基于激光測距傳感技術(shù)的電梯轎廂運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測*

□ 巫濤江 □ 劉恩華 □ 余曉毅 □ 吳德操 □ 張春娟

1.電梯智能運(yùn)維重慶市高校工程中心 重慶 402260 2.重慶理工大學(xué) 光纖傳感與光電檢測重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400054

1 研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,高層建筑的數(shù)量不斷增加,電梯作為高層建筑的必備設(shè)施,需求量與日俱增。根據(jù)國家質(zhì)檢總局統(tǒng)計(jì),我國當(dāng)前已登記注冊電梯數(shù)量占全球電梯總量的1/3。我國現(xiàn)有約600萬臺電梯正在運(yùn)行,并且以每年10%的增量增加,未來年新裝量和更新量會(huì)維持在80萬臺的水平[1]。對電梯技術(shù)進(jìn)行研究,保障電梯的安全運(yùn)行,有非常重要的實(shí)際意義。與此同時(shí),隨著時(shí)代的前進(jìn),電梯的運(yùn)行和維護(hù)正朝著更加智能化的方向發(fā)展[2-3]。

電梯轎廂運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測方法和技術(shù)是電梯智能運(yùn)維的關(guān)鍵。傳統(tǒng)電梯轎廂的監(jiān)測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連接,當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)影響電梯的正常運(yùn)行,無法有效反饋電梯轎廂的實(shí)時(shí)狀態(tài),如位置、速度、加速度等,不能及時(shí)評估電梯存在的潛在風(fēng)險(xiǎn),電梯運(yùn)行安全存在不穩(wěn)定因素。雖然維修人員可利用手持式設(shè)備以直接接觸法進(jìn)行現(xiàn)場檢測,但無法長期監(jiān)控,具有一定的局限性。激光測距傳感技術(shù)通過測量激光脈沖發(fā)射及接收前后的時(shí)差或相位變化來獲取目標(biāo)物體的位置信息[4],具有抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高、空間分辨力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功耗低、性能高、小型化等優(yōu)點(diǎn),廣泛適用于工程領(lǐng)域直線測距[5]、煤礦采掘工作掘進(jìn)進(jìn)尺控制[6]、無人駕駛防撞間距預(yù)警[7],以及目標(biāo)物體位置、速度、加速度實(shí)時(shí)監(jiān)測[8]。目前,激光測距傳感技術(shù)在動(dòng)態(tài)位置信息監(jiān)測領(lǐng)域是研究熱點(diǎn),尤其是在實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用場景中,已經(jīng)成為一種重要的技術(shù)。

筆者針對高速曳引式電梯轎廂位置、速度、加速度等運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測需求,利用激光測距傳感技術(shù),設(shè)計(jì)和構(gòu)建應(yīng)用于電梯轎廂實(shí)時(shí)運(yùn)行位置、速度、加速度的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),從而進(jìn)一步對電梯轎廂運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測和安全預(yù)警,并為未來電梯領(lǐng)域按需維保提供大數(shù)據(jù)支持。

2 基本原理

激光測距傳感技術(shù)一般分相位法和脈沖法兩類,性能對比見表1[9]。相位法的測距精度較高,量程可覆蓋常見高層建筑的高度范圍,更適合電梯轎廂的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測需求。

表1 激光測距傳感技術(shù)對比

▲圖1 相位法激光測距傳感器結(jié)構(gòu)

▲圖2 相位法激光測距原理

當(dāng)調(diào)制頻率為f時(shí),被測物體與激光器的距離D為:

(1)

式中:c為激光在測量環(huán)境中的傳播速度;t為激光的傳播時(shí)間。

對于遠(yuǎn)距離目標(biāo),還需利用多種不同調(diào)制頻率進(jìn)行多測尺聯(lián)合測量,以提高位置信息的檢測精度[11]。

監(jiān)測目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度V和自身位置關(guān)系為:

V=(D2-D1)/(T2-T1)

(2)

V=Δd/Δt

(3)

式中:T1、T2為不同測量時(shí)間點(diǎn);D1、D2為對監(jiān)測目標(biāo)不同時(shí)間點(diǎn)采集的位置信息;Δd為特定時(shí)間間隔Δt連續(xù)性采集的位置變化量。

設(shè)置極短測距時(shí)間間隔,V即可近似為目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)速度。

監(jiān)測目標(biāo)物體的加速度a與自身位置、速度的關(guān)系為:

(4)

式中:V1、V2為不同位置點(diǎn)的速度。

基于以上分析,在實(shí)際應(yīng)用中可以利用激光測距傳感技術(shù)所具有的高精度、高頻率位置檢測特性,通過實(shí)時(shí)解算得到電梯轎廂的位置、速度、加速度等運(yùn)行狀態(tài)信息。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于激光測距傳感技術(shù)的電梯轎廂運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示,由電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、Lora路由器、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。

