都會(huì)響應(yīng)一層上行呼梯信號(hào)，在內(nèi)選任務(wù)結(jié)束后，優(yōu)先前往一樓去接乘客，以此提高乘客出行效率。圖4-6電梯調(diào)度分配程5安全性設(shè)計(jì)5.1安全問(wèn)題電梯故障，一般集中在機(jī)械和電氣兩個(gè)方面，但人為因素也不容忽視。電梯系統(tǒng)中可能發(fā)生的機(jī)械故障包括電梯突然墜落、電梯門失控夾人、電梯停滯等情況，可能導(dǎo)致乘客傷亡。電氣故障可能導(dǎo)致電梯無(wú)法正常運(yùn)行或發(fā)生火災(zāi)等安全事故。乘客的錯(cuò)誤操作、惡意破壞等人為因素也是電梯系統(tǒng)發(fā)生安全問(wèn)題的隱患。5.2解決方法(1)故障預(yù)測(cè)與預(yù)防系統(tǒng)電梯運(yùn)行安全問(wèn)題的根本原因主要是電梯監(jiān)控技術(shù)的穩(wěn)定性不高，只有提升整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控穩(wěn)定性，才能保證電梯安全穩(wěn)定地運(yùn)行。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，預(yù)測(cè)電梯可能出現(xiàn)的故障或異常情況，并提前采取預(yù)防措施，避免事故發(fā)生。(2)智能監(jiān)控與診斷系統(tǒng)建立電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，包括電梯轎廂內(nèi)部和電梯井道外部的監(jiān)控?cái)z像頭、傳感器等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)行情況，并通過(guò)智能診斷系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，提供故障診斷和處理建議。實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)控如圖5-1、圖5-2所示。圖5-1PLC輸入信號(hào)監(jiān)控圖5-2PLC輸出信號(hào)監(jiān)控(3)緊急救援與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)智能緊急救援裝置，當(dāng)電梯發(fā)生故障或事故時(shí)，能夠自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并提供相對(duì)準(zhǔn)確的位置信息。同時(shí)建立遠(yuǎn)程監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制電梯救援操作，提高救援效率和安全性。實(shí)驗(yàn)通過(guò)“電梯當(dāng)前樓層數(shù)細(xì)化”來(lái)判斷電梯當(dāng)前所處的位置，而“電梯當(dāng)前樓層數(shù)細(xì)化”的計(jì)算則通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，將1層與2層之間的樓層細(xì)化為1.25層（電梯在1層開(kāi)始上行時(shí)上平層信號(hào)消失但下平層信號(hào)仍在/電梯在2層開(kāi)始下行時(shí)有了下平層信號(hào)卻還沒(méi)有上平層信號(hào)的位置）、1.5層（電梯在1層和2層之間但沒(méi)有上下平層信號(hào)的位置）、1.75層（電梯在2層開(kāi)始下行時(shí)下平層信號(hào)消失但上平層信號(hào)仍在/電梯在1層開(kāi)始上行時(shí)有了上平層信號(hào)卻還沒(méi)有下平層信號(hào)的位置），方便救援人員定位電梯當(dāng)前位置。電梯緊急救援相關(guān)程序圖如圖5-3、圖5-4、圖5-5所示。圖5-3電梯緊急救援相關(guān)程序圖5-4電梯緊急救援相關(guān)程序圖圖5-5電梯緊急救援相關(guān)程序圖智能安全門系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能安全門系統(tǒng)，通過(guò)高精度傳感器和智能控制算法，實(shí)現(xiàn)電梯門口的安全監(jiān)控和控制，避免乘客夾傷事故的發(fā)生。當(dāng)電梯停梯時(shí)，在未超重且電梯內(nèi)部有乘客的情況下連續(xù)七次開(kāi)關(guān)門后，使電梯強(qiáng)制保持開(kāi)門狀態(tài)。(5)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的安全管理利用大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施解決。人機(jī)交互與用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)人性化的用戶界面和交互方式，提高乘客對(duì)電梯安全的感知和信任，增強(qiáng)乘客的安全意識(shí)和行為規(guī)范。人機(jī)交互界面通過(guò)WinCC實(shí)現(xiàn)，WinCC界面分別顯示電梯運(yùn)行方向、電梯當(dāng)前樓層、電梯轎廂門開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及電梯當(dāng)前載重量，管理員可以在后臺(tái)監(jiān)查電梯實(shí)時(shí)狀態(tài)，在檢測(cè)到故障信號(hào)后，及時(shí)排查問(wèn)題。人機(jī)交互界面顯示圖如圖5-6所示。圖5-6電梯人機(jī)交互界面顯示圖智能化維護(hù)與保養(yǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)智能化的維護(hù)與保養(yǎng)系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯設(shè)備的定期檢修和保養(yǎng)，提高電梯設(shè)備的可靠性和使用壽命。6仿真驗(yàn)證在六部十層的電梯模型中，以總?cè)藬?shù)500人且有早晚高峰的工程進(jìn)行模擬載客，仿真時(shí)間共35分鐘，前15分鐘為早高峰時(shí)段，后10分鐘為晚高峰時(shí)段，中間時(shí)段乘客較少且分布平均，以不同調(diào)度算法在同一工程模型中進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)，取其實(shí)驗(yàn)結(jié)果中“運(yùn)輸乘客數(shù)量”，“乘客平均候梯時(shí)間”，“乘客平均乘梯時(shí)間”，“乘客長(zhǎng)時(shí)間候梯率”的平均值作對(duì)比，以此判斷不同調(diào)度算法的總體性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6-1、圖6-2、圖6-3所示。圖6-1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1圖6-2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2圖6-3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表6-1所示。