雙子電梯轎廂防碰撞技術(shù)分析與設(shè)計(jì)*

屈省源，張繼濤

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528400）

0 引言

近幾年來，超高層建筑物越來越多。建筑高度的增加帶來了客流量的迅猛增長，隨之而來，就會增加電梯運(yùn)輸?shù)膲毫?。?dāng)前，超高層建筑物的乘客運(yùn)輸依然采用單轎廂電梯方式，為了提高運(yùn)輸效率，不斷增加電梯運(yùn)行速度和轎廂容量。但是，提高電梯運(yùn)行速度，給電梯的控制和構(gòu)造帶來了一系列問題；而增加轎廂容量，無疑需要增加電梯井道空間，這樣會使建筑物的有效利用率降低，而且大載重轎廂對電梯的曳引機(jī)、控制系統(tǒng)等方面又提出新的要求。因此，這種僅依靠增加電梯的速度和轎廂的載客量的方式已不能滿足超高層建筑運(yùn)輸能力的需求。為了提供超高層建筑客流量的運(yùn)輸效率，蒂森克虜伯公司提出了一種在一個(gè)井道中安裝2個(gè)獨(dú)立轎廂的雙子電梯應(yīng)運(yùn)而生[1-5]，每個(gè)轎廂都配有獨(dú)立的曳引機(jī)、控制器、曳引繩、配重和限速器。

雙子電梯的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然具有更高的運(yùn)輸能力，但是運(yùn)行規(guī)則更為復(fù)雜，如何確保雙子電梯安全運(yùn)行是該型電梯使用的首要條件。雙子電梯安全性需要解決的關(guān)鍵問題有2個(gè)，即：（1）如何設(shè)定2個(gè)轎廂之間的最小安全距離，確保2個(gè)轎廂在彼此相向或者同向運(yùn)行時(shí)不發(fā)生碰撞；（2）如何設(shè)定電梯的安全保護(hù)系統(tǒng)，確保電梯能在系統(tǒng)斷電或者其他異常故障時(shí)，轎廂不會發(fā)生碰撞。

針對上述問題，本文提出一種冗余性的位置探測技術(shù)和優(yōu)化控制技術(shù)，確保雙轎廂運(yùn)行的最小安全距離；在2個(gè)轎廂之間采用安全保護(hù)系統(tǒng)，并在井道增加輔助安全設(shè)備，避免2個(gè)轎廂在異常情況下發(fā)生碰撞。

1 雙子電梯的雙轎廂防碰撞運(yùn)行分析

一般的雙轎廂電梯系統(tǒng)有2種結(jié)構(gòu)，即高速雙轎廂電梯和雙子電梯。

高速雙轎廂電梯是通過在每一個(gè)井道中置入兩個(gè)轎廂，即將一個(gè)轎廂永久地置于另一個(gè)轎廂之上，使兩個(gè)轎廂在同一運(yùn)程中同時(shí)載客并將他們運(yùn)輸至目的地?？梢酝瑫r(shí)服務(wù)于奇、偶樓層，有效地將運(yùn)載量提高了一倍。通過提高電梯系統(tǒng)的運(yùn)載量，可以減少等候時(shí)間和運(yùn)輸次數(shù)，從而提高大樓的服務(wù)水平，或者可以選擇減小電梯井道面積來擴(kuò)大實(shí)用面積。

雙子電梯[8]是兩個(gè)轎廂共享導(dǎo)軌和廳門。每個(gè)轎廂都配有獨(dú)立的曳引機(jī)、控制器、曳引繩、配重和限速器。雙子電梯的兩個(gè)轎廂在同一井道獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)轎廂的乘客進(jìn)出電梯時(shí)，其上或其下的另一個(gè)轎廂照常運(yùn)行，乘客無需等待。為了使兩個(gè)轎廂各自獨(dú)立運(yùn)行并減少不必要的等待時(shí)間，雙子電梯采用了電梯智能化目標(biāo)選擇控制系統(tǒng)，通過減少停靠樓層和改善終端用戶的服務(wù)水平來最大程度地縮短運(yùn)行時(shí)間。

本文不涉及雙子電梯的智能化目標(biāo)選擇控制系統(tǒng)，只探討雙子電梯雙轎廂井道運(yùn)行時(shí)的安全保護(hù)方法。

雙轎廂防碰撞規(guī)定：（1）設(shè)定轎廂運(yùn)行的最小安全距離速度，實(shí)時(shí)監(jiān)測2個(gè)轎廂的相對位置，讓它們之間的距離大于最小安全距離，當(dāng)相對位置達(dá)到最小安全距離時(shí)，2個(gè)轎廂緊急停止，避免碰撞；（2）按照國家電梯制造與安裝安全規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)雙轎廂的電梯速度獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，不能僅靠電梯的軟件控制系統(tǒng)來確保電梯的運(yùn)行安全，必須要結(jié)合安裝在曳引機(jī)的制停系統(tǒng)和井道中的限速系統(tǒng)等多重安全保護(hù)措施來避免發(fā)生轎廂間的碰撞。

