電梯維保監(jiān)控的模擬試驗(yàn)臺架研發(fā)*

蔡賢云，吳翩卉，胡光雄，廖志強(qiáng)

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院梅州檢測院，廣東梅州 514072；2.廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣州 510665；3.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

目前中國己成為世界上電梯保有量較大的國家，保有量達(dá)到近800 萬臺，年新裝量約60 萬臺。表明了我國應(yīng)用電梯數(shù)量以及范圍均在迅速拓展。隨之而來的是，電梯進(jìn)入故障多發(fā)期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全部特種設(shè)備事故中，電梯故障占21%，因此，電梯維護(hù)監(jiān)管成為了與人們密切相關(guān)的生活、生產(chǎn)的社會性重要研究課題[1－3]。

當(dāng)前，維保單位在電梯維護(hù)監(jiān)控工作方面面臨著新的挑戰(zhàn)，具體問題如下。

（1）維保人員未能及時(shí)獲得電梯運(yùn)行狀態(tài)信息，僅依靠傳統(tǒng)的管理維護(hù)方式，會發(fā)生判斷不準(zhǔn)確、處理不及時(shí)、不到位等漏洞，影響電梯搶修或搶救工作，產(chǎn)生安全事故。

（2）目前使用的電梯監(jiān)控系統(tǒng)僅應(yīng)用于指定公司及小區(qū)域內(nèi)的電梯，其監(jiān)控系統(tǒng)均安置在大樓內(nèi)，由安保人員監(jiān)看，無法進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)拓展，所以不能實(shí)現(xiàn)本市或本區(qū)監(jiān)控的全部電梯運(yùn)行狀態(tài)全面監(jiān)控。

為有效解決上述難題，本文研發(fā)一套電梯模擬試驗(yàn)臺，其結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)室空間尺寸小的制約下進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而適用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過檢測裝置和利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可進(jìn)行電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)釆集，又在不破壞電梯的結(jié)構(gòu)情況下，模擬電梯故障（困人）的多種場景，可以實(shí)際體驗(yàn)電梯故障困人狀態(tài)下的實(shí)境感受。同時(shí)，本項(xiàng)目研發(fā)自動監(jiān)控裝置，驗(yàn)證電梯異常情況時(shí)，在不同場景下自動監(jiān)控的準(zhǔn)確性[4]。

1 模擬試驗(yàn)臺架組成和結(jié)構(gòu)

為滿足模擬功能及適用于實(shí)驗(yàn)室空間尺寸限制下，本項(xiàng)目研發(fā)的模擬電梯試驗(yàn)臺架由電梯模型、實(shí)體轎廂（比例1∶1）、電梯故障（困人）自動檢測裝置3部分組成。

1.1 電梯模型

電梯模型如圖1所示，外形（長×寬×高）：920 mm×820 mm×2 900 mm，可以按實(shí)驗(yàn)室高度或需求選擇設(shè)計(jì)成多層結(jié)構(gòu)（如選擇5～9層，每層按縮小比例設(shè)計(jì)）。電梯模型設(shè)計(jì)具有現(xiàn)代電梯的功能（含門鎖旁路、門鎖檢測、轎廂意外移動等）。電梯模型的控制柜如圖2所示，其使用目前電梯的先進(jìn)一體機(jī)控制系統(tǒng)（NICE3000new系列一體化控制器），集中了電梯控制器和高性能矢量變頻器的功能，組成一個(gè)電梯驅(qū)動控制系統(tǒng)，進(jìn)行控制電梯模型，模擬電梯正常運(yùn)行。同時(shí)開放485通訊協(xié)議，有利于相關(guān)的研究及二次開發(fā)[5]。

圖1 電梯模型實(shí)體

圖2 電梯模型控制柜

1.2 實(shí)體轎廂

實(shí)體轎廂按比例1∶1進(jìn)行研制，外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，尺寸（長×寬×高）：800 mm×1 250 mm×2 200 mm，實(shí)體轎廂包括了門機(jī)系統(tǒng)及門機(jī)變頻器、轎廂立柱、框架、開關(guān)門到位檢測裝置、照明、風(fēng)扇等結(jié)構(gòu)，并設(shè)置轎頂板控制開關(guān)門信號、呼叫按鈕及顯示等機(jī)構(gòu)，轎頂板與控制柜主板使用CAN通訊，布線簡單。試驗(yàn)人員可以在轎廂安裝或模擬各種故障，并提供模擬乘客行為或困人等狀態(tài)。電梯平層位置狀態(tài)通常有：（1）電梯停止，轎廂平層，轎廂門關(guān)門到位狀態(tài)；（2）電梯停止，轎廂平層，轎廂門關(guān)門不到位狀態(tài)；（3）電梯停止，轎廂不平層，轎廂門關(guān)門到位狀態(tài)；（4）電梯停止，轎廂不平層，轎廂門關(guān)門不到位狀態(tài)。其狀態(tài)可參看電梯平層位置，如圖4所示[6]。

