沈 茂，趙國軍

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

現(xiàn)有的電梯控制系統(tǒng)中，電梯主控制器與轎廂控制器之間采用隨行電纜連接，采用電纜傳輸轎廂的控制信號并為轎廂提供電源。電纜隨著電梯的運(yùn)行不斷地彎折，有可能發(fā)生纜線斷芯的狀況[1]。尤其是發(fā)生暗斷(只斷了纜繩塑膠內(nèi)的導(dǎo)線)時，這種故障檢測起來非常困難。加之現(xiàn)在樓層越來越高，電梯所需的隨行電纜長度也隨之增加，過重的隨行電纜會對電梯的運(yùn)行造成影響。隨行電纜中的通訊電纜容易受到其他電壓信號的干擾，導(dǎo)致通訊故障。傳統(tǒng)的電梯故障診斷主要依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗。當(dāng)電梯發(fā)生故障時，技術(shù)人員往往不能即時趕赴現(xiàn)場，可能造成救助不及時甚至二次傷害[2]。

為了解決上述問題，本文提出一種基于無線電纜的電梯智能故障診斷系統(tǒng)，以實現(xiàn)轎廂隨行電纜的無線化及電梯的智能故障診斷。

1 無線電梯控制系統(tǒng)

1.1 無線電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)采用分布式控制的理念進(jìn)行設(shè)計。分布式控制可減少電梯故障發(fā)生率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時減少電纜數(shù)，方便電梯的安裝與維護(hù)[3]。

傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)由電梯主控制器、各樓層的外招板、轎廂控制器、變頻器、曳引機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和安全回路組成[4]。電梯控制器采用串行通訊與其他系統(tǒng)模塊進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)各個系統(tǒng)模塊之間的工作。

傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出了無線電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 無線電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)電梯控制器相比，電梯主控制器與轎廂控制器間的通訊采用ZigBee無線通訊方式；電梯群控通訊也同樣采用ZigBee無線通訊與其他電梯共享群控信息；移動端電梯監(jiān)控系統(tǒng)通過WiFi與電梯主控制板通訊。

在轎廂位置信息采集方面，無線電梯控制系統(tǒng)采用絕對值編碼器進(jìn)行轎廂位置的采集，主要出于以下考慮：若系統(tǒng)采用增量式編碼器進(jìn)行轎廂位置檢測，需要由門區(qū)開關(guān)提供位置參考點，而門區(qū)開關(guān)安裝在轎廂上。在傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)主控制器通過隨行電纜直接完成門區(qū)信號的檢測，而在無線電梯控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需取消轎廂隨行電纜。若系統(tǒng)使得轎廂控制器將采樣到的門區(qū)信號通過無線轎廂通訊告知系統(tǒng)主控制器，則無法滿足門區(qū)信號采集的時間要求。轎廂通訊內(nèi)容較多，其通訊周期時間較長為50 ms，而門區(qū)信號的采樣頻率要求為10 ms。故系統(tǒng)無法通過增量式編碼器實現(xiàn)轎廂位置的監(jiān)測。絕對值編碼器無需門區(qū)開關(guān)的配合即可實現(xiàn)轎廂位置的監(jiān)測。

傳統(tǒng)電梯的隨行電纜包括轎廂供電電纜、安全回路電纜、通訊電纜及電氣信號電纜。在無線電梯控制系統(tǒng)中，主控制板通過無線通訊方式對轎廂控制板的輸入輸出信號進(jìn)行控制與檢測，同時安裝在轎廂上的逆變器將蓄電池提供的電源轉(zhuǎn)換成220 V交流電壓，為轎廂上的用電設(shè)備提供工作電源。因此還需要解決隨行電纜中的安全回路電纜問題。

1.2 無線電梯控制系統(tǒng)安全回路的設(shè)計

由于本文對電梯隨行電纜進(jìn)行了無線化，本文設(shè)計的無線電梯控制系統(tǒng)將電梯安全回路分為兩個部分：電梯機(jī)房安全回路和電梯轎廂安全回路。本文的電梯主控制板和轎廂控制板會分別對電梯機(jī)房安全回路和轎廂安全回路進(jìn)行電壓檢測，轎廂控制板將檢測到的轎廂安全回路端狀態(tài)信息通過轎廂通訊發(fā)送到電梯主控制板，電梯主控制板根據(jù)收到的狀態(tài)信息對機(jī)房安全回路繼電器進(jìn)行控制。