▲圖3 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)安裝在電梯拖曳電機(jī)處,自上往下對電梯轎廂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測。電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示,由微控制器、鎖相頻率合成器、激光驅(qū)動(dòng)器、光電采集模塊、混頻模塊、自適應(yīng)放大濾波模塊、Lora無線傳輸模塊等組成。

▲圖4 電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

頻率合成模塊配置鎖相頻率合成器,生成具有微量頻率差的主振和本振信號。激光調(diào)制模塊將主振信號加載至激光器,發(fā)射至電梯轎廂底部的漫反射板。由光電采集模塊將采集到的反射信號與本振信號進(jìn)行混頻處理,獲得同相位低頻信號,經(jīng)過自適應(yīng)放大和濾波后,形成測量信號與參考信號,匯入微控制器,進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和傅里葉鑒相運(yùn)算,基于相位差解算得到電梯轎廂運(yùn)動(dòng)信息,并對電梯轎廂異常狀態(tài)進(jìn)行初步判別。最后將狀態(tài)信息通過Lora無線傳輸模塊傳輸至Lora路由器。

Lora路由器基于470 MHz頻段構(gòu)建Lora無線傳感網(wǎng)絡(luò),覆蓋距離可達(dá)數(shù)千米,能有效接收來自整個(gè)住宅小區(qū)或大型商業(yè)體多部電梯的監(jiān)測信號,并轉(zhuǎn)發(fā)至位于云端的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,可有效降低由大量前端節(jié)點(diǎn)分別租用4G、5G網(wǎng)絡(luò)帶來的運(yùn)營成本。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心匯總轄區(qū)內(nèi)大量電梯的運(yùn)行數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行進(jìn)一步處理分析,實(shí)現(xiàn)電梯故障的快速檢測與預(yù)警。

4 監(jiān)測系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證監(jiān)測系統(tǒng)的性能,利用全結(jié)構(gòu)曳引式升降電梯模型進(jìn)行測試,電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與Lora路由器如圖5所示,全結(jié)構(gòu)曳引式升降電梯模型如圖6所示。這一模型可以真實(shí)模擬電梯實(shí)際運(yùn)行情況,通過變頻器控制曳引機(jī)改變電梯轎廂加速度,實(shí)現(xiàn)速度可調(diào),同時(shí)可以實(shí)時(shí)記錄曳引機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,提供電梯轎廂實(shí)時(shí)位置和速度,可與監(jiān)測系統(tǒng)的測試值進(jìn)行對比。

電梯轎廂運(yùn)動(dòng)信息由監(jiān)測系統(tǒng)客戶端監(jiān)測軟件采集完成,界面如圖7所示。測試時(shí),電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)轎廂位置及速度數(shù)據(jù)分別見表2、表3。

表3 電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)轎廂速度數(shù)據(jù)

▲圖5 電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與Lora路由器

▲圖6 全結(jié)構(gòu)曳引式升降電梯模型

▲圖7 客戶端監(jiān)測軟件界面

表2 電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)轎廂位置數(shù)據(jù)

對于電梯轎廂加速度信息,由于電梯模型并未配置加速度采集和顯示模塊,因此將AETE-06電梯加速度測試儀安裝于電梯轎廂底部,得到實(shí)時(shí)加速度數(shù)據(jù)。電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)轎廂加速度數(shù)據(jù)見表4。

表4 電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)轎廂加速度數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)分析可知,監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效獲取電梯井監(jiān)測節(jié)點(diǎn)轎廂的實(shí)際位置、速度、加速度信息,并且能夠達(dá)到成熟傳統(tǒng)測量方式的測量精度,滿足GB/T 24474—2009標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。連續(xù)測試10 d,監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性良好,客戶端可正確顯示電梯轎廂位置、速度、加速度等運(yùn)行狀態(tài)信息。

5 結(jié)束語

筆者利用激光測距傳感技術(shù),通過軟硬件結(jié)合的開發(fā)方式,設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一種基于激光測距傳感技術(shù)的電梯轎廂運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。應(yīng)用這一監(jiān)測系統(tǒng)對電梯轎廂運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測,在不依賴電梯原有電氣系統(tǒng)的前提下,準(zhǔn)確獲取電梯轎廂的停留位置、運(yùn)行速度和加速度信息,達(dá)到毫米級測量精度。通過測試,這一監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng),穩(wěn)定性良好,可以為電梯轎廂的運(yùn)行狀態(tài)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),保障電梯的安全運(yùn)行。