西門子S7-300 PLC的電梯集群控制技術(shù)應(yīng)用研究

王晨豐

(商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 商洛 726000)

0 引言

西門子S7-300 PLC是一款具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境限制性小，靈活性高等特點(diǎn)的可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)[1]，在工業(yè)控制等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。西門子S7-300 PLC擁有強(qiáng)大的中央處理器(central processing unit,CPU)，經(jīng)過快速、精準(zhǔn)的內(nèi)置運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)較高程度的系統(tǒng)控制[2-3]。電梯集群控制分為單個(gè)效能控制和整體運(yùn)行控制。集群控制需實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶呼梯信息、電梯運(yùn)行方向、開關(guān)門和運(yùn)行始終層的有效控制[4-5]。因此,在西門子S7-300 PLC應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過對(duì)電梯集群控制系統(tǒng)中央CPU處理器計(jì)算模型及運(yùn)行模型的研究，能在較高程度上實(shí)現(xiàn)電梯控制技術(shù)的提升。

1 電梯集群PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電梯集群PLC控制系統(tǒng)客流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于西門子S7-300 PLC的電梯控制系統(tǒng)主要由信號(hào)控制系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)組成。與繼電器邏輯控制和計(jì)算機(jī)控制相比，西門子S7-300 PLC控制的效用更強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力[6-7]，運(yùn)行故障率較低。中央控制功能完全由邏輯程序?qū)崿F(xiàn)，占用存儲(chǔ)空間較少，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性[8]。信號(hào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照功能可劃分為運(yùn)行方式、運(yùn)行控訴、安全保護(hù)3個(gè)環(huán)節(jié)。基于西門子S7-300 PLC的電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于西門子S7-300 PLC的電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of elevator control system based on Siemens S7-300 PLC

如圖1所示，系統(tǒng)中信號(hào)的輸入及輸出都是由信號(hào)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)的，最終信號(hào)被傳送至拖動(dòng)系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)通過輸入接口電路，使CPU接收信號(hào)并進(jìn)行控制計(jì)算，然后通過輸出接口電路將計(jì)算結(jié)果(即呼梯信號(hào)、起始位置、運(yùn)行方向、目標(biāo)樓層等信號(hào))輸出到最后的控制系統(tǒng)，并向開關(guān)門機(jī)發(fā)出開關(guān)門指令，以實(shí)現(xiàn)電梯的運(yùn)行控制。

橫向移動(dòng)的乘客需要橫移到目的井道后才能達(dá)到目標(biāo)層，上、下移動(dòng)的乘客僅需上、下移動(dòng)指令即可到達(dá)目的地[9]。因此，需要對(duì)乘客類型進(jìn)行辨別，并計(jì)算乘客的出行概率p。

(1)

式中：W、X、Y、Z分別為橫移、上行、下行及層間乘客人數(shù)；E為考察時(shí)間段乘客的客流總量。

最后，利用蒙特卡洛法對(duì)乘客類型進(jìn)行判斷：按照乘客出行概率映射到[0，1]區(qū)間，并在區(qū)間內(nèi)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)R；通過對(duì)比出行概率值與隨機(jī)數(shù)R，即可得出乘客的類型。

設(shè)定電梯水平移動(dòng)的起始位置(即基站位置的乘客密度)為S(i)，計(jì)算方如式(2)所示。

i=2,3,…,m

(2)

根據(jù)樓層起始密度結(jié)果可得其作為起始樓層的概率P(k)，如式(3)所示。

(3)

相應(yīng)地,各樓層被選為起始樓層的概率之和，如式(4)所示。

(4)

式中：Q(k)為各樓層被選為起始樓層的概率之和,k為起始樓層；n為總樓層數(shù)。

最后，利用蒙特卡洛方法，結(jié)合各樓層作為起始樓層總概率劃分區(qū)間，可確定實(shí)際操作過程中乘客的起始樓層。將總概率映射為[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)R，判斷隨機(jī)數(shù)R所對(duì)應(yīng)的累計(jì)概率區(qū)間，與該區(qū)間對(duì)應(yīng)的樓層便是乘客的起始層。

用同樣的方法確定乘客的目標(biāo)層，如式(5)所示。

(5)

式中：M為起始層到目標(biāo)層的密度矩陣；o為目標(biāo)層的密度。

當(dāng)乘客從第i層移動(dòng)到第j層時(shí)，根據(jù)密度矩陣確定各層作為目標(biāo)層的密度o(1,j)，如式(6)所示。

(6)