圖3 實(shí)體轎廂

圖4 電梯平層位置

1.3 電梯故障（困人）自動檢測裝置

電梯故障（困人）后，主要有如下幾種狀態(tài)：（1）電梯在平層位置，轎門在關(guān)門到位位置；（2）電梯在平層位置，轎門不在關(guān)門到位位置；電梯不在平層位置，轎門在關(guān)門到位位置；（3）電梯不在平層位置，轎門不在關(guān)門到位位置。

故障狀態(tài)的模擬方法，對應(yīng)為：（1）當(dāng)電梯在平層位置X1、X3 亮燈時(shí)，按下測試開關(guān)1，切斷控制系統(tǒng)安全回路，電梯系統(tǒng)顯示E41，自動發(fā)出報(bào)警；（2）當(dāng)電梯在平層位置X1、X3 亮燈時(shí)，按下測試開關(guān)2，同時(shí)切掉控制系統(tǒng)安全回路及關(guān)門到位信號，電梯系統(tǒng)顯示E41 及監(jiān)控關(guān)門到位信號斷開，自動發(fā)出報(bào)警；（3）當(dāng)電梯啟動的離開平層X1、X3燈由亮變成不亮幾秒后，按下測試開關(guān)3，切掉控制系統(tǒng)安全回路，電梯系統(tǒng)顯示E41，自動發(fā)出報(bào)警；（4）當(dāng)電梯啟動離開平層X1、X3燈由亮變成不亮幾秒后，按下測試開關(guān)4，切斷控制系統(tǒng)安全回路及關(guān)門到位信號，電梯系統(tǒng)顯示E41，自動發(fā)出報(bào)警。

當(dāng)電梯不在平層位置時(shí)，轎門由于機(jī)械鎖的原因不能打開，所以轎門不在關(guān)門到位這個(gè)狀態(tài)，這個(gè)故障狀態(tài)是到位開關(guān)本身損壞的可能性。模擬電路如圖5所示。

圖5 模擬測試電路

2 電梯（困人）檢測判斷方法

檢測判斷電梯故障（困人）工作準(zhǔn)則：電梯一個(gè)周期全程運(yùn)行時(shí)間一般不大于45 s，開關(guān)門保護(hù)時(shí)間10 s，再加5 s安全時(shí)間，所以當(dāng)電梯關(guān)門，運(yùn)行接觸器開始吸合運(yùn)行，經(jīng)過45 s 時(shí)間內(nèi)，再加正常開關(guān)的時(shí)間10 s，安全保護(hù)時(shí)間5 s，一共60 s 時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)沒有收到平層信號，或者門鎖斷開信號，就可以判斷電梯發(fā)生故障[7]。

圖6所示為定時(shí)器。ZC2為運(yùn)行接觸器常開觸點(diǎn)；MSJ門鎖接觸器常開觸點(diǎn)；X1 為控制系統(tǒng)故障檢測點(diǎn)；T 為延時(shí)定時(shí)器。正常情況下，一個(gè)周期T內(nèi)X1信號會斷開一次。如果一個(gè)周期T內(nèi)，控制系統(tǒng)檢測到X1信號一直輒通，電梯發(fā)生故障。T定時(shí)器只要驗(yàn)證門鎖信號一斷開就自動復(fù)位，重新計(jì)數(shù)。

圖6 定時(shí)器

如圖7 所示，電梯模擬運(yùn)行算法邏輯關(guān)系如下：（1）當(dāng)電梯開始運(yùn)行，X0 有信號時(shí)，開始一個(gè)周期T=60 s 計(jì)時(shí)；（2）周期T=60 s計(jì)時(shí)到時(shí)，X1沒有斷開信號，即轎廂發(fā)生困人，故Y0 輸出；（3）X2 安全回路信號斷開時(shí)，故Y0 輸出；（4）X4 停電信號斷開時(shí)，故Y0 輸出；（5）X4 停電信號斷開時(shí)，故Y0 輸出；（6）X0 運(yùn)行接通，X3 門鎖斷開時(shí)，故Y0輸出；（7）Y0 開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換485 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；（8）X2、X3安全門鎖高壓如何方便轉(zhuǎn)換PLC輸入低壓信號。

