电梯群控系统软件 设计.docx

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电梯群控系统软件设计

摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract………………………………………………………………………………Ⅱ

摘要

在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。

特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输设备。

随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期,电梯控制技术已经发展到了调频调压调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

　　本设计针对我国电梯业的现状，将可编程序控制器（PLC）应用于电梯进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了电梯的开发周期，并提高了电梯的控制水平，改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制效果。

本文所设计的电梯与传统的电梯相比，在运行上具有良好的舒适感，在生活中可以节约电能，取得了良好的经济效益和社会效益，达到了理想的目的。

该电梯控制系统具有指层、厅召唤、选层选向、手动和自动等功能，具有集选控制的特点。

　　在介绍电梯基本结构的基础上，深入分析了电梯的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了电梯的硬件设计和软件设计，研究并提出了基于PLC电梯控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。

关键词电梯模糊算法PLC控制仿真

Abstract

Inthemodernsocialandeconomicactivities,computertechnology,automaticcontroltechnologyandpowerelectronictechnologyhasbeenrapiddevelopment,thelifthasbecomeasymbolofurbanmaterial.Especiallyinthehigh-risebuilding,theelevatorisnotalackofverticaltransportationequipment.Withtherapiddevelopmentofhigh-risebuildingsoftoday,theliftindustryalsohasenteredanewperiodofdevelopment,elevatorcontroltechnologyhasbeendevelopedtotheFMspeedregulator,thelogiccontrolbythePLCtoreplacetheoriginalrelaycontrol,manyofitsfunctionstraditionalrelaycontrolsystemcannotbeachieved.

ThedesignforthestatusquoofChina'selevatorindustrywillbeaprogrammablelogiccontroller（PLC）usedforelevatorcontrollogic,throughtherationalselectionanddesign,notonlytoimprovethereliabilityoftheelevator,maintainability,andflexibility,whileextendingtheoflifeandshortenthedevelopmentcycleoftheelevatorandtheelevatorcontroltoraisetheleveloftheelevatoroperationtoimprovethecomfort,sothatthelifttoreachamoresatisfactorycontroleffect.Inthispaper,thedesignoftheelevatorbytheelevatorwhencomparedwiththetraditional,intherunwithgoodcomfort,inlifecansaveenergy,andachievedgoodeconomicandsocialbenefitstoachievethedesiredpurpose.Theelevatorcontrolsystemhasameanlayer,theOfficeofcallstothelayerselected,manualandautomaticfunctionswithasetoffeaturestocontroltheelection.

Inintroducingthebasicstructureoftheliftonthebasisofthedepthanalysisoftheworkingprincipleoftheelevator,onthemeritsandcharacteristicsofPLC,thefocusofananalysisofthelifthardwaredesignandsoftwaredesign,researchandPLCbasedcontrolsystemdesignedtolifttheachievementoftheprogram,Finally,thestudyofthisthesisaresummarizedandprospects.

KeywordselevatorFuzzyalgorithmPLCcontrolSimulation

第1章绪论

在现代社会和经济活动中，电梯不仅是代步的工具，也是城市物质文明的一种标志。

摩天大楼的高度限制，不仅是建筑技术上的困难，一个重要的因素是其受到电梯提升高度的限制，因此电梯技术的发展水平体现了社会的科学进步水平。

信息化时代的到来，推动了智能建筑的发展，人们对电梯的服务质量也提出了越来越高的要求。

单台电梯已经不能满足建筑物内的交通需要，合理安装多部电梯成为首选，因此出现了电梯群控系统（ElevatorGroupControlSystern，简称EGCS）。

所谓电梯群控系统是指将建筑物中的多部电梯根据大楼的功能及楼层人口分布状况组成梯群，由微机控制系统统一管理电梯群的召唤和指令信号，根据系统设定的优化目标和建筑物中的实际交通状况产生最优派梯决策的控制系统。

由于电梯群控系统能够有效地改善客流调度及运输效果而一直受到国际电梯业的高度重视，而作为电梯群控系统的核心——群控算法的研究更是一个引人注目的课题。

人工智能的出现使人们在研究方向上做出了一定的转变，从过去研究电梯交通系统的统计特性到如今更多地利用人工智能技术来研究电梯交通系统的动态特性，其目的是更好地提高电梯群控系统的运行效率。

我国电梯配置与电梯系统特征的研究与国外相比还处于较落后的状态，直到1986年，国内才开始对电梯配置理论和电梯系统特性进行研究，到1990年开始对电梯系统的动态特性进行了研究。

