一种电梯运行实时监测装置的研制＊

2013-10-17金栋林薄勤根薄利龙

湖州职业技术学院学报 2013年3期

金栋林，薄勤根，薄利龙，严峻

（1.湖州职业技术学院，浙江湖州 313000；2.湖州安川双菱电梯有限公司，浙江湖州 313000）

1 引言

电梯是机电一体化的高技术产品，目前国产电梯的技术水平和产品质量都已进入世界先进行列，但电梯运行中关人、夹人、蹲底、冲顶等事故时有发生，电梯的质量焦点反映在运行可靠性上，而电梯运行可靠性的提高主要依靠维修保养［1］。国际上电梯技术进步的侧重点已转向售后和物业服务，美国、日本、欧洲的电梯公司都利用现代化的通讯手段和计算机技术开发了各自的电梯远程监控系统，把自己负责维修保养的电梯置于监控网络之中。当电梯出现故障时，能够在第一时间发现故障，并在瞬间把故障情况自动通知监控中心，同时安抚被困乘客指导其正确呼救专职维修人员来排除故障［2－5］。

近几年国内随着经济的高速发展，城市规模的不断扩大、房地产业的急剧扩张，加上现代建筑的高层化设计趋势，高层建筑如雨后春笋般地兴起，电梯的使用量也随之迅速增长。电梯作为一种与百姓生活密切相关又关乎人身安全的特种设备，为确保其安全可靠运行，国家及各地方政府有严格的监督管理条例，对电梯的维修使用、检验检测及其监督检查等各个环节提出了具体要求，明确了相关各方所应承担的法律责任和义务。然而因故障导致电梯关人、伤人乃至夺人性命事件仍时有发生，电梯运行中仍然存在着许多急需解决的问题：

（1）电梯数量和种类多，且分布范围广，全面检测所有电梯的维护保养状况需耗费大量人力物力；（2）由于维保单位素质良莠不齐，维保记录，电梯运行状况记录等数据的真实可靠性无从考证，电梯的安全状况也就无法全面掌握造成有些电梯带病运行埋下安全隐患；（3）电梯运行中突然断电或其它原因造成电梯关人，被困乘客与外界联系不上，给关在电梯内的乘客造成极大的身心伤害；（4）电梯出现故障时被困乘客无法正确报警或者与外界联系；（5）新的特种设备安全管理条例规定电梯轿厢滞留人员2小时以下的为一般事故，但大多数情况下电梯发生故障后人们习惯向110求救，造成专业人员不能及时得到故障消息，因而不能在最短时间内赶到现场进行施救。

基于以上问题，必须运用计算机技术和现代通讯技术建立电梯运行实时监测与故障报警系统，从技术上根本解决上述问题。以下就城市电梯安全保障体系关键技术中的电梯运行实时监测装置进行论述。

2 电梯运行实时监控装置的研制

目前，电梯运行实时监控装置产品主要由陕西亿丰电子工程有限公司开发的YD03－5B电梯运行状态跟踪追忆评估系统等，它们主要是通过安装在电梯上的实时采集前端对电梯的工作情况实行不间断地监控，这种产品是独立于电梯本身的控制系统，将电梯的各个运行参数通过独立于电梯本身控制系统的传感器采集回来，在井道、机房、轿厢、层门内安装各种接近开关、红外开关及一些模拟传感器［6］。这样做的好处是做到通用，但成本过高，每台电梯相当于多加了一套测控系统，而且传感器的布设及数据线缆的敷设工作量大，很难大范围推广应用，因此必须加以改进才能适应电梯实时监控的要求。

2.1 电梯故障分类

电梯按照故障的严重程度可以大致分以下三大类，第一类：故障最严重，电梯立即停止，不能再起动，在非门区直接导致关人；第二类：运行中电梯立即停止，但可重新起动，执行低速自救，使电梯以低速运行到最近层或端站开门放出乘客，停止后不能再起动；第三类：属于小故障，故障带有偶然性，发生后可能自动解除，对安全及整体运行影响细微。详细分类见表1：

表1 电梯故障分类表

03 控制系统故障安全回路继电器粘连故障第二类变频器不运行故障第二类旋转编码器故障第二类厅门锁粘连故障第二类运行接触器断开故障第一类变频门机故障第二类电梯过低速故障第二类电源瞬时停电故障第一类过电流、过电压、欠电压故障第一类输入、输出侧相故障第一类电梯超速故障第类驱动器、电机过载故障第一类04 其它开、关门障碍第三类微动平层感应器故障第二类平层时间过长故障第二类召唤按钮故障第三类起动频度超负荷故障第三类防夹人装置故障第二类___________________________________________________________检修异常第二类

