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摘要：随着城市化的不断推进，高层建筑越来越多，电梯逐渐成为人们垂直交通的必备工具之一。以往，电梯是采用继电器进行系统控制，这样的控制系统在单功能的电梯中发挥了重要的作用。电梯的显著特点就是速度快、舒适、操作简单、安全系数高，能够载人、载货物等。但是，随着社会的不断发展，人们对电梯系统的要求变得越来越高，基于继电器的电梯已经不能满足人们的实际需求，而PLC能够实现电梯的精准控制，尤其能群控电梯。因此，基于PLC控制的群控电梯系统的研究具有十分重要的现实意义。本文利用西门子S7-1200PLC实现了对群控电梯的控制，借助TIA Portal软件进行了程序的编写工作，对群控电梯系统的硬件进行了选型。本研究的目的是设计一款智能化的群控电梯系统，以更好地对电梯进行操控。
关键词：PLC；群控；电梯系统；硬件设计；软件设计
Design and research of group control elevator system based on PLC control
Long Guohui
(Shandong Xinhua Medical Equipment Co.,Ltd.,Zibo Shandong,255300)
Abstract:With the continuous advancement of urbanization and more and more high-rise buildings,elevators have gradually become one of the necessary tools for people's vertical transportation.In the past,elevators used relays for system control,and such control systems played an important role in single-function elevators.The notable features of elevators are fast speed,comfort,simple operation,high safety factor,and the ability to carry people and goods.However,with the continuous development of society,people's requirements for elevator systems have become higher and higher.Relay-based elevators can no longer meet people's actual needs,while PLC can realize precise control of elevators,especially group control elevators.Therefore,the research of group control elevator system based on PLC control has very important practical significance.This paper uses Siemens S7-1200PLC to realize the control of the group control elevator,uses the TIA Portal software to write the program,and selects the hardware of the group control elevator system.The purpose of this research is to design an intelligent group control elevator system to better control the elevator.
Key words:PLC;croup control;elevator system;hardware design;the software design
