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                    PLC在群控電梯系統中的應用

                    添加時間:2020/06/20 來源:華東交通大學 作者:劉林飛
                    提高電梯系統的性能是極其重要的,確保電梯安全高效節能運行是當今電梯的發展趨勢。傳統的電梯繼電器已經不能滿足現代電梯的復雜化進程,可編程邏輯控制器(PLC)應用到現代電梯中,能有效提高電梯的控制精度。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著社會主義現代化進程的推進,城市化加速,高層建筑也應聲而起,電梯逐漸成為生活中不可或缺的垂直交通工具。與此同時,人們不僅僅滿足于簡單的輸送功能,更加在意電梯乘坐時的舒適度。因此提高電梯系統的性能是極其重要的,確保電梯安全高效節能運行是當今電梯的發展趨勢。傳統的電梯繼電器已經不能滿足現代電梯的復雜化進程,可編程邏輯控制器(PLC)應用到現代電梯中,能有效提高電梯的控制精度。

                      本文首先介紹了電梯及其控制技術的發展現狀,電梯的結構組成及其分類方式,并闡述 PLC 的基礎知識,設計單部電梯的 PLC 控制方式,主要包括電梯的輸入輸出信號分類,和具體的 I/O 口配置,并采用模塊化的思想設計電梯各種控制內容,如樓層位置確定、電梯上下行控制、電梯開關門控制和內外呼指令登記與消除等。

                      本文在進行電梯控制系統設計的基礎上,結合電梯交通流數據分析,基于電梯交通流特性數據,考慮進出門廳客流量和層間上下行客流量,完成電梯交通流在辦公建筑中的預測;隨后分析交通流在各時刻的不同,確定其各種交通流模式類別,如上行高峰模式、下行高峰模式、層間交通模式、空閑交通模式和兩路交通模式。

                      最后根據西門子 S7-1200 系列 PLC 和對電梯交通流分析結果,選擇各種不同電梯性能評價函數,如平均候梯時間、長時間候梯率和平均乘梯時間等指標,完成五部二十層群控電梯系統的設計。

                      關鍵詞:電梯,可編程邏輯控制器,預測,交通流模式類別,群控電梯系統

                    群控電梯系統

                    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
                     

                      目錄

                      第一章 緒論

                      1.1 研究背景及意義

                      社會主義現代化進程快速推動,城市人口逐日增加,土地面積日益緊張,建筑物的發展趨勢逐漸變為高層或是超高層,而電梯作為高層輸送的交通工具,直接決定了生活工作在高層建筑中人群的日常生活質量。

                      19 世紀 90 年代美國奧的斯公司制造出世界上第一部真正意義上的電梯[1].但由于是直流人力控制,其運行速度極慢,且經濟效益差。隨后 20 世紀初,瑞士迅達公司推出了第一臺按鈕式電梯,采用全自動的控制方式。很久之前的電梯都是按此輸送的形式,電梯的控制系統極其簡單,乘客的乘梯需求只能單獨響應,很不方便。此后,電梯的控制模式逐漸變成集選的控制方式,該采集方法可以將呼叫中的所有需求信號記錄下來,能夠完成同方向乘客的乘梯需求,隨后再進行反方向的運輸乘客。

                      由于單部電梯不能滿足電梯交通流較大的情況,無法及時運送乘客到目標樓層,因此群控電梯逐漸被應用到現代建筑中?梢栽诳土髁棵芏容^大時減少長時間候梯,乘梯時間及能量損耗。如果電梯獨立工作,則會產生一呼多應等情況,因此多部電梯之間的級聯方式成為電梯控制領域的熱點。

                      上世紀中葉,美國奧的斯電梯公司和西屋電梯公司率先提議使用多部電梯作為同時控制運行的系統。通過對當前乘坐電梯需求人次、呼叫響應、停站次數和呼叫地距目標樓層的距離長短,優化派梯方案,提升電梯的運行效率。