轎廂安全回路電氣原理圖和電梯機(jī)房安全回路電氣原理圖如圖(3～4)所示。

圖3 轎廂安全回路電氣原理圖

圖4 電梯機(jī)房安全回路電氣原理圖

從圖3和圖4中可知，轎廂安全回路中安全裝置開關(guān)包括安全鉗開關(guān)、上下極限開關(guān)、轎頂急停開關(guān)、轎廂門鎖開關(guān)以及轎頂檢修開關(guān)等[5]，同時在轎廂安全回路上設(shè)置了3個檢測點JC1、JC2、JC3用于檢測轎廂安全回路3個檢測端點的電壓信號。電梯機(jī)房安全回路安全裝置開關(guān)包括限速器開關(guān)、夾繩器開關(guān)、轎廂緩沖開關(guān)、對重緩沖開關(guān)、底坑急停開關(guān)、漲緊開關(guān)、緊急電動開關(guān)、盤存手輪、機(jī)房急停開關(guān)以及提前開門開關(guān)等，同時在安全回路上增加3個常開預(yù)控繼電器和1個常閉預(yù)控繼電器。與轎廂安全回路相似，在電梯機(jī)房安全回路上設(shè)置了4個檢測點：X5.9、X5.15、X5.16、X5.19。只有機(jī)房安全回路上4個檢測點電壓信號正常才表示無線電梯控制系統(tǒng)安全回路正常。機(jī)房安全回路4個電壓檢測信號直接發(fā)送給電梯主控制器。

本文的隨行電纜無線化方案中省去了轎廂到機(jī)房安全回路線纜，為了使轎廂安全回路上安全開關(guān)發(fā)生動作時電梯系統(tǒng)能夠立即切斷電梯驅(qū)動主機(jī)電源，電梯機(jī)房安全回路上增加了4個預(yù)控繼電器，分別為SR1、SR2、SR3、SR4。其中電梯機(jī)房安全回路上的3個常開預(yù)控繼電器SR1、SR3、SR4控制狀態(tài)分別取決于轎廂安全回路上的3個安全回路電壓檢測點的JC1、JC2、JC3的信號，例如當(dāng)檢測點JC1的信號為正常時，預(yù)控繼電器SR1才能閉和，一旦檢測點的信號處于異常狀態(tài)，則立刻斷開繼電器SR1。

2 無線電梯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線電梯主控制板硬件功能規(guī)劃

無線電梯主控制板是整個無線電梯控制系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)主要為接收和處理來自其他功能模塊的狀態(tài)信息，包括電梯內(nèi)外召信號、檢修或緊急電動信號、電梯井道信號等；返回和輸出電梯運(yùn)行控制信號，包括電梯開關(guān)門信號、交流接觸器吸和釋放信號等。

無線電梯主控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 無線電梯主控制板硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 CAN總線通訊接口

由于在實際使用過程中，電梯系統(tǒng)的信號線傳輸距離較長且工作環(huán)境復(fù)雜，本文在電梯主控制板的串行通訊電路上對原TJA1050通訊電路進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)，提高通訊線路的抗干擾能力。為使總線在空閑時呈現(xiàn)隱性狀態(tài)，本研究在CANL線路上增加上拉電阻R47，CANH線路上增加下拉電阻R49。為了避免瞬間產(chǎn)生的高壓損壞TJA1050芯片，本研究在電路上加入5 V單向TVS管用來抑制瞬間高壓。在CANL和CANH兩線間并聯(lián)120 Ω的終端電阻R48，以減少線路上傳輸信號的反射，同時增強(qiáng)傳輸?shù)目垢蓴_能力。電阻R50、R51起到限流保護(hù)作用。

CAN總線通訊接口電路原理圖如圖6所示。

圖6 CAN總線通訊接口電路

2.3 無線通訊接口

無線電梯主控制板上的轎廂通訊接口和群控通訊接口均采用ZigBee無線通訊模塊。本文采用浙江瑞瀛科技有限公司的RE3SP模塊。該模塊主芯片采用ST公司的STM32W108[6]，同時芯片內(nèi)部固化有芯片廠家提供的SimpleMac協(xié)議棧，能夠滿足無線通信距離和速率要求，并方便用戶快速開發(fā)滿足自身要求的程序應(yīng)用[7]。

電梯轎廂通訊端無線通訊接口電路如圖7所示。

圖7 無線通訊接口電路

主控芯片采用UART串口方式與ZigBee模塊進(jìn)行通訊，其采用一個獨立的UART串口與無線群控通訊的ZigBee模塊進(jìn)行通訊。

對于無線轎廂通訊，由于主控芯片UART串口數(shù)量的限制，無線轎廂通訊與端口通訊共用一路UART串口。TSBK主板與無線轎廂通訊的ZigBee模塊采用UART的TTL電平進(jìn)行通訊。在硬件處理上，主控芯片的UART發(fā)送引腳直接與ZigBee模塊、CAN收發(fā)芯片的接收引腳互連。在UART接收引腳的硬件處理方面，若主芯片的UART接收端直接與ZigBee模塊、CAN收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)接收引腳互連。根據(jù)UART的電氣特性，當(dāng)ZigBee模塊與CAN收發(fā)芯片中一方的UART發(fā)送端處于空閑狀態(tài)時，主控芯片的UART接收端都將保持高電平。