但在电梯群控方面，仍有许多理论及技术问题急待解决，因此开展电梯群控算法研究具有重要的理论意义和实际意义，这对于电梯群控系统性能是十分必要的，同时也可以改变我国目前电梯技术主要依赖于进口的不利局面。

1.1电梯群控系统概述

自从电梯问世以来，从单梯运行到双梯并联运行，再到电梯群控系统运行，己逐步形成了电梯交通配置理论。

人工智能的出现，使人们在研究方向上做出了一定的转变：

从过去研究电梯交通系统的统计特性到如今更多地利用人工智能技术来研究电梯交通系统的动态特性。

目的是更好地提高电梯群控系统的运行效率。

1.1.1电梯群控系统的起源

随着高层建筑的出现和建筑面积的扩大，需要并排设置几台电梯，以完成大楼内的垂直运输任务，这样便存在着电梯相互联结的问题。

安装在一起的多台电梯，要求单梯的控制系统相互联结，且装有监控系统。

在这样的系统中，厅层召唤按钮对所有并联电梯来说是共有的，监控系统确定梯群中哪一台电梯去应答厅层召唤信号。

这样就形成了电梯群控系统，统一分配呼梯信号，统一调度电梯。

简单的两台电梯组成的梯群，粗略的分区是两台电梯分别服务于交替的楼层。

可用静态和动态两种方法将厅层召唤进行分区。

静态分区时，一定数目的厅层组合在一起构成一个区域；也可将相邻的上行厅层召唤安排到若干向上需求领域，相邻的下行厅层召唤安排到若干独立的向下需求区域，由此定义方向区域。

动态分区时，区域的数目和每个区域的位置和范围，取决于各个轿厢运行的瞬时状态、位置和方向。

动态分区是在正常的电梯运行期间定义的，按事先定义好的规则产生新的分区，并且是不断连续变化的。

分区控制缩短了电梯的单台运行周期，运行效率有所提高。

动态分区的算法比较复杂，因此主要以静态分区法为主。

近年来，动态分区法的研究受到了重视。

随着集成电路的发展和应用，1970年以后，厅层呼叫分配系统开始发展起来。

当一个新的厅层呼叫产生时，选择一部最合适的电梯来响应呼叫，该呼叫就分配给电梯了。

这就把群控系统和单台电梯控制器简单地联系在一起，提高了整个系统的可靠性和服务质量。

这种系统使用了集成电路，可以进行一些更加复杂的逻辑运算，但对候梯时间预测的计算却无法精确进行。

它在后来的十几年里非常流行，目前国内的部分群控电梯使用这种系统。

1.1.2电梯群控系统的发展状况

电梯群控系统从二十世纪四十年代至今己经发展了几代。

最初时使用继电器，接着集成电路的应用使系统更完善，直到今日发展成为应用计算机的现代化电梯群控阶段。

1941-1971年，电梯群控系统的最初阶段使用的是继电器顺序控制，也称自动模式选择系统，它是根据特定时间段内的交通模式选择与之对应的运行方式。

交通模式分为上行高峰期、下行高峰期、非高峰期等，控制方式采用时间间隔控制。

时间间隔控制是指：

为使梯群中的轿厢沿井道高度均匀分配，特别是在繁忙的交通需要期间，电梯群控系统以适当的时间间隔从层站楼层发出轿厢，就象公共汽车一样运行，群控系统从响应需求分配轿厢的意义上说，不依赖层站呼梯信号而工作，而是按照程序从层站楼层分派轿厢，这种控制方式的缺点是：

轿厢在层站需要花费相当多的时间等待分配间隔周期，停在顶层层站常常是无用的，而且轿厢在等待分配是闲置着。

这种系统的缺点是硬件复杂、可靠性低、维修困难、效率低、不能进行较复杂的逻辑推理。

现代电梯群控系统的最初一代是1975年至1982年，在这一代电梯群控系统里，电梯到达楼层的预报准确度有了提高，但长候梯时间的发生率很高，控制方式是候梯时间预测控制。