                      在人類追求便捷方便的同時,電梯的舒適度和安全性逐漸被重視起來,從新的角度推動電梯行業的技術創新。同時,由于市場需求不斷變化,人們對電梯的功能也增加,各種類型的電梯推成出新,如觀光電梯,購物中心的長扶手電梯等。電梯控制系統中使用了多種技術,例如自動調平技術,微計算機檢測技術,圖像顯示技術,監視系統技術和通信系統技術。電梯控制技術的發展方向正在朝著現代化,智能化和網絡化方向發展[2].同時,它給人類生活帶來了極大的便利,其舒適性和安全性大大提高。

                      近些年來,電梯群控系統已經成為主流,計算機行業的智能控制算法被應用到電梯行業逐漸成為當今電梯控制行業的大趨勢;通過基于各種微機的群控算法能夠優化電梯群控系統,完成多部電梯的合理調度派梯,從多個角度改善了此前電梯行業的弱點,如資源分配不合理和運行能耗損失較大等。

                      1.2 國內外研究現狀

                      1.2.1 國內研究現狀

                      電梯在建筑中起到至關重要的作用,沒有電梯就沒有如今高層建筑的發展,類似于其他交通工具的作用,電梯已經成為我們生活的不可或缺的一部分。電梯的總需求隨著經濟的快速發展、城市化水平增長而增長。雖然在過去一段時間內全球經濟持續萎縮不景氣,但我國經濟仍繼續以一個較快的速度增長,這客觀的導致了我國電梯行業的急速發展。逐漸,中國的電梯行業變得非常有潛力,蓬勃發展的電梯行業引領全球許多著名的電梯公司,比如三菱、西門子、冬芝和奧的斯之類的,并且他們在該行業已經占有 70%多的份額,先進技術和管理方法的引進又推動了我國電梯行業的快速發展,產生了一批國產的電梯品牌,如浙江巨人、上海華立、蘇州江南和寧波宏達等。就目前來說我我國電梯企業已經能夠生產各種需求的電梯產品,擺脫了從國外進口,相反還有了一定的出口規模。

                      國內研究人員還對電梯控制進行了更多研究,有學者認為由微機構成的電梯運行系統的電梯會有巨大的發展前景,PLC 控制的電梯可靠性高,開發周期短的這些特點使得PLC 型電梯能夠完成更復雜的任務,具有很強的靈活性和穩定性,并成為電梯控制行業未來主要的發展方向[3-6].同時也有學者認為電梯除了需要具有穩定性,在未來更需要從乘客的角度出發,敞亮照明的巨大轎廂空間決定了乘客乘坐電梯時的舒適度;另外還需要更加安全,電梯的運行安全還要求電梯不僅在運行失敗時使乘客與外界交流,而且電梯本身應該能夠自動播放使乘客感到放松的音樂,從而徹底消除緊張和焦慮的感覺。除了上述的還有其他學者在電梯智能化發展方向做了一定的研究。

                      1.2.2 國外研究現狀

                      早期國外的電梯都是由傳統繼電器給予控制,在取得低價等方面的優勢時,存在著系統接線繁瑣,接觸器觸點也容易燒毀和損壞。另外常規的繼電器電磁結構觸電動作存在一定的延時,很難控制電梯系統精確運行。隨著科學技術的進步,PLC 逐漸取代了繼電器,克服了傳統繼電器的缺點,在穩定性上邁出巨大的一步,與此同時,由于采用較少的接線,也為了后續的維護提供了方便。

                      第二次世界大戰后,國外的建筑隨著經濟的復蘇快速發展使得電梯進入快速發展時期,各種新的技術被用與建筑電梯的領域。電力電子技術推動了晶閘管的發展,整流裝置被用于電梯拖動系統,從而簡化了電梯的牽引系統并提高了性能;調壓調頻技術的研制,也被應用到電動機通過控制定子的電壓和頻率方便了電梯運行速度的調節,在 20世紀末,日本曾使得變頻調速電梯的運行速度到達 12.5m/s,宣告了交流電梯在高速電梯領域的突破。

                      歐洲美洲國家對電梯的研究主要集中在控制方法上,依靠的是成熟的 PLC 技術。同時,日本也依賴 PLC 的邏輯控制實現變頻電梯技術的突破,使用變頻技術的電梯在節能上有明顯優勢[7-8].隨后,低速和中速類型的電梯都基本上實現了永磁同步無齒輪電機的應用,使得當代電梯技術取得了歷史上的巨大成功。學者 G.L 經過研究得到這樣的結論,永磁同步無齒輪技術利用電動機在低速時提供高扭矩,從而節省更多能源,其平均節能在 20%至 40%之間。微型計算機技術的發展和永磁同步電動機的發明為節能型電梯的發展提供了技術支持[8].甚至,有文獻指出電梯的節能裝置可以有效地將存儲的能量反饋給電網以供其他周圍的電氣設備使用[9].

