變角度斜行電梯的關(guān)鍵技術(shù)研究

李云波，季宇飛

（蘇州萊茵電梯股份有限公司，江蘇蘇州 215500）

1 斜行電梯

自從1853 年，美國(guó)人伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯（Elisha Graves Otis）在紐約世界博覽會(huì)展示了其電梯安全系統(tǒng)后，真正意義上的電梯就誕生了。人們開始通過(guò)具有安全保障的垂直升降設(shè)備來(lái)解決生活中的上下提升難題。隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電梯也不斷在創(chuàng)新。而斜行電梯的歷史要追溯到1889 年埃菲爾鐵塔建成，為了解決登高代步，在埃菲爾鐵塔上設(shè)置了斜行電梯，這是斜行電梯的雛形。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)代步提升方面的不斷追求，斜行電梯作為電梯的一個(gè)比較小的分支，有了長(zhǎng)足的發(fā)展。到21 世紀(jì)初，歐洲開始推出斜行電梯制造標(biāo)準(zhǔn)的試用版本。到2012 年，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)電梯委員會(huì)開始啟動(dòng)斜行電梯的制造標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化和制定工作。2018 年發(fā)布的GB/T 35857—2018《斜行電梯制造與安裝安全規(guī)范》給出了斜行電梯明確的定義：斜行電梯是指服務(wù)于指定的層站，其運(yùn)載裝置用于運(yùn)載乘客或貨物，通過(guò)鋼絲繩或鏈條懸掛，并沿與水平夾角≥15°且＜75°的導(dǎo)軌運(yùn)行于限定路徑內(nèi)的提升設(shè)備，斜行電梯的運(yùn)行路徑僅限于同一鉛垂面（圖1）。斜行電梯主要是用來(lái)解決三大類難題。

圖1 斜行電梯原理

（1）解決公共交通的無(wú)障礙出行難題，如高鐵站、地鐵站、火車站等。隨著社會(huì)發(fā)展，社會(huì)越來(lái)越重視對(duì)殘障人士的關(guān)愛，現(xiàn)代大型的交通樞紐都設(shè)有無(wú)障礙設(shè)施，但是有時(shí)候還是不方便。假如坐輪椅的乘客去乘坐地鐵，因輪椅是無(wú)法乘坐自動(dòng)扶梯的，就要去尋找垂直乘客電梯，而垂直乘客電梯通常和自動(dòng)扶梯不能設(shè)置在同一位置，這就給有無(wú)障礙出行需求的乘客帶來(lái)很大不便。如果采用斜行電梯作為無(wú)障礙出行方案，斜行電梯可以直接和自動(dòng)扶梯并排設(shè)置，為無(wú)障礙出行的乘客帶來(lái)更便捷的出行體驗(yàn)。

（2）解決特殊建筑內(nèi)的斜行提升難題。設(shè)計(jì)師為了呈現(xiàn)建筑的美，很多建筑物都不是垂直設(shè)計(jì)的，會(huì)有傾斜、曲線等各種造型，建筑的特殊設(shè)計(jì)對(duì)其內(nèi)部提升就會(huì)有不同的需求，很多場(chǎng)合無(wú)法設(shè)計(jì)垂直乘客電梯，斜行電梯也就在這類建筑中有用武之地。斜行電梯的出現(xiàn)，給了很多規(guī)劃建筑師發(fā)揮建筑創(chuàng)意的空間，斜行電梯可以解決設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的各種建筑中的斜面提升難題。

（3）解決山地、斜坡的斜行提升難題。很多景區(qū)為了解決提升代步，通常采用客運(yùn)架空索道，但是客運(yùn)架空索道更適合中長(zhǎng)距離的人員運(yùn)送，而斜行電梯彌補(bǔ)了中短距離運(yùn)輸提升的空白，因此很多景區(qū)已經(jīng)開始將斜行電梯作為客運(yùn)架空索道的補(bǔ)充設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

