基于無線電纜的電梯智能故障診斷系統(tǒng)研究

沈 茂，趙國軍

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

現(xiàn)有的電梯控制系統(tǒng)中，電梯主控制器與轎廂控制器之間采用隨行電纜連接，采用電纜傳輸轎廂的控制信號并為轎廂提供電源。電纜隨著電梯的運行不斷地彎折，有可能發(fā)生纜線斷芯的狀況[1]。尤其是發(fā)生暗斷(只斷了纜繩塑膠內(nèi)的導(dǎo)線)時，這種故障檢測起來非常困難。加之現(xiàn)在樓層越來越高，電梯所需的隨行電纜長度也隨之增加，過重的隨行電纜會對電梯的運行造成影響。隨行電纜中的通訊電纜容易受到其他電壓信號的干擾，導(dǎo)致通訊故障。傳統(tǒng)的電梯故障診斷主要依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗。當電梯發(fā)生故障時，技術(shù)人員往往不能即時趕赴現(xiàn)場，可能造成救助不及時甚至二次傷害[2]。

為了解決上述問題，本文提出一種基于無線電纜的電梯智能故障診斷系統(tǒng)，以實現(xiàn)轎廂隨行電纜的無線化及電梯的智能故障診斷。

1 無線電梯控制系統(tǒng)

1.1 無線電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)采用分布式控制的理念進行設(shè)計。分布式控制可減少電梯故障發(fā)生率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時減少電纜數(shù)，方便電梯的安裝與維護[3]。

傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)由電梯主控制器、各樓層的外招板、轎廂控制器、變頻器、曳引機、遠程監(jiān)控系統(tǒng)和安全回路組成[4]。電梯控制器采用串行通訊與其他系統(tǒng)模塊進行通訊，負責(zé)各個系統(tǒng)模塊之間的工作。

傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出了無線電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 無線電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)電梯控制器相比，電梯主控制器與轎廂控制器間的通訊采用ZigBee無線通訊方式；電梯群控通訊也同樣采用ZigBee無線通訊與其他電梯共享群控信息；移動端電梯監(jiān)控系統(tǒng)通過WiFi與電梯主控制板通訊。

在轎廂位置信息采集方面，無線電梯控制系統(tǒng)采用絕對值編碼器進行轎廂位置的采集，主要出于以下考慮：若系統(tǒng)采用增量式編碼器進行轎廂位置檢測，需要由門區(qū)開關(guān)提供位置參考點，而門區(qū)開關(guān)安裝在轎廂上。在傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)主控制器通過隨行電纜直接完成門區(qū)信號的檢測，而在無線電梯控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需取消轎廂隨行電纜。若系統(tǒng)使得轎廂控制器將采樣到的門區(qū)信號通過無線轎廂通訊告知系統(tǒng)主控制器，則無法滿足門區(qū)信號采集的時間要求。轎廂通訊內(nèi)容較多，其通訊周期時間較長為50 ms，而門區(qū)信號的采樣頻率要求為10 ms。故系統(tǒng)無法通過增量式編碼器實現(xiàn)轎廂位置的監(jiān)測。絕對值編碼器無需門區(qū)開關(guān)的配合即可實現(xiàn)轎廂位置的監(jiān)測。

傳統(tǒng)電梯的隨行電纜包括轎廂供電電纜、安全回路電纜、通訊電纜及電氣信號電纜。在無線電梯控制系統(tǒng)中，主控制板通過無線通訊方式對轎廂控制板的輸入輸出信號進行控制與檢測，同時安裝在轎廂上的逆變器將蓄電池提供的電源轉(zhuǎn)換成220 V交流電壓，為轎廂上的用電設(shè)備提供工作電源。因此還需要解決隨行電纜中的安全回路電纜問題。

1.2 無線電梯控制系統(tǒng)安全回路的設(shè)計

由于本文對電梯隨行電纜進行了無線化，本文設(shè)計的無線電梯控制系統(tǒng)將電梯安全回路分為兩個部分：電梯機房安全回路和電梯轎廂安全回路。本文的電梯主控制板和轎廂控制板會分別對電梯機房安全回路和轎廂安全回路進行電壓檢測，轎廂控制板將檢測到的轎廂安全回路端狀態(tài)信息通過轎廂通訊發(fā)送到電梯主控制板，電梯主控制板根據(jù)收到的狀態(tài)信息對機房安全回路繼電器進行控制。

