智能型電梯運行性能測試分析儀研制

劉松國，李偉忠，徐金海，金新鋒，馬 舜

（杭州市特種設(shè)備檢測院，浙江 杭州 310003）

智能型電梯運行性能測試分析儀研制

劉松國，李偉忠，徐金海，金新鋒，馬 舜

（杭州市特種設(shè)備檢測院，浙江 杭州 310003）

為解決電梯檢驗和安全評價過程中電梯運行性能的快速高精度現(xiàn)場測試分析問題，研制智能型電梯運行性能測試分析儀。通過三軸加速度傳感器和聲級計測量電梯的運行信號，采用32位嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)信號處理和數(shù)值分析，獲得電梯的運行加加速度、加速度、速度、位移、振動、噪聲等性能參數(shù)，三軸加速度非線性誤差低于0.1%，頻率響應相對偏差低于1%，聲級計相對誤差低于0.3%。應用試驗結(jié)果表明：該儀器實現(xiàn)了電梯運行性能的便捷可視化測量和現(xiàn)場快速準確分析，為電梯安全保障領(lǐng)域提供國產(chǎn)化解決方案。

電梯；運行性能；測試；分析；智能

0 引言

我國在用電梯數(shù)量已超過200萬臺，大中城市使用10年以上的“老舊電梯”比例超過10%[1]。由于電梯老齡化、頻繁運行、維保不到位、使用安全意識淡薄等原因，電梯困人事故時有發(fā)生，引起社會廣泛關(guān)注。

通過電梯運行性能測試分析提高電梯安全保障水平是行之有效的辦法。根據(jù)GB/T 20900-2007《電梯、自動扶梯和自動人行道風險評價和降低的方法》和GB/T 24474-2009《電梯乘運質(zhì)量測量》[2]，振動加速度和噪聲是電梯運行性能的重要指標。將電梯運行過程中轎廂實際加速度用于反饋補償控制[3-4]，能有效降低曳引機旋轉(zhuǎn)失衡及起制動過程產(chǎn)生的剛性

慣性力引起的電梯振動[5]，提高電梯運行品質(zhì)和舒適性。目前，國際上大多采用美國的EVA625開展電梯運行性能測試，EVA625以8位單片機為核心，4通道700s存儲空間和數(shù)據(jù)離線分析模式無法滿足高效率、高精度測試分析的需要。國內(nèi)研究了基于LabVIEW的煤礦升降機運行性能測試虛擬儀器系統(tǒng)[6-7]，以及用于無機房電梯的振動信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)[8]，但還沒有出現(xiàn)電梯運行性能測試分析專用儀器。

本文采用先進適用技術(shù)研制智能型電梯運行性能測試分析儀，實現(xiàn)電梯運行性能的可視化測試、長時間在線觀測和故障預測預警。

1 電梯運行性能測試原理

采用三軸加速度傳感器實時測量電梯、自動扶梯的運行加速度，并通過數(shù)值積分計算電梯的運行速度、位移，通過數(shù)值微分計算電梯的運行加加速度。電梯運行振動加速度性能測試如圖1所示，測試時，三軸加速度傳感器放置在電梯轎廂地板的中央，Z軸垂直于地板，X軸正對轎門，聲級計放置在轎廂地板中心上方1.5m的位置。完成一次電梯運行性能測試，Z軸加速度傳感器采集電梯啟動加速、途中勻速、制停減速整個過程的加速度信號，X軸和Y軸加速度傳感器采集電梯側(cè)向晃動的加速度，聲級計采集運行過程中的噪聲信號。自動扶梯運行性能測試操作見圖2，測試時，用夾具將三軸加速度傳感器固定在梯級上，Z軸垂直于梯級踏板，X軸與梯級運行方向一致，聲級計疊放在三軸加速度傳感器之上。完成一次自動扶梯運行性能測試，Z軸傳感器和X軸傳感器協(xié)同采集自動扶梯啟動加速、途中勻速、制停減速整個過程的加速度信號，Y軸傳感器采集自動扶梯側(cè)向晃動加速度，聲級計采集運行過程中的噪聲信號。