考虑到监测装置成本及以后大范围推广的需要，通过对几个信号的综合采样、逻辑判断、智能分析等实现对电梯常见的、重要的、涉及人身及设备安全的故障报警，这里主要针对第一类故障进行报警。

2.2 独立传感采集装置设计

装置采用嵌入式系统和模块化设计，运用光电隔离、电流互感、外加传感器等技术，使采集器的采样信号与电梯源控制系统完全隔离，确保采集信号不影响电梯自身的运行，即本监测装置安装后，对电梯原控制系统无任何影响和干扰，是一套隔离外挂系统。装置以Mega MCU为核心，扩展外围时钟芯片、存储器件和I／O口。加装的传感器包括人体感应传感器、基站位置传感器、上极限位置传感器、下极限位置传感器、门开关位置传感器、平层测速传感器。人体感应传感器是基于人体释放红外线的原理，安装在轿厢内。位置传感器均采用霍尔元件，两者输出均为I／O信号，安装在基站平层，上、下极限相应位置。平层测速传感器由上下布置的两对光耦构成，当两对光耦同时被平层插板遮挡时，电梯处于平层位置，根据两对光耦被遮挡的先后顺序和遮挡时间以及光耦的长度，可以推算出电梯运行的速度和方向，推算方法为：

式（1）中tu为上平层光耦从未被遮挡向被遮挡转变的时刻，td为下平层光耦从未被遮挡向被遮挡转变的时刻；式（2）中L为两个平层光耦之间的距离。d＝1时电梯上行，d＝－1时，电梯下行，v为电梯运行速度。

独立传感采集装置能够采集到电梯速度、方向、层站、门开关等状态，并根据推理逻辑，判断电梯运行状态是否正常，以及故障状态下的具体故障类型，包括：l）非平层区停梯故障；2）非平层区停梯，轿厢内有人；3）运行时间超长故障；4）运行时间超长，轿厢内有人；5）电梯冲顶故障；6）电梯冲顶，轿厢内有人；7）电梯蹲底故障；8）电梯蹲底，轿厢内有人；9）电梯运行中开门故障；10）电梯运行中开门，轿厢内有人；电梯困人故障（处于平层区域，长时间不开门）；12）电梯超速故障；13）电梯超速，轿厢内有人；14）电梯停电故障；15）电梯停电，轿厢内有人等故障。因此，独立传感采集装置适用于所有品牌和型号的曳引式电梯。

2.3 信号传输

采集信号经装置智能分析判断出故障后，由Mega MCU通讯口RS485经过电梯随行电缆线传输到机房，再经过机房的转换器把信号接入网络到电梯应急救援指挥中心，也可以采用无线方式通过GPRS把信号直接上传至救援平台。传输模式如下图：

图1 信号传输模式框图

此外轿厢内还可有选择的安装音、视频设备，实现轿厢内乘客和应急指挥中心的双向通讯。

2.4 位置控制系统原理

先进的传感器对马达转子的运行状态进行高精度的实时信号反馈，实现将在并道内上下运行的轿厢定位达到毫米级的精度实现几乎无误差的平层。可靠的轿厢位移记忆技术，确保了电梯停站提前开门和平层安全的功能。如图2所示。

图2 位置控制系统原理框图

2.5 监控装置硬件设计

电梯监控装置硬件结构主要由无线通信终端，主控制模块、电源模块、语音通话模块构成如图3所示。

图3 装置结构框图

其中电源模块负责为其它模块供电，同时带有小型UPS电池以确保在电梯停电时装置仍能正常工作；语音通话装置除了提供在电梯轿厢、轿顶、底坑之间的三方通话。同时当电梯发生关人等严重故障时能通过GPRS通讯模块与远程监控中心的人员进行通话实现远程安慰、远程指导救援；主控制模块要完成与语音通讯装置、GPRS通讯模块、远程监控中心、CAT接口电梯的通讯，这里选择了FREESCALE公司的9S12D64作为主控制模块的主控芯片它集成了64Kbyte FLASH、4Kbyte RAM、lK byte EEPROM、2路UART、1路SPI、8路TIMER、8路PWM、29路I／O、1路CAN 2.0，丰富的接口简化了主控制模块的设计，只需再增加1片SPI接口的时钟芯片（DS1390），CAT收发器（TJA1040T），以及一些接口控制芯片这大大降低了成本，提高了稳定性。

3 装置调试效果

装置在湖州安川双菱电梯有限公司电梯上安装调试，目前已模拟出上述15种电梯常见的重要故障。装置采集快、运行良好，信号传输通畅，能把故障信息实时反映到湖州市应急处置中心救援平台。处置中心电梯安全运行监视软件平台上，可以查看装备了独立传感采集装置电梯的运行状态，也可以监视电梯内的视频，并进行语音双向对讲。