式中：i、j分別為各樓層；X1為上行乘客占比；W1為橫移乘客占比；P(j)為第j層乘客分布人數(shù)。

式(6)中，由于多路徑電梯設(shè)置中既包括乘客橫移運(yùn)動(dòng)又包括乘客上行運(yùn)動(dòng)，所以乘客目標(biāo)層的密度計(jì)算分為乘客同層橫移客流密度與橫移上行密度。再次按照起始層的確定方法，在起始層與目標(biāo)層分別為第i層到第j層時(shí)，計(jì)算目標(biāo)層的到達(dá)概率，如式(7)所示。

(7)

由式(7)可得起始層與目標(biāo)層分別為第i層到第j層時(shí)的累計(jì)概率，如式(8)所示。

(8)

式中：Qo(i,j)表示起始層與目標(biāo)層分別為第i層到第j層時(shí)的累計(jì)概率。

最后,按照起始層的確定方法，運(yùn)用蒙特卡洛方法確定乘客的目標(biāo)層。

1.2 電梯集群PLC控制系統(tǒng)多路徑跟馳模型設(shè)計(jì)

電梯集群控制中的安全保護(hù)措施是PLC控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)[10]。對(duì)電梯保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行多路徑跟馳模型設(shè)計(jì)，能夠有效避免電梯運(yùn)行過程中因突發(fā)制動(dòng)造成的車廂碰撞事故[11]。多路徑跟馳模型設(shè)計(jì)的原則是有效保持多個(gè)車廂運(yùn)行過程中的安全間隔，在前車廂出現(xiàn)制動(dòng)的情況下，后車廂能夠及時(shí)減速制動(dòng)以避免碰撞[12]。電梯安全距離模型設(shè)計(jì)中包括無障礙自由行駛速度v1和前方有障礙緊急剎車速度v2。對(duì)v1和v2的機(jī)損計(jì)算分別如式(9)和式(10)所示。

v1(t+τ)=vn(t)+2.5anτ×

(9)

式中：v1(t+τ)為行駛速度v1的機(jī)損；n為車廂總數(shù)量;vn(t)為t時(shí)刻的行駛速度;an為車廂運(yùn)行的最大加速度；bn為車廂運(yùn)行最大減速度；Vn為車廂最大運(yùn)行速度；t為運(yùn)行時(shí)間;τ為車廂運(yùn)行智能反應(yīng)時(shí)間。

(10)

式中：v2(t+τ)為為行駛速度v2的機(jī)損;vn-1為車廂n運(yùn)行過程中前一車廂的最大運(yùn)行速度；bn-1為前一車廂運(yùn)行最大減速度；θ為車廂n的剎車制動(dòng)時(shí)間；t為運(yùn)行時(shí)間；τ為車廂運(yùn)行智能反應(yīng)時(shí)間；xn(t)、xn-1(t)分別為t時(shí)間內(nèi)第n節(jié)、第(n-1)節(jié)車廂的位置;Sn-1為第(n-1)節(jié)車廂離安全位置的距離。

為了保證車廂的運(yùn)行安全，要在2種速度中選擇最小運(yùn)行速度，即vn(t+τ)=min(v1,v2)。多路徑電梯跟馳模型如圖2所示。

圖2中：Sn-1為距離安全;xn為車廂n的位置;xn-1為車廂(n-1)的位置;xn+1為車廂(n+1)的位置;h為車廂高度;k為上下運(yùn)行井道中車廂的最小間距;d為車廂的實(shí)際寬度;d2為車廂在橫向移動(dòng)運(yùn)行中的最小間距。

圖2 多路徑電梯跟馳模型Fig.2 Multi-path elevator follow-through model

跟馳模型設(shè)計(jì)可保證多路徑電梯在垂直移動(dòng)到既定頂端位置時(shí)，前后車廂正常運(yùn)行、平穩(wěn)過渡、不發(fā)生碰撞。在此過程中，安全距離Sn-1隨著2個(gè)車廂間距離的變化而變化。圖2(a)中，Sn-1=k1+h，k1為運(yùn)行中垂直相鄰的2個(gè)車廂最短距離。圖2(b)中，Sn-1=d1+d。圖2(c)中，Sn-1=k2+h，k2為垂直相鄰的2臺(tái)換向裝置的最小間距。圖2(d)中，Sn-1=k3+h，k3為垂直井道換向車廂與相鄰層站之間的最小間距。圖2(e)中，Sn-1=d2+d，橫向移動(dòng)的車廂安全距離設(shè)定原則與垂直井道相似。

