鄭偉峰 蔣淑戀 聶泳忠

基于加速度傳感技術(shù)的電梯拖動(dòng)與制動(dòng)性能健康監(jiān)測系統(tǒng)

鄭偉峰 蔣淑戀 聶泳忠

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，高層建筑也如雨后春筍般涌出。在高層建筑中，最為重要的運(yùn)輸工具是電梯。我國電梯保有量已經(jīng)超過300萬臺，每天有超過2億人乘坐。因此，電梯安全直接關(guān)系人民群眾的生命安全和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2014年8月和9月，全國就發(fā)生了3起嚴(yán)重的電梯安全事故，每一起事故均造成不同程度的人員傷亡，引起了社會(huì)和主管部門的高度重視。

不同的電梯，不論采用何種控制方式，總是按轎廂內(nèi)指令，層站召喚信號要求，向上或向下起動(dòng)，起行，減速，制動(dòng)，停站。電梯曳引機(jī)的拖動(dòng)和制動(dòng)性能決定了電梯的運(yùn)行質(zhì)量和安全。如果能實(shí)現(xiàn)對電梯拖動(dòng)和制動(dòng)性能的健康監(jiān)測，對電梯曳引機(jī)的電機(jī)和制動(dòng)器等關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，就可以在電梯出現(xiàn)故障之前及時(shí)判斷，防止電梯故障發(fā)生，加強(qiáng)電梯運(yùn)行的安全系數(shù)。

本文旨在研究如何對電梯的關(guān)鍵部位轎廂和曳引機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和開發(fā)。

電梯安全監(jiān)測系統(tǒng)

電梯屬于特種設(shè)備，其運(yùn)行性能、安全性能受到各界的高度關(guān)注。目前，電梯行業(yè)對電梯所能采取的監(jiān)測手段主要有以下幾種形式：

1.電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

目前，市面上出現(xiàn)了各種形式的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測產(chǎn)品。其中，電梯運(yùn)行安全動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)一些城市已被推廣應(yīng)用。電梯運(yùn)行安全動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測系統(tǒng)是集嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻傳輸技術(shù)、紅外線監(jiān)測技術(shù)、視頻壓縮和視頻窄帶傳輸、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)為一體的跨學(xué)科電梯運(yùn)行安全視頻監(jiān)測系統(tǒng)。具有電梯運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障報(bào)警、事故預(yù)警、困人自動(dòng)呼救、視頻指導(dǎo)脫困等功能，其系統(tǒng)由電梯監(jiān)測黑匣子、移動(dòng)視頻前端機(jī)和電梯安全運(yùn)行視頻監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺構(gòu)成。

2.電梯“黑匣子”

電梯“黑匣子”所提供的功能類似于飛機(jī)中黑匣子的作用，主要是能夠?qū)㈦娞葸\(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)收入存儲(chǔ)，便于事故發(fā)生以后的分析使用。

3.動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測系統(tǒng)

電梯的動(dòng)態(tài)性能包括電梯的實(shí)時(shí)速度、加速度等。目前，很多針對電梯的轉(zhuǎn)呀測試設(shè)備都同時(shí)測量電梯速度、加速度及加速度變化率等參數(shù)；同時(shí)，為了便于深層次分析電梯的運(yùn)行性能，還建有測量噪聲等其他參數(shù)。

動(dòng)態(tài)視頻遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對電梯運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控、及時(shí)報(bào)警救援和維保、檢驗(yàn)等工作的信息化管理，掌握每一臺電梯的運(yùn)行情況；可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障、排除故障，大大縮短了救援時(shí)間。不足的是，動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)測系統(tǒng)是在一種運(yùn)行過程監(jiān)測的系統(tǒng)，當(dāng)電梯安全事故發(fā)生后，維護(hù)人員才能通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳回的信息進(jìn)行緊急救援。此時(shí)，生命財(cái)產(chǎn)損失已經(jīng)無法挽回。

電梯“黑匣子”起到了事后分析，用以提高電梯管理水平的作用。對于電梯的運(yùn)行情況進(jìn)行記錄，記錄信息可以作為相關(guān)部門的追溯檢索和統(tǒng)計(jì)處理使用。