硬件上采用一個邏輯或電路處理UART接收引腳，如圖8所示。

圖8 邏輯或電路

引腳RXD_SLP、RXD_TSB分別為ZigBee模塊的發(fā)送端、CAN收發(fā)芯片的發(fā)送端。若引腳RXD_SLP、RXD_TSB都為高電平，則D5、D6不導(dǎo)通，則U1_RXD保持高電平；若RXD_SLP處于低電平、則D5導(dǎo)通，U1_RXD處壓降等于D5的壓降0.7 V。主控芯片在3.3 V供電電壓下，若引腳電平小于等于0.99 V，該引腳則為邏輯0信號。同理也可解釋RXD_TSB為低電平、RXD_SLP為高電平的情況。因此若ZigBee模塊與CAN收發(fā)芯片中某一方的發(fā)送引腳處于空閑狀態(tài)時，另外一方仍可正常發(fā)送信息。

3 智能故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文將專家系統(tǒng)應(yīng)用于無線電梯智能故障診斷，為無線電梯智能故障診斷提供一種有效方法。

其基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 無線電梯故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)控制系統(tǒng)的知識。是通過電梯工程師、電梯專家以及電梯手冊得到電梯問題的答案，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以識別的計算機(jī)語言表示[8]，知識獲取機(jī)構(gòu)會把電梯專家在人機(jī)交互界面中輸入的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成故障知識庫可以接收的形式，并將其輸入并儲存在知識庫中；而且知識獲取機(jī)構(gòu)可以根據(jù)用戶需要，在人機(jī)交互界面上顯示已經(jīng)存在于故障知識庫中的知識，供電梯專家查詢或者修改。

(2)推理機(jī)。是無線電梯故障診斷專家系統(tǒng)的“思維”機(jī)構(gòu)，是構(gòu)成專家系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)[9]。電梯故障知識庫是用推理機(jī)實現(xiàn)其自身價值。針對問題的已知條件，推理機(jī)多次匹配電梯知識庫里的規(guī)則，得出新的結(jié)果，實現(xiàn)問題的求解。

(3)控制系統(tǒng)故障知識庫。主要用來存儲電梯工程師所提供的知識，有以下兩個作用：①在推理機(jī)推理流程中提供所需要的信息；②為解釋器提供相應(yīng)的知識[10]。電梯故障知識庫是衡量一個無線電梯故障診斷專家系統(tǒng)質(zhì)量的重要因素，因此電梯故障知識庫中擁有的知識量對專家系統(tǒng)的優(yōu)越性有決定性的作用。

(4)數(shù)據(jù)庫。主要用于存放用戶輸入的信息和系統(tǒng)推理過程中得到的中間結(jié)果及最終結(jié)論等，并根據(jù)需求把相關(guān)信息反饋給人機(jī)交互界面。

(5)解釋器。是機(jī)器與用戶的媒介，它可以從人機(jī)交互界面獲得輸入的信息，并且從綜合數(shù)據(jù)庫和電梯故障知識庫里得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后得到輸出信息進(jìn)而反饋到人機(jī)交互界面[11]。

(6)人機(jī)交互界面。是實現(xiàn)用戶、專家或工程師與診斷系統(tǒng)交流的通訊接口。其功能主要有兩個方面：①識別用戶向系統(tǒng)輸入的信息，并把這些信息轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能處理的表示形式；②將系統(tǒng)向用戶提供的信息轉(zhuǎn)為用戶能理解的表示形式，如圖形、表格等。

4 智能故障診斷系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

4.1 知識庫的構(gòu)建

目前，已經(jīng)有許多不同的知識表示技術(shù)，包括規(guī)則、語義網(wǎng)、框架、腳本、邏輯、概念組等。電梯故障知識表示是將知識符號化、形式化，通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把電梯的各種知識結(jié)合到計算機(jī)的程序設(shè)計過程。根據(jù)無線電梯的特點，在無線電梯智能故障診斷專家系統(tǒng)中，主要采用產(chǎn)生式表示方式。

產(chǎn)生式表示法一般表示的是具有因果關(guān)系的知識，其一般形式是：

IF<前提>THEN<結(jié)論>

IF<前提1><前提2>……

THEN<結(jié)論1><結(jié)論2>……

規(guī)則的前提一般是導(dǎo)致故障發(fā)生的原因，規(guī)則的結(jié)論一般是滿足前提時導(dǎo)致的最終結(jié)果。規(guī)則的前提允許多個前提組成的邏輯結(jié)合，規(guī)則的結(jié)論也不一定只是一個結(jié)論，也允許多個結(jié)論存在。

