PLC在群控电梯系统中的应用

摘要

　　随着社会主义现代化进程的推进，城市化加速，高层建筑也应声而起，电梯逐渐成为生活中不可或缺的垂直交通工具。与此同时，人们不仅仅满足于简单的输送功能，更加在意电梯乘坐时的舒适度。因此提高电梯系统的性能是极其重要的，确保电梯安全高效节能运行是当今电梯的发展趋势。传统的电梯继电器已经不能满足现代电梯的复杂化进程，可编程逻辑控制器（PLC）应用到现代电梯中，能有效提高电梯的控制精度。

　　本文首先介绍了电梯及其控制技术的发展现状，电梯的结构组成及其分类方式，并阐述 PLC 的基础知识，设计单部电梯的 PLC 控制方式，主要包括电梯的输入输出信号分类，和具体的 I/O 口配置，并采用模块化的思想设计电梯各种控制内容，如楼层位置确定、电梯上下行控制、电梯开关门控制和内外呼指令登记与消除等。

　　本文在进行电梯控制系统设计的基础上，结合电梯交通流数据分析，基于电梯交通流特性数据，考虑进出门厅客流量和层间上下行客流量，完成电梯交通流在办公建筑中的预测；随后分析交通流在各时刻的不同，确定其各种交通流模式类别，如上行高峰模式、下行高峰模式、层间交通模式、空闲交通模式和两路交通模式。

　　最后根据西门子 S7-1200 系列 PLC 和对电梯交通流分析结果，选择各种不同电梯性能评价函数，如平均候梯时间、长时间候梯率和平均乘梯时间等指标，完成五部二十层群控电梯系统的设计。

　　关键词：电梯，可编程逻辑控制器，预测，交通流模式类别，群控电梯系统

ABSTRACT

　　With the advancement of socialist modernization, urbanization has accelerated, and high-rise buildings have emerged. Elevators have gradually become an indispensable vertical  means of transportation in life. At the same time, people are not only satisfied with the simple conveying function, but also pay more attention to the comfort of the elevator. Therefore, it is extremely important to improve the performance of elevator system and ensure the safe, efficient and energy-saving operation of elevators is the development trend of today's elevators. The traditional elevator relay could not meet the complicated process of modern elevator. The applicationof programmable logic controller （PLC） to modern elevator can effectively improve the control level of elevator.

　　This article first introduces the developing situation of the elevator and its control technology, the structure of the elevator and its classification, and explains the basic knowledge of PLC, the design of the single elevators PLC control method, mainly includes the classification of input and output signals of the lift, and the specific I/O port configuration, and by adopting the idea of modular design all kinds of elevator control content, such as floor position determine TDD, elevator has control, both inside and outside the elevator doors control and shout instructions to register and the elimination and so on.

　　This paper is not satisfied with the design of simple elevator control system. It analyzes the data of elevator traffic flow, selects the appropriate data of elevator traffic flow characteristics, including the passenger flow in and out hall and the passenger flow between floors, and completes the prediction of elevator traffic flow in office buildings. Then, it analyzes the differences of traffic flow at different moments and determines various traffic flow modes, such as ascending peak mode, descending peak mode, interlayer traffic mode, idle traffic mode and two-way traffic mode.

　　Finally, according to the analysis results of Siemens s7-1200 series PLC and elevator traffic flow, various elevator performance evaluation functions, such as average waiting time, long waiting rate and average waiting time, were selected to complete the design of five 20-storey group controlled elevator system.

　　Key Words: elevator, programmable logic controller, prediction, traffic flow modes, group controlled elevator system
 

　　目录

　　第一章 绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　社会主义现代化进程快速推动，城市人口逐日增加，土地面积日益紧张，建筑物的发展趋势逐渐变为高层或是超高层，而电梯作为高层输送的交通工具，直接决定了生活工作在高层建筑中人群的日常生活质量。

　　19 世纪 90 年代美国奥的斯公司制造出世界上第一部真正意义上的电梯[1].但由于是直流人力控制，其运行速度极慢，且经济效益差。随后 20 世纪初，瑞士迅达公司推出了第一台按钮式电梯，采用全自动的控制方式。很久之前的电梯都是按此输送的形式，电梯的控制系统极其简单，乘客的乘梯需求只能单独响应，很不方便。此后，电梯的控制模式逐渐变成集选的控制方式，该采集方法可以将呼叫中的所有需求信号记录下来，能够完成同方向乘客的乘梯需求，随后再进行反方向的运输乘客。