轎廂安全回路電氣原理圖和電梯機房安全回路電氣原理圖如圖(3～4)所示。

圖3 轎廂安全回路電氣原理圖

圖4 電梯機房安全回路電氣原理圖

從圖3和圖4中可知，轎廂安全回路中安全裝置開關(guān)包括安全鉗開關(guān)、上下極限開關(guān)、轎頂急停開關(guān)、轎廂門鎖開關(guān)以及轎頂檢修開關(guān)等[5]，同時在轎廂安全回路上設(shè)置了3個檢測點JC1、JC2、JC3用于檢測轎廂安全回路3個檢測端點的電壓信號。電梯機房安全回路安全裝置開關(guān)包括限速器開關(guān)、夾繩器開關(guān)、轎廂緩沖開關(guān)、對重緩沖開關(guān)、底坑急停開關(guān)、漲緊開關(guān)、緊急電動開關(guān)、盤存手輪、機房急停開關(guān)以及提前開門開關(guān)等，同時在安全回路上增加3個常開預(yù)控繼電器和1個常閉預(yù)控繼電器。與轎廂安全回路相似，在電梯機房安全回路上設(shè)置了4個檢測點：X5.9、X5.15、X5.16、X5.19。只有機房安全回路上4個檢測點電壓信號正常才表示無線電梯控制系統(tǒng)安全回路正常。機房安全回路4個電壓檢測信號直接發(fā)送給電梯主控制器。

本文的隨行電纜無線化方案中省去了轎廂到機房安全回路線纜，為了使轎廂安全回路上安全開關(guān)發(fā)生動作時電梯系統(tǒng)能夠立即切斷電梯驅(qū)動主機電源，電梯機房安全回路上增加了4個預(yù)控繼電器，分別為SR1、SR2、SR3、SR4。其中電梯機房安全回路上的3個常開預(yù)控繼電器SR1、SR3、SR4控制狀態(tài)分別取決于轎廂安全回路上的3個安全回路電壓檢測點的JC1、JC2、JC3的信號，例如當檢測點JC1的信號為正常時，預(yù)控繼電器SR1才能閉和，一旦檢測點的信號處于異常狀態(tài)，則立刻斷開繼電器SR1。

2 無線電梯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線電梯主控制板硬件功能規(guī)劃

無線電梯主控制板是整個無線電梯控制系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)主要為接收和處理來自其他功能模塊的狀態(tài)信息，包括電梯內(nèi)外召信號、檢修或緊急電動信號、電梯井道信號等；返回和輸出電梯運行控制信號，包括電梯開關(guān)門信號、交流接觸器吸和釋放信號等。

無線電梯主控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 無線電梯主控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 CAN總線通訊接口

由于在實際使用過程中，電梯系統(tǒng)的信號線傳輸距離較長且工作環(huán)境復(fù)雜，本文在電梯主控制板的串行通訊電路上對原TJA1050通訊電路進行設(shè)計和改進，提高通訊線路的抗干擾能力。為使總線在空閑時呈現(xiàn)隱性狀態(tài)，本研究在CANL線路上增加上拉電阻R47，CANH線路上增加下拉電阻R49。為了避免瞬間產(chǎn)生的高壓損壞TJA1050芯片，本研究在電路上加入5 V單向TVS管用來抑制瞬間高壓。在CANL和CANH兩線間并聯(lián)120 Ω的終端電阻R48，以減少線路上傳輸信號的反射，同時增強傳輸?shù)目垢蓴_能力。電阻R50、R51起到限流保護作用。

