一種電梯運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的研制＊

金棟林，薄勤根，薄利龍，嚴(yán) 峻

（1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州安川雙菱電梯有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引 言

電梯是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，目前國產(chǎn)電梯的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都已進(jìn)入世界先進(jìn)行列，但電梯運(yùn)行中關(guān)人、夾人、蹲底、沖頂?shù)仁鹿蕰r(shí)有發(fā)生，電梯的質(zhì)量焦點(diǎn)反映在運(yùn)行可靠性上，而電梯運(yùn)行可靠性的提高主要依靠維修保養(yǎng)［1］。國際上電梯技術(shù)進(jìn)步的側(cè)重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向售后和物業(yè)服務(wù)，美國、日本、歐洲的電梯公司都利用現(xiàn)代化的通訊手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)了各自的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，把自己負(fù)責(zé)維修保養(yǎng)的電梯置于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)之中。當(dāng)電梯出現(xiàn)故障時(shí)，能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，并在瞬間把故障情況自動(dòng)通知監(jiān)控中心，同時(shí)安撫被困乘客指導(dǎo)其正確呼救專職維修人員來排除故障［2－5］。

近幾年國內(nèi)隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大、房地產(chǎn)業(yè)的急劇擴(kuò)張，加上現(xiàn)代建筑的高層化設(shè)計(jì)趨勢，高層建筑如雨后春筍般地興起，電梯的使用量也隨之迅速增長。電梯作為一種與百姓生活密切相關(guān)又關(guān)乎人身安全的特種設(shè)備，為確保其安全可靠運(yùn)行，國家及各地方政府有嚴(yán)格的監(jiān)督管理?xiàng)l例，對電梯的維修使用、檢驗(yàn)檢測及其監(jiān)督檢查等各個(gè)環(huán)節(jié)提出了具體要求，明確了相關(guān)各方所應(yīng)承擔(dān)的法律責(zé)任和義務(wù)。然而因故障導(dǎo)致電梯關(guān)人、傷人乃至奪人性命事件仍時(shí)有發(fā)生，電梯運(yùn)行中仍然存在著許多急需解決的問題：

（1）電梯數(shù)量和種類多，且分布范圍廣，全面檢測所有電梯的維護(hù)保養(yǎng)狀況需耗費(fèi)大量人力物力；（2）由于維保單位素質(zhì)良莠不齊，維保記錄，電梯運(yùn)行狀況記錄等數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性無從考證，電梯的安全狀況也就無法全面掌握造成有些電梯帶病運(yùn)行埋下安全隱患；（3）電梯運(yùn)行中突然斷電或其它原因造成電梯關(guān)人，被困乘客與外界聯(lián)系不上，給關(guān)在電梯內(nèi)的乘客造成極大的身心傷害；（4）電梯出現(xiàn)故障時(shí)被困乘客無法正確報(bào)警或者與外界聯(lián)系；（5）新的特種設(shè)備安全管理?xiàng)l例規(guī)定電梯轎廂滯留人員2小時(shí)以下的為一般事故，但大多數(shù)情況下電梯發(fā)生故障后人們習(xí)慣向110求救，造成專業(yè)人員不能及時(shí)得到故障消息，因而不能在最短時(shí)間內(nèi)趕到現(xiàn)場進(jìn)行施救。

基于以上問題，必須運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)建立電梯運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障報(bào)警系統(tǒng)，從技術(shù)上根本解決上述問題。以下就城市電梯安全保障體系關(guān)鍵技術(shù)中的電梯運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置進(jìn)行論述。

2 電梯運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的研制

目前，電梯運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置產(chǎn)品主要由陜西億豐電子工程有限公司開發(fā)的YD03－5B電梯運(yùn)行狀態(tài)跟蹤追憶評估系統(tǒng)等，它們主要是通過安裝在電梯上的實(shí)時(shí)采集前端對電梯的工作情況實(shí)行不間斷地監(jiān)控，這種產(chǎn)品是獨(dú)立于電梯本身的控制系統(tǒng)，將電梯的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)通過獨(dú)立于電梯本身控制系統(tǒng)的傳感器采集回來，在井道、機(jī)房、轎廂、層門內(nèi)安裝各種接近開關(guān)、紅外開關(guān)及一些模擬傳感器［6］。這樣做的好處是做到通用，但成本過高，每臺(tái)電梯相當(dāng)于多加了一套測控系統(tǒng)，而且傳感器的布設(shè)及數(shù)據(jù)線纜的敷設(shè)工作量大，很難大范圍推廣應(yīng)用，因此必須加以改進(jìn)才能適應(yīng)電梯實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。

