劉桂雄，朱海兵，何若泉，柯宇輝

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2.廣東省特種設(shè)備檢測院東莞分院，廣東 東莞 523129）

0 引 言

電梯作為建筑物耗電中的“電老虎”，據(jù)統(tǒng)計一年耗電超過165億kW·h，占總民用耗電的17%[1]，電梯能耗越來越受到社會、政府職能部門密切關(guān)注[2-3]，相關(guān)法律法規(guī)已明確要求對電梯能效進行測試與監(jiān)管[4-5]。電梯能效監(jiān)測對于能效監(jiān)管及推廣電梯節(jié)能技術(shù)具有重要意義。中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會2007QK350課題組，開展電梯能效評價指標與檢測方法研究[6]；天津、成都、深圳等地方特檢院機構(gòu)，上海交通大學、中國科學技術(shù)大學、華南理工大學等高校，三菱、日立、西奧、東南等電梯公司，也正積極參與電梯能效檢測工作研究，但還未形成統(tǒng)一方案[7-8]，目前僅浙江省于2009年制訂《電梯能源效率評價技術(shù)規(guī)范》地方標準。國內(nèi)外電梯能耗檢測代表性方法主要有RTC法[9-10]、空載法、模擬實際工況法、典型工況法、特定工況法等。其中模擬實際工況法最接近電梯實際運行工況，不過操作較復雜；其他方法相對簡便，但僅是簡化方法，與實際情況誤差較大。

本文基于雙核ARM架構(gòu)，設(shè)計一套可在電梯實際運行工況下便捷、快速測試電梯能效記錄儀與系統(tǒng)，分別通過觸摸屏顯示、SD卡存儲實時能效信息、GSM短信模塊實現(xiàn)遠程通信功能。

1 系統(tǒng)總體框架與基本原理

1.1 系統(tǒng)組成

電梯能效實時記錄儀與系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，由中央處理器模塊、電參數(shù)測量模塊、運動參數(shù)測量模塊、上位機、遠程通信模塊、存儲模塊及人機交互模塊等組成。電參數(shù)測量模塊、運動參數(shù)測量模塊分別完成對電梯電參數(shù)（包括電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、功率因素）及運動參數(shù)（包括工作狀態(tài)、運動方向、運行速度、運行距離等）的采集與計算；中央處理器模塊進行數(shù)據(jù)處理、計算、存儲及通信；人機交互模塊完成被監(jiān)測電梯基本參數(shù)輸入、電梯實時能效信息顯示；存儲模塊用于實時能效數(shù)據(jù)大容量存儲；上位機、遠程通信模塊實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)電梯平衡系數(shù)優(yōu)化與遠程通信功能。

1.2 電梯能效系數(shù)計算方法

電梯單次運行上、下作功Wi上、Wi下分別為

圖1 系統(tǒng)組成框圖

式中：Qi、Q、k——電梯當次載重量、電梯額定載荷、

電梯平衡系數(shù)；

hi——電梯當次運行垂直行程；

g——重力加速度。

若Wi上、Wi下為正值，表示電梯是用電運行，計算結(jié)果必須記錄；若Wi上、Wi下為負值，表示電梯處于發(fā)電運行狀態(tài)，無需記錄?？偣樗杏涗沇i上、Wi下總和。

1.3 測量模塊基本原理

運動參數(shù)測量模塊通過在電梯曳引輪上均勻安裝8片磁鋼片，在曳引輪水平面垂直方向安裝2個霍爾開關(guān)傳感器，霍爾開關(guān)傳感器1、霍爾開關(guān)傳感器2輸出端接入調(diào)理電路，最終接入LM3S8962 GPIO端。曳引輪轉(zhuǎn)動，每片磁鋼片轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，即輸出一個脈沖。根據(jù)兩個傳感器輸出脈沖先后順序，可判斷電梯運行方向。電梯運行速度ν、單次運行距離s為

式中：D——曳引輪直徑；

count1、count2、count11、count22——每秒及單次運行霍爾傳感器1及霍爾傳感器2輸出脈沖個數(shù)。

電參數(shù)測量模塊采用電力儀表、開口型電流互感器完成測量。電力儀表電壓接線端與電梯控制柜三相電壓接線端連接，電流接線柱與開口型電流互感器輸出端相接，接線示意圖如圖2所示。電力儀表通過RS485通信口用Modbus-RTU通信輸協(xié)議輸出三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、累積有功和無功電能等參數(shù)，輸出頻率可通過軟件設(shè)定；電流互感器變比為20∶1，將電梯一次測強電流轉(zhuǎn)換為電力儀表可測電流范圍內(nèi)開口型電流互感器無須改動電梯輸電線路，安裝方便。