　　由于单部电梯不能满足电梯交通流较大的情况，无法及时运送乘客到目标楼层，因此群控电梯逐渐被应用到现代建筑中。可以在客流量密度较大时减少长时间候梯，乘梯时间及能量损耗。如果电梯独立工作，则会产生一呼多应等情况，因此多部电梯之间的级联方式成为电梯控制领域的热点。

　　上世纪中叶，美国奥的斯电梯公司和西屋电梯公司率先提议使用多部电梯作为同时控制运行的系统。通过对当前乘坐电梯需求人次、呼叫响应、停站次数和呼叫地距目标楼层的距离长短，优化派梯方案，提升电梯的运行效率。

　　在人类追求便捷方便的同时，电梯的舒适度和安全性逐渐被重视起来，从新的角度推动电梯行业的技术创新。同时，由于市场需求不断变化，人们对电梯的功能也增加，各种类型的电梯推成出新，如观光电梯，购物中心的长扶手电梯等。电梯控制系统中使用了多种技术，例如自动调平技术，微计算机检测技术，图像显示技术，监视系统技术和通信系统技术。电梯控制技术的发展方向正在朝着现代化，智能化和网络化方向发展[2].同时，它给人类生活带来了极大的便利，其舒适性和安全性大大提高。

　　近些年来，电梯群控系统已经成为主流，计算机行业的智能控制算法被应用到电梯行业逐渐成为当今电梯控制行业的大趋势；通过基于各种微机的群控算法能够优化电梯群控系统，完成多部电梯的合理调度派梯，从多个角度改善了此前电梯行业的弱点，如资源分配不合理和运行能耗损失较大等。

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 国内研究现状

　　电梯在建筑中起到至关重要的作用，没有电梯就没有如今高层建筑的发展，类似于其他交通工具的作用，电梯已经成为我们生活的不可或缺的一部分。电梯的总需求随着经济的快速发展、城市化水平增长而增长。虽然在过去一段时间内全球经济持续萎缩不景气，但我国经济仍继续以一个较快的速度增长，这客观的导致了我国电梯行业的急速发展。逐渐，中国的电梯行业变得非常有潜力，蓬勃发展的电梯行业引领全球许多著名的电梯公司，比如三菱、西门子、冬芝和奥的斯之类的，并且他们在该行业已经占有 70%多的份额，先进技术和管理方法的引进又推动了我国电梯行业的快速发展，产生了一批国产的电梯品牌，如浙江巨人、上海华立、苏州江南和宁波宏达等。就目前来说我我国电梯企业已经能够生产各种需求的电梯产品，摆脱了从国外进口，相反还有了一定的出口规模。

　　国内研究人员还对电梯控制进行了更多研究，有学者认为由微机构成的电梯运行系统的电梯会有巨大的发展前景，PLC 控制的电梯可靠性高，开发周期短的这些特点使得PLC 型电梯能够完成更复杂的任务，具有很强的灵活性和稳定性，并成为电梯控制行业未来主要的发展方向[3-6].同时也有学者认为电梯除了需要具有稳定性，在未来更需要从乘客的角度出发，敞亮照明的巨大轿厢空间决定了乘客乘坐电梯时的舒适度；另外还需要更加安全，电梯的运行安全还要求电梯不仅在运行失败时使乘客与外界交流，而且电梯本身应该能够自动播放使乘客感到放松的音乐，从而彻底消除紧张和焦虑的感觉。除了上述的还有其他学者在电梯智能化发展方向做了一定的研究。

　　1.2.2 国外研究现状

　　早期国外的电梯都是由传统继电器给予控制，在取得低价等方面的优势时，存在着系统接线繁琐，接触器触点也容易烧毁和损坏。另外常规的继电器电磁结构触电动作存在一定的延时，很难控制电梯系统精确运行。随着科学技术的进步，PLC 逐渐取代了继电器，克服了传统继电器的缺点，在稳定性上迈出巨大的一步，与此同时，由于采用较少的接线，也为了后续的维护提供了方便。