在日常生活中，电梯越来越受到人们的重视。纵观国内已有的研究，绝大多数都是对使用继电器进行电梯系统的控制展开研究，很少有学者对利用PLC进行电梯的群控展开研究，而这方面的研究又具有重大的社会价值。因此，本研究基于PLC控制的群控电梯系统设计具有一定的现实意义。
一、电梯的组成结构
电梯控制系统的主要结构涉及两个方面，一个是拖曳系统的控制，另一个是逻辑部分的控制。牵引电机的主要功能是完成对电梯的牵引，由变速装置模块及电源供电模块构成。牵引电机通常采用三相交流电机，变速装置能根据反馈的速度信号来改变电梯的运转速度，通过速度测量发生器或速度脉冲发生器连接到电机。良好的拖动系统能够提升乘客使用电梯的满意程度。同时，电梯逻辑控制系统决定电梯运转的逻辑控制。例如，开关门、上下行等，通过逻辑控制能确保电梯正确地完成每次的指令或调用。本文利用西门子S7-1200PLC实现了对电梯的群控，借助TIA Portal软件进行了程序的编写工作，对群控电梯系统的硬件进行了选型。根据需求对电梯运行的时间与空间进行调配。在电梯的控制上，利用PLC可实现多电梯的协调控制，保证电梯运行的平稳、安全。
二、电梯群控系统的硬件设计
(一)电梯群控系统的硬件组成
1.单电梯运行系统
这个部分的关键作用类似于手与脚，根据乘客的需求可将乘客安全、舒适地送到指定楼层。单电梯运行系统能够将乘客在乘坐电梯期间发出的呼叫、指令等内容进行存储，在存储方式上则按照数据结构里的队列存储下来。电梯在运行过程中，指令信号会不断发展变化，使信号队列一直保持存在的状态，实时更新工作状态[1]。
2.外召控制集成板
外召控制集成板的主要作用是对每一层的人流量数据进行记录，可以理解为电梯的“火眼金睛”。当电梯运行时，外召控制集成板能够检测到调用的信号，依靠传输总线实现传递信号的目的，主要传递到群控组件。但这种传递是单方向进行的，群控组件主要负责接收外召控制集成板的信号。
3.群控组件
群控组件在整个系统中的作用类似于人的大脑，它能够实现对信号的接收，以及对整个系统的调配。具体的过程为：外召板发过来的信息都会在群控组件里汇总，根据这些信息可实现对电梯的实时监控。在群控组件里可嵌入具体的算法，这些算法的质量会直接影响到电梯的派遣工作。假如收到的是呼叫信号，群控组件就会对当前所有电梯的运行状态进行分析，并派遣最适合的电梯[2]。
(二)电梯群控系统主电路
对于电梯群控系统主电路，在设计之初，设计人员根据需要设计了3部20层的电梯。在主电路图中，主要涉及1个空气开关、12个交流接触器、6个热继电器及6个马达。
(三)电梯群控系统的I/O分配
电梯组由西门子公司的PLC输入模块与控制模块组成。在群控制系统中，信息和数据的传输是通过网络进行的。统一规划S7-1200PLC，用于实现电梯组的实时控制。当分组控制系统工作时，输入模块会收集电梯传感器位置和工作限制的信息。同时，它会检查信号的外部和内部调用，过程将是连续的。在呼叫信号发出后，PLC控制器能进行扫描、读取和处理，控制电梯关闭、打开和停止、上下运行，控制输出模块显示上下楼层信息等。在电梯组控系统运行中，由于输入、输出信息量大，因此选用S7-1200PLC作为控制器，该控制器具有安装灵活、体积小、易于扩展等优点[3]。
三、电梯群控系统的算法分析
(一)建立系统评价函数
为便于表示，系统中的第i部电梯的目标函数用Si表示，Wi表示不同模式下的加权系数，SAWT(i)表示第i部电梯的平均待机时间的评价函数，SART(i)表示第i部电梯的平均乘坐时间评价函数，而SRPC(i)表示第i部电梯系统的消耗功率。公式(1)表示第i部电梯的评价函数。
乘客按下上下按钮并发出电梯信号后，电梯控制系统会收集信号并进行模糊处理。经过系统模糊处理后，可进行最后的减压。根据系统中预先确定的评价功能，应提前计算电梯各部分的评价功能单元数，并根据相关值确定合理的方案。
(二)模糊输入量的计算
选择呼叫响应时间(HCWT)、响应能力(CV)及集中度(GD)，并以舱内(UR)作为指标评估系统配置，以及作为不确定性理论的输入。从乘客发出呼叫信号到系统指定的轿厢到达乘客楼层的这段时间，包括电梯的运行时间和电梯可以在其他楼层停止的时间，即等于电梯的运行时间和电梯的停止时间之和。电梯的停站时间包括乘客下电梯的时间和电梯打开时停站的时间。当起重楼层为W1电梯且有启动按钮时，电梯位于DF楼层，按照目前电梯的运行历程，最远楼层为C1，与目前电梯的运行方向相反，最远楼层为C2，则按公式(2)调用响应时间。