CAN總線通訊接口電路原理圖如圖6所示。

圖6 CAN總線通訊接口電路

2.3 無線通訊接口

無線電梯主控制板上的轎廂通訊接口和群控通訊接口均采用ZigBee無線通訊模塊。本文采用浙江瑞瀛科技有限公司的RE3SP模塊。該模塊主芯片采用ST公司的STM32W108[6]，同時芯片內(nèi)部固化有芯片廠家提供的SimpleMac協(xié)議棧，能夠滿足無線通信距離和速率要求，并方便用戶快速開發(fā)滿足自身要求的程序應(yīng)用[7]。

電梯轎廂通訊端無線通訊接口電路如圖7所示。

圖7 無線通訊接口電路

主控芯片采用UART串口方式與ZigBee模塊進行通訊，其采用一個獨立的UART串口與無線群控通訊的ZigBee模塊進行通訊。

對于無線轎廂通訊，由于主控芯片UART串口數(shù)量的限制，無線轎廂通訊與端口通訊共用一路UART串口。TSBK主板與無線轎廂通訊的ZigBee模塊采用UART的TTL電平進行通訊。在硬件處理上，主控芯片的UART發(fā)送引腳直接與ZigBee模塊、CAN收發(fā)芯片的接收引腳互連。在UART接收引腳的硬件處理方面，若主芯片的UART接收端直接與ZigBee模塊、CAN收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)接收引腳互連。根據(jù)UART的電氣特性，當ZigBee模塊與CAN收發(fā)芯片中一方的UART發(fā)送端處于空閑狀態(tài)時，主控芯片的UART接收端都將保持高電平。

硬件上采用一個邏輯或電路處理UART接收引腳，如圖8所示。

圖8 邏輯或電路

引腳RXD_SLP、RXD_TSB分別為ZigBee模塊的發(fā)送端、CAN收發(fā)芯片的發(fā)送端。若引腳RXD_SLP、RXD_TSB都為高電平，則D5、D6不導(dǎo)通，則U1_RXD保持高電平；若RXD_SLP處于低電平、則D5導(dǎo)通，U1_RXD處壓降等于D5的壓降0.7 V。主控芯片在3.3 V供電電壓下，若引腳電平小于等于0.99 V，該引腳則為邏輯0信號。同理也可解釋RXD_TSB為低電平、RXD_SLP為高電平的情況。因此若ZigBee模塊與CAN收發(fā)芯片中某一方的發(fā)送引腳處于空閑狀態(tài)時，另外一方仍可正常發(fā)送信息。

3 智能故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文將專家系統(tǒng)應(yīng)用于無線電梯智能故障診斷，為無線電梯智能故障診斷提供一種有效方法。

其基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 無線電梯故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)控制系統(tǒng)的知識。是通過電梯工程師、電梯專家以及電梯手冊得到電梯問題的答案，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以識別的計算機語言表示[8]，知識獲取機構(gòu)會把電梯專家在人機交互界面中輸入的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成故障知識庫可以接收的形式，并將其輸入并儲存在知識庫中；而且知識獲取機構(gòu)可以根據(jù)用戶需要，在人機交互界面上顯示已經(jīng)存在于故障知識庫中的知識，供電梯專家查詢或者修改。

(2)推理機。是無線電梯故障診斷專家系統(tǒng)的“思維”機構(gòu)，是構(gòu)成專家系統(tǒng)的核心機構(gòu)[9]。電梯故障知識庫是用推理機實現(xiàn)其自身價值。針對問題的已知條件，推理機多次匹配電梯知識庫里的規(guī)則，得出新的結(jié)果，實現(xiàn)問題的求解。

(3)控制系統(tǒng)故障知識庫。主要用來存儲電梯工程師所提供的知識，有以下兩個作用：①在推理機推理流程中提供所需要的信息；②為解釋器提供相應(yīng)的知識[10]。電梯故障知識庫是衡量一個無線電梯故障診斷專家系統(tǒng)質(zhì)量的重要因素，因此電梯故障知識庫中擁有的知識量對專家系統(tǒng)的優(yōu)越性有決定性的作用。

(4)數(shù)據(jù)庫。主要用于存放用戶輸入的信息和系統(tǒng)推理過程中得到的中間結(jié)果及最終結(jié)論等，并根據(jù)需求把相關(guān)信息反饋給人機交互界面。