现代电梯群控系统的第二代是1982年至1988年，这一代群控系统取得较大发展。

一是系统中加入了对交通需求的学习功能。

这一功能提高了对电梯群运行状态预报的准确率，减小了长候梯发生率。

二是这一代群控系统在派梯中使用了综合评价系统。

当呼梯信号发生后，电梯群控系统根据交通情况和梯群的状态，对每个轿厢的多个性能指标进行综合评价，从中选出最适合的轿厢去响应呼梯信号。

这一综合评价系统极大减少了乘客平均候梯时间、长候梯时间发生率等。

这主要归功于对交通需要的学习功能和综合指标评价系统。

随着智能建筑的兴起和对电梯群控系统的要求的提高，人工智能技术开始应用于电梯群控系统中，使电梯群控系统进入到现代群控系统的第三阶段（1988年至今）。

人工智能技术作为二十世纪的新兴技术，已经在各个领域取得显著成就，对解决复杂系统的控制问题比传统的控制方法有着无法比拟的优点。

这一阶段的电梯群控系统的智能化程度进一步提高，系统更趋完善，仍在进一步发展之中。

1.2国内外电梯群控算法的研究现状

早在1949年，纽约联合国大厦首次使用继电器逻辑组成的电梯群控系统，经历了由当初的预选控制到后来的分区控制;随着计算机技术的迅速发展，计算机群控代替了传统的继电器群控。

同时国际上各大电梯公司相继推出了与自己群控系统相适应的控制算法。

在我国，电梯群控的研究最早见于1990年，主要研究电梯群控系统和人工智能。

近几年我国在这方面的工作主要表现在引进国外先进技术和产品上，在此基础上力争推出自己的产品。

虽然我国电梯业大量引进国外先进技术，但是很多停留在产品引进上，对关键电梯群控技术仍未能消化或根本未能引进。

因此国内这方面的研究仍落后于国外，有待进一步赶上。

电子技术的发展使得复杂控制成为可能。

电梯群控系统采用计算机控制技术已有三十多年，计算机技术的发展推动了人工智能技术在电梯群控系统中的应用。

电梯系统智能化，不仅是在概念上缩短人们的候梯时间，减少能量损耗，还要更多地考虑到乘客的心理候梯时间，对即将要发生的情况做出评价和决策。

这些综合因素包括乘客心理因素以及环境因素等，对应到乘客候梯时间、乘客乘梯时间、拥挤度和能耗等优化目标，因此群控系统的作用是对多元目标进行优化控制。

目前，电梯群控系统中主要采用了专家系统、模糊控制、人工神经网络以及遗传算法等人工智能技术。

1.2.1专家系统的应用

在电梯控制中，电梯群控系统的特性不能完全用数学模型进行精确描述，控制经验就显得十分重要，因此专家知识对电梯群控系统的性能具有很大作用。

专家系统在群控系统中应用较早，富士通的FLEX系列，日立的CIP—52000系列，三菱的Al—2100系列，都使用了专家系统。

专家系统的功能就是有效地将一些电梯专家的知识和经验直接融合到系统的派梯优化过程中，从而对系统运行产生积极影响。

由于专家经验及知识的局限性以及知识表达的不全面性，使得控制规则并不完善，因此用这种方法并不能很好地适应各种建筑物对电梯群控系统的不同要求。

1.2.2模糊控制的应用

模糊控制建立在人类思维模糊性的基础上，是目前控制领域所采用的控制方法中最有实际意义的智能控制方法之一。

电梯交通系统中存在着大量的不确定性，当系统的复杂程度很高而系统的状态又不易精确预测时，制定控制系统的精确模型就很困难，因此许多系统都应用了基于模糊理论的近似方法。

实际中经常根据群控原则来响应厅层召唤，而群控原则大多是一些模糊概念，例如乘客候梯时间的长短、厅层客流量的大小、轿厢内乘客人数的多少以及电梯响应召唤的快慢等，这些模糊概念难以用明确的数量界限定义，也难以用普通的逻辑规则综合考虑，这时就可以采用模糊数学中的隶属函数将复杂的模糊问题转化为简单清晰的形式求解。

1988年，富士通公司推出带有模糊控制技术的人工智能电梯群控系统FLEX—8800系列。

为了使电梯系统得到最优配置，该系统根据电梯交通状态和运行情况，利用30多种不同的评价指标完成了多级决策。

对每一个决策步骤，知识库都含有预先编制的模糊规则文件，而且，带有模糊逻辑的电梯群控系统FLEX引入了最新呼梯分配方法，即在呼梯分配系统中增加一个全面评价系统，采用包括候梯时间、长时间候梯几率及预测误差几率在内的若干因素为评价指标。

1.2.3人工神经网络的应用

从1994年起，神经网络技术被引入电梯群控系统，用于描述电梯群控系统的动态特性。

神经网络学习的主要优点在于它可以通过调整网络连接权来得到近似最优的输入一输出映射，因此适应于难以建模的非线性动态系统，这就使得神经网络在电梯系统中有广泛的应用前景。