圖1 電梯運行性能測試示意

圖2 自動扶梯運行性能測試操作

根據(jù)三軸加速度傳感器測得的加速度原始信號，經(jīng)濾波處理后，采用復化辛普森數(shù)值積分方法[9]計算速度、位移，公式如下：

式中：h=（te-ts）/（2M），2M為數(shù)值積分區(qū)間的等分數(shù)，決定了數(shù)值積分的計算量和精度，2M值越大，計算量越大，精度越高，ts為測試開始時間，電梯、自動扶梯運行性能測試時，要求從靜止狀態(tài)啟動測試，通常設(shè)ts=0，te為測試結(jié)束時間；xl=ts+lh；Es（f，h）為截斷誤差，當f（x）具有四階導數(shù)時，有

當f（x）為加速度時，數(shù)值積分結(jié)果S（f，h）為速度，當f（x）為速度時，S（f，h）為位移。數(shù)據(jù)處理時，先根據(jù)加速度計算速度，再根據(jù)速度計算位移。

根據(jù)三軸加速度傳感器測得的加速度數(shù)值，采用中心差商方法計算加加速度，計算公式如下：

式中：f（x）——加速度；

J（x）——加加速度；

ED（f，h）——舍去誤差，當f（x）具有三階導數(shù)時，有

當采樣頻率足夠高時，h足夠小，Es（f，h）和ED（f，h）都接近0，因此分析過程中，可以直接舍去。

2 測試分析儀性能要求

根據(jù)TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢

驗規(guī)則-曳引與強制驅(qū)動電梯》、TSG T7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則-自動扶梯與自動人行道》、GB/T 24474-2009《電梯乘運質(zhì)量測量》、GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》、GB/T 10059-2009《電梯實驗方法》和GB/T 16899-2011《自動扶梯和自動人行道制造與安裝安全規(guī)范》，電梯運行性能測試分析儀應實現(xiàn)標準和技術(shù)規(guī)范中涉及的振動加速度、速度、位移和噪聲相關(guān)測試分析功能，總體性能要求如表1所示。

表1 測試分析儀性能要求

3 測試分析儀系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)電梯運行性能信號的高速高精度采集和現(xiàn)場快速分析處理，采用雙處理器架構(gòu)實現(xiàn)電梯運行性能測試分析儀硬件，如圖3所示。系統(tǒng)硬件包括上位機、下位機和外掛傳感器，上位機由嵌入式工控機和觸摸屏構(gòu)成，實現(xiàn)人機交互和電梯運行性能分析軟件的運行；下位機由A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、USB通信模塊構(gòu)成，實現(xiàn)信號采集和分析處理；外掛的傳感器包括三軸加速度傳感器和聲音傳感器。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

三軸加速度傳感器由低成本、低功耗MEMS加速度傳感器ICS 3022構(gòu)成。ICS 3022加速度傳感器廣泛應用于振動測量、模態(tài)分析等領(lǐng)域，傳感器量程可高達±200g，頻響可高達2 000 Hz，量程為±2g時分辨率優(yōu)于0.0006g。聲音傳感器采用頻率范圍覆蓋0.02～12.5kHz、量程為30～130dB、準確度優(yōu)于0.5%的聲級計。A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)三軸加速度和噪聲共四路模擬信號的數(shù)字化，為了給上位機電梯運行性能分析軟件提供足夠精確的原始信號，采用高速、高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5381，其轉(zhuǎn)換精度高達24位，采樣速率高達192kHz。轉(zhuǎn)換精度和采樣速率可以通過上位機軟件配置，且四通道模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換同步進行。信號采集模塊以XILINX的Spartan-IIE FPGA為核心，F(xiàn)PGA內(nèi)部設(shè)計有時序控制電路、串并轉(zhuǎn)換電路、FIFO緩存電路。通過時序控制，操作A/D轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)四通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取三軸加速度和噪聲信號，通過串并轉(zhuǎn)換電路，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并存儲在FIFO緩存中，供DSP讀取。信號處理模塊以TMS320C6000系列DSP為核心，DSP通過EMIF接口與FPGA通信，下達信號采集指令，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，對信號做高通濾波、低通濾波、ISO標準濾波等處理后，通過USB通信模塊發(fā)送至嵌入式工控機。同時，DSP也是下位機的主控制器，系統(tǒng)啟動時，完成A/D、FPGA、USB等模塊的初始化，系統(tǒng)運行過程中，協(xié)調(diào)各模塊有序運行。USB通信模塊以EZ-USB FX2為核心。EZ-USB FX2符合USB2.0通信接口規(guī)范，信號速率高達480Mb/s，DSP可以通過USB通信模塊向工控機流暢傳輸處理之后的三軸加速度信號和噪聲信號，并接受工控機的控制指令。嵌入式工控機是電梯運行性能在線分析儀的主控制器，任意一款主頻在1GHz以上、內(nèi)存在512MB以上、硬盤在320GB以上的嵌入式工控機都能滿足要求。嵌入式工控機上運行Windows操作系統(tǒng)和電梯運行性能分析軟件，用戶通過觸摸屏