在電梯智能故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫中，用產(chǎn)生式表示法判斷電梯功能是否正常。常用規(guī)則為：

IF電梯超載and電梯響應(yīng)廳門召喚(電梯開門)THEN電梯超載功能正常

IF電梯開門and 75號引腳有輸出THEN電梯開門功能正常

控制系統(tǒng)即推理機(jī)采用“匹配-執(zhí)行”的循環(huán)執(zhí)行規(guī)則，具體流程如下：

(1)從數(shù)據(jù)庫中找出匹配規(guī)則的集合；

(2)從該規(guī)則集中挑選1條規(guī)則；

(3)執(zhí)行該規(guī)則，修改數(shù)據(jù)庫。

使用產(chǎn)生式表示法表示電梯的故障知識具有以下優(yōu)點：

(1)一致性。所有規(guī)則的結(jié)構(gòu)均相同，即“IF……THEN……”結(jié)構(gòu)，規(guī)則格式的統(tǒng)一能夠輕易的實現(xiàn)檢查的一致性和規(guī)則的自動修改以及擴(kuò)充；

(2)自然性。“IF……THEN……”的這種結(jié)構(gòu)與人腦的思維方式非常接近，從而使知識體的編碼更為方便。

本文構(gòu)建的故障知識庫共有60種故障，羅列出其中一些故障代碼。括號內(nèi)第1個值表示故障號，第2個值表示故障顯示碼，第3個值表示故障原因。

*str(0,＂malfuntion.Stack＂,＂當(dāng)前沒有故障＂)；

*str(1,＂malfuntion.X5.9＂,＂被動安全回路斷開＂,(＂限速器＂,＂轎廂緩沖器＂,＂對重緩沖器＂,＂夾緊繩＂,＂繼電器SR1粘連＂))；

*str(30,＂malfuntion.SR2＂,＂繼電器SR2沒有閉合＂,＂繼電器SR2沒有閉合＂)；

*str(31,＂malfuntion.SR3＂,＂繼電器SR2沒有閉合檢測點J2沒有信號＂,(＂急停開關(guān)已打開＂,＂繼電器SR3粘連＂))；

4.2 推理機(jī)的建立

推理機(jī)是電梯故障診斷專家系統(tǒng)中實現(xiàn)基于知識推理的機(jī)構(gòu)，主要包括兩個方面：推理與控制。推理機(jī)作為電梯故障診斷專家系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)，其主要任務(wù)是在故障診斷過程中選擇和運(yùn)用知識。本文采用正向推理，最終在人機(jī)交互界面輸出結(jié)果。

其推理流程圖如圖10所示。

圖10 正向推理流程圖

4.3 人機(jī)交互的實現(xiàn)

本文在電梯控制板上加入了液晶顯示模塊，模塊采用廣東晶聯(lián)訊公司的JLX12864G-189型。用戶可以通過人機(jī)交互模塊查看電梯狀態(tài)信息或故障信息。

5 實驗測試

5.1 無線通訊測試

本文搭建的系統(tǒng)無線通訊測試平臺里包括端口控制板、Zigbee無線模塊，開關(guān)電源、示波器等，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)無線通訊測試平臺

系統(tǒng)無線通訊包括：電梯主控制板與電梯轎廂控制板無線通訊、電梯主控制板與端口與速度控制板有線通訊兩個模塊。當(dāng)電梯主控制板與兩個從設(shè)備中任意一個通訊斷開或者通訊異常，就可以在電梯主控制板液晶顯示的故障信息中查看到“無轎廂板連接”或者“無端口板連接”。

無線通訊異常故障信息顯示界面如圖12所示。

圖12 無線通訊異常故障信息顯示界面

當(dāng)電梯主控制板與電梯轎廂控制板、端口與速度控制板通訊正常且無其他故障時，電梯主控制板將顯示“當(dāng)前無故障”。

無線通訊正常時顯示界面如圖13所示。

圖13 無線通訊正常顯示界面

5.2 安全回路故障測試

無線電梯安全回路分為機(jī)房安全回路和轎廂安全回路。無線電梯安全回路總共有7個電壓檢測點。受篇幅限制，這里只檢測轎廂安全回路其中一個點。

在無線電梯控制系統(tǒng)通訊正常且沒有故障的前提下，本研究分別斷開轎廂板上安全鉗開關(guān)、A門急停開關(guān)、A門門鎖開關(guān)3個開關(guān)接口，查看系統(tǒng)人機(jī)交互界面，如圖14所示。

圖14 繼電器SR1故障顯示界面

故障顯示為“繼電器SR1無信號”，專家系