2 變角度斜行電梯關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

GB/T 35857—2018《斜行電梯制造與安裝安全規(guī)范》將斜行電梯運(yùn)行路徑限定在同一鉛垂面內(nèi)，也就是限定了斜行電梯的軌跡只能在二維空間中運(yùn)行。在這個(gè)鉛錘面內(nèi)，斜行電梯按運(yùn)行路徑可以劃分為兩大類：①直線軌跡運(yùn)行；②變角度軌跡運(yùn)行。直線軌跡運(yùn)行斜行電梯是從斜行電梯運(yùn)行的起點(diǎn)至終點(diǎn)，從技術(shù)角度講，直線型斜行電梯比較容易設(shè)計(jì)。但是在很多時(shí)候，在電梯路徑中的基礎(chǔ)會(huì)有較高的落差，同時(shí)較高落差的部位跨度又比較大，這個(gè)時(shí)候，如果還是采用直線軌跡運(yùn)行的斜行電梯，對(duì)基礎(chǔ)的造價(jià)就會(huì)急劇增加，同時(shí)外觀上也不美觀。如果采用回填或開挖的方式，將整個(gè)路徑調(diào)整到接近直線的電梯基礎(chǔ)，工程量和造價(jià)會(huì)急劇增加。最好的選擇就是采用變角度軌跡運(yùn)行的方式進(jìn)行斜行電梯的設(shè)置。變角度運(yùn)行軌跡斜行電梯可以貼合現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)置，與基礎(chǔ)渾然一體，看上去比較美觀（圖2）。變角度軌跡運(yùn)行的軌道形式主要有3 種形狀：上凸形，下凹形，波浪形（圖3）。不同的軌道形狀，適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)需要，更好地貼合基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)才更符合實(shí)際，才更具有可操作性。

圖2 變角度運(yùn)行軌跡斜行電梯

圖3 變角度軌跡類型

2.1 自整角系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

斜行電梯運(yùn)行過(guò)程中，要始終保持轎廂地坪的水平，確保乘客在電梯轎廂中始終豎直站立，而在運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行軌道是有角度變化的，需要一套準(zhǔn)確可靠的自整角系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。研發(fā)的斜行電梯轎廂自整角平衡智能控制系統(tǒng)，能根據(jù)斜行電梯運(yùn)行位置的變化，進(jìn)行斜行電梯轎廂自平衡調(diào)整，使電梯轎廂地坪保持水平，提高了變角度斜行電梯運(yùn)行過(guò)程中的安全性和平穩(wěn)性，給乘客以更加舒適的體驗(yàn)感受。斜行電梯啟動(dòng)、運(yùn)行、停止過(guò)程中，存在著加速、減速、乘坐人員的變化和變軌帶來(lái)的加速度變化等。

斜行電梯是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，特別是在高速狀態(tài)下，斜行電梯運(yùn)動(dòng)控制十分復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)自整角控制精度更高，但是系統(tǒng)的時(shí)變特性，如果自整角控制調(diào)整，頻響滯后勢(shì)必給乘坐人員帶來(lái)更不舒適的頓挫感覺。本技術(shù)利用可拓控制技術(shù)，適合快時(shí)變，自整角控制精度高的特點(diǎn)，結(jié)合斜行電梯具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)斜行電梯運(yùn)行進(jìn)行自整角可拓控制。自整角可拓控制系統(tǒng)由5 個(gè)部分組成：特征量的抽取，特征模式識(shí)別，關(guān)聯(lián)度計(jì)算，測(cè)量模式識(shí)別，控制輸出計(jì)算（圖4）。