表6-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比調(diào)度算法運(yùn)輸乘客數(shù)量（人）乘客平均候梯時(shí)間（秒）乘客平均乘梯時(shí)間（秒）乘客長(zhǎng)時(shí)間候梯率總和得分分區(qū)調(diào)度算法43532.3460.120.1873.27最短響應(yīng)距離調(diào)度算法46727.7557.350.1575.66最短響應(yīng)時(shí)間調(diào)度算法48925.6355.140.1088.92最短響應(yīng)時(shí)間調(diào)度算法在多次仿真中，平均載客489人。乘客平均候梯時(shí)間25.63秒，乘客平均乘梯時(shí)間55.14秒，乘客長(zhǎng)時(shí)間候梯率為0.1。各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于最短路程調(diào)度的群控算法和分區(qū)調(diào)度的群控算法。仿真過(guò)程中，在人為加入干擾時(shí)，電梯會(huì)及時(shí)在WinCC界面報(bào)警，通過(guò)WinCC界面，管理員可以控制電梯是否繼續(xù)運(yùn)行或脫離調(diào)度，進(jìn)行停梯檢修。7結(jié)論與展望實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于時(shí)間調(diào)度的群控方案在電梯運(yùn)行中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。該算法不僅能夠有效降低乘客的等待時(shí)間，還能夠適應(yīng)電梯運(yùn)行參數(shù)隨機(jī)性變化的情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策的切換，提升了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。且PLC系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行中的各種參數(shù)，并對(duì)可能存在的故障進(jìn)行快速診斷。通過(guò)WINCC監(jiān)控畫(huà)面，管理員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電梯運(yùn)行中的異常情況，如電機(jī)過(guò)載、門系統(tǒng)故障等，從而及時(shí)采取相應(yīng)的措施，確保乘客的安全。在研究過(guò)程中主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作：（1）了解電梯的起源和發(fā)展歷程，加深了對(duì)電梯運(yùn)行過(guò)程和控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并掌握了西門子S7-1200系列PLC在電梯控制系統(tǒng)中的運(yùn)用原理。（2）介紹了電梯PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括電梯的電動(dòng)機(jī)、傳感器、開(kāi)關(guān)門系統(tǒng)等，并簡(jiǎn)要說(shuō)明了各部分的工作原理。（3）重點(diǎn)研究了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，使用西門子S7-1200系列PLC對(duì)輸入和輸出變量進(jìn)行了定義和分配，根據(jù)主程序流程圖和電梯的基本功能，以模塊化編程思想設(shè)計(jì)了“上下行”、“高低速”、“初始化”等九個(gè)相互關(guān)聯(lián)的梯形圖程序。（4）利用ElevatorSimulationPro和WinCC對(duì)電梯運(yùn)行時(shí)的模擬工程和可能發(fā)生的故障情況進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的梯形圖程序正確，符合電梯實(shí)際的運(yùn)行規(guī)律。雖然PLC的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在電梯安全性方面具有部分提升，不過(guò)使用PLC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的投入的成本較高，這會(huì)限制該系統(tǒng)在一些中小型建筑物中的推廣應(yīng)用。且該系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化控制，在部分問(wèn)題的處理方面，仍然需要管理員的決策。展望未來(lái)，基于PLC的電梯控制系統(tǒng)在提升安全性方面還有進(jìn)一步的發(fā)展空間。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，可以將更多智能化的功能集成到PLC系統(tǒng)中，如人流監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化維護(hù)等，進(jìn)一步提高電梯的安全性和便捷性。同時(shí)，還可以加強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)能力，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，從而進(jìn)一步提高電梯的安全性和可靠性。參考文獻(xiàn)鄒忠高.PLC變頻節(jié)能在電氣自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)設(shè)備工程,2023,(21):229-230.劉旭.基于PLC和模糊控制的電梯智能控制系統(tǒng)研究[J].特種設(shè)備安全技術(shù),2023,(05):30-33.張洪成,張永林,潘薇等.基于圖像的電梯群控系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2023,40(10):185-190.李聰林,王琪冰,陸佳煒等.基于數(shù)字孿生的電梯乘客異常行為建模與識(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2023,59(19):274-284.楊昊航.基于PLC的智能電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].吉林建筑大學(xué),2023.林捷暉.電梯節(jié)能技術(shù)探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2023,13(25):159-162.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.039蔣周柳,梁圣.基于PLC變頻技術(shù)的電梯節(jié)能控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2022,(03):33-35+39.DOI:10.19769/j.zdhy.2022.03.011王淵蛟,袁景峰.電梯故障檢測(cè)與節(jié)能優(yōu)化探究[J].中國(guó)設(shè)備工程,2023,(15):157-159.陳志民.電梯運(yùn)行安全在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué),2022.DOI:10.27075/ki.ghzdc.2022.001144宋鶴翔.基于模糊控制的智能電梯群控系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué),2021.DOI:10.27139/ki.ghbdu.2021