　　第二次世界大战后，国外的建筑随着经济的复苏快速发展使得电梯进入快速发展时期，各种新的技术被用与建筑电梯的领域。电力电子技术推动了晶闸管的发展，整流装置被用于电梯拖动系统，从而简化了电梯的牵引系统并提高了性能；调压调频技术的研制，也被应用到电动机通过控制定子的电压和频率方便了电梯运行速度的调节，在 20世纪末，日本曾使得变频调速电梯的运行速度到达 12.5m/s,宣告了交流电梯在高速电梯领域的突破。

　　欧洲美洲国家对电梯的研究主要集中在控制方法上，依靠的是成熟的 PLC 技术。同时，日本也依赖 PLC 的逻辑控制实现变频电梯技术的突破，使用变频技术的电梯在节能上有明显优势[7-8].随后，低速和中速类型的电梯都基本上实现了永磁同步无齿轮电机的应用，使得当代电梯技术取得了历史上的巨大成功。学者 G.L 经过研究得到这样的结论，永磁同步无齿轮技术利用电动机在低速时提供高扭矩，从而节省更多能源，其平均节能在 20%至 40%之间。微型计算机技术的发展和永磁同步电动机的发明为节能型电梯的发展提供了技术支持[8].甚至，有文献指出电梯的节能装置可以有效地将存储的能量反馈给电网以供其他周围的电气设备使用[9].

　　言而简之，因为无齿轮传动的永磁同步电机逐渐成为电梯行业的主流，随之带来的小机房甚至是无机房的电梯系统越来越具有应用前景。电动机的输出轴直接通过与电动机的牵引轮链接，没有经过其他的齿轮或者其他机械结构减速而驱动电梯上下运行。同时这种传输方式具有机械结构简单、噪音低和效率高的优势，逐渐成为当前各种电梯拖动传动方式中的较好解决方案。

　　1.3 本文的工作

　　本文主要是利用可编程控制器（PLC）代替电梯的传统电气控制系统。由于 PLC 作为新一代电梯控制工具具有以上优点，以 PLC 作为工具对电梯控制系统进行了设计。首先分析电梯的特性及 PLC 的基础特点，完成简单的单部六层电梯设计；再紧接着分析电梯交通流的模式及流量预测，为电梯群控打下一定的基础，然后基于电梯各种评价函数，提出五部多层电梯群控系统的设计。

　　文章的具体内容及结构安排如下：

　　第一章绪论简述当今国内外电梯研究现状，解释本文的研究背景及意义，并简单陈述本文研究的主要内容和章节安排。

　　第二章阐述电梯的分类与结构。

　　第三章首先介绍可编程逻辑控制器（PLC），对本文设计的六层电梯的硬件部分作出相应分析；再根据设计需求计算出所需的 I/O 口数量并确定本文选用的 PLC 型号：最后在进行软件设计，绘制本文电梯控制系统基本的梯形图。

　　第四章首先分析电梯交通流时间序列和其模式分类，提出了电梯交通流预测和交通流模式识别的方法。

　　第五章结合群控系统的特性，综合考虑乘客平均候梯时间、平均乘梯时间以及能量损耗等多目标优化的控制策略。

　　第六章总结全文所研究的主要内容，分析其中不足之处，并提出改进的方向和目标，为后续研究提供一定思路。

　　第二章 电梯的概述
　　2.1 电梯的定义
　　2.2 电梯的结构与分类
　　2.2.1 电梯的结构
　　2.2.2 电梯的分类
　　2.3 电梯的特性及控制要求
　　2.3.1 电梯的特性
　　2.3.2 电梯的控制要求
　　2.4 本章小节

　　第三章 PLC 设计
　　3.1 PLC 的定义和特点
　　3.1.1 PLC 的定义
　　3.1.2 PLC 的特点
　　3.2 PLC 的工作方式和应用领域
　　3.2.1 PLC 的工作方式
　　3.2.2 PLC 的应用领域
　　3.2.3 PLC 相较于继电器的优点

　　3.3 电梯控制 PLC 设计
　　3.3.1 PLC 型号的选择
　　3.3.2 电梯控制原理及基础内容
　　3.3.3 PLC 软件设计
　　3.4 本章小节

　　第四章 电梯交通流预测及模式识别原理
　　4.1 电梯交通流分析
　　4.2 基于 PSO-WNN 的电梯交通流时间序列预测
　　4.2.1 预测方法
　　4.2.2 基于小波神经网络的电梯交通流预测
　　4.2.3 基于人工鱼群算法优化的小波神经网络
　　4.3 基于 PSO-SVM 的电梯交通流模式识别
　　4.3.1 电梯交通模式分类
　　4.3.2 基于粒子群算法优化的支持向量机
　　4.3.3 仿真结果
　　4.4 本章小节