                      言而簡之,因為無齒輪傳動的永磁同步電機逐漸成為電梯行業的主流,隨之帶來的小機房甚至是無機房的電梯系統越來越具有應用前景。電動機的輸出軸直接通過與電動機的牽引輪鏈接,沒有經過其他的齒輪或者其他機械結構減速而驅動電梯上下運行。同時這種傳輸方式具有機械結構簡單、噪音低和效率高的優勢,逐漸成為當前各種電梯拖動傳動方式中的較好解決方案。

                      1.3 本文的工作

                      本文主要是利用可編程控制器(PLC)代替電梯的傳統電氣控制系統。由于 PLC 作為新一代電梯控制工具具有以上優點,以 PLC 作為工具對電梯控制系統進行了設計。首先分析電梯的特性及 PLC 的基礎特點,完成簡單的單部六層電梯設計;再緊接著分析電梯交通流的模式及流量預測,為電梯群控打下一定的基礎,然后基于電梯各種評價函數,提出五部多層電梯群控系統的設計。

                      文章的具體內容及結構安排如下:

                      第一章緒論簡述當今國內外電梯研究現狀,解釋本文的研究背景及意義,并簡單陳述本文研究的主要內容和章節安排。

                      第二章闡述電梯的分類與結構。

                      第三章首先介紹可編程邏輯控制器(PLC),對本文設計的六層電梯的硬件部分作出相應分析;再根據設計需求計算出所需的 I/O 口數量并確定本文選用的 PLC 型號:最后在進行軟件設計,繪制本文電梯控制系統基本的梯形圖。

                      第四章首先分析電梯交通流時間序列和其模式分類,提出了電梯交通流預測和交通流模式識別的方法。

                      第五章結合群控系統的特性,綜合考慮乘客平均候梯時間、平均乘梯時間以及能量損耗等多目標優化的控制策略。

                      第六章總結全文所研究的主要內容,分析其中不足之處,并提出改進的方向和目標,為后續研究提供一定思路。




                      第二章 電梯的概述
                      2.1 電梯的定義
                      2.2 電梯的結構與分類
                      2.2.1 電梯的結構
                      2.2.2 電梯的分類
                      2.3 電梯的特性及控制要求
                      2.3.1 電梯的特性
                      2.3.2 電梯的控制要求
                      2.4 本章小節

                      第三章 PLC 設計
                      3.1 PLC 的定義和特點
                      3.1.1 PLC 的定義
                      3.1.2 PLC 的特點
                      3.2 PLC 的工作方式和應用領域
                      3.2.1 PLC 的工作方式
                      3.2.2 PLC 的應用領域
                      3.2.3 PLC 相較于繼電器的優點

                      3.3 電梯控制 PLC 設計
                      3.3.1 PLC 型號的選擇
                      3.3.2 電梯控制原理及基礎內容
                      3.3.3 PLC 軟件設計
                      3.4 本章小節

                      第四章 電梯交通流預測及模式識別原理
                      4.1 電梯交通流分析
                      4.2 基于 PSO-WNN 的電梯交通流時間序列預測
                      4.2.1 預測方法
                      4.2.2 基于小波神經網絡的電梯交通流預測
                      4.2.3 基于人工魚群算法優化的小波神經網絡
                      4.3 基于 PSO-SVM 的電梯交通流模式識別
                      4.3.1 電梯交通模式分類
                      4.3.2 基于粒子群算法優化的支持向量機
                      4.3.3 仿真結果
                      4.4 本章小節