带有神经网络的电梯群控系统克服了模糊群控系统无自学习能力的缺点，能灵活应付建筑物中变化的交通流，对误差进行校正。

1.2.4遗传算法的应用

遗传算法是电梯群控系统中一种新的控制方法。

遗传算法应用于电梯系统始于FI—340G，于1993年推出新产品。

电梯系统要求根据各个楼层的使用情况来改变系统的控制参数设定，使用遗传算法可以根据交通量的变化在线调整几十个控制参数，既保证了系统的稳定性，又可提高系统在使用情况发生变化时的跟随能力。

由于遗传算法的搜索求解过程时间较长，因此如何在电梯群控实时控制环境中进行应用还存在一定的难度，这就需要对编码、遗传操作以及搜索停止条件等问题进行合理安排，才能获得较为理想的结果。

1.3课题背景、目的及意义

1.3.1课题背景

随着城市高层建筑和智能化建筑的增加，人们对电梯服务质量提出越来越高的要求，单台电梯往往不能满足建筑内的交通需求，为缩短人们的候梯时间，减少能量的损耗，需要合理安装多台电梯。

安装在一起的多台电梯要求单台电梯的控制系统相互联动，且具有监控系统。

但仅仅这种方式不能适应客流量的剧烈变化，无法改善在某段时间内必然出现的长候梯现象。

对于电梯群的协调调度，要根据轿厢内的人数、上下方向的停站次数、层站及轿厢内的呼梯信号以及轿厢所在位置等因素来分析实时客流的变化情况，自动选择最适合客流的情况的输送方式。

因此，多台电梯的优化调度系统，也即电梯群控系统应运而生。

电梯群控系统是通过对电梯群的运行状态进行实时监测与分析，再根据不同的实际情况对各电梯进行优化调度和合理分配，进而实现电梯系统对乘客的服务质量和服务效率的改善和提高的目标。

本课题来源于湖北正野电器电梯公司项目：

基于控制器局域网的双电梯智能化分布式并联控制系统。

项目目标是实现电梯控制系统的分布式微机控制并为小区监控做好准备。

1.3.2课题的目的及意义

在研究一种控制系统前首先要明确其控制目标。

电梯群控的最主要目的是提高对乘客的服务质量和降低系统的能耗，故群控的控制目标为多目标，主要有：

（l）平均等候时间要短：

平均等候时间为所有乘客的侯梯时间和乘梯时间的平均量。

它是评价电梯控制系统性能的重要指标。

（2）长时等待率要低：

长时等待率为在一定时间内等待时间超过1分钟的乘客占总乘客的百分比。

统计表明，乘客的心理烦躁程度与等待时间的平方成正比。

当等待时间超过1分钟时，乘客的心理烦躁程度急剧上升，所以应尽量减少长时等待的发生。

（3）系统能耗要低：

电梯停靠的次数越多，系统能耗就越大。

电梯群控系统要节能则要合理安排和调度电梯群对呼梯信号的响应，尽量减少电梯系统不必要的起停次数。

（4）人流输送能力要求高：

电梯输送能力很重要，输送能力不足将会造成乘客拥挤、平均侯梯时间长等不良后果。

现今国内的多台电梯控制水平还不理想，有待进一步发展，存在不少问题需要进一步研究：

（l）国内使用的先进的电梯群控系统大多数都是国外电梯公司制造的，或由国外电梯公司提供其控制系统部分，而国内自主版权的控制方法和技术在实际中的应用极少。

（2）控制技术研究的角度看，国外已有的先进控制技术，很多都掌握在各个大电梯公司手中，其核心技术是不公开的，而国内在这些方面的研究还有相当大的差距。

尽快学习和掌握这些先进的控制技术，对国内电梯工业以及其它行业的发展会有极大的促进作用。

（3）有的电梯控制技术仍存在缺点和不足。

例如如何把更先进的技术应用于电梯群控之中，以进一步提高现有电梯系统的运行效率，满足乘客的需求，仍需要进一步探索和研究。

1.4本论文研究的主要内容

本文将控制技术中发展较为成熟的模糊算法应用到电梯群控系统中，对电梯群控系统中交通模式的识别及调度算法的确定进行了详细研究，包括输入变量的选取、隶属函数的确定、特别是调度总体评价函数的确定和系统仿真等作了深入的研究，具体来说，本文中主要完成了以下几个方面的工作：

