引言随着我国城市化建设的高速发展，电梯使用量不断增加。截至2020年，老旧电梯约占中国电梯保有量的10%[1]，电梯能耗占建筑总用电量的1/4[2]。针对老旧电梯运行过程中存在的各种问题，本研究设计电梯运行与能耗监测综合系统，实时监控电梯运行情况，优化电梯控制方式，对电梯进行远程控制和智能调节，提升运行效率，减少乘客乘梯时间，降低电梯整体能耗，体现节能环保的设计理念，具有巨大的经济和社会效益。1电梯节能技术分析电梯能耗主要与运行效率有关，电梯运行效率取决于电梯控制系统（启停频率）、轿厢与乘客总重量、运行时长、运行速度、轿厢内的照明以及数码管等硬件设施[3]。该指标计算为：Eelevator＝(K1×K2×K3×H×F×P)÷(V×3 600)+Estandby （1）P＝P1×P0 （2）P0＝(0.5×G额×V额)/(1 000×ns×ng×nm)（3）式中：Eelevator——电梯1天内消耗的能量，kWh/d；K1——驱动系统系数，交流驱动系统、VVVF驱动系统以及带能量反馈的VVVF驱动系统的控制系数，K1分别为1.6、1.0和0.6；K2——平均运行距离系数，电梯启动一次运行一层时，K2＝1.0，两层及以上K2＝0.5；K3——轿厢内平均载荷系数，默认值K3=0.35；H——最大运行距离，m；F——电梯1天内启动次数；P——电梯的额定功率，kW；P1——与平衡系数呈正相关，平衡系数为50％、40%以及30%时，P1分别为1.0、0.8以及0.6；G额——额定载重量，kg；V额——额定速度，m/s；ns——悬挂效率，默认值ns＝0.85；ng——传动效率，蜗轮蜗杆ng＝0.7，无齿轮ng＝1.0；nm——电动机效率，交流驱动系统nm＝0.75，VVVF控制系统nm＝0.85；V——电梯的速度，m/s；Estandby——1天内电梯待机时消耗的总能量，kWh/d。1.1电梯传动系统的节能技术分析从电动机的设计和制造环节采取节能举措减少电梯能耗。传统电梯采用交流驱动系统，通过蜗轮蜗杆减速箱带动曳引轮，驱动系统系数高（K1=1.6），传动效率和电动机效率低（ng=0.70、nm=0.75）。新型电梯采用VVVF驱动系统，通过变频技术直接控制电动机带动曳引轮，驱动系统系数低（K1=0.6），传动效率和电动机效率高（ng=1.00、nm=0.85），同时电梯运行所需转矩小，启动电流远小于传统钢丝绳主机，不仅降低了电梯的能耗，也减少启动电流对电网的冲击，节能效果显著。1.2电梯控制系统的节能技术分析针对不同场景采用不同的控制方式，通过优化电梯控制系统，减少电梯启停次数F，提高电梯运行速度以及电梯平均运行距离，从而提高电梯运行效率，减少电梯能耗。同时减少乘客平均等待时间，降低乘客长时间候梯比率，提升乘客乘梯体验。（1）集群控制方式：将多部电梯的呼梯系统合并，通过算法实现电梯的智能分配，有效减少电梯的重复响应，降低无效停靠和启动次数。（2）视频监测控制方式：在楼层候梯区安装高清摄像头，全方位实时采集该区域图像，利用图像处理算法对等待乘梯的乘客自动识别，记录乘客数量同时将数据传输到上层分析决策和控制模块。若乘客数量多于单个电梯的承载量，控制系统将同时调控多部电梯响应此次乘客需求，减少电梯的启停次数。（3）统控方式：通过电梯综合系统对辖区所有电梯统一设置运行参数，调节电梯的运行速度。（4）单双层运行模式：在高峰时段，控制器自动控制电梯进入单双层运行模式，电梯只响应奇（偶）数层呼梯信号。乘客只能在奇（偶）数层进出电梯，偶（奇）数层乘客需步行至相邻楼层乘坐。（5）预超重运行模式：在电梯处于未超载但接近超载额定值时，进入预超重运行模式，电梯只能响应电梯轿厢内部呼梯信号，不响应轿厢外部呼梯信号，同时提醒乘客电梯运行情况，降低乘客长时间候梯比率。1.3电梯能量调节系统的节能技术分析变频调速技术针对电梯运行情况进行合理化调频，提高电梯运行稳定性和安全性，减少能量损耗。再生能量回馈技术利用变频器将电梯运行过程中多余机械能转换成其他能量，存储在直流母线回路的电容中，再将其逆变为与电网同频同相的交流电回馈到电网，从而提高电梯驱动系统系数K1以及平衡系数P1，降低电梯能耗。2概念化节能电梯设计采用高效传动技术、梯控节能技术、能源再生回馈技术、绿色能源技术，结合传感检测技术、图像监测识别技术、物联网技术，规划设计的概念化节能电梯模型，如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.001.F001图1概念化节能电梯结构框图3基于FPGA的电梯控制节能化验证系统设计基于FPGA的电梯控制节能化验证系统结构如图2所示。外部输入模块包括楼层呼梯按键和传感检测信号；FPGA控制模块完成按键消抖处理、楼层判断、逻辑分析、运行状态机、开关门控制等；状态显示模块包括数码管、蜂鸣器和LED灯等。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.001.F002图2运行调度节能方案验证系统结构3.1FPGA控制模块的功能规划FPGA控制模块的顶层架构设计如图3所示。