电梯能效实时记录仪及系统研制

2012-10-25刘桂雄朱海兵何若泉柯宇辉

中国测试 2012年6期

刘桂雄，朱海兵，何若泉，柯宇辉

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640；2.广东省特种设备检测院东莞分院，广东东莞 523129）

0 引言

电梯作为建筑物耗电中的“电老虎”，据统计一年耗电超过165亿kW·h，占总民用耗电的17%[1]，电梯能耗越来越受到社会、政府职能部门密切关注[2-3]，相关法律法规已明确要求对电梯能效进行测试与监管[4-5]。电梯能效监测对于能效监管及推广电梯节能技术具有重要意义。中国特种设备检验协会2007QK350课题组，开展电梯能效评价指标与检测方法研究[6]；天津、成都、深圳等地方特检院机构，上海交通大学、中国科学技术大学、华南理工大学等高校，三菱、日立、西奥、东南等电梯公司，也正积极参与电梯能效检测工作研究，但还未形成统一方案[7-8]，目前仅浙江省于2009年制订《电梯能源效率评价技术规范》地方标准。国内外电梯能耗检测代表性方法主要有RTC法[9-10]、空载法、模拟实际工况法、典型工况法、特定工况法等。其中模拟实际工况法最接近电梯实际运行工况，不过操作较复杂；其他方法相对简便，但仅是简化方法，与实际情况误差较大。

本文基于双核ARM架构，设计一套可在电梯实际运行工况下便捷、快速测试电梯能效记录仪与系统，分别通过触摸屏显示、SD卡存储实时能效信息、GSM短信模块实现远程通信功能。

1 系统总体框架与基本原理

1.1 系统组成

电梯能效实时记录仪与系统组成框图如图1所示，由中央处理器模块、电参数测量模块、运动参数测量模块、上位机、远程通信模块、存储模块及人机交互模块等组成。电参数测量模块、运动参数测量模块分别完成对电梯电参数（包括电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、功率因素）及运动参数（包括工作状态、运动方向、运行速度、运行距离等）的采集与计算；中央处理器模块进行数据处理、计算、存储及通信；人机交互模块完成被监测电梯基本参数输入、电梯实时能效信息显示；存储模块用于实时能效数据大容量存储；上位机、远程通信模块实现基于数据挖掘技术电梯平衡系数优化与远程通信功能。

1.2 电梯能效系数计算方法

电梯单次运行上、下作功Wi上、Wi下分别为

图1 系统组成框图

式中：Qi、Q、k——电梯当次载重量、电梯额定载荷、

电梯平衡系数；

hi——电梯当次运行垂直行程；

g——重力加速度。

若Wi上、Wi下为正值，表示电梯是用电运行，计算结果必须记录；若Wi上、Wi下为负值，表示电梯处于发电运行状态，无需记录。总功为所有记录Wi上、Wi下总和。

1.3 测量模块基本原理

运动参数测量模块通过在电梯曳引轮上均匀安装8片磁钢片，在曳引轮水平面垂直方向安装2个霍尔开关传感器，霍尔开关传感器1、霍尔开关传感器2输出端接入调理电路，最终接入LM3S8962 GPIO端。曳引轮转动，每片磁钢片转过霍尔开关，即输出一个脉冲。根据两个传感器输出脉冲先后顺序，可判断电梯运行方向。电梯运行速度ν、单次运行距离s为

式中：D——曳引轮直径；

count1、count2、count11、count22——每秒及单次运行霍尔传感器1及霍尔传感器2输出脉冲个数。

电参数测量模块采用电力仪表、开口型电流互感器完成测量。电力仪表电压接线端与电梯控制柜三相电压接线端连接，电流接线柱与开口型电流互感器输出端相接，接线示意图如图2所示。电力仪表通过RS485通信口用Modbus-RTU通信输协议输出三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、累积有功和无功电能等参数，输出频率可通过软件设定；电流互感器变比为20∶1，将电梯一次测强电流转换为电力仪表可测电流范围内开口型电流互感器无须改动电梯输电线路，安装方便。

图2 电梯电参数测量方案示意图

2 系统设计与实现

2.1 系统硬件设计

双核中央处理器模块选用TI公司LM3S8962及ST公司STM32F103组成双核ARM处理器，采用双口RAM实现双核CPU之间实时通信。选用IDT公司高速8KB RAM芯片IDT70V05作为共享存储器，IDT70V05数据位宽为8位，故LM3S8962及STM32F103数据总线低8位与双口RAM数据总线相连接，双核CPU与IDT70V05连接示意图如图3所示。

图3 中央处理器模块双口RAM连接图

双口RAM工作在标示器模式，RAM空间划分为两个区段并且制定相应软件协议，可使两个CPU以适当时序读写，可避免两个CPU同时对同一RAM单元进行操作竞争问题。

霍尔开关传感器输出脉冲高电平为5V，无法直接输到CPU GPIO管，选用TLP521-4光电耦合芯片实现电平转换，采用三极管2N3904放大电流解决霍尔开关传感器输出脉冲驱动能力不足问题。运动参数测量模块调理电路如图4所示。

图4 运动参数测量模块调理电路图

存储模块电路选用Kingston micro 8G SD卡作为存储器件，SD卡与STM32F103连接电路图如图5所示。

图5 存储模块电路图

人机交互模块电路选用ALIENTEK TFTLCD 2.8′模块，该模块具有320×240的分辨率，16位色显示支持，自带触摸屏，可以用来作为控制输入。

2.2 系统软件设计

系统软件设计分为中央处理器控制软件设计及上位机电梯能效监控平台软件设计两部分。中央处理器控制软件设计实现电路各模块驱动、数据采集、计算、分析、存储、显示及通信功能。电梯能效监控平台软件实现SD卡存储数据读取及统计分析、电梯平衡系数与能效影响关系建模及平衡系数优化、GSM短信模块通信。

按照系统功能要求，中央处理器控制软件设计采用结构化设计方法，包括主程序模块、电参数更新模块、RS232通信模块、RS485通信模块和实时显示及存储模块。

图6为主程序流程图，初始化包括GPIO口、TIMER0、SysTick、触摸屏及各参数初始化。TIMER0定时器用于RS232串口数据通信接收超时检测，SysTick定时器以每秒时间间隔产生中断，读取电参数及运动参数，之后进入主循环。

图6 主程序流程图

主循环内部各功能块如下：（1）RS232串口状态检查。检查当前RS232状态，根据其状态完成相应操作，如果未和上位机建立连接，该模块为空操作。（2）能效分析计算。根据标志量判定电参数数据是否更新完毕，如果当前电参数已更新完毕，则对当前数据进行能效分析和计算。（3）LM3S8962通过IDT70V05将电梯实时运行状态数据及能效数据传送给STM32F103，在触摸屏上实时显示电梯运行状态及能效信息。

电梯能效监控平台在Visual Studio2010环境下开发，采用模块化编程思想，具有电梯能效监控及分析、监测设备即插即用、数据采集、数据处理、短信发布监控信息、能效统计及数据挖掘等功能。

选用GSM模块通过短信查询方式，实现远程发布能效信息功能。GSM模块通过RS232与电梯能效监控平台连接，系统初始化阶段对GSM设置相关参数后，用户即可通过AT命令形式实时查询实时能效信息及一段时间内能效统计数据，当系统出现故障，也会自动通过短信形式报警。图7为电梯能效实时记录仪及系统实物图。