操作電梯運行性能分析軟件，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)、現(xiàn)場統(tǒng)計分析電梯運行性能、現(xiàn)場出具電梯性能測試報告。

電梯運行性能分析軟件采用VC++開發(fā)，具有友好的界面和快速數(shù)據(jù)處理性能。軟件包括用戶信息管理模塊、電梯信息管理模塊、系統(tǒng)參數(shù)配置模塊、信號分析模塊、報告生成模塊等。其中，系統(tǒng)參數(shù)配置模塊，用于配置三軸加速度傳感信號和聲音傳感信號的采樣頻率、信號處理模塊的濾波參數(shù)、電梯運行性能指標的上限值和下限值等，以及三軸加速度傳感器和噪聲傳感器的標定。信號分析模塊，分析電梯加速度-時間關(guān)系、速度-時間關(guān)系、位置-時間關(guān)系、加加速度-時間關(guān)系、噪聲-時間關(guān)系。通過矢量求和，分析兩軸或三軸的綜合運動量-時間關(guān)系。通過W傅里葉變換，分析運動量信號和噪聲信號的頻譜特征。針對選定的電梯，統(tǒng)計分析歷次性能測試結(jié)果，判斷其性能變化趨勢。

4 應用實驗

委托省級計量技術(shù)機構(gòu)檢測研制的智能型電梯運行性能測試分析儀，測得儀器的振動加速度頻率響應性能如表2所示，幅值非線性性能如表3所示，聲級計的測量相對誤差為0.213%。由表2計算得到三軸加速度測量的頻率響應相對偏差分別為：X軸0.837 9%、Y軸0%、Z軸0%，均低于1%，由表3計算得到三軸加速度測量的幅值非線性誤差分別為：X軸0.0826%、Y軸0.0804%、Z軸0.0928%，均低于0.1%。三軸加速度測量覆蓋電梯系統(tǒng)的頻率范圍，且幅值線性良好，保證了振動加速度測量的準確性，為加加速度、速度、位移的數(shù)值計算提供了優(yōu)質(zhì)原始數(shù)據(jù)。

表2 頻率響應（標準加速度0.5m/s2）

表3 幅值非線性（參考頻率10Hz）

在電梯檢驗[10]和安全評估實際工作中，應用研制的智能型電梯運行性能測試分析儀，驗證其功能和性能。按照圖1所示的測試方法，測試額定速度為1m/s、額定載荷為1000kg的乘客電梯。測得的三軸加速度及噪聲原始信號如圖4所示，圖中，至上而下依次為噪聲、X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度，由圖可知，Z軸加速度信號反應了轎廂啟動、加速、勻速、減速、停止的整個過程，X軸加速度和Y軸加速度反應了轎廂的側(cè)向晃動。將測試分析軟件從在線測試切換到離線分析模式，點擊運動分析功能，得到如圖5所示的電梯運行性能分析結(jié)果，至上而下依次為位移、速度、加速度、加加速度。從圖4和圖5中可知，轎箱內(nèi)聲音信號在40～80dB之間，電梯運行加速度在-0.75～0.75m/s2之間，加加速度在-1.0～1.5 m/s3之間，勻速運行段的速度值為0.99m/s，減速制停過程中，電梯運行了1.21m。根據(jù)GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》，乘客電梯啟動和制停的加速度最大值不應大于1.5m/s2，加加速度不宜大于1.3m/s3，轎箱內(nèi)噪聲不能大于55dB。測試結(jié)果中，聲音信號達到80dB，是因為有背景音樂，加速度性能參數(shù)完全達到要求，啟動加加速度在規(guī)定范圍內(nèi)，速度非常接近額定速度，但是制動加加速度有超出，對乘客的舒適感有一定影響。根據(jù)測試結(jié)果，該電梯的運行性能基本達到GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》的要求。