通过按键模拟外部各种信号的输入，借助LED模拟电梯运行过程。FPGA控制模块功能规划为：（1）响应电梯轿厢内外的按键请求指令，按照电梯运行方向优先原则依次响应。（2）当电梯依次运行到各个楼层时，相应楼层的LED灯亮起，数码管显示相应楼层数，体现电梯的运行过程。（3）对于外呼控制开关，初始层只有向上开关，顶层只有向下开关，其余楼层均有上行和下行按钮。（4）具有超载报警和故障报警的功能，此时电梯门处于打开状态，直至故障解除。（5）根据指令需求，自行判定运行方向，如同一时间既有上行又有下行信号时，电梯在响应完同一方向指令后，自动开始响应另一方向指令。（6）如果轿厢指令和外呼指令都没有时，电梯在指定时间后自行关闭电梯门和轿厢照明系统，处于等待状态。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.001.F003图3控制模块的顶层架构设计3.2FPGA控制模块的状态机设计电梯运行包括3种状态：上行态、下行态和空闲态。按照电梯运行方向优先和就近原则，相同的用户指令在不同电梯运行状态时，执行不同的运行程序。当电梯处于上行状态时，楼层上行指令比楼层下行指令优先级高；当电梯处于空闲态时，电梯停靠楼层相近的用户指令优先级高。运行判断模块的输出为运行状态机的输入，主要信号包括上行、下行、到达相应楼层、开门、关门、启动和结束运行。运行状态机共有空闲态、等待态、上行、下行、开关门5种状态，各种状态之间关系如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.001.F004图4运行状态机3.3FPGA验证系统设计与运行测试基于FPGA芯片设计电梯控制节能化验证系统，利用FPGA的重配置属性减少验证时间和硬件的开销，利用Quartus软件，通过按键输入各种请求指令，由LED灯亮灭示意电梯的运行状态。基于此系统可以验证测试电梯的正常运行控制方式、高峰时段单双层运行控制方式、两部电梯的协同控制方式、预超重运行模式。4电梯运行与能耗监测综合系统的规划设计4.1系统功能规划（1）监测一个辖区所有楼宇内电梯的运行状态；（2）监测一个辖区所有楼宇内电梯的能耗数据并统计分析；（3）对一个辖区所有楼宇内电梯轿厢进行视频监测，统计轿厢内载客人数，分析电梯使用率，同时在出现人身侵犯风险时，系统进行预警甚至报警；（4）对一个辖区所有楼宇候梯厅进行视频监测，统计等待电梯的人数，智能调节电梯运行调度方式。4.2系统上位机界面设计监测系统采用浏览器/服务器（B/S）开发模式，软件开发环境选用Visual Studio 2019，程序设计语言采用C#语言，对比C/S开发模式，简化客户端电脑载荷，减轻系统维护与升级的成本和工作量，降低用户的总体成本[4-6]。系统监测平台监测平台上位机界面包括角色分配模块、信息展示模块等。角色分配模块包括登录身份验证、用户分组子模块，基本用户包括电梯运维、能源管理、安全保卫等部门人员。信息展示模块由导航菜单、新闻公告、消息提醒和信息展示界面等组成。针对不同用户展示不同内容。电梯运行监测通过三轴加速度传感器检测电梯轿厢加速度信号，获取电梯所处楼层和轿厢门开关状态信息，实现电梯运行状态的监测，电梯运行监测界面显示辖区内所有楼宇电梯的运行状态，主要服务于电梯运维部门。电梯能耗监测通过智能电表完成电梯能耗的实时检测，电梯能耗监测界面显示辖区内所有楼宇电梯的能耗数据，主要服务于辖区能源管理部门。电梯安防监测界面对辖区内所有楼宇电梯轿厢和候梯厅进行视频监测，统计轿厢内载客人数和等待电梯的人数，主要服务于辖区安全保卫部门。4.3系统应用场景展望电梯运行与能耗监测平台可以服务于电梯运维部门、能源管理部门、安全保卫部门、电梯技术研发部门。（1）电梯运维部门：通过平台监测显示电梯运行状态，及时掌控管理辖区内所有电梯运行情况，消除安全隐患，排除运行故障，改善电梯安全运行质量，预防和减少电梯事故，提升服务水平。（2）能源管理部门：通过平台监测显示电梯的能耗数据，实时掌握管理辖区内所有电梯能耗情况，并对能耗数据统计和对比分析，为采取节能减排举措提供决策依据。（3）安全保卫部门：通过平台视频监测电梯轿厢和候梯厅，统计轿厢内载客人数和等待电梯人数，便于电梯运行调度，发现安全隐患，及时预警甚至报警。（4）电梯技术研发部门：获取不同品牌、不同型号电梯运行效率和能耗数据，同时分析同部电梯不同运行方式、不同控制方式下能耗和效率，为选择先进高效的运行和控制方式提供测试与决策平台。5结语对比分析多种电梯节能技术，设计概念化节能电梯模型，基于FPGA芯片设计电梯控制节能化验证系统，规划设计电梯运行与能耗监测系统的功能和上位机用户界面，展望监测系统在电梯运维、能源管理、安全保卫、电梯技术研发等部门的应用前景，可实现对辖区内电梯运行情况和能耗数据的实时远程监测，促进电梯向智慧化、网络化、绿色化、节能化方向发展。