基于LabView的高速电梯自动救援装置测试系统的开发

刘 婧

（奥的斯高速电梯（上海）有限公司，上海200335）

0 引言

自改革开放以来，由于我国经济建设的发展以及城市规划的需要，北上广深均兴建了众多高度超过200 m的高层建筑，代表性建筑有：1990年建成的208 m高的北京京广中心，1992年交付使用的63层200 m高的广东国际大厦，1995年投入使用的468 m高的上海东方明珠电视塔，1996年落成的325 m高的深圳地王大厦，1998年落成的420 m高的上海金茂大厦以及2008年竣工的492 m高、地上101层的上海环球金融中心等。在某种程度上，超高层建筑是对人类想象力和现今最高端技术水平的展示，而作为楼宇交通方案的超高速电梯（电梯额定速度V≥6.0 m/s）技术作为支撑超高层建筑的关键手段功不可没。

目前，高速电梯配备自动救援装置的技术方案能够有效避免乘客在电梯故障时由于惊慌而出现扒门、敲打等非理性动作，造成严重后果。据不完全统计，国内高速电梯配套紧急救援装置的比例为5%～10%，而国外大概有20%～30%，但在新加坡政府租屋项目中电梯紧急救援装置的配置达到了80%，在电力不稳定的印度应用比例也达到了50%。现代社会越来越关注公共设施安全，例如我国《2016电梯型式试验细则》中就明确提出了电梯紧急救援装置基本要求，故对于电梯生产厂商/电梯部件商的设计人员，在电梯整机同步设计研发时就应规划合适的、匹配的电梯紧急救援装置，且双方最好处于“黑白盒”互换系统架构来模拟测试。因此，设计一套高效、先进、可持续优化的电梯紧急救援装置的测试分析系统势在必行，现就如何构建此套LabView测试系统做必要的阐述。

1 基于LabView的系统开发理念

随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展，传统的测试分析系统正向软件化、数字化和虚拟化方向发展。虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）的概念是由美国国家仪器公司（NI）最先提出及产品化的，与传统测试系统一样，它可以分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件相结合，可以将整个系统软硬件资源共享却不必担心核心代码泄露。这样，电梯厂商只需要两个独立的交流电源即可在已有电梯整机系统平台模拟出相应的重要参数和信号，设计出VI提供给电梯紧急救援装置部件商；电梯紧急救援装置部件商则调用不同的VI进行测试，以最终深度优化产品后提供电梯整机厂商。运用合适的敏捷冲刺开发模型（图1）将拥有快速的项目完成时间（1～4周），它能有效推动研发项目的迭代，团队合作、产品周期的过程适应等。

图1 敏捷冲刺模型

此套测试分析软件架构将设计几个核心模块用于对应的高速电梯/自动救援操作装置功能：投入运行模块、切换动作库、电源隔离动作库、辅助控制运行库、运行参数监控库、支持VI组、专用子函数组等。投入运行库有模拟市电断电或缺相干接点信号，能判断电梯整机状态信号（数字触发信号或0～10 V电平信号），经过人为特定延后并给出运转干接点信号；实时扫描电梯检修信号/紧急电动信号/电梯整机控制柜主开关手柄位置信号以及电梯安全回路干接点信号等。切换开关库模拟一个非自复位的控制装置，用于模拟蓄电池充电电压信号和状态。电源隔离库是将自动切换的市电电源与辅助电源隔离的装置，这样既能隔断市电对高速电梯系统供电，同时也能防止市电突然恢复与辅助电源冲突导致的短路，且可以产生一组机械电气互锁信号用于防止类似触点熔焊后的故障再启动。辅助控制运行库可以产生电梯系统外召/轿厢呼梯信号、轿厢开关门自动延时信号、电梯平层信号等。运行参数监控模块能记录各种电梯操作状态下的重要关联数据，可以导入/导出至Excel表格。支持VI组设计用于调用及组合LabView控件功能来实现公有调用给其他模组，例如采集编码器信号累计脉冲数计算楼层、采集载重信号与电梯方向判断电梯轻载/重载、采集转速信号转换成高速电梯速度信号。专用子函数组用于通信端口设定、仪器和设备的操作指令等。具体如图2所示。

2 外部I/O电路

图2 测试系统文件结构组成

由Siemens S7-200 PLC与相关接触器/继电器、操作按钮等组成，通过梯形图可逻辑编程采集ms级数字输入信号，控制相关继电器、接触器闭合/释放至自动救援装置；另外，PLC与LabView则使用OPC协议（OPC是一种利用微软的COM/DCOM技术来达成自动化控制的协定，套用典型的C/S服务模式，每个硬件设备的驱动程序均由硬件厂商各自完成，提供统一OPC接口标准的Server程序，软件厂商只需按照OPC标准接口编写Client程序就能访问Server程序进行读写，即可实现与硬件设备的通信）映射相关的I/O，例如PLC编辑一组Q0.0/Q0.1/Q0.2/Q0.4作为主路模拟缺断相故障，Q0.5作为切换自动救援装置电源，利用OPC通道对相关节点进行读写控制，若主路侦测到电源故障，则触发自动救援装置电源启动，依照不同的电梯整机规格皆可套用此方法，只需变动驱动的接触器回路等级。另外，PLC可以精确做相应的设定延时信号（最小脉冲为1 ms），设定脉冲数则保留在V系列寄存器中，LabView可以把获取到的楼层编码器脉冲数传输到PLC，以适用于不同楼层距离的研发或测试。具体如图3所示。