　　第五章 基于交通流分类的电梯群控算法
　　5.1 电梯群控系统的基本控制原理
　　5.2 群控电梯系统建模及仿真
　　5.2.1 群控电梯系统的多目标建模
　　5.2.2 群控仿真参数条件设置
　　5.3 PLC 的程序实现
　　5.3.1 群控电梯编程思路
　　5.3.2 群控电梯的硬件设计
　　5.3.3 群控系统的软件设计
　　5.4 本章小节

第六章 总结与展望

　　通过本次毕业论文的撰写，我深刻地理解了所研究课题的重要性和价值。明白了论文撰写的方法和经验，这将是我人生的最珍贵的精神财富。同时也认识到自身还存在的不足之处，需要在以后的学习中更加努力。控制系统的设计是一个漫长的很复杂的过程，要考虑到这个系统所涉及的甚至是可能涉及到的各种影响因素，只有把它们之间的关系协调好了这个控制系统最终才可能有使用价值，而这需要在实际应用中不断的验证和改进。

　　在研究的过程中主要完成了以下几个方面的工作：

　　（1）了解了电梯技术的发展历程和研究现状，加深了对电梯的结构组成和电梯各种不同分类方式的了解；也掌握了可编程逻辑控制器（PLC）在电梯控制系统的使用原理。

　　（2）完成单部电梯的控制设计和多部高层电梯群控系统的 PLC 设计。

　　（3）对电梯交通流数据进行了详细的分析，探寻电梯交通流变化趋势的主要原因和各种主要电梯交通流特性数据；同时也根据电梯交通流的数据特征完成交通流的模式识别分类。

　　（4）分析了电梯的各种性能评价指标如平均候梯时间、长时间候梯率和平均乘梯时间等指标，确定按照不同分类下各指标权重的大小，完成电梯群控系统的设计。

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致谢

　　研究生生活转眼即逝，五年的学习生活让我受益匪浅。回首论文在思考、收集、整理、再思考、修改、再修改直至最终完成的过程，我得到了许多人的关心和指导。值此学位论文顺利完成之际，我要向他们表达我最真心的感谢。

　　首先，我想对我的恩师陈世明教授表示深深的敬意和诚挚的感谢！感谢恩师在学业上精心指导和生活上的细心照顾！师者，传道授业解惑也。确实如此，在教学上，恩师为人谦和，学识渊博。在论文的选题、资料搜集和创作阶段，恩师都倾注了极大地关怀和鼓励。在论文的创作过程中，恩师经常不厌其烦地指点我。在我的论文初稿完成之后，恩师从框架构思再到具体内容撰写，乃至格式规范，都给予了我耐心细致地指导并提出了很多中肯的意见，使我在写作和研究中不致于迷失方向。他严谨的治学之风和对事业的执着追求将深深地影响我的一生，他对我的指导和教诲我会永远铭记。借此机会，我谨向恩师致以深深的谢意！ 我也要感谢我的校外导师黄为民教授级高工，他严谨的治学之风，深入实际的教学方法让我不仅能良好的掌握理论知识，更学会了如何应用到实际工作中，真正做到了活学活用，现学现用。在此，要深深的感谢他。

　　其次，我还要感谢我的所有给我授过课的老师，他们在课堂上深入浅出的讲解启发了我的思路，丰富了我的知识，拓宽了我的视野，他们独特的个人魅力也深深的影响了我！要感谢我的领导以及同事，是他们的帮助，无私的关怀才让我能顺利的完成学业，取得更高的成就。

　　再次，感谢我的爸爸妈妈和家人们，谢谢你们多年一直在经济和精神上无限的支持！

　　感谢父母的无私奉献和不断鼓励，谢谢你们一直以来的对我的照顾，给我提供了一个理想的学习环境！感谢我的同学们，谢谢你们在我困惑的时候开导我，给我鼓励！

　　最后，我还要感谢对本文的审阅专家、评委专家，谢谢你们给了我一个审视学习成果的机会，让我能够明确今后的发展方向，他们对我的帮助是我一生的财富，我将在今后的工作生活中加倍努力，以期能够取得更多的成果回报他们、回报社会！

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