一种电梯主动安全系统方案设计

霍览宇 陈杰金

摘 要：本文提出一种电梯主动安全的设计方案，设置相应传感器装置，检测电梯的曳引张力、加速度或速度、安全回路元件状态、平衡系数、额定载重、运行速度等电梯相关信息，通过基于专家控制器的人工智能算法，以电梯运行时参数变化规律、安全隐患的预处理经验等为控制规则集，实时检测并判断电梯安全隐患，通过人机交互接口请求和指导人工干预，从而构建电梯的主动安全系统，提升电梯的安全性。

关键词：电梯;主动安全;专家控制器

一、电梯主动安全性的提出

随着社会经济和城市化进程的加快，以高层建筑为主的现代建筑中电梯是主要运输设备。作为载人的特种运输设备，电梯不仅要有良好的舒适性和高效性，更要有极高的可靠性。随着近些年来，电梯装机数量急剧增加，电梯事故时有发生，据统计，一台运行5到10年的电梯，每年平均发生冲顶、夹人等重大事故是3.3次，发生一般故障是36.5次，电梯事故率占到了特种设备事故率的21%，因此电梯的安全问题成为人们关注的焦点。

虽然电梯有很高的安全保障措施，如超速可以通过安全钳保护，速度可以由曳引机编码器检测，门锁、限位等可以通过电气触点检测，依托安全回路，实现对人身和设备保护。但如果安全元件失效或作用后，造成的电梯安全问题则无法保障。比如曳引轮槽磨损等原因造成曳引张力变化，使得电梯打滑，曳引机编码器数据失效;维保时由于电梯门锁短接，电梯无法识别安全元件，造成剪切事故;安全开关失效造成蹲底和冲顶事故;超速时安全钳动作，电梯中途停车造成困人事故等。电梯的安全不是新问题，国内外很多专家和企业都针对电梯的安全性进行了研究。主要集中在电梯远程故障检测和诊断系统研究，电梯检验检测方法研究，电梯安全风险评估及管理等机制研究，安全钳、制动器、门机等电梯安全部件的改进研究。如当前很多企业正在利用物联网等现代通信技术的开展研究电梯故障预警远程诊断系统的研究，取得很多实际的应用。

纵观电梯安全性的研究现状，电梯远程监控和故障诊断技术研究较多，但是由于涉及异种通信融合的壁垒，突破起来困难较大。对于知名电梯企业由于限于自身的产品和专利保护，研究成果的通用性不足;电梯安全部件和检验方法等的研究，虽然有助于提升电梯公司的产品质量和检测水平，但是目前电梯产品已经很成熟，因此显著提升电梯安全性的可能性也不大;安全风险和管理机制的研究，虽然能够改善目前国内电梯设备监管、维保领域的管理水平，间接提升电梯的安全性，但是对电梯本身安全性而言意义不大。

要进一步提升电梯的安全保障，本文提出电梯的“主动安全”研究。“主动安全”主要应用在汽车安全领域，主动安全能在交通事故发生前主动介入控制，避免或减小事故损失。作为建筑内的主要交通工具，电梯的“主动安全”研究还处在萌芽状态。因此本文提出电梯主动安全性研究，突破电梯安全性研究瓶颈。

二、电梯主动安全要解决的问题

本文提出利用智能检测技术，通过专家控制器的诊断方法，增强电梯自我检测、自我诊断、自我处理的能力，提高电梯本身的主动安全性。本文提出基于专家控制器的智能主动安全系统，就是研究一种独立的安全回路，在电梯安全回路正常时可以作为一种安全冗余措施，并能主动检测电梯安全回路的有效性;在电梯安全回路异常时，能够起到安全保护作用。

三、电梯主动安全系统的探析

本项目研究的是基于专家控制器的人工智能算法的电梯主动安全系统，以曳引张力、加速度/速度、安全回路元件状态等实时检测信息和平衡系数、额定载重、运行速度等电梯参数为知识库，以电梯运行时参数变化规律、安全隐患的处理经验等为控制规则集，通过简洁有效的正向推理机算法，检测电梯安全隐患，并通過人机交互接口请求和指导人工干预，从而预防电梯安全故障，控制系统的原理框图如图1所示。

1.电梯主动安全系统的硬件设计

电梯主动安全系统采用PLC控制器作为测控硬件平台，由张力、速度、安全元件状态检测和控制器、人机接口组成，如图2所示。安全控制器（PLC）根据传感器检测的信号送入进行主动安全判断，并通过人机界面发处报警和确认，必要情况下会控制电梯主控器进行相关操作。

电梯张力和速度的检测可通过张力轮实现。张力的检测通过电梯导向轮，加装压轮和编码器及支撑机构，通过压力传感器检测曳引绳施加在压轮上的径向压力进而得到曳引绳的张力，如下图3所示，通过检测到的径向压力F间接检测出电梯张力。速度的检测在导向轮轴上面安装旋转编码器，可以直接检测转速，再根据导向轮直径测算出电梯运行速度、加速度等信息。这两种信号通过电梯导向轮检测，一般在机房与安全控制柜距离不远，相关器件采取导线直接连接到控制器。