                      第五章 基于交通流分類的電梯群控算法
                      5.1 電梯群控系統的基本控制原理
                      5.2 群控電梯系統建模及仿真
                      5.2.1 群控電梯系統的多目標建模
                      5.2.2 群控仿真參數條件設置
                      5.3 PLC 的程序實現
                      5.3.1 群控電梯編程思路
                      5.3.2 群控電梯的硬件設計
                      5.3.3 群控系統的軟件設計
                      5.4 本章小節

                    第六章 總結與展望

                      通過本次畢業論文的撰寫,我深刻地理解了所研究課題的重要性和價值。明白了論文撰寫的方法和經驗,這將是我人生的最珍貴的精神財富。同時也認識到自身還存在的不足之處,需要在以后的學習中更加努力?刂葡到y的設計是一個漫長的很復雜的過程,要考慮到這個系統所涉及的甚至是可能涉及到的各種影響因素,只有把它們之間的關系協調好了這個控制系統最終才可能有使用價值,而這需要在實際應用中不斷的驗證和改進。

                      在研究的過程中主要完成了以下幾個方面的工作:

                     。1)了解了電梯技術的發展歷程和研究現狀,加深了對電梯的結構組成和電梯各種不同分類方式的了解;也掌握了可編程邏輯控制器(PLC)在電梯控制系統的使用原理。

                     。2)完成單部電梯的控制設計和多部高層電梯群控系統的 PLC 設計。

                     。3)對電梯交通流數據進行了詳細的分析,探尋電梯交通流變化趨勢的主要原因和各種主要電梯交通流特性數據;同時也根據電梯交通流的數據特征完成交通流的模式識別分類。

                     。4)分析了電梯的各種性能評價指標如平均候梯時間、長時間候梯率和平均乘梯時間等指標,確定按照不同分類下各指標權重的大小,完成電梯群控系統的設計。

                      參考文獻
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                    致謝

                      研究生生活轉眼即逝,五年的學習生活讓我受益匪淺;厥渍撐脑谒伎、收集、整理、再思考、修改、再修改直至最終完成的過程,我得到了許多人的關心和指導。值此學位論文順利完成之際,我要向他們表達我最真心的感謝。

                      首先,我想對我的恩師陳世明教授表示深深的敬意和誠摯的感謝!感謝恩師在學業上精心指導和生活上的細心照顧!師者,傳道授業解惑也。確實如此,在教學上,恩師為人謙和,學識淵博。在論文的選題、資料搜集和創作階段,恩師都傾注了極大地關懷和鼓勵。在論文的創作過程中,恩師經常不厭其煩地指點我。在我的論文初稿完成之后,恩師從框架構思再到具體內容撰寫,乃至格式規范,都給予了我耐心細致地指導并提出了很多中肯的意見,使我在寫作和研究中不致于迷失方向。他嚴謹的治學之風和對事業的執著追求將深深地影響我的一生,他對我的指導和教誨我會永遠銘記。借此機會,我謹向恩師致以深深的謝意! 我也要感謝我的校外導師黃為民教授級高工,他嚴謹的治學之風,深入實際的教學方法讓我不僅能良好的掌握理論知識,更學會了如何應用到實際工作中,真正做到了活學活用,現學現用。在此,要深深的感謝他。

                      其次,我還要感謝我的所有給我授過課的老師,他們在課堂上深入淺出的講解啟發了我的思路,豐富了我的知識,拓寬了我的視野,他們獨特的個人魅力也深深的影響了我!要感謝我的領導以及同事,是他們的幫助,無私的關懷才讓我能順利的完成學業,取得更高的成就。

                      再次,感謝我的爸爸媽媽和家人們,謝謝你們多年一直在經濟和精神上無限的支持!

                      感謝父母的無私奉獻和不斷鼓勵,謝謝你們一直以來的對我的照顧,給我提供了一個理想的學習環境!感謝我的同學們,謝謝你們在我困惑的時候開導我,給我鼓勵!

                      最后,我還要感謝對本文的審閱專家、評委專家,謝謝你們給了我一個審視學習成果的機會,讓我能夠明確今后的發展方向,他們對我的幫助是我一生的財富,我將在今后的工作生活中加倍努力,以期能夠取得更多的成果回報他們、回報社會!

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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