基于PLC的电梯并联控制优化设计

汪丽群，张润良，许世杰，吴建龙

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

电梯作为高层建筑中的垂直运输工具，其需求量与日俱增。由于人流量大，高层建筑中一般安装两台电梯并联运行。现有的电梯并联控制方法不能完全兼顾等候时间、运行效率、电梯能耗等问题，据此提出一种基于PLC的电梯并联控制优化设计，以提高每台电梯运行效率。

1 电梯并联PLC控制系统硬件搭建

电梯并联系统由两台6层电梯组成，每台电梯均由三菱PLC控制，一般两台电梯并联，安装距离不远[1-2]。两台电梯通过RS485模块进行通信，一台PLC为通信主站，相应电梯为主梯；另一台PLC为通信从站，相应电梯为副梯。

电梯并联PLC控制系统硬件结构图如图1所示。并联系统中主站（主梯）与从站（副梯）通过RS485模块实现厅外召唤信号共享，主梯实时采集两台电梯的外呼信号、运行状态等信息，按照一定的调度原则进行分析计算，并决定由哪台电梯响应呼梯信号。若主梯响应，则直接在主梯PLC内部分配调度信号；若副梯响应，则由通信模块将调度信号分配给副梯。两种情况都由变频器驱动电梯运行至呼梯楼层载客。

图1 电梯并联PLC控制系统硬件结构图

2 电梯并联调度方法

电梯并联调度方法主要考虑的因素包括乘客候梯时间、能量消耗、运行效率、使用场所等。现有的并联调度方法并不完善,不能兼顾多个因素，因此需要优化[3]。

2.1 常见的并联调度方法

实际工程应用中,常见的并联调度方法有最短候梯时间调度和最短路程响应调度两种[4]。

1）最短候梯时间调度：将外呼信号分配到距外呼召唤楼层运行时间较短的电梯，保证了候梯时间最短。运行时间包括电梯起动、匀速运行、停止三个过程时间，以及开关门时间。该方法在保证最短候梯时间时，却让电梯在短时间内多次启停，增加了能耗[5]。

2）最短路程响应调度：将外呼信号分配到距外呼目标楼层距离较近的电梯，电梯在运行中以顺向截梯，逆向不停为前提，在保证电梯运行效率的前提下再就近响应。该方法综合考虑到候梯时间和运行效率，但平均候梯时间会长于最短候梯时间调度方法。

以上两种常见的并联调度方法调度电梯有一定的随机性，易出现一台电梯大量使用造成过度磨损，使用寿命降低，另一台电梯使用次数较少的情况。

2.2 并联优化调度方法

基于PLC的电梯并联控制优化方法将最短路程原则和任务均分原则有机结合。其中任务均分原则主要指采集两台电梯运行的次数和电梯内选信号登记情况，在一定距离内，优先调度运行次数少的电梯，同时优先选择内选指令少的电梯来调度。这样既兼顾候梯时间，又使两台电梯使用率得到均分，提高了每台电梯运行效率，减少了能耗。

综合考虑最短距离、运行次数、内呼指令，再结合顺向截梯原则，本研究将并联控制优化算法分为两种情况进行设计，并联控制优化算法流程图如图2所示。设外呼目标楼层为L，主、副梯的所在楼层分别为L1，L2，运行的次数分别为N1，N2，则主、副梯运行次数差为∆N=N1–N2，主、副梯当前楼层与外呼目标楼层的距离差分别为∆D1=│D1–D│,∆D2=│D2–D│,以上两个距离的差值为∆D=∆D1–∆D2。当∆D＞0时，主梯离目标楼层近；当∆D<0时，副梯离目标楼层近；当∆D=0时，主、副梯离目标楼层一样近。

图2 并联控制优化算法流程图

2.2.1 主、副梯均不运行

主、副梯均不运行时，采集主、副梯的外呼信号、运行次数、当前所在楼层，根据最短路程原则，分别比较主、副梯的当前所在楼层与此时外呼目标楼层的距离。当距离相等时，再比较主、副梯运行次数，按照任务均分原则，分配给运行次数少的电梯响应外呼；当距离不相等时，再进一步比较距离相差值，当距离相差超过两个楼层距离时，则分配给离目标楼层近的电梯响应外呼。反之，再结合运行次数来分配，当距离相差不远且运行次数相差超过10次时，按照任务均分原则，分配给运行次数少且距离稍远的电梯运行。这样能够综合兼顾使用次数和候梯时间，让使用次数少的电梯投入运行。当运行次数相差少于10次时，还要按照最短路程原则，分配给离目标楼层近的电梯响应外呼，保证乘客的候梯时间最短。