動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測系統(tǒng)能夠量化加速度和噪聲等參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，為乘運(yùn)質(zhì)量和電梯系統(tǒng)問題診斷提供最真實(shí)參考依據(jù)，使用方便而且檢測精度高。但是主要應(yīng)用于規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下電梯性能參數(shù)的檢測工作中，可以采集電梯單次或多次運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可以獲得較好的檢測效果，并不是用于電梯全天候?qū)崟r(shí)檢測設(shè)備，無法用以實(shí)時(shí)判斷電梯的故障發(fā)生部位。

針對以上系統(tǒng)存在的不足，本文將加速度傳感器用于電梯事前健康監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)一種健康狀態(tài)性能監(jiān)測的系統(tǒng)，對電梯本身的性能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。不僅可以采集到電梯運(yùn)行時(shí)的加速度、速度、位移和抖動(dòng)，而且可以判斷電梯是否處于不平層、墩底或沖頂。本系統(tǒng)將加速度傳感器用于曳引機(jī)的電機(jī)和制動(dòng)器的性能健康監(jiān)測，可以通過振動(dòng)頻率、振幅、趨勢等一系列測試，掌握曳引機(jī)電機(jī)和制動(dòng)器當(dāng)前的狀態(tài)，如果有故障苗頭出現(xiàn)時(shí)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，立即搶修。以上這些電梯關(guān)鍵部件的健康監(jiān)測對象和處理方式在國內(nèi)尚未見有報(bào)道。

電梯事前健康監(jiān)測系統(tǒng)方案

現(xiàn)代電梯主要由曳引機(jī)（絞車）、導(dǎo)軌、對重裝置、安全裝置(如限速器、安全鉗和緩沖器等)、信號操縱系統(tǒng)、轎廂與廳門等組成。這些部分分別安裝在建筑物的井道和機(jī)房中。通常采用鋼絲繩摩擦傳動(dòng)，鋼絲繩繞過曳引輪，兩端分別連接轎廂和平衡重，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曳引輪使轎廂升降。電梯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電梯結(jié)構(gòu)組成圖

曳引機(jī)對轎廂的拖動(dòng)和制動(dòng)性能決定了電梯的運(yùn)行質(zhì)量和安全。因此，轎廂運(yùn)行參數(shù)和曳引機(jī)的監(jiān)測對電梯安全事前監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

本文對電梯事前健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整體方案實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體方案實(shí)現(xiàn)過程

本系統(tǒng)基于加速度傳感器開展轎廂加速度、速度、位移和抖動(dòng)等參數(shù)的監(jiān)測，判斷轎廂是否健康運(yùn)行。建立曳引機(jī)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過自學(xué)習(xí)并建立專家數(shù)據(jù)庫，分析判斷測試振動(dòng)頻率、振幅、趨勢，掌握曳引機(jī)的健康狀態(tài)。

電梯事前健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

1.加速度傳感器選型

傳感器選擇廈門乃爾電子有限公司的CAYD152V-2和CAYD115V兩款加速度傳感器。其具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，適用于各種惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電梯安全監(jiān)測、工業(yè)振動(dòng)監(jiān)測等領(lǐng)域。

2.轎廂健康運(yùn)行監(jiān)測

（1）轎廂速度、加速度和位移的監(jiān)測

轎廂頂部安裝CADR152V-2，轎廂頂部安裝黑匣子，含電源模塊、數(shù)采模塊、通信模塊等，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娞葸h(yuǎn)程監(jiān)控一體機(jī)上，通過軟件數(shù)據(jù)分析，得到實(shí)時(shí)加速度、速度和位移。

（2）不平層檢測

利用安裝在轎廂頂?shù)腃ADR152V-2傳感器，可以計(jì)算知道轎廂的即時(shí)位置，通過計(jì)算出的實(shí)時(shí)位置來判斷平層狀況。精度能滿足電梯的標(biāo)準(zhǔn)，十幾層的的高度誤差在毫米級別。

（3）電梯沖頂故障判斷

利用CADR152V-2傳感器，可知道轎廂的即時(shí)加速度，通過計(jì)算可得出實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)位移。當(dāng)轎廂位置到達(dá)上限位置時(shí)，可根據(jù)此時(shí)轎廂的即時(shí)速度判斷電梯是否沖頂。