图3 I/O电路

3 自动匹配及延伸仪器数据采集

电梯整机系统与自动救援装置信号主要有直流母线电压、交流逆变回路电流、直流回路电流等，目的在于仿真高速电梯启动时的负面影响。例如高速电梯驱动使用额定功率32 kW变频器，交流每相输入电流约50 A，折算成570 V等级直流母线回路电流约58 A，再乘以电机运转最大时限250 s，理论计算自动救援装置电源容量应为2.5 kW·h，但实际运转变频器直流母线冲击电流一般会造成自动救援装置电压跌落，而变频器母线低压侦测阈值一般在427.5 V，低于此门槛电压则变频器母线低压告警故障，造成自动救援失败，故适当扩大自动救援装置电源容量或优化直流回路母线电压（并联大容量电容器）可解决此技术点。另一方面，若电机整机系统启动自动救援功能为轻载方向，则发生电能回馈至自动救援装置，造成非限流充电至直流母线回路，将影响稳压电容器和储能电池组寿命。针对此异状，常规做法是用示波器抓取交流电压/电流信号、直流电压/电流信号，通过目视观察记录电梯载荷和运转方向以计算和匹配参数，对应不同机种。

LabView利用VISA技术（VISA可控制GPIB、串口、USB、以太网、PXI或VXI仪器，并根据使用仪器的功能覆盖类型调用相应的驱动程序，这样最终用户无需重复学习各种仪器的通信协议，且VISA还可独立于操作系统、总线和编程环境）可在某一个通信通道指令操作示波器执行相关动作，同时在另一个通信通道通过串行协议读取电梯承重载荷和运转方向。指令试举例如下：

USB1：

[Trig:Single:AC:Edge:negative]//单次触发交流电压且负脉冲抓取

[Trig Level:DC:427.5]//设置直流触发电压为427.5 V

[Measure:DC:Voltage:Max]//测量波形直流电压最大值

[Measure:DC:Voltage:Min]//测量波形直流电压最大值

[Measure:AC:Current:RMS]//测量波形交流电流有效值

[Measure:DC:Current:Max]//测量波形直流电流有效值

Com1：

[01 03 0x0515 0x0002 CRC1]//Modbus协议读取电梯载荷

[01 03 0x07DA 0x0002 CRC2]//Modbus协议读取电梯运转方向

计算公式则等效采用：

D(UP)&W(0%)：Voltage/Current=D(Down)&W(100%)：Voltage/Current//空载满载转换

D(UP)&W(25%)：Voltage/Current=D(Down)&W(75%）：Voltage/Current//轻载重载转换

Batteries P(Valid)=DC Voltage(RMS)T570->427.5*DC Current(RMS)T570->427.5//计算电池有效容量

4 数据及文件架构管理

从面向对象编程的角度看，就是采用组件编程方式来规则化各种测试需求，如VISA通信组件、流转状态机组件和资源管理组件等。

VISA通信组件中串口的初始化配置和关闭只需初始化运行一次（若端口关闭则需要重新配置），而向仪器或外围I/O电路发送命令需要不断运行，这里加入了一个状态机服务，从组件首次运行时，自动进入到初始化转态，在初始化状态执行VISA的配置，然后进入查询状态。查询采用了组合框控件，其中包括了所有的指令，这样就避免了输入错误命令的可能。当查询命令不是STOP时，While循环只运行一次。当查询命令为STOP时，自动转入到关闭状态。

流转状态机组件用简单的方式表示始终只有一个操作在状态，各种状态只是按照设定步骤流转。所以可以创建一个INI文件设置任意步骤以及每一步的显示型式和定时时间，在INI文件中只有一个STEP段，关键键的名称代表每一步，键值由显示值和定时值两部分组成，中间用“|”分隔。这个组件也有三个状态，分别是BUILD、Read和RUN，其中BUILD是构建路径，READ是读取路径，而RUN在定时时间到后执行后面的读取键值和步骤。

资源管理组件主要是引用各种字符串常量、数值型常量以及保存重要数据至文件中等等；同时，某些变量或常量可能分布在各个子VI中调用，在LabView可以建立一些抽象名称代表那些需要的局部变量或全局变量，而不是具体的值。另外创建一个INI文件来保存需要扩充的其他类型的常量，这样，一旦修改某一个全局变量或常量，那么分散到各处的修改就变得简单而易行了。最后，在数据存储方面，LabView可以调用现有控件保存重要数据至TXT文件供设计查询（或安装相应插件后保存到Excle文件中）。

另外，对每个子VI组件可以分别设置其运行属性，例如涉及仪器采集应设置为调用后后台始终运行（即使前面板关闭），而驱动部件则应设置为每次调用时重新打开（以防止某些状态发生改变后造成误动作）。

5 结语

本文描述的这套系统完全是从应用实践出发，通过LabView先进的G语言模式开发的高速电梯用自动救援装置测试系统。其从基本的数学、物理、数字电路、电控线路着手，逐步分析高速电梯启动自动救援装置后的基本功能和参数，从而可以迅速针对特殊客户群配置有效的备用安全设备，提高可靠性和满意度；对于已经开始研发相关测试系统的设计人员，该系统也可提供一些参考意见和问题解决思路。

[1]电梯型式试验规则：TSG T7007—2016[S].

[2]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]COHN M.Scrum敏捷软件开发[M].廖靖斌，吕梁岳，陈争云，等译.北京：清华大学出版社，2010.