2.1 電梯故障分類

電梯按照故障的嚴(yán)重程度可以大致分以下三大類，第一類：故障最嚴(yán)重，電梯立即停止，不能再起動(dòng)，在非門區(qū)直接導(dǎo)致關(guān)人；第二類：運(yùn)行中電梯立即停止，但可重新起動(dòng)，執(zhí)行低速自救，使電梯以低速運(yùn)行到最近層或端站開門放出乘客，停止后不能再起動(dòng)；第三類：屬于小故障，故障帶有偶然性，發(fā)生后可能自動(dòng)解除，對安全及整體運(yùn)行影響細(xì)微。詳細(xì)分類見表1：

表1 電梯故障分類表

03 控制系統(tǒng)故障安全回路繼電器粘連故障 第二類變頻器不運(yùn)行故障 第二類旋轉(zhuǎn)編碼器故障 第二類廳門鎖粘連故障 第二類運(yùn)行接觸器斷開故障 第一類變頻門機(jī)故障 第二類電梯過低速故障 第二類電源瞬時(shí)停電故障 第一類過電流、過電壓、欠電壓故障 第一類輸入、輸出側(cè)相故障 第一類電梯超速故障 第類驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)過載故障 第一類04 其它開、關(guān)門障礙 第三類微動(dòng)平層感應(yīng)器故障 第二類平層時(shí)間過長故障 第二類召喚按鈕故障 第三類起動(dòng)頻度超負(fù)荷故障 第三類防夾人裝置故障 第二類___________________________________________________________檢修異常 第二類

考慮到監(jiān)測裝置成本及以后大范圍推廣的需要，通過對幾個(gè)信號的綜合采樣、邏輯判斷、智能分析等實(shí)現(xiàn)對電梯常見的、重要的、涉及人身及設(shè)備安全的故障報(bào)警，這里主要針對第一類故障進(jìn)行報(bào)警。

2.2 獨(dú)立傳感采集裝置設(shè)計(jì)

裝置采用嵌入式系統(tǒng)和模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)用光電隔離、電流互感、外加傳感器等技術(shù)，使采集器的采樣信號與電梯源控制系統(tǒng)完全隔離，確保采集信號不影響電梯自身的運(yùn)行，即本監(jiān)測裝置安裝后，對電梯原控制系統(tǒng)無任何影響和干擾，是一套隔離外掛系統(tǒng)。裝置以Mega MCU為核心，擴(kuò)展外圍時(shí)鐘芯片、存儲(chǔ)器件和I／O口。加裝的傳感器包括人體感應(yīng)傳感器、基站位置傳感器、上極限位置傳感器、下極限位置傳感器、門開關(guān)位置傳感器、平層測速傳感器。人體感應(yīng)傳感器是基于人體釋放紅外線的原理，安裝在轎廂內(nèi)。位置傳感器均采用霍爾元件，兩者輸出均為I／O信號，安裝在基站平層，上、下極限相應(yīng)位置。平層測速傳感器由上下布置的兩對光耦構(gòu)成，當(dāng)兩對光耦同時(shí)被平層插板遮擋時(shí)，電梯處于平層位置，根據(jù)兩對光耦被遮擋的先后順序和遮擋時(shí)間以及光耦的長度，可以推算出電梯運(yùn)行的速度和方向，推算方法為：

式（1）中tu為上平層光耦從未被遮擋向被遮擋轉(zhuǎn)變的時(shí)刻，td為下平層光耦從未被遮擋向被遮擋轉(zhuǎn)變的時(shí)刻；式（2）中L為兩個(gè)平層光耦之間的距離。d＝1時(shí)電梯上行，d＝－1時(shí)，電梯下行，v為電梯運(yùn)行速度。

獨(dú)立傳感采集裝置能夠采集到電梯速度、方向、層站、門開關(guān)等狀態(tài)，并根據(jù)推理邏輯，判斷電梯運(yùn)行狀態(tài)是否正常，以及故障狀態(tài)下的具體故障類型，包括：l）非平層區(qū)停梯故障；2）非平層區(qū)停梯，轎廂內(nèi)有人；3）運(yùn)行時(shí)間超長故障；4）運(yùn)行時(shí)間超長，轎廂內(nèi)有人；5）電梯沖頂故障；6）電梯沖頂，轎廂內(nèi)有人；7）電梯蹲底故障；8）電梯蹲底，轎廂內(nèi)有人；9）電梯運(yùn)行中開門故障；10）電梯運(yùn)行中開門，轎廂內(nèi)有人；電梯困人故障（處于平層區(qū)域，長時(shí)間不開門）；12）電梯超速故障；13）電梯超速，轎廂內(nèi)有人；14）電梯停電故障；15）電梯停電，轎廂內(nèi)有人等故障。因此，獨(dú)立傳感采集裝置適用于所有品牌和型號的曳引式電梯。