圖7 邏輯關(guān)系

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

在完成通信電纜、設(shè)備電源施工和設(shè)備安裝后對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行調(diào)試，并對整套系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)按網(wǎng)調(diào)試。通過組網(wǎng)調(diào)試后，進(jìn)行仿真和困人試點(diǎn)測試及驗(yàn)證工作。又利用某小區(qū)A1 棟電梯、A2棟電梯和B棟電梯3臺電梯進(jìn)行真實(shí)場景的測試和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室模擬電梯困人聯(lián)合測試。具體仿真和測試工作如下：

（1）非計(jì)劃的停電故障仿真（觸發(fā)模擬系統(tǒng)斷電，轎廂停止運(yùn)行）；

（2）非正常平層故障仿真（觸發(fā)模擬系統(tǒng)非平層按鈕，模擬轎廂停止在非平層，真實(shí)轎廂開門按鈕失效，轎廂停止位移）；

（3）轎廂照明失效故障仿真（觸發(fā)模擬系統(tǒng)照明按鈕，轎廂照明系統(tǒng)關(guān)閉）；

（4）物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)聯(lián)接測試（列表呈現(xiàn)網(wǎng)關(guān)連接狀態(tài)，如網(wǎng)關(guān)別名、串口參數(shù)和狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、目標(biāo)端口、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、云ID等）；

（5）電梯運(yùn)行姿態(tài)數(shù)字化顯示（數(shù)據(jù)化方式呈現(xiàn)電梯三軸運(yùn)行數(shù)據(jù)）；

（6）電梯遠(yuǎn)程困人報(bào)警（60 s 內(nèi)未有操作情況下，通過困人算法用警示燈和提示語呈現(xiàn)困人狀態(tài)）。

圖8 所示為在試驗(yàn)中，系統(tǒng)自動顯示電梯運(yùn)行姿態(tài)，“AX、AY、AZ”分別表示三軸的加速度，“Roll、Pitch、Yaw”分別表示三軸的角速度。圖中顯示燈呈綠色，轎廂運(yùn)行正常。圖9所示為在試驗(yàn)中，出現(xiàn)故障（困人），圖中顯示燈閃爍紅色，并出現(xiàn)提示語。手機(jī)屏幕拍攝的是試驗(yàn)者被困轎廂內(nèi)的場景。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行效果

圖9 困人測試與驗(yàn)證

通過多次反復(fù)試驗(yàn)，其仿真功能和測試數(shù)據(jù)均達(dá)到預(yù)定要求，驗(yàn)證了電梯模擬試驗(yàn)臺及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理、準(zhǔn)確的，在電梯維保監(jiān)控和科技研究中提供了有效手段。

4 結(jié)束語

本文敘述了電梯維保監(jiān)控模擬試驗(yàn)臺架的研制背景、設(shè)計(jì)思路及相關(guān)主要技術(shù)處理等問題，試驗(yàn)臺架當(dāng)前已開始應(yīng)用，實(shí)踐表明試驗(yàn)臺架具有以下重要優(yōu)點(diǎn)。

（1）進(jìn)行了多次反復(fù)不同場景的模擬試驗(yàn)，并選用最佳試驗(yàn)成果，提供準(zhǔn)確控制數(shù)據(jù)回饋應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，用結(jié)構(gòu)獨(dú)立分離的電梯模型和實(shí)體轎廂組成的實(shí)驗(yàn)臺架，設(shè)計(jì)有創(chuàng)意，滿足實(shí)驗(yàn)空間尺寸狹小的制約條件，大幅節(jié)省研究投資成本，不影響在線電梯運(yùn)行。其成果提高了電梯安全監(jiān)控的準(zhǔn)確率、快速性，拓展了電梯安全維保技術(shù)，因而發(fā)揮了模擬技術(shù)的最大優(yōu)勢。

（2）我國是電梯保有量較大的國家，電梯安全監(jiān)控是亟待研究的重要課題，本項(xiàng)研究成果適應(yīng)及滿足現(xiàn)代社會發(fā)展需求，有重要社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）解決電梯故障（困人）的研究，提出了檢測、判斷，分析等一系列實(shí)用處理方法，為電梯安全監(jiān)控提供有效手段，推動了該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。

開展本項(xiàng)研究，目前尚屬起始階段，還待今后繼續(xù)深入研究，例如展開轎廂乘客行為、數(shù)量辨識、運(yùn)行參數(shù)預(yù)測及城市居民區(qū)域云數(shù)據(jù)維保監(jiān)控等研究工作。而本模擬試驗(yàn)臺架將繼續(xù)為研究課題進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究，促進(jìn)電梯安全監(jiān)控的創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展。