電梯車廂運(yùn)行安全設(shè)計(jì)中，除了要避免車廂因間距和速度問題發(fā)生碰撞以外，還需要考慮車廂在脫離或進(jìn)入編隊(duì)時(shí)的錯(cuò)位問題[13]。為了保證內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)車廂在共同井道中的安全、有序運(yùn)行，對(duì)車廂編隊(duì)策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)[14]。

車廂編隊(duì)策略如圖3所示。

圖3 車廂編隊(duì)策略Fig.3 Carriage formation strategy

編隊(duì)策略分為離隊(duì)策略和入隊(duì)策略。無論是入隊(duì)還是離隊(duì)，都遵循相似的原則。由圖3(a)可知，車廂要實(shí)現(xiàn)離隊(duì)，首先需要判斷是否存在空閑裝置。若存在，則車廂選擇離隊(duì)，下一個(gè)車廂跟隨。由圖3(b)可知，假設(shè)原始井道車廂按照車廂c→車廂b→車廂a的順序有序運(yùn)行，車廂b在垂直井道到達(dá)頂端時(shí)要發(fā)生橫移變向，此時(shí)就需進(jìn)行換向裝置空閑程序設(shè)定，根據(jù)空閑情況決定車廂運(yùn)行狀態(tài)。若換向裝置空閑則車廂c停層，車廂b進(jìn)行換向，等待入隊(duì)，車廂c跟隨車廂b繼續(xù)運(yùn)行。反之，則整個(gè)車廂運(yùn)行都停層，等待車廂b換向離隊(duì)。

為了保證多路徑電梯的運(yùn)行效率，在電梯運(yùn)行中還需對(duì)電梯的最短路徑派梯過程進(jìn)行控制。車廂的最短路徑派梯策略如圖4所示。

圖4 車廂的最短路徑派梯策略Fig.4 Shortest path assignment ladder strategy for carriages

如圖4所示，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7分別為讀取指令、乘客呼梯的信號(hào)、車廂位置檢測(cè)指令、車廂停層指令、車廂換向指令、車廂位置檢測(cè)指令、呼梯更新指令。車廂根據(jù)相關(guān)指令實(shí)現(xiàn)換廂以及上、下乘客等任務(wù)，并在任務(wù)完成后進(jìn)行指令更新，保證每次載客都能夠準(zhǔn)確完成。經(jīng)過最短路徑設(shè)計(jì)的多路徑跟馳模型能夠在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)行效率[15]。

2 電梯集群PLC控制系統(tǒng)評(píng)測(cè)

2.1 電梯客流預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性評(píng)測(cè)

選定一棟8層的建筑樣本，對(duì)電梯進(jìn)行仿真模擬，以檢驗(yàn)客流模型建構(gòu)的準(zhǔn)確性。以5 min為周期進(jìn)行采樣，對(duì)不同時(shí)間段乘客起始層與目標(biāo)層的選擇進(jìn)行模擬仿真。按照相同步驟兩次進(jìn)行參數(shù)收集，生成如圖5所示的電梯客流仿真數(shù)據(jù)。

圖5 電梯客流仿真數(shù)據(jù)Fig.5 Elevator passenger flow simulation datas

乘客密度高峰期一般為早上9∶00左右、中午12∶00以及下午18∶00。從圖5中可以看出，仿真結(jié)果顯示的客流量高峰期符合正常狀態(tài)下的客流量分布。通過仿真分析可以看出，模擬仿真數(shù)據(jù)中的乘客人數(shù)及密度與參數(shù)數(shù)據(jù)一致。從仿真數(shù)據(jù)的隨機(jī)性判斷，較為符合真實(shí)的電梯服務(wù)過程。電梯呼梯顯示、乘客起始層、目標(biāo)層模型建構(gòu)較符合電梯控制要求。

在多路徑電梯客流設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，隨機(jī)選擇120個(gè)小時(shí)的客流數(shù)據(jù)作為樣本，對(duì)多路徑電梯客流進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，以驗(yàn)證基于PLC智能識(shí)別系統(tǒng)的多路徑電梯客流控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。700組多路徑電梯客流數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 700組多路徑電梯客流數(shù)據(jù)分析結(jié)果示意圖Fig.6 Analysis results of 700 sets of multi-path elevator passenger flow data