2.2.2 主、副梯至少有一台运行

主、副梯至少有一台运行时，采集主、副梯的外呼信号（目标楼层和去向），内选登记情况。当一台电梯内呼指令过多时，依次响应内呼，整个运行时间较长，增加乘客的候梯时间。因此，当内选登记数超过4 次，并联系统将不会分配外呼信号给该电梯响应外呼，保证乘客候梯时间最短。反之，再判断外呼去向与电梯运行方向是否一致，若不一致，根据电梯逆向不停原则，将外呼信号分配给另一台电梯；若一致，根据电梯顺向截梯原则，当外呼的目标楼层在电梯运行方向顺路的情况下（如电梯在上行，处在2楼位置，此时目标楼层为4楼，则算顺路），并联系统将外呼信号分配给该电梯。反之，并联系统将外呼信号分配给另一台电梯，这样能减少乘客的候梯时间。

除以上算法，该并联优化控制方法还可实现基本并联功能，如当一台电梯处于检修、超载等异常情况时，所有外呼信号均由另一台电梯响应。

3 电梯并联控制系统软件设计

电梯并联控制系统软件采用SFC模块设计，由PLC实现。并联控制系统软件总体设计框图如图3所示。

图3 并联控制系统软件总体设计框图

由图3可知：并联控制系统软件由主梯PLC和副梯PLC组成，主要包括单机驱动模块、门驱动模块、内外呼模块、状态采集模块、通信模块和调度模块。其中，通信模块、调度模块是并联控制系统软件中两个关键模块。

3.1 通信模块设计

通信模块设计是并联控制系统软件设计中的最重要的部分，是主、副梯信息数据传输的桥梁。本次设计采用基于三菱RS485单元的N:N网络通信协议进行数据传输，网络中每一站点都有指定特殊辅助继电器M和特殊数据寄存器D进行数据通信、传输和共享[5]。

主、从站通信部分程序如图4所示。①通信初始化。主、从站通过特殊寄存器D8175～D8180设置站号、从站数、刷新模式、通信超时等基本通信参数，建立通信网络。②主、从站通信数据采集。主梯接收副梯的轿厢位置、运行方向、运行次数、外呼信号、内选指令个数等数据，副梯接收主梯的外呼调度信息。③通信数据实时刷新与传输。在N:N网络中配置刷新模式为2，则主站通过M1000～M1063、D0～D7发送数据给从站，从站通过M1064～M1127、D10～D17发送数据给主站，将之前主、从站通信数据分配到对应的特殊辅助继电器M和特殊数据寄存器D中进行传输。PLC在每个扫描周期内，执行通信传输程序，刷新通信数据。以副梯（从站）外呼信号通信程序为例进行说明，如图4（b）所示。副梯外呼信号有12个，即X0～X13，用于通信传输给主梯的软元件为M1064～M1076，通过程序“MOV K3X0 K3M1064”进行字传输能够减少通信响应滞后时间，保证并联控制系统的响应速度。

图4 主、从站通信部分程序

3.2 调度模块设计

调度模块在主站PLC（主梯）中实现，作为并联控制算法核心模块[6]，从站PLC(副梯)只提供运行数据给主梯，根据图2并联控制优化算法流程进行PLC程序设计，主要分为电梯运行和不运行两种情况。PLC输出端口Y3连接变频器速度端子，在程序中,主、副梯均可采集Y3信号获取电梯运行状态，该运行状态包括是否运行和运行次数，当Y3=1时，电梯运行，反之，电梯不运行。此外，程序通过对Y3信号的上升沿进行计数即可得到运行次数。

以两台电梯均不运行且与目标楼层距离相同为例，说明调度算法程序的实现，其并联调度算法部分软元件如表1所示。并联调度算法部分程序如图5所示。当主、副梯均不运行时，M10、M1100为OFF；当主、副梯与目标楼层距离相同时，D30与D32相等，此时只要比较主、副梯的运行次数D20与D10；当主梯运行次数较少时，M20为ON，调度主梯运行；当副梯运行次数较少时，M1020为ON，通过通信专属的辅助继电器M1020，调度副梯运行。

表1 并联调度算法部分软元件

图5 并联调度算法部分程序

4 结论

本研究提出了一种基于PLC的电梯并联控制优化设计方案，并应用于两台6层电梯并联控制中。首先是硬件搭建，采用RS485模块串行通信进行数据传输，重点研究了并联控制优化算法，将最短路程原则和任务均分原则有机结合，分为主、副梯均不运行和主、副梯至少有一台运行两种情况进行算法设计。其次是软件设计，重点研究了通信模块、调度模块的软件设计。该方案既兼顾候梯时间，又使两台电梯使用率得到均分，提高了每台电梯运行效率，减少了能耗，具有一定的推广应用价值。