圖4 電梯運行三軸加速度及噪聲原始信號

圖5 電梯三軸加速度合成分析結(jié)果

5 結(jié)束語

采用高性能嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)

計方法研制了智能型電梯運行性能測試分析儀，具有以下特點：

（1）通過24位A/D和32位DSP獲得高質(zhì)量的三軸加速度信號和聲音信號，并進行濾波處理和數(shù)值計算，準確快速地分析出電梯運行加加速度、速度、位移、噪聲等運行性能參數(shù)，以及各性能參數(shù)的頻譜。

（2）應用嵌入式工控機和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法實現(xiàn)了現(xiàn)場測試可視化和現(xiàn)場出具測試報告，提高了電梯運行性能測試分析效率。

（3）解決了電梯、自動扶梯的運行速度和制停距離，自動扶梯梯級和踏板的同步率，電梯限速器安全鉗性能，電梯緩沖器性能等測試分析問題，為電梯、自動扶梯安全保障提供了國產(chǎn)化智能型設(shè)備支撐。

[1]2009年全國特種設(shè)備安全狀況白皮書[R].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2009.

[2]GB/T 24474—2009電梯乘運質(zhì)量測量[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3]Kang J K，Sul S K.Vertical-vibration control of elevator using estimated car acceleration feedback compensation[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics，1999，47（1）：91-99.

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[7]Wu B S，Cai C Z.Study of elevator safety performance test system based on LabVIEW[C]∥.Third International Symposium on Digital Object Identifier，2009：10-13.

[8]閆學勤，陳志軍，程志江.無機房電梯的振動信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化儀表，2011，32（8）：47-49.

[9]毛懷新.電梯與自動扶梯技術(shù)檢驗[M].北京：學苑出版社，2001.

[10]Mathews J H，F(xiàn)ink K D.Numerical methods using Matlab[M].Beijing Publishing House of Electronics Industry，2002.

Research and design of intelligent performance testing and analyzing instrument for elevators

LIU Song-guo，LI Wei-zhong，XU Jin-hai，JIN Xin-feng MA Shun
（Hangzhou Special Equipment Inspection Institute，Hangzhou 310003，China）

In order to solve the problem of testing and analyzing the running performance of elevators fast and accurately during the process of inspection and safety evaluation，an intelligent instrument for testing elevator’s running performance was developed.Several sensors including triaxial accelerometer and sound level meter are exploited to measure elevator’s running signals and 32-bit embedded system is used to accomplish signal processing and numerical analysis.Then elevator’s running performance parameters including jerk，acceleration，velocity，displacement，vibration and noise are obtained.The nonlinear error of tri-axial accelerometer is less than 0.1%，the relative deviation of frequency response is less than 1%，and the relative error of the sound level meter is less than 0.3%.Application results show that the instrument realizes convenient visual measurement and fast accurate analysis of elevator’s running performance，which makes it a domestic solution for elevator’s safeguarding.

elevator；running performance；testing；analyze；intelligence

TP277；TU857；TP206+.3；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）01-0078-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.021

2013-05-04；

：2013-08-02

國家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項資助（201010057）浙江省科技計劃項目（2010C33186）

劉松國（1980-），男，湖南耒陽市人，高級工程師，博士，研究方向為機電控制系統(tǒng)。