省时、电价的电梯优化控制策略

省时、电价的电梯优化控制策略

目前，电梯在生活中的应用非常普遍。除了大家所熟悉的一般功能外,现在所使用的电梯还出现了如下较新的功能:(a)双梯智能选择。即近邻的两部或多部电梯用一套按钮操作,离所叫楼层最近的电梯优先停靠。其它电梯自动通过。(b)IC卡自动识别技术。即利用微电脑对电梯进行控制,把叫梯人的信息输入IC卡,持卡人可凭卡使用电梯或者到达卡内信息指定的楼层,实现了控制外来人员的目的。(c)停电自动平层功能。(d)电梯群控技术。传统的电梯缺少一套省时、节电的电梯优化控制策略,不具备错误指令取消功能,候梯人又无法知道电梯内的人数情况,造成了的电梯不必要启停,使电梯运行的优化控制得到限制。其运转模式将大量的时间浪费在无意义的等待中,也造成了能源的浪费。本文提出了一种省时、节电的电梯优化控制策略,通过增加电梯内和电梯外的指令取消功能、测试梯内人数并在梯外显示功能、满载测试与直驶功能等,减少不必要的电梯启停次数,实现电梯运行的优化控制,从而达到节电、省时的目的。根据这一策略,研制出了电梯用单片机控制单元。1系统的工作原则和组成1.1次无意义停停现假设电梯从9楼驶下时已接近满员,在8层、7层、6层各有一人在等候,而8层的人在电梯门打开后因为人较多而没有选择进入,7层的人因为有急事临时选择不乘坐电梯了,6层的人因为等待时间过长也在电梯到达之前离开了,这时电梯就会在8层、7层、6层进行3次无意义停靠。电梯从9层行驶至1层,在中间不停靠的情况下需要24s,中间每停靠一次,从减速、开关门、加速到原行驶速度要多花8s。这时电梯从9楼到1楼的行驶时间就是48s,多用了24s的时间。同时电梯在减速、开关门及之后的加速过程中要浪费大量的电能,尤其是在电梯接近满员的时候,由于梯内载荷很大,更会造成能源上的巨大浪费。再假设某人在6楼按下电梯按钮打算下楼,电梯内恰好无人,从1楼向上行驶,若在电梯行驶到2层与3层之间时,此人突然因为某种原因放弃乘梯,这时电梯依然会行驶到6层,这又造成了能源上的浪费。能不能通过硬件设备上的改造和控制策略上的优化来取消这种无意义的停靠,从而节约时间和能源呢?为此本文提出了基于单片机的电梯优化控制单元。1.2红外发射技术的应用这种电梯优化控制单元,在原有轿厢式电梯单元的基础上,对各楼层的按钮作出改进,原有按钮在按下后信号指示灯亮,在该控制单元中设计成按下灯亮再按下去取消选择的方式。在轿厢的门口安装红外线发射和接收设备,一个靠近外侧,一个靠近内侧,红外线束可以检测出是否有人从下面经过,运用两个对光暗指信号的先后顺序可以判断出人的进出,进而得出电梯内人数的增减。这样,依托红外线技术就可以测出电梯内的人数。在每层电梯的按钮下面增加一个小显示屏,将上面得到的电梯里的人数的结果在各个楼层实时输出,这样在电梯满员或接近满员时,可以通过各楼层的输出设备给予候梯者适当的提示,避免多数人的长时间等待和电梯的无意义停靠。1.3电梯的启停和关闭合理改进各楼层的梯内和梯外选择按钮,增加取消选择的功能。在人们遇到突发事件或觉得等待时间过长而放弃乘梯时,可以取消叫梯指令,避免电梯的无意义停靠。增加满载直驶功能,在电梯满载时不响应梯外的叫梯信号。用光电发射和接收对管测出电梯内的人数,并用电子屏幕将人数在各个楼层实时输出,给候梯者反馈正确的信息,便于其判断是否乘梯。这样就可以使电梯在使用过程中表现得更加人性化,同时有效地减少电梯的启停次数,实现时间上和能源上的节约。根据改进的功能可以作出系统软件控制策略上的优化和改进,便于想法的应用和推广。继续上面的例子。8层的人通过电梯外的显示屏上看到轿厢内人数已接近满员,决定放弃乘坐电梯,在电梯到达8层之前就取消了叫梯指令。7层的人在有事要离开前也取消了叫梯指令。6层的人也不会等待过长的时间,若他在电梯到达前选择离开,则取消选择,电梯可以少停靠3次而直接行驶至1层,若选择乘梯,则电梯只需要在6层停靠一次。无论对于乘梯者还是候梯者,都会节约很多时间。从耗能的角度上看也有很好的节能效果。同样,若某人在6楼叫梯,电梯行驶到2层与3层之间时此人再次按下电钮取消了选择。按着我们的设计,电梯应停靠在当前位置,等待下一位乘客叫梯再行驶至相应楼层。这样电梯从当前位置行驶到6层所需耗费的能量就得到了节约。2单-屋顶优化单元的开发2.1心,键盘输入用单片机来模拟现实生活中使用的电梯控制单元。