圖4 斜行電梯運(yùn)行進(jìn)行自整角可拓控制框圖

斜行電梯轎廂運(yùn)動(dòng)自整角可拓控制數(shù)學(xué)模型：

控制條件為r=r∧r2∧r3

控制問(wèn)題P 就是要在特定條件下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)R，記為：

斜行電梯轎廂運(yùn)動(dòng)自整角可拓控制電路如圖5 所示。

圖5 斜行電梯轎廂運(yùn)動(dòng)自整角可拓控制電路

斜行電梯轎廂自整角可拓控制系統(tǒng)由控制模塊單元、檢測(cè)模塊單元、執(zhí)行模塊單元、驗(yàn)證模塊單元、安全保障模塊單元所組成?？刂颇K單元由除電梯主控制系統(tǒng)以外的控制模塊，對(duì)轎廂自整角系統(tǒng)的其他模塊單元進(jìn)行控制指令的輸入與輸出。檢測(cè)模塊單元采用非接觸式絕對(duì)值編碼器，對(duì)斜行電梯轎廂隨運(yùn)行軌跡變化進(jìn)行在線坐標(biāo)檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸給轎廂自整角控制模塊單元，控制單元發(fā)出相關(guān)自整角命令，給到執(zhí)行模塊單元。執(zhí)行模塊單元可采用多種方式實(shí)現(xiàn)轎廂地坪不受電梯運(yùn)行軌跡變化的影響，始終保持水平狀態(tài)。執(zhí)行模塊單元可以采用鏈條驅(qū)動(dòng)方式、電缸頂升方式、液壓缸頂升的方式、螺桿頂升方式等。驗(yàn)證模塊單元由位置監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)執(zhí)行模塊單元在整個(gè)頂升過(guò)程中全程進(jìn)行位置監(jiān)測(cè)，將即時(shí)位置信號(hào)實(shí)時(shí)傳給轎廂自整角系統(tǒng)的控制模塊單元，由控制模塊單元將相關(guān)數(shù)據(jù)與檢測(cè)模塊單元反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，兩者數(shù)據(jù)偏差在系統(tǒng)設(shè)定范圍內(nèi)，轎廂自整角系統(tǒng)工作有效。否則，轎廂自整角系統(tǒng)控制模塊單元向電梯主控制系統(tǒng)傳輸故障信號(hào)，電梯主控制系統(tǒng)報(bào)警，電梯即時(shí)停止。安全保障模塊單元是在檢測(cè)自整角與預(yù)設(shè)角度有偏差時(shí)，用電控制動(dòng)器的方式將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)止停，防止轎廂出現(xiàn)明顯的不水平，造成人員因傾斜而受到傷害（圖6）。

圖6 變角度運(yùn)行斜行電梯

2.2 電源、控制信號(hào)、安全信號(hào)的傳輸方式

對(duì)于直線運(yùn)行的斜行電梯，轎廂與電梯機(jī)房控制系統(tǒng)之間的電力傳輸和信號(hào)傳輸，是通過(guò)固定在轎廂和機(jī)房之間的隨行電纜完成的。由于傾斜運(yùn)行，隨行電纜受重力不能單獨(dú)自然懸掛，于是通過(guò)將隨行電纜固定在工業(yè)拖鏈內(nèi)腔，工業(yè)拖鏈一端固定在井道內(nèi)，另一端固定在轎廂尾部，保證了隨行電纜作為斜行電梯的電源和信號(hào)傳輸?shù)陌踩煽啃浴５菍?duì)于變角度運(yùn)行斜行電梯而言，工業(yè)拖鏈只能順向折彎，即使是下凹型運(yùn)行軌跡，工業(yè)拖鏈也有局部鼓起的風(fēng)險(xiǎn)。因此，引入了安全滑觸線加無(wú)線通信的方案，解決變角度斜行電梯轎廂和機(jī)房控制系統(tǒng)之間電源和信號(hào)的傳輸難題。

（1）安全滑觸線在斜行電梯中的應(yīng)用。斜行電梯轎廂中有電氣設(shè)備需要電源供電，如動(dòng)力門機(jī)系統(tǒng)、照明、風(fēng)機(jī)等。依照目前的技術(shù)造價(jià)，還不方便采用無(wú)線輸送強(qiáng)電的方式，因此引用了其他行業(yè)的安全滑觸線輸電方式給電梯轎廂供電。電源通過(guò)機(jī)房引線接到安全滑觸線頂端，使滑觸線帶電，再通過(guò)固定在轎廂上的集線器與安裝在貫穿井道的安全滑觸線接觸，通過(guò)集線器在滑觸線上沿著運(yùn)行路徑滑動(dòng)，將電源導(dǎo)入到轎廂的配電箱中，分配給各用電設(shè)備使用，可靠解決了變角度斜行電梯給轎廂上設(shè)備輸電的難題。也可以在轎廂上采用蓄電池儲(chǔ)電，但是要同時(shí)考慮蓄電池儲(chǔ)電量和安全風(fēng)險(xiǎn)，因此采用全程安全滑觸線，不考慮使用蓄電池。

