电梯维保监控的模拟试验台架研发*

蔡贤云，吴翩卉，胡光雄，廖志强

（1.广东省特种设备检测研究院梅州检测院，广东梅州 514072；2.广东技术师范大学机电学院，广州 510665；3.广东交通职业技术学院机电工程学院，广州 510800）

0 引言

目前中国己成为世界上电梯保有量较大的国家，保有量达到近800 万台，年新装量约60 万台。表明了我国应用电梯数量以及范围均在迅速拓展。隨之而来的是，电梯进入故障多发期。据统计，在全部特种设备事故中，电梯故障占21%，因此，电梯维护监管成为了与人们密切相关的生活、生产的社会性重要研究课题[1－3]。

当前，维保单位在电梯维护监控工作方面面临着新的挑战，具体问题如下。

（1）维保人员未能及时获得电梯运行状态信息，仅依靠传统的管理维护方式，会发生判断不准确、处理不及时、不到位等漏洞，影响电梯抢修或抢救工作，产生安全事故。

（2）目前使用的电梯监控系统仅应用于指定公司及小区域内的电梯，其监控系统均安置在大楼内，由安保人员监看，无法进行监控系统拓展，所以不能实现本市或本区监控的全部电梯运行状态全面监控。

为有效解决上述难题，本文研发一套电梯模拟试验台，其结构在试验室空间尺寸小的制约下进行设计，因而适用在实验室环境下，通过检测装置和利用互联网技术可进行电梯运行数据釆集，又在不破坏电梯的结构情况下，模拟电梯故障（困人）的多种场景，可以实际体验电梯故障困人状态下的实境感受。同时，本项目研发自动监控装置，验证电梯异常情况时，在不同场景下自动监控的准确性[4]。

1 模拟试验台架组成和结构

为满足模拟功能及适用于实验室空间尺寸限制下，本项目研发的模拟电梯试验台架由电梯模型、实体轿厢（比例1∶1）、电梯故障（困人）自动检测装置3部分组成。

1.1 电梯模型

电梯模型如图1所示，外形（长×宽×高）：920 mm×820 mm×2 900 mm，可以按实验室高度或需求选择设计成多层结构（如选择5～9层，每层按缩小比例设计）。电梯模型设计具有现代电梯的功能（含门锁旁路、门锁检测、轿厢意外移动等）。电梯模型的控制柜如图2所示，其使用目前电梯的先进一体机控制系统（NICE3000new系列一体化控制器），集中了电梯控制器和高性能矢量变频器的功能，组成一个电梯驱动控制系统，进行控制电梯模型，模拟电梯正常运行。同时开放485通讯协议，有利于相关的研究及二次开发[5]。

图1 电梯模型实体

图2 电梯模型控制柜

1.2 实体轿厢

实体轿厢按比例1∶1进行研制，外形结构如图3所示，尺寸（长×宽×高）：800 mm×1 250 mm×2 200 mm，实体轿厢包括了门机系统及门机变频器、轿厢立柱、框架、开关门到位检测装置、照明、风扇等结构，并设置轿顶板控制开关门信号、呼叫按钮及显示等机构，轿顶板与控制柜主板使用CAN通讯，布线简单。试验人员可以在轿厢安装或模拟各种故障，并提供模拟乘客行为或困人等状态。电梯平层位置状态通常有：（1）电梯停止，轿厢平层，轿厢门关门到位状态；（2）电梯停止，轿厢平层，轿厢门关门不到位状态；（3）电梯停止，轿厢不平层，轿厢门关门到位状态；（4）电梯停止，轿厢不平层，轿厢门关门不到位状态。其状态可参看电梯平层位置，如图4所示[6]。

图3 实体轿厢

图4 电梯平层位置

1.3 电梯故障（困人）自动检测装置

电梯故障（困人）后，主要有如下几种状态：（1）电梯在平层位置，轿门在关门到位位置；（2）电梯在平层位置，轿门不在关门到位位置；电梯不在平层位置，轿门在关门到位位置；（3）电梯不在平层位置，轿门不在关门到位位置。

故障状态的模拟方法，对应为：（1）当电梯在平层位置X1、X3 亮灯时，按下测试开关1，切断控制系统安全回路，电梯系统显示E41，自动发出报警；（2）当电梯在平层位置X1、X3 亮灯时，按下测试开关2，同时切掉控制系统安全回路及关门到位信号，电梯系统显示E41 及监控关门到位信号断开，自动发出报警；（3）当电梯启动的离开平层X1、X3灯由亮变成不亮几秒后，按下测试开关3，切掉控制系统安全回路，电梯系统显示E41，自动发出报警；（4）当电梯启动离开平层X1、X3灯由亮变成不亮几秒后，按下测试开关4，切断控制系统安全回路及关门到位信号，电梯系统显示E41，自动发出报警。