该系统包括单片机核心,键盘输入,用来做位置检测的霍尔传感器,用来做人数检测的光电对管,层数和人数显示所使用的LED屏,电机驱动和电源部分,还有小型的电梯支架和轿厢模型,以模拟电梯的运动。系统结构图如图1所示。2.2检测和控制方法2.2.1电梯控制系统本模型的位置检测是通过霍尔传感器实现的。轿厢内安装霍尔传感器,每层的停止位置安装薄片磁铁。当电梯到达指定位置时,霍尔传感器与磁铁靠近,输出电压变化,将该电压输入单片机的内部ADC进行采样,以此判断电梯位置并控制电机,电梯控制系统和梯外指令系统之间用无线通信芯片实现信息的交换。如图2所示。2.2.2电梯的控制程序人数检测是通过2个红外对管实现的。当有人进入电梯时,先经过对管1再经过对管2,这样就会先触发单片机的中断0,再触发中断1;有人走出电梯时正好相反。由此在程序中可以判断出人的进出,并记录人数。图3为此过程的示意图。2.2.3叫梯操作的控制和响应各层的叫梯功能,通过计算机编程来模拟实现。计算机程序与轿厢内单片机之间的通信,是用串口无线通信模块来实现的,如图4所示。按下某层的叫梯按键,相应的指令代码会通过串口无线模块发送给单片机,单片机将每层的叫梯指令分别存储到对应的变量中,并根据电梯的运行状态来决定目的层。梯内和梯外的叫梯程序都可以完成上述的目的取消。单片机会实时地返馈电梯当前位置和梯内人数。当梯内人数达到满员时,传统的叫梯还会被响应,但乘客已经无法再进入电梯了,这又造成了时间和能源的浪费。本程序中设定,当电梯人数满员时,不再响应叫梯指令,以节约不必要的浪费。2.3电梯控制方式轿厢内有4个按键1～4来实现厢内的选层功能。按键一次表示确定目的层,再按一次表示取消该目的层。比如乘客在1层上电梯,按下4键想到达4层,电梯运行过程中又想改去3层。按照传统的电梯控制方式,如果乘客又按下了3键,那么电梯先在3层停止,乘客下电梯后,电梯还会去4层。而如果采用了目的层取消功能,乘客可以先取消4层目的,再按3键,电梯就会在3层停止而不会再去4层,这就节省了能源。此时,如果1层或2层有其他乘客叫梯的话,又可以减少他们等待电梯的时间。如果主程序循环中没有扫描到有键按下,并且电梯处于停止状态,说明梯内无人控制电梯运行。那么检测串口是否收到有效的叫梯指令,如果有则控制电梯向叫梯层运动。如果在电梯向叫梯层运行过程中叫梯被取消,则电梯会在当前层的下一层停止,达到节能目的。3电梯能耗分析用软件模拟在这种优化控制单元下的电梯的运行情况,并对系统的耗能进行了相关的计算。实验和测试效果良好,具有很好的应用价值。图6为系统在测试过程中的截屏。运行中的电梯能耗取决于两个方面:电梯设备自身的能耗特性,电梯的调度策略和客流情况。在不涉及电梯设备自身能耗特性的情况下,仅考虑电梯的客流分布和调度策略对电梯能耗的影响。电梯的能耗与其工作状态密切相关。电梯的工作状态可分为休眠、待机、运行。运行状态按顺序又分为:开门关门-加速-匀速-减速-开门关门。区分这些状态对测试的电梯能耗数据曲线分段处理,根据表1中所示电梯的基本参数,可以用数学建模的方法得到电梯的耗能曲线,如图7。据此分析这种型号的电梯在启动时每次持续时间为4.5s,耗能约30kJ,匀速运行时每秒耗能约7.5kJ,减速过程时间约为2s,耗能约为8kJ。按照前面电梯从9层运行到一层的例子估算,传统电梯耗能272kJ,但采取本文的优化控制单元后,电梯减少了3次启停次数,其耗能约为158kJ,节约能量114kJ,占传统电梯耗能的41.9%。综合各时间段的乘客流量和电梯使用情况可以推算,这种基于单片机的电梯优化控制单元,在运行时平均可以节约10%左右的能量和时间,确实达到了预期的效果。4电梯控制单元本文针对传统的电梯控制策略对人性化和节能方面的考虑不够充分,造成了电梯使用中的时间和电能的浪费的问题,提出了通过增加电梯内和电梯外的指令取消功能、测试梯内人数并在梯外显示功能、满载测试与直驶功能等,减少不必要的电梯启停次数的方法,建立了电梯优化模型,研制了电梯用单片机控制单元,该单元由单片机核心、键盘输入、霍尔传感器、光电对管、LED屏、电机驱动和电源部分、小型电梯支架和轿厢模型组成,经过实验和测试,实现了电梯运行的优化控制,从而达到节电、省时的目的,弥补了传统电梯在这方面的不足。这种电梯控制单元的成本不高,可通过现有电梯改造实现。技术上的要求也容易达到,便于今后推向市场,具有广泛的应用前景和竞争能力。图5为单片机主程序流程图。主程序在循环中不断扫描电梯内按键,通过把得到的键值排序获得下一个目的层数,然后控制