（2）通過(guò)無(wú)線通信進(jìn)行轎廂和機(jī)房之間的CAN 總線通信。隨著這些年的科技進(jìn)步，電梯控制技術(shù)也有了很大進(jìn)步，由過(guò)去幾十年的并行通信、RS485 通信發(fā)展到目前大量使用CAN 總線通信。目前CAN 總線在電梯上主要應(yīng)用在3 個(gè)部分：①單臺(tái)電梯轎廂控制和顯示模塊與機(jī)房控制系統(tǒng)之間的通信；②各個(gè)層站顯示模塊和機(jī)房控制系統(tǒng)之間的通信；③不同電梯之間的并聯(lián)控制或群控通信。通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞教娲毙须娞蒉I廂與機(jī)房控制系統(tǒng)之間的CAN 總線通信，解決了變角度斜行電梯隨行電纜不方便設(shè)置的難題。斜行電梯的轎廂和機(jī)房控制系統(tǒng)之間的通信采用定向無(wú)線發(fā)射和接收技術(shù)，讓斜行電梯的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，對(duì)于運(yùn)行行程比較大的斜行電梯，也降低了一定的部件成本和維護(hù)成本。無(wú)線通信的種類很多種，如Zigbee、藍(lán)牙、Wi-Fi、移動(dòng)通信、傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)等。本文所述采用了LCWLAN-622 智能適配器完成斜行電梯機(jī)房控制系統(tǒng)與轎廂控制板之間的無(wú)線通信，LCWLAN-622 是專為CAN 總線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線IP 網(wǎng)絡(luò)（WLAN 或Wi-Fi）之間或多個(gè)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)無(wú)線IP 網(wǎng)絡(luò)（WLAN 或Wi-Fi）傳輸CAN 總線數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)CAN/WLAN 適配器，具有優(yōu)秀的EMC 性能，無(wú)線IP 網(wǎng)絡(luò)（WLAN或Wi-Fi）符合IEEE802.11b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)。將一個(gè)LCWLAN-622 模塊設(shè)置成AP 工作模式，另一個(gè)LCWLAN-622 模塊設(shè)置成Station 工作模式，將CAN 總線的信息通過(guò)無(wú)線發(fā)包方式進(jìn)行雙向傳輸。同時(shí)采用了定向天線，在機(jī)房和轎廂相對(duì)應(yīng)的方向上，實(shí)現(xiàn)前向增益，確保信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定，對(duì)后向或周圍其他設(shè)備降低潛在干擾的可能。無(wú)線通信的應(yīng)用，既解決了變角度斜行電梯不方便設(shè)置隨行電纜的困難，也使得斜行電梯外部結(jié)構(gòu)看起來(lái)更加簡(jiǎn)潔大方。斜行電梯無(wú)線通信系統(tǒng)電氣圖，如圖7～圖9 所示。

圖7 機(jī)房控制系統(tǒng)電氣圖

圖8 無(wú)線通信回路電氣圖

圖9 轎廂控制板電氣圖

（3）安全信號(hào)的傳輸。電梯轎廂處有轎廂門鎖觸點(diǎn)，常規(guī)做法是串接在電梯門鎖回路內(nèi)；另有安全鉗的安全開關(guān)，常規(guī)做法是串接在電梯安全回路內(nèi)。對(duì)于無(wú)法進(jìn)行隨行電纜布置的變角度斜行電梯，門鎖回路和安全回路中的信號(hào)是安全信號(hào)，傳輸方式同樣有2種：①采用安全滑觸線的方式，將門鎖信號(hào)和安全鉗開關(guān)信號(hào)通過(guò)增加安全滑觸線的根數(shù)來(lái)傳輸，此種傳輸方式增加了滑觸線的數(shù)量，成本增加比較明顯；②采用無(wú)線傳輸方式，但是無(wú)線傳輸安全信號(hào)要符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全可靠性的要求。在GB/T 35857—2018《斜行電梯制造與安裝安全規(guī)范》附錄A 電氣安全裝置表中有如下規(guī)定：“5.5.9.2 檢查轎門的關(guān)閉位置，安全完整性等級(jí)為SIL3……5.6.8.8檢查安全鉗的動(dòng)作，安全完整性等級(jí)為SIL1?！睙o(wú)線通信方式，是不能直接反應(yīng)通信傳輸?shù)陌踩暾缘燃?jí)，是否能夠滿足上述兩項(xiàng)中的等級(jí)要求，如果采用無(wú)線通信的方式進(jìn)行安全信號(hào)的傳輸，就要對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行“斜行電梯安全相關(guān)的可編程電子系統(tǒng)（PESSRAL）”的相關(guān)認(rèn)證，驗(yàn)證所應(yīng)用的無(wú)線通信系統(tǒng)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中的安全完整性等級(jí)的要求和相關(guān)可靠性要求。

3 結(jié)語(yǔ)

闡述變角度斜行電梯的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式，即自整角技術(shù)，安全滑觸線與無(wú)線通信方式相結(jié)合的應(yīng)用，希望本文能夠給在斜行電梯應(yīng)用方面的需求者一些指導(dǎo)和幫助。