在公式(2)中，N1指代的是走过的楼层数，T1指代的是经过每一层时的时间；N2指代的是在楼层停留的次数，T2指代的是电梯开关门需要耗费的时间。
(三)输入变量的模糊化
输入一个变量，可以是准确的，也可以是模糊的。如果输入的变量是实际的参考数据，那么输入变量的引用则是模糊的。在我们的人类思维理论中，基本上按照“高”“矮”“胖”“瘦”这些较为含糊的词对不确定的事物进行概述。同时，在模糊控制系统中，系统得到的原始数据通常是清晰的，因此需要模糊原始数据[4]。
电梯呼叫响应时间是电梯群控系统的重要指标，它反映了电梯群控的性能。总的来说，最佳响应时间为20秒，通常是20-40秒。40-60秒或以上的乘客轮候时间过长，60秒或以上的等候时间是不符合乘客实际需求的。电梯响应时间的“短”“中”“长”通常用字母C、M和L表示。
四、电梯群控系统的软件设计
(一)S-1200的编程软件
通过上述分析，结合工厂现有条件，本研究最终选择S7-1200中的PLC作为控制器，由TIA门户软件编程。TIA门户是西门子的标准平台，是第一个由软件工程环境和工作组成的综合自动化软件，具有系统直观、方便、快速、开发高效等特点。自动控制系统中的所有网络设备都分在一个编辑器中，合并耗费的时间极短，这在一定程度上提高了项目开发的性能。此外，TIA门户软件在数据管理方面优于其他程序，如数据数组、控制参数和变量信息管理。只需输入一次所有的数据，就能大大缩短工程部件的运行时间，节省项目开发成本。在控制程序的开发过程中，系统会将硬件结构引入TIA Portal软件，然后在不同模块之间建立网络连接，完成程序设计。
(二)电梯群控系统的程序设计
在设计中，电梯群控系统的目标是设计3部6层电梯，代码量刚好符合要求。程序涉及开门、关门、上升、下降、暂停等控制函数。状态与状态之间运用到多种技术，如单线程、多线程、事务、缓存等。电梯处于上下动态变化的过程中，在获取具体楼层位置时，会借助传感器，因为每一个楼层的电梯内都安装了传感器，所以能够实现对楼层位置的精准定位。群控系统的核心设计思想为：按照模块化的设计规则进行系统梯形图的全面设计。当处在某一楼层的乘客发出叫梯请求后，考虑到节约时间和节约电能，轿厢所在楼层的传感器能够进行楼层数据的传输，将数据传到寄存器中，通过将楼层寄存器与电梯的层数相减，结果取正数，得到靠后的最小值[5]。
(三)电梯群控系统的梯形图模块设计
在这部分，最难操控的是全自动运转。考虑到后续的维护与调试，在设计时，主要对程序模块进行设计。研究设计的是3部6层的电梯，由于层数多的情况不被允许，于是通过快设计完成提醒程序的制作。该设计的核心思想为：第一，按照要求调配输入地址、寄存器地址及输出地址；第二，在此基础上完成梯形图程序的编写工作；第三，在程序编写的过程中，需要对软件进行反复模拟，不断调试程序，直至达到预期的目标。对于程序的编写，主要借助的是主流软件TIA Portal，在运行的时候同样如此[6]。
五、结语
在本次研究中，主要借助PLC技术实现对群控电梯的设计。在当前的社会，随着城市化的深入推进，对群控电梯的需求在逐渐上升。在本次的课题研究中，借助S7-1200PLC对系统进行控制，可利用TIA Portal软件实现软件部分的编程，科学设计电控系统的基本功能。在硬件的选择上，使用了单电梯运行系统、外召控制板和群控控制器，能够与软件系统协同作业，共同完成对电梯的群控，并借助模糊算法，真正实现对电梯的精准控制。由于时间方面的原因，本次设计的系统还未全部完成仿真测试，将在接下来的工作中进一步完善。
【参考文献】
[1]张伟，曾振城.基于PLC的智能电梯控制系统仿真设计[J].九江学院学报(自然科学版)，2021(02).
[2]杨国柱.试论基于变频技术的电梯PLC控制系统设计[J].特种设备安全技术，2021(01).
[3]于红花.PLC智能电梯控制模型开发[J].微型电脑应用，2021(01).
[4]钱江昆.基于PLC的电梯群控系统设计[D].南昌：南昌工程学院，2020.
[5]李根.基于PLC的电梯群控系统设计与研究[D].南宁：广西大学，2020.
[6]张飞.基于模糊推理的电梯群控策略研究及系统实现[D].太原：太原科技大学，2020.
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