当电梯不在平层位置时，轿门由于机械锁的原因不能打开，所以轿门不在关门到位这个状态，这个故障状态是到位开关本身损坏的可能性。模拟电路如图5所示。

图5 模拟测试电路

2 电梯（困人）检测判断方法

检测判断电梯故障（困人）工作准则：电梯一个周期全程运行时间一般不大于45 s，开关门保护时间10 s，再加5 s安全时间，所以当电梯关门，运行接触器开始吸合运行，经过45 s 时间内，再加正常开关的时间10 s，安全保护时间5 s，一共60 s 时间内，系统没有收到平层信号，或者门锁断开信号，就可以判断电梯发生故障[7]。

图6所示为定时器。ZC2为运行接触器常开触点；MSJ门锁接触器常开触点；X1 为控制系统故障检测点；T 为延时定时器。正常情况下，一个周期T内X1信号会断开一次。如果一个周期T内，控制系统检测到X1信号一直辄通，电梯发生故障。T定时器只要验证门锁信号一断开就自动复位，重新计数。

图6 定时器

如图7 所示，电梯模拟运行算法逻辑关系如下：（1）当电梯开始运行，X0 有信号时，开始一个周期T=60 s 计时；（2）周期T=60 s计时到时，X1没有断开信号，即轿厢发生困人，故Y0 输出；（3）X2 安全回路信号断开时，故Y0 输出；（4）X4 停电信号断开时，故Y0 输出；（5）X4 停电信号断开时，故Y0 输出；（6）X0 运行接通，X3 门锁断开时，故Y0输出；（7）Y0 开关量信号转换485 标准协议；（8）X2、X3安全门锁高压如何方便转换PLC输入低压信号。

图7 逻辑关系

3 模拟试验结果分析

在完成通信电缆、设备电源施工和设备安装后对物联网进行调试，并对整套系统进行联按网调试。通过组网调试后，进行仿真和困人试点测试及验证工作。又利用某小区A1 栋电梯、A2栋电梯和B栋电梯3台电梯进行真实场景的测试和物联网实验室模拟电梯困人联合测试。具体仿真和测试工作如下：

（1）非计划的停电故障仿真（触发模拟系统断电，轿厢停止运行）；

（2）非正常平层故障仿真（触发模拟系统非平层按钮，模拟轿厢停止在非平层，真实轿厢开门按钮失效，轿厢停止位移）；

（3）轿厢照明失效故障仿真（触发模拟系统照明按钮，轿厢照明系统关闭）；

（4）物联网的网关联接测试（列表呈现网关连接状态，如网关别名、串口参数和状态、网络协议、目标端口、网络状态、云ID等）；

（5）电梯运行姿态数字化显示（数据化方式呈现电梯三轴运行数据）；

（6）电梯远程困人报警（60 s 内未有操作情况下，通过困人算法用警示灯和提示语呈现困人状态）。

图8 所示为在试验中，系统自动显示电梯运行姿态，“AX、AY、AZ”分别表示三轴的加速度，“Roll、Pitch、Yaw”分别表示三轴的角速度。图中显示灯呈绿色，轿厢运行正常。图9所示为在试验中，出现故障（困人），图中显示灯闪烁红色，并出现提示语。手机屏幕拍摄的是试验者被困轿厢内的场景。

图8 系统运行效果

图9 困人测试与验证

通过多次反复试验，其仿真功能和测试数据均达到预定要求，验证了电梯模拟试验台及控制系统设计是合理、准确的，在电梯维保监控和科技研究中提供了有效手段。

4 结束语

本文叙述了电梯维保监控模拟试验台架的研制背景、设计思路及相关主要技术处理等问题，试验台架当前已开始应用，实践表明试验台架具有以下重要优点。

（1）进行了多次反复不同场景的模拟试验，并选用最佳试验成果，提供准确控制数据回馈应用于生产实践，用结构独立分离的电梯模型和实体轿厢组成的实验台架，设计有创意，满足实验空间尺寸狭小的制约条件，大幅节省研究投资成本，不影响在线电梯运行。其成果提高了电梯安全监控的准确率、快速性，拓展了电梯安全维保技术，因而发挥了模拟技术的最大优势。

（2）我国是电梯保有量较大的国家，电梯安全监控是亟待研究的重要课题，本项研究成果适应及满足现代社会发展需求，有重要社会效益和经济效益。

（3）解决电梯故障（困人）的研究，提出了检测、判断，分析等一系列实用处理方法，为电梯安全监控提供有效手段，推动了该领域技术发展。

开展本项研究，目前尚属起始阶段，还待今后继续深入研究，例如展开轿厢乘客行为、数量辨识、运行参数预测及城市居民区域云数据维保监控等研究工作。而本模拟试验台架将继续为研究课题进行模拟实验研究，促进电梯安全监控的创新技术发展。