圖6(d)中，8種交通模式分別為①空閑、②上班、③上班高峰、④工作層次、⑤午間下班、⑥午間上班、⑦下班、⑧下班高峰。如圖6所示，系統(tǒng)在對(duì)客流量密度的預(yù)測(cè)中，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的擬合程度較高，存在較為明顯的相似性。經(jīng)計(jì)算，客流預(yù)測(cè)值交通模式識(shí)別精度高達(dá)97.51%，略高于交通模式識(shí)別系統(tǒng)的精度95.48%。由此表明，基于西門子S7-300 PLC智能識(shí)別系統(tǒng)的多路徑電梯客流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠以較高的水平實(shí)現(xiàn)客流的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為電梯運(yùn)行提供準(zhǔn)確信號(hào)。由圖6可知，無論是客流總密度、垂直客流密度、上行井道交通強(qiáng)度還是交通模式識(shí)別，其預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間只存在較小的誤差，擬合度高達(dá)90.54%。該預(yù)測(cè)結(jié)果能夠?yàn)殡娞菪袨樘峁┚珳?zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 多路徑電梯避撞策略效果評(píng)測(cè)

為驗(yàn)證多路徑電梯避撞策略、編隊(duì)策略設(shè)計(jì)效果，設(shè)定車廂a、車廂b以距離25 m為起點(diǎn)，車廂高度為2 m，車廂反應(yīng)及剎車速度都為0.1 s，初始位置上車廂a為上行運(yùn)行狀態(tài)，車廂b處于停層狀態(tài)，在250 s內(nèi)進(jìn)行仿真。多路徑電梯避撞策略驗(yàn)證如圖7所示。

由圖7(a)可知，PLC控制系統(tǒng)可以在較大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂速度的控制，使車廂長期處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。車廂運(yùn)行的最大加速度始終保持在±1 m/s2的范圍內(nèi)，平均制動(dòng)時(shí)間在8.3～10.2 s之間，保證了車廂運(yùn)行的安全性。由圖7(b)可知，車廂到達(dá)指定換向高度后，能夠在平均4 s的時(shí)間內(nèi)完成換向動(dòng)作，較大程度地減少了車廂的停層時(shí)間，提高了車廂的換向效率。

圖7 多路徑電梯避撞策略驗(yàn)證Fig.7 Validation of multi-path elevator collision avoidance strategy

圖8所示為所有乘客的到達(dá)時(shí)間和效率對(duì)比檢測(cè)結(jié)果。

圖8 所有乘客的到達(dá)時(shí)間和效率對(duì)比檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Comparative detection results of arrival time and efficiency for all passengers

圖8中，8種交通模式同圖6(d)。由圖8(a)可知，基于PLC智能控制系統(tǒng)的多路徑電梯設(shè)計(jì)，所有類型乘客的到達(dá)時(shí)間明顯低于其他2種電梯乘客到達(dá)時(shí)間，平均時(shí)間縮短了10.21%，提高了電梯運(yùn)行效率。由圖8(b)可知，橫移長度對(duì)多路徑電梯運(yùn)行效率具有較高程度的影響。在增加水平移動(dòng)車廂的前提下，多路徑電梯在上班高峰期的運(yùn)行效率低于循環(huán)式多電梯。在保持參數(shù)不變的前提下，如增加車廂橫移長度，多路徑電梯的運(yùn)行效率可以得到顯著提升，其效率可長期提升至原來的140%～150%。由此表明，多路徑電梯適用于長距離的橫移場(chǎng)合，能夠極大地提高電梯運(yùn)行效率。

3 結(jié)論

基于PLC的電梯是一種智能化程度較高、占用空間較少且運(yùn)行平穩(wěn)度較高的新型電梯?；谖鏖T子S7-300 PLC，設(shè)計(jì)了一套具有較高識(shí)別性能及安全性能的電梯控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行模擬仿真和效果評(píng)測(cè)。評(píng)測(cè)結(jié)果表明：在經(jīng)過研究改造之后的新型多路徑電梯控制系統(tǒng)的客流預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度高達(dá)95.48%，與實(shí)際電梯運(yùn)行擬合度達(dá)90.54%，實(shí)現(xiàn)了較高程度的客流信息控制；電梯平均制動(dòng)時(shí)間為8.3～10.2 s，乘客到達(dá)時(shí)間平均縮短了10.21%，提高了電梯控制效果及運(yùn)行效率。本研究的多路徑電梯設(shè)計(jì)中沒有關(guān)于具體層站的設(shè)置控制，在后期研究中還應(yīng)增設(shè)?？空军c(diǎn)，以不斷完善電梯功能。