圖2 電梯電參數(shù)測量方案示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

雙核中央處理器模塊選用TI公司LM3S8962及ST公司STM32F103組成雙核ARM處理器，采用雙口RAM實現(xiàn)雙核CPU之間實時通信。選用IDT公司高速8KB RAM芯片IDT70V05作為共享存儲器，IDT70V05數(shù)據(jù)位寬為8位，故LM3S8962及STM32F103數(shù)據(jù)總線低8位與雙口RAM數(shù)據(jù)總線相連接，雙核CPU與IDT70V05連接示意圖如圖3所示。

圖3 中央處理器模塊雙口RAM連接圖

雙口RAM工作在標示器模式，RAM空間劃分為兩個區(qū)段并且制定相應(yīng)軟件協(xié)議，可使兩個CPU以適當時序讀寫，可避免兩個CPU同時對同一RAM單元進行操作競爭問題。

霍爾開關(guān)傳感器輸出脈沖高電平為5V，無法直接輸?shù)紺PU GPIO管，選用TLP521-4光電耦合芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，采用三極管2N3904放大電流解決霍爾開關(guān)傳感器輸出脈沖驅(qū)動能力不足問題。運動參數(shù)測量模塊調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 運動參數(shù)測量模塊調(diào)理電路圖

存儲模塊電路選用Kingston micro 8G SD卡作為存儲器件，SD卡與STM32F103連接電路圖如圖5所示。

圖5 存儲模塊電路圖

人機交互模塊電路選用ALIENTEK TFTLCD 2.8′模塊，該模塊具有320×240的分辨率，16位色顯示支持，自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為中央處理器控制軟件設(shè)計及上位機電梯能效監(jiān)控平臺軟件設(shè)計兩部分。中央處理器控制軟件設(shè)計實現(xiàn)電路各模塊驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、計算、分析、存儲、顯示及通信功能。電梯能效監(jiān)控平臺軟件實現(xiàn)SD卡存儲數(shù)據(jù)讀取及統(tǒng)計分析、電梯平衡系數(shù)與能效影響關(guān)系建模及平衡系數(shù)優(yōu)化、GSM短信模塊通信。

按照系統(tǒng)功能要求，中央處理器控制軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，包括主程序模塊、電參數(shù)更新模塊、RS232通信模塊、RS485通信模塊和實時顯示及存儲模塊。

圖6為主程序流程圖，初始化包括GPIO口、TIMER0、SysTick、觸摸屏及各參數(shù)初始化。TIMER0定時器用于RS232串口數(shù)據(jù)通信接收超時檢測，SysTick定時器以每秒時間間隔產(chǎn)生中斷，讀取電參數(shù)及運動參數(shù)，之后進入主循環(huán)。

圖6 主程序流程圖

主循環(huán)內(nèi)部各功能塊如下：（1）RS232串口狀態(tài)檢查。檢查當前RS232狀態(tài)，根據(jù)其狀態(tài)完成相應(yīng)操作，如果未和上位機建立連接，該模塊為空操作。（2）能效分析計算。根據(jù)標志量判定電參數(shù)數(shù)據(jù)是否更新完畢，如果當前電參數(shù)已更新完畢，則對當前數(shù)據(jù)進行能效分析和計算。（3）LM3S8962通過IDT70V05將電梯實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)傳送給STM32F103，在觸摸屏上實時顯示電梯運行狀態(tài)及能效信息。

電梯能效監(jiān)控平臺在Visual Studio2010環(huán)境下開發(fā)，采用模塊化編程思想，具有電梯能效監(jiān)控及分析、監(jiān)測設(shè)備即插即用、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、短信發(fā)布監(jiān)控信息、能效統(tǒng)計及數(shù)據(jù)挖掘等功能。

選用GSM模塊通過短信查詢方式，實現(xiàn)遠程發(fā)布能效信息功能。GSM模塊通過RS232與電梯能效監(jiān)控平臺連接，系統(tǒng)初始化階段對GSM設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，用戶即可通過AT命令形式實時查詢實時能效信息及一段時間內(nèi)能效統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也會自動通過短信形式報警。圖7為電梯能效實時記錄儀及系統(tǒng)實物圖。