雙轎廂防碰撞問題是雙子電梯能夠投入使用迫切解決的首要問題之一。雙轎廂發(fā)生碰撞的主要原因是由于當(dāng)轎廂相距較近時(shí)而相對速度又太高造成的，或者當(dāng)電梯在異常情況下雙轎廂失控，而電梯緊急制停系統(tǒng)缺失或者井道轎廂限速系統(tǒng)失效的情況下發(fā)生碰撞。所以為了避免碰撞的發(fā)生，應(yīng)使電梯轎廂之間的距離始終大于安全運(yùn)行距離，并采用多重安全措施。

基于以上規(guī)定，本文設(shè)計(jì)了一種雙子電梯的雙轎廂防碰撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3部分組成，如圖1所示。雙轎廂電梯防碰撞系統(tǒng)主要通過傳感器信息并以微控制器作為控制單元的核心，對執(zhí)行器和其他部件進(jìn)行減速和制動。其中，雙轎廂相對位置檢測模塊主要通過傳感器元件實(shí)時(shí)檢測2個(gè)轎廂的相對距離，息并將該數(shù)據(jù)信息通過動態(tài)優(yōu)化控制模塊的微控制器進(jìn)行處理分析，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送到報(bào)警顯示及執(zhí)行保護(hù)模塊，執(zhí)行其他部件進(jìn)行減速和制動。

圖1 雙子電梯防碰撞結(jié)構(gòu)

為了確保在異常情況下，防碰撞電子系統(tǒng)工作失效，在2個(gè)轎廂上和井道內(nèi)安裝多個(gè)轎廂速度保護(hù)部件，這些部件在檢測到轎廂超速時(shí)，電梯主控系統(tǒng)根據(jù)超速信號向電梯主機(jī)發(fā)送制停命令，使電梯立刻停止運(yùn)行，確保電梯使用安全。

在轎廂正常運(yùn)行時(shí)，雙轎廂相對位置檢測模塊不斷獲得轎廂的運(yùn)動狀態(tài)信息（速度、加速度和轎廂間距），轎廂間的最小安全距離是由轎廂運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)決定的，經(jīng)過信息處理單元得出的轎廂信息，運(yùn)用安全度判別準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。根據(jù)不同的輸出結(jié)果，該控制系統(tǒng)采取不冋的控制措施，例如，減速以及制動等。系統(tǒng)釆取緊急制動模式，避免轎廂發(fā)生碰撞，當(dāng)轎廂間距大于安全距離時(shí)，系統(tǒng)回到正常運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)雙轎廂防碰撞系統(tǒng)開始工作時(shí)，安裝在上下轎廂上的傳感器可實(shí)時(shí)測得上下轎廂的運(yùn)行狀態(tài)即速度、加速度和距離，將采集到的信息傳給控制單元，計(jì)算出這時(shí)的臨界安全間距再與實(shí)際轎廂間距進(jìn)行比較。如果實(shí)際轎廂間距接近或等于臨界安全轎廂間距，則控制單元發(fā)出信號控制報(bào)警單元報(bào)警，并使其中一個(gè)轎廂減速。如果實(shí)際轎廂間距小于臨界安全轎廂間距，則控制系統(tǒng)進(jìn)入自動剎車模式。

雙轎廂防碰撞系統(tǒng)的工作過程具體如下。

（1）上下轎廂相對位置的測量?？捎冒惭b在上下轎廂上的傳感器測出2個(gè)轎廂的相對位置和各自轎廂運(yùn)行的速度、加速度等狀態(tài)信息。

（2）安全間距的計(jì)算。以2個(gè)轎廂速度、加速度，目標(biāo)轎廂速度、加速度為輸入，按照動態(tài)優(yōu)化控制算法來計(jì)算轎廂運(yùn)行安全距離。

（3）輸出報(bào)警顯示。將實(shí)際轎廂間距與計(jì)算的安全間距進(jìn)行比較，對2個(gè)轎廂所處的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全度判別預(yù)測。如果轎廂接近危險(xiǎn)，則輸出報(bào)警信號，此時(shí)2個(gè)轎廂開始減速，直至危險(xiǎn)清除。