2.3 信號傳輸

采集信號經(jīng)裝置智能分析判斷出故障后，由Mega MCU通訊口RS485經(jīng)過電梯隨行電纜線傳輸?shù)綑C(jī)房，再經(jīng)過機(jī)房的轉(zhuǎn)換器把信號接入網(wǎng)絡(luò)到電梯應(yīng)急救援指揮中心，也可以采用無線方式通過GPRS把信號直接上傳至救援平臺(tái)。傳輸模式如下圖：

圖1 信號傳輸模式框圖

此外轎廂內(nèi)還可有選擇的安裝音、視頻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)轎廂內(nèi)乘客和應(yīng)急指揮中心的雙向通訊。

2.4 位置控制系統(tǒng)原理

先進(jìn)的傳感器對馬達(dá)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)信號反饋，實(shí)現(xiàn)將在并道內(nèi)上下運(yùn)行的轎廂定位達(dá)到毫米級的精度實(shí)現(xiàn)幾乎無誤差的平層。可靠的轎廂位移記憶技術(shù)，確保了電梯停站提前開門和平層安全的功能。如圖2所示。

圖2 位置控制系統(tǒng)原理框圖

2.5 監(jiān)控裝置硬件設(shè)計(jì)

電梯監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)主要由無線通信終端，主控制模塊、電源模塊、語音通話模塊構(gòu)成如圖3所示。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)框圖

其中電源模塊負(fù)責(zé)為其它模塊供電，同時(shí)帶有小型UPS電池以確保在電梯停電時(shí)裝置仍能正常工作；語音通話裝置除了提供在電梯轎廂、轎頂、底坑之間的三方通話。同時(shí)當(dāng)電梯發(fā)生關(guān)人等嚴(yán)重故障時(shí)能通過GPRS通訊模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的人員進(jìn)行通話實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安慰、遠(yuǎn)程指導(dǎo)救援；主控制模塊要完成與語音通訊裝置、GPRS通訊模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、CAT接口電梯的通訊，這里選擇了FREESCALE公司的9S12D64作為主控制模塊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，豐富的接口簡化了主控制模塊的設(shè)計(jì)，只需再增加1片SPI接口的時(shí)鐘芯片（DS1390），CAT收發(fā)器（TJA1040T），以及一些接口控制芯片這大大降低了成本，提高了穩(wěn)定性。

3 裝置調(diào)試效果

裝置在湖州安川雙菱電梯有限公司電梯上安裝調(diào)試，目前已模擬出上述15種電梯常見的重要故障。裝置采集快、運(yùn)行良好，信號傳輸通暢，能把故障信息實(shí)時(shí)反映到湖州市應(yīng)急處置中心救援平臺(tái)。處置中心電梯安全運(yùn)行監(jiān)視軟件平臺(tái)上，可以查看裝備了獨(dú)立傳感采集裝置電梯的運(yùn)行狀態(tài)，也可以監(jiān)視電梯內(nèi)的視頻，并進(jìn)行語音雙向?qū)χv。

4 結(jié) 語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的獨(dú)立傳感采集裝置不僅可以及時(shí)上報(bào)電梯關(guān)人等故障，同時(shí)還可以監(jiān)管電梯維保人員的工作情況和電梯運(yùn)行情況。裝置為建立城市電梯安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)支持，使電梯在發(fā)生故障時(shí)得到第一時(shí)間響應(yīng)，第一時(shí)間救援，從而最大限度的降低事故的影響。

［1］袁 園.GPRS在電梯監(jiān)控系統(tǒng)通信中的應(yīng)用［D］.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［2］王華強(qiáng).OCS在電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2008（7）：56－57.

［3］張建民.電梯核心控制器網(wǎng)絡(luò)化關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.天津大學(xué)碩士論文，2007.

［4］趙 莉.基于復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電梯監(jiān)控與管理系統(tǒng)［D］.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［5］馬永芳.電梯故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計(jì)和算法研究［D］.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［6］程 峰.電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及其發(fā)展［J］.科技信息，2010（18）：728－729.