（1）简要介绍了电梯群控系统的运行特性，国内外现状及存在问题，分析模糊算法应用到电梯群控调度算法中的必要性、可行性。

（2）对电梯群控系统调度算法的确定进行了详细研究，并对交通模式的具体实现过程做了定量分析。

（3）在分析传统调度算法存在的诸多不足的基础上，新构建了对电梯调度进行评价的综合评价函数，将乘客平均候梯时间，乘客长时间等待率，以及系统运行能耗三个重要指标的加权平均值作为新的评价函数，并根据不同的交通模式调整加权系数。

（4）应用了PLC的梯形图编程和step7进行仿真。

第2章电梯群控系统的网络结构设计及特征分析

电梯群控系统服务于乘客，必须满足乘客多方面的要求，因而它的实现是一个复杂的调度问题，其复杂性表现在固有的多目标性、不确定性、非线性和信息的不完备性等方面，可以选用多个控制模式来实现。

2.1电梯群控系统的特性

电梯群控系统是多台电梯的调度问题，但是它又有自己的特点，是一个复杂的调度问题。

它的复杂性表现在所固有的多目标性、不确定性、非线性和信息的不完备性。

2.1.1多目标性

电梯群控系统是用来管理多台电梯并对建筑物内所有乘客提供服务的系统，它所包含的事件在时间和空间上都是离散的，其控制目标体现在服务质量、服务数量和节能三方面。

因此，群控的控制目标为多目标，只要表现在以下几方面：

（l）平均候梯时间要短：

候梯时间是指，当乘客按下层站呼叫按钮，直到所派电梯到达此层乘客进入轿厢所经过的时间。

平均候梯时间是指所有候梯时间的平均值。

平均候梯时间是评价电梯群控系统重要的性能指标。

（2）长候梯率要求低：

长候梯时间一般是指候梯时间超过1分钟的候梯时间。

长候梯率是指长候梯时间发生的百分率。

统计表明，乘客的心理烦躁程度是与候梯时间的平方成正比的，当候梯时间超过60秒即所谓长候梯时，其心理烦躁程度急剧上升，所以应尽量减少长候梯的发生。

（3）系统能耗要求低：

单台电梯的能耗与所选电梯的驱动方式、机械性能等有关。

如最初的电动机一发电机组能耗比较大，效率较低。

而现在的VVVF驱动电梯的能耗和效率都比较高。

所以电梯群控系统节能主要依靠群控系统合理地安排与调度梯群对呼梯信号的响应，尽量减少起停次数，同时起停次数的减少也会延长梯群的整体寿命。

（4）平均乘梯时间要求短：

乘客的乘梯时间是指从乘客进入电梯到乘客到达目的层乘客离开的这段时间。

乘客乘梯时间的增长往往会使乘客感觉不舒服、烦躁。

如去建筑物顶层的乘客在乘梯时间长于90秒时，会对停靠变得极不耐烦，所以乘客的乘梯时间应保持在一个特定的期限之内。

（5）乘坐电梯的舒适度要求高：

舒适度主要是指轿厢内拥挤度以及乘坐环境。

（6）预测轿厢到达时间准确率要求高：

很多电梯系统配有电梯到达时间显示系统，如果预测时间不准确，则会造成乘客的不安和烦躁，也会降低系统的整体性能。

以上几点是系统的主要性能评价指标，可知电梯群控系统是一个多目标控制系统，而且各个目标之间是相互矛盾的。

如拥挤度要求小，会使平均候梯时间增长。

平均候梯时间短则会使长时候梯发生率高。

所以各个指标之间的相互平衡成为电梯群控系统的控制难点

2.1.2不确定性

电梯交通系统存在着大量的不确定性：

（l）呼梯信号的产生层是不确定的；

（2）各层站的乘客数是不确定的；

（3）呼梯者的目的层是不确定的；

（4）建筑物内存在的与环境因素有关的变化的交通路况是不确定的。

这些不确定性的存在给群控系统确定交通模式，预测轿厢到达目的层时间等造成极大的障碍，使系统不能对某一特定情况给出最优控制。

2.1.3非线性

电梯交通系统存在着非线性：

（l）对同一组厅呼，在不同的时间标度下，轿厢的分配是不同的，轿厢分配的变化是不连续的。

（2）所能分配的轿厢数目是有限的，受系统所有轿厢数目限制。

（3）轿厢容量是有限的，当轿厢容量达到饱和点时，轿厢会不停而过。

（4）轿厢会在运行中频繁改变方向。

2.1.4电梯群控系统中信息的不完备性

电梯群控系统中存在着大量的不准确信息：

（l）电梯轿厢中的乘客人数不能准确获得：

虽然轿厢的底部装有承重装置，但由于人的个体体重差异较大，所以不能获得轿厢内乘客数的准确数据。

这