（4）智能制動。如果2個(gè)轎廂的實(shí)際測量距離小于或等于最小安全距離，那么轎廂就會進(jìn)入自動減速或制動狀態(tài)。

（5）防碰撞系統(tǒng)異常處理。當(dāng)在防碰撞系統(tǒng)掉電或者任意一個(gè)轎廂速度超速時(shí)，安裝在井道內(nèi)的轎廂速度檢測設(shè)備工作，將超速信號發(fā)送到電梯主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)發(fā)出緊急停止運(yùn)行命令，電梯停止運(yùn)行。當(dāng)主控系統(tǒng)未能及時(shí)有效處理時(shí)，井道轎廂速度檢測設(shè)備觸發(fā)安裝在轎廂導(dǎo)軌上的制停設(shè)備動作，確保轎廂停止。

2 冗余性轎廂位置傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了以故障安全的方式確定電梯轎廂的當(dāng)前位置和速度，Ahmad等[3]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法確認(rèn)多個(gè)轎廂之間的最小距離，有一定的指導(dǎo)性。為了保證系統(tǒng)在設(shè)定的最小安全距離下可靠工作，電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)至少具有2個(gè)多樣化的傳感器系統(tǒng)，即具有不同的動作原理（硬件）和不同形式的數(shù)據(jù)交換的傳感器系統(tǒng)，如光電編碼器，實(shí)現(xiàn)冗余性的轎廂位置實(shí)時(shí)探測功能。每個(gè)傳感器系統(tǒng)都提供有關(guān)位置（絕對位置）和速度的測量值。在將這些值用于有關(guān)碰撞預(yù)防和碰撞預(yù)防裝置的其他功能的計(jì)算之前，首先在可編程電子安全系統(tǒng)中檢查這些值的合理性。如果檢測到不同傳感器系統(tǒng)的傳感器測量值之間的差異，即傳感器測量值本身是異常的，則做出相應(yīng)的動作。

本文采用多傳感器系統(tǒng)，檢測轎廂的位置和運(yùn)行狀態(tài)。為了增加防碰撞系統(tǒng)的可靠性，在電梯系統(tǒng)上最好安裝3個(gè)傳感器系統(tǒng)。因?yàn)?個(gè)傳感器系統(tǒng)發(fā)生誤判而導(dǎo)致電梯緊急制停的概率較大。3個(gè)傳感器系統(tǒng)會明顯減少此類風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 傳感器系統(tǒng)1-條碼定位系統(tǒng)

條碼定位系統(tǒng)是由讀碼器和條碼帶等組成的。它的工作原理是將讀碼器安裝在轎廂上，條碼帶全程安裝在井道中，當(dāng)轎廂運(yùn)行時(shí)，安裝在轎廂上的讀碼器時(shí)時(shí)掃描當(dāng)前的條碼，通過譯碼器輸出轎廂當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置信息[6-7]。相對于常用的旋轉(zhuǎn)編碼器測量技術(shù)，條碼定位系統(tǒng)可以達(dá)到絕對毫米級的測量精度，并且不依賴于參考點(diǎn)。

如圖2所示，傳感器系統(tǒng)1-條碼定位系統(tǒng)：每個(gè)雙轎廂井道有一條條碼磁帶，每個(gè)轎廂上有一條具有自檢功能的條碼讀碼器。兩個(gè)條碼定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)脚鲎差A(yù)防裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測轎廂的相對位置。

圖2 傳感器系統(tǒng)1-條碼定位系統(tǒng)

電梯轎廂的絕對位置可以通過條碼磁帶上的光編碼來確定。根據(jù)行程高度，將部署兩種不同版本的條形碼傳感器，即：當(dāng)電梯運(yùn)行高度小于196 m時(shí)，采用分辨率為14位的傳感器；當(dāng)電梯運(yùn)行高度大于或等于196 m時(shí)，采用分辨率為16位的傳感器。

2.2 傳感器系統(tǒng)2-磁性絕對定位系統(tǒng)

磁性絕對定位系統(tǒng)包含一個(gè)安裝在電梯井道的編碼絕對位置的磁帶和一個(gè)安裝在每個(gè)電梯轎廂的磁鐵傳感器。測量數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到安裝在2個(gè)轎廂上的防碰撞裝置。

磁鐵傳感器主要采用線性霍爾元件?；魻杺鞲衅魇且曰魻栃?yīng)為物理機(jī)理設(shè)計(jì)制作的磁信號檢測傳感器。其結(jié)構(gòu)牢固，體積很小，重量比較輕，安裝方便，耐震動，不怕灰塵等的污染，精度高、線性度好、位置重復(fù)精度高[8-10]；但是其受溫度影響比較大，所以在測量時(shí)必須考慮溫度因素。