电梯安全元件和运行状态的监控设计。由于安全钳开关、门锁开关、相序开关、轿厢称重开关、门机开关及限位等通过由于分布在电梯及井道的各处，主要通过在这些开关器件旁边设置无线发射模块，用于记录其开关频次和时间，送入安全控制柜。如根据一般使用情况设定门机开关、门锁开关、限位开关接通次数，超过设定次数，发出报警，需要更换器件。轿厢称重开关接通频次过高需要提出报警，确定超载原因，并反馈到电梯维保单位和使用单位。所有信息送入西门子S7-300PLC，PLC通过专家控制器分析，产生安全结论通过网络通信介入电梯控制器进而控制电梯进行安全处理;相关信息监控和管理通过触摸屏的用户界面和管理界面实现。

2.电梯主动安全系统的软件设计。

开发基于S7-300PLC的专家控制器程序。以S7-300PLC为核心，设置工作数据区DB块，保存电梯实时检测数据和电梯用户参数等;设置电梯安全规则区DB块，保存电梯安全概念、状态、安全判断规则等;设置通信数据发送区DB块和接收DB块，分别存储推理机处理的结果和电梯主控制程序中速度、楼层等状态信息;设置电梯安全推理机OB块，利用SCL高级语言实现专家控制编程，实现对电梯安全分析和判断。

（1）以曳引张力、加速度/速度、安全回路元件状态等实时检测信息和平衡系数、额定载重、运行速度等电梯参数，为知识库，确定知识库中知识和规则的表达方法，如将额定数据如速度、曳引力、载重等作为“事实”表达，将电梯实时检测数据作为“证据”表达，根据电梯相关规范中电梯安全判断的条件，基于“IF THEN”形式，表达电梯安全判断“规则”;研究推理算法，采用数据驱动，正向推理的方式逐次判别推理的条件（事实、证据等），满足则形成结论，不满足则继续搜索的方式，设计推理机程序。

（2）设计专家控制器对电梯控制程序的主动安全干预算法。根据专家控制器的结论如“电梯超速、电梯打滑，安全元件动作异常”等状态信号，设计逻辑处理程序，并入电梯变频驱动和门机驱动等程序的触发条件;或者作为安全条件并入电梯已有的超速保护、慢速运行等触发条件中，结合两种方式研究主动安全干预程序设计。

（3）开发基于触摸屏的用户界面和开发界面。基于触摸屏组态技术，针对电梯物业管理、维保工程师等用户设计安全状态显示、安全信息警告、安全处理操作引导、安全处理解释、安全数据记录和查询等信息;针对安全系统工程师等管理员设计安全状态、事实、概念、规则等知识库的编辑修改。

（4）设计专家控制器与电梯控制程序的数据接口程序。设计专家控制器处理后的数据表达，形成处理结论数据包;研究电梯主控制程序中慢速自救、换乘停靠、重复开门等安全处理程序和触发条件，将主动安全系统的结论数据应用到前述程序中，实现对电梯控制的安全干预;在电梯控制程序中增加共享数据程序，将速度、楼层、报警等状态信息发送到主动安全系统。

四、电梯主动安全系统设计小结

电梯主动安全系统能广泛应用在电梯生产制造、电梯改造、电梯维保、故障检修等电梯生命周期的各环节，作为一种预防性的研究，能在故障前进行预判和干预处理，避免人民生命财产损失，显著提高安全性，具有非常明显的研究意义。

[参考文献]

[1]崔琪，基于数据融合的电梯故障诊断方法研究[D].武汉：武汉理工大学.2014.

[2]艾锋，基于物联网的电梯智能数据采集报警系统的设计与实现[D].西安：电子科技大学.2015.

[3]曾宪权.物聯网远程电梯监控系统关键技术研究与实现[J].中国测试.2015/02.

[4]Alexandru， Forrai， Takaharu， Ueda . Software Testing of Embedded Safety Loops[J].《Elevator world》2013/11.

[5]A.MutuY， PangJ.van， VlietG， Lodewijks. Methods for the Safety Integrity Determination of an Electric/Electronic/Programmable Electronic System[J].Elevator world.2013/3.

[6]刘金琨.智能控制（第3版）[M].电子工业出版社，北京，2014/1.

[7]李中兴，薛涛，刘英杰，陈国华.平衡系数对电梯安全的影响及测试方法优化[J].中国安全科学学报.2015/11.

[8]宋定宇.基于独立回路构造决策树的电梯安全监控系统设计[J].计算机测量与控制.  2013/07.

项目基金：湖南省教育厅科学研究项目编号：16C0574。

（作者单位：湖南机电职业技术学院电气工程学院，湖南 长沙 410151）