(5)解釋器。是機器與用戶的媒介，它可以從人機交互界面獲得輸入的信息，并且從綜合數(shù)據(jù)庫和電梯故障知識庫里得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后得到輸出信息進而反饋到人機交互界面[11]。

(6)人機交互界面。是實現(xiàn)用戶、專家或工程師與診斷系統(tǒng)交流的通訊接口。其功能主要有兩個方面：①識別用戶向系統(tǒng)輸入的信息，并把這些信息轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能處理的表示形式；②將系統(tǒng)向用戶提供的信息轉(zhuǎn)為用戶能理解的表示形式，如圖形、表格等。

4 智能故障診斷系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

4.1 知識庫的構(gòu)建

目前，已經(jīng)有許多不同的知識表示技術(shù)，包括規(guī)則、語義網(wǎng)、框架、腳本、邏輯、概念組等。電梯故障知識表示是將知識符號化、形式化，通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把電梯的各種知識結(jié)合到計算機的程序設(shè)計過程。根據(jù)無線電梯的特點，在無線電梯智能故障診斷專家系統(tǒng)中，主要采用產(chǎn)生式表示方式。

產(chǎn)生式表示法一般表示的是具有因果關(guān)系的知識，其一般形式是：

IF<前提>THEN<結(jié)論>

IF<前提1><前提2>……

THEN<結(jié)論1><結(jié)論2>……

規(guī)則的前提一般是導(dǎo)致故障發(fā)生的原因，規(guī)則的結(jié)論一般是滿足前提時導(dǎo)致的最終結(jié)果。規(guī)則的前提允許多個前提組成的邏輯結(jié)合，規(guī)則的結(jié)論也不一定只是一個結(jié)論，也允許多個結(jié)論存在。

在電梯智能故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫中，用產(chǎn)生式表示法判斷電梯功能是否正常。常用規(guī)則為：

IF電梯超載and電梯響應(yīng)廳門召喚(電梯開門)THEN電梯超載功能正常

IF電梯開門and 75號引腳有輸出THEN電梯開門功能正常

控制系統(tǒng)即推理機采用“匹配-執(zhí)行”的循環(huán)執(zhí)行規(guī)則，具體流程如下：

(1)從數(shù)據(jù)庫中找出匹配規(guī)則的集合；

(2)從該規(guī)則集中挑選1條規(guī)則；

(3)執(zhí)行該規(guī)則，修改數(shù)據(jù)庫。

使用產(chǎn)生式表示法表示電梯的故障知識具有以下優(yōu)點：

(1)一致性。所有規(guī)則的結(jié)構(gòu)均相同，即“IF……THEN……”結(jié)構(gòu)，規(guī)則格式的統(tǒng)一能夠輕易的實現(xiàn)檢查的一致性和規(guī)則的自動修改以及擴充；

(2)自然性?！癐F……THEN……”的這種結(jié)構(gòu)與人腦的思維方式非常接近，從而使知識體的編碼更為方便。

本文構(gòu)建的故障知識庫共有60種故障，羅列出其中一些故障代碼。括號內(nèi)第1個值表示故障號，第2個值表示故障顯示碼，第3個值表示故障原因。

*str(0,＂malfuntion.Stack＂,＂當前沒有故障＂)；

*str(1,＂malfuntion.X5.9＂,＂被動安全回路斷開＂,(＂限速器＂,＂轎廂緩沖器＂,＂對重緩沖器＂,＂夾緊繩＂,＂繼電器SR1粘連＂))；

*str(30,＂malfuntion.SR2＂,＂繼電器SR2沒有閉合＂,＂繼電器SR2沒有閉合＂)；

*str(31,＂malfuntion.SR3＂,＂繼電器SR2沒有閉合檢測點J2沒有信號＂,(＂急停開關(guān)已打開＂,＂繼電器SR3粘連＂))；

4.2 推理機的建立

推理機是電梯故障診斷專家系統(tǒng)中實現(xiàn)基于知識推理的機構(gòu)，主要包括兩個方面：推理與控制。推理機作為電梯故障診斷專家系統(tǒng)的核心機構(gòu)，其主要任務(wù)是在故障診斷過程中選擇和運用知識。本文采用正向推理，最終在人機交互界面輸出結(jié)果。