（4）電梯的墩底故障判斷

利用CADR152V-2傳感器，可知道轎廂的即時(shí)加速度，通過計(jì)算可得出實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)位移。當(dāng)轎廂位置到達(dá)下限位置時(shí)，可根據(jù)此時(shí)轎廂的即時(shí)速度判斷電梯是否墩底。

（5）超速判斷

利用CADR152V-2傳感器，可計(jì)算出轎廂的即時(shí)速度。在分析軟件中設(shè)定該轎廂允許的最大速度，超出即報(bào)警。

（6）電梯轎廂異常抖動(dòng)監(jiān)測

通過CADR152V-2傳感器，可以實(shí)時(shí)計(jì)算震動(dòng)烈度，判斷轎廂是否屬于異常抖動(dòng)。

3．曳引機(jī)事前健康監(jiān)測

曳引機(jī)關(guān)鍵部件包括電機(jī)和制動(dòng)器。在電機(jī)和制動(dòng)器上安裝CAYD115V加速度傳感器，并將傳感器連接至數(shù)采模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娞葸h(yuǎn)程監(jiān)控一體機(jī)上，通過軟件數(shù)據(jù)分析，當(dāng)超過警戒值時(shí)報(bào)警提醒需要檢修；或者通過趨勢圖判斷是否該維護(hù)采集振動(dòng)信號，分析制動(dòng)器和電機(jī)的異常抖動(dòng)。通過振動(dòng)頻率、振幅、趨勢等一系列測試和分析，掌握曳引機(jī)的健康狀態(tài)。

4．軟件算法設(shè)計(jì)

電梯事前健康監(jiān)測系統(tǒng)通過軟件來實(shí)現(xiàn)信號的采集和通訊，并實(shí)時(shí)進(jìn)行信號分析和處理，進(jìn)而做出電梯健康狀況的判斷。軟件主要分為兩大部分，分別為啟用自學(xué)習(xí)部分和運(yùn)行監(jiān)測部分。

軟件的實(shí)現(xiàn)是以曳引機(jī)電機(jī)的振動(dòng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。開發(fā)軟件之前，需對各種常用型號的曳引機(jī)開展大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，建立各種常用型號曳引機(jī)的振動(dòng)數(shù)學(xué)模型。

系統(tǒng)啟用階段將根據(jù)曳引機(jī)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過自學(xué)習(xí)的方式，得到對應(yīng)的專家數(shù)據(jù)庫，作為電梯健康狀況分析判斷的基礎(chǔ)。圖3是系統(tǒng)啟動(dòng)階段軟件運(yùn)行流程圖。

圖3 系統(tǒng)啟動(dòng)階段軟件運(yùn)行流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行階段將根據(jù)健康狀況專家數(shù)據(jù)庫，對電梯關(guān)鍵部位的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而做出健康預(yù)警。

5．系統(tǒng)監(jiān)測窗口

圖4所示是電梯事前健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件界面，用以電梯運(yùn)行參數(shù)的輸出觀察及關(guān)鍵部件的健康預(yù)警。

圖4 電梯事前健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件界面

結(jié)論

本系統(tǒng)主要對電梯關(guān)鍵部件運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測，包括前端傳感器、采集器以及后端信號處理和監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，能做到對電梯健康監(jiān)測，掌握曳引機(jī)電機(jī)和制動(dòng)器當(dāng)前的狀態(tài)，判斷電梯故障部位，提高電梯的運(yùn)行安全系數(shù)和舒適度。

我國目前正在使用的電梯就已經(jīng)超過300萬部，未來隨著國家城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，電梯的使用量和改造量仍然會(huì)大幅增長。基于加速度傳感檢測技術(shù)的電梯安全健康監(jiān)測系統(tǒng)將來可以在各個(gè)城市大規(guī)模推廣應(yīng)用，因此有著巨大的市場前景。該項(xiàng)目在結(jié)合市場應(yīng)用的前提下，具有非常樂觀的產(chǎn)業(yè)化前景。在技術(shù)和產(chǎn)品成熟的前提下，本項(xiàng)目可以推向市場，作為電梯運(yùn)行安全的 “保護(hù)神”。

（作者單位：廈門市計(jì)量檢定測試院）