圖7 電梯能效實時記錄儀及系統(tǒng)實物圖

3 裝置誤差分析與實驗測試

3.1 誤差分析

電梯能效實時記錄儀及系統(tǒng)誤差來源主要包括電力儀表誤差和霍爾開關(guān)傳感器測距誤差。電力儀表電流、電壓、有功功率及無功功率測量準確度為±（0.5%FS+1個字），有功電能及無功電能測量準確度為±0.5%。

霍爾開關(guān)傳感器測距誤差由兩個原因造成：輸出脈沖個數(shù)存在誤差；電梯啟動停止時小磁鋼不正對霍爾開關(guān)傳感器。

外界干擾信號有可能引起霍爾開關(guān)傳感器輸出，可在軟件中設(shè)置閾值消除干擾；當霍爾開關(guān)傳感器或小磁鋼安裝不當，有可能導致脈沖輸出個數(shù)偏少，在軟件中比較兩個傳感器脈沖輸出個數(shù)差值，當差值到達閾值，通過人機交互系統(tǒng)界面提示應(yīng)檢查霍爾開關(guān)傳感器及小磁鋼安裝情況。

當電梯啟動或停止時，小磁鋼不正對霍爾開關(guān)傳感器時會導致計算電梯運行距離誤差，這是原理誤差，可減小但無法消除，最大誤差值取決于被測電梯曳引輪直徑及小磁鋼個數(shù)。以本實驗測試為例，曳引輪直徑D=540mm，小磁鋼個數(shù)為8，則最大測距誤差為

單次運行距離越大，相對誤差越小，設(shè)最小單次運行距離H=4m，則最大相對誤差為

通過增加小磁鋼個數(shù)，可減小測距誤差。

3.2 實驗測試

整臺儀器已經(jīng)過廣東省計量科學研究院檢定，各項指標達到設(shè)計要求，所研制的系統(tǒng)已經(jīng)過近一年運行試驗，效果良好。

表1 被測電梯基本參數(shù)表

表2 被測電梯一周能效信息統(tǒng)計結(jié)果

表3 被測電梯一周內(nèi)載荷分布表

表1為某被測電梯基本參數(shù)，表2、表3分別為其中一周時間內(nèi)電梯能效信息及載荷分布統(tǒng)計結(jié)果。

由表2看出，待機能耗占總能耗15.1%，電梯運行時間與待機時間比為1∶7.57，平均能效系數(shù)為1.72；通過表3看出，單次載荷在500kg以下占81%，平均載荷為309kg，故被測電梯使用工況為輕載運行，在保證電梯運行安全前提下，若合理調(diào)整電梯平衡系數(shù)可降低電梯能耗。

4 結(jié)束語

基于雙核ARM架構(gòu)研制電梯能效實時記錄儀及系統(tǒng)，可在電梯實際運行工況下實時、準確、快速監(jiān)測電梯運行狀況及能效信息，提高電梯能效測試效率與準確性，系統(tǒng)裝置與被測電梯控制系統(tǒng)聯(lián)接簡單、便捷，不影響原來電梯電氣線路。

系統(tǒng)具有顯示、存儲及短信發(fā)布實時能效信息功能，還可統(tǒng)計分析出一段時間內(nèi)被測電梯能效相關(guān)信息，為進一步將研究采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)基于能效相關(guān)信息的電梯平衡系數(shù)優(yōu)化策略及電梯群組實時能效監(jiān)測技術(shù)打下基礎(chǔ)。

[1]Lutfi A S.Lift Power Consumption[J].Elevator World，1996，44（5）：85-87.

[2]萬忠培，朱武標，何新民.關(guān)于電梯能耗的探討[J].中國電梯，2007，18（7）：28-31.

[3]姚明，張清鵬.Jupiter Plus在電梯能耗測試中的應(yīng)用[J].射頻技術(shù)與電磁兼容，2010，33（8）：128-130.

[4]王士琴.電梯能耗測量與能效評價方法的研究[D].上海：上海交通大學，2009：3-5.

[5]王倩，萬蒞新.基于ARM的電梯能效檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2010（5）：25-29.

[6]孫立新.關(guān)于電梯能效評價的探討[J].中國電梯，2008，19（4）：43-45.

[7]薛季愛.電梯能耗狀況評價與檢測方法研究[J].中國電梯，2008，19（33）：33-38.

[8]Gina B.Energy efficiency of lifts[J].Elevator，2005（9）：66-82.

[9]Hong Kong Housing Authority.Developing an energy conservation solution package for lifts& escalators of housing Authority[M].2007：5-6.

[10]ISO/DIS 25745-1 Energy performance of lifts and escalators-Part1： Energy measurement and conformance[S].2008：4-6.