其推理流程圖如圖10所示。

圖10 正向推理流程圖

4.3 人機交互的實現(xiàn)

本文在電梯控制板上加入了液晶顯示模塊，模塊采用廣東晶聯(lián)訊公司的JLX12864G-189型。用戶可以通過人機交互模塊查看電梯狀態(tài)信息或故障信息。

5 實驗測試

5.1 無線通訊測試

本文搭建的系統(tǒng)無線通訊測試平臺里包括端口控制板、Zigbee無線模塊，開關(guān)電源、示波器等，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)無線通訊測試平臺

系統(tǒng)無線通訊包括：電梯主控制板與電梯轎廂控制板無線通訊、電梯主控制板與端口與速度控制板有線通訊兩個模塊。當電梯主控制板與兩個從設(shè)備中任意一個通訊斷開或者通訊異常，就可以在電梯主控制板液晶顯示的故障信息中查看到“無轎廂板連接”或者“無端口板連接”。

無線通訊異常故障信息顯示界面如圖12所示。

圖12 無線通訊異常故障信息顯示界面

當電梯主控制板與電梯轎廂控制板、端口與速度控制板通訊正常且無其他故障時，電梯主控制板將顯示“當前無故障”。

無線通訊正常時顯示界面如圖13所示。

圖13 無線通訊正常顯示界面

5.2 安全回路故障測試

無線電梯安全回路分為機房安全回路和轎廂安全回路。無線電梯安全回路總共有7個電壓檢測點。受篇幅限制，這里只檢測轎廂安全回路其中一個點。

在無線電梯控制系統(tǒng)通訊正常且沒有故障的前提下，本研究分別斷開轎廂板上安全鉗開關(guān)、A門急停開關(guān)、A門門鎖開關(guān)3個開關(guān)接口，查看系統(tǒng)人機交互界面，如圖14所示。

圖14 繼電器SR1故障顯示界面

故障顯示為“繼電器SR1無信號”，專家系統(tǒng)給出的故障原因為“安全鉗 上下極限開關(guān) 繼電器SR1粘連”。

安全回路故障檢測結(jié)果正確。故障顯示簡潔明了。

6 結(jié)束語

針對隨行電纜中存在的故障排查困難、線纜易疲勞斷裂等問題，以及在電梯控制系統(tǒng)運行中發(fā)生故障時及時發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)故障，本研究采用了無線ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了轎廂控制板與電梯主控制板的無線通訊：完成了無線電梯安全回路設(shè)計以及無線電梯主控制板硬件設(shè)計：同時采用專家系統(tǒng)實現(xiàn)了電梯智能故障診斷，最終將故障信息與故障原因顯示在人機交互界面。

最后實驗測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)無線通訊正常，安全回路故障診斷無誤，基本可以滿足設(shè)計要求。

[1] 曾鐵軍,趙立宏.一種基于無隨行電纜的電梯控制系統(tǒng)[J].中國電梯,2013,24(11):4-7.

[2] 伏喜斌.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電梯安全管理中的應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2017，46(4)：256-257.

[3] 朱德文，楊禎山，張筠莉.智能控制電梯工程系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2007.

[4] GB 7588-2003.電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2003.

[5] 陳家盛.電梯實用技術(shù)教程[M].北京:中國電力出版社,2006.

[6] YAO Y K, WANG G. Efficient distributed address assignment algorithm based on toplogy maintenance in Zigbee networks[J].TheJournalofChinaUniversitiesofPostsandTelecommunications,2013,20(3):53-59.

[7] 昌大偉.旋轉(zhuǎn)機械故障診斷專家系統(tǒng)知識庫與診斷推理的研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,2001.

[8] 浙江瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司.REXBEE產(chǎn)品手冊[M].杭州：浙江瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，2011.

[9] 許麗婷.智能故障診斷專家系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院,2006.

[10] 何新貴.知識處理與專家系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1990.

[11] 吳京格.專家系統(tǒng)及建造工具的推理解釋[D].北京：中國科學(xué)院自動化研究所，1987.