2.3 傳感器系統(tǒng)3-絕對脈沖發(fā)生器

如圖3所示，兩個(gè)電梯轎廂的限速器上都安裝了絕對脈沖發(fā)生器。用實(shí)時(shí)的高速計(jì)數(shù)脈沖數(shù)值與每一樓層記錄的數(shù)值進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確確定電梯實(shí)際的運(yùn)行樓層位置，每個(gè)絕對脈沖發(fā)生器對轎廂位置和速度的測量值發(fā)送到防碰撞裝置。

圖3 傳感器系統(tǒng)3-絕對脈沖發(fā)生器

3 多重安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在防碰撞電子系統(tǒng)失靈或者系統(tǒng)出現(xiàn)誤判時(shí)造成電梯異常停梯，是雙子電梯需要解決的重要問題，也是雙子電梯目前不能大規(guī)模投入使用的原因之一。為了避免出現(xiàn)因?yàn)橄到y(tǒng)失靈或者誤判而造成的運(yùn)行異常，需要增加獨(dú)立于防碰撞電子系統(tǒng)的安全保護(hù)系統(tǒng)[11-12]。下面介紹可行的安全保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施方案。

3.1 緊急制停保護(hù)

如圖4所示，如果防碰撞電子系統(tǒng)不能確保預(yù)防緊急停止的最小距離，此時(shí)兩個(gè)轎廂的主控制系統(tǒng)的安全電路均由防碰撞裝置打開，越過主控系統(tǒng)直接觸發(fā)安裝在主機(jī)上的緊急停止和驅(qū)動機(jī)器的制停裝置，使轎廂停止運(yùn)行。

圖4 主機(jī)制停裝置

3.2 安全鉗

如圖5所示，如果在緊急情況下緊急制停裝置沒有足夠的延遲，且不滿足防碰撞安全鉗的最小距離的情況下，將觸發(fā)兩個(gè)電梯轎廂的安全鉗，此時(shí)防碰撞安全鉗動作，進(jìn)而限制轎廂的運(yùn)行速度。

圖5 防碰撞安全鉗

4 系統(tǒng)測試分析

在電梯井道中，對防碰撞系統(tǒng)做了測試，主要測試了雙轎廂最小安全距離的可靠性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。由于條件受限，不能模擬電梯高速運(yùn)行時(shí)（運(yùn)行速度4 m/s以上）的情況，結(jié)合當(dāng)前大多數(shù)廠家電梯的運(yùn)行速度，選取常見標(biāo)準(zhǔn)電梯運(yùn)行速度進(jìn)行測試?？紤]到目前雙轎廂電梯基本上都是超高速電梯，運(yùn)行速度在5 m/s以上，轎廂制停慣性較大，最小安全距離較大[12]。在現(xiàn)有條件下，在測試速度下最小安全距離設(shè)定比較保守，以期能達(dá)到測試的有效性。測試的主要依據(jù)是在設(shè)定的最小安全距離下，雙轎廂相向運(yùn)行系統(tǒng)停止時(shí)2個(gè)轎廂之間的距離。測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 不同速度下雙轎廂防碰撞系統(tǒng)最小安全距離測量

從測試數(shù)據(jù)中，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電梯低速運(yùn)行時(shí)（運(yùn)行速度小于或等于1.75 m/s），電梯制停時(shí)雙轎廂的實(shí)際距離與設(shè)定的最小安全距離比較接近，相對誤差較小。當(dāng)中高速運(yùn)行時(shí)（運(yùn)行速度大于或等于2.0 m/s），雙轎廂實(shí)際距離與設(shè)定的最小安全距離相對誤差有所增加，但是總體趨勢變化不大?？傮w來看，系統(tǒng)制停距離與設(shè)定的距離誤差依然處于設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，說明本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的。

5 結(jié)束語

隨著超高層建筑的日益增多，為了有效提高超高層建筑物內(nèi)工作生活的乘客運(yùn)輸能力，需要新型的電梯運(yùn)輸方式，蒂森克虜伯的使用已經(jīng)證明雙子電梯就是一種理想選擇之一。但是如何保證2個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的轎廂不發(fā)生碰撞，是雙轎廂電梯需要解決的關(guān)鍵問題，也是雙子電梯普及推廣需突破的瓶頸之一。本文提出的一種防碰撞電子系統(tǒng)，可以有效確保2個(gè)轎廂在保證最小安全距離下安全運(yùn)行；在有限的條件下測試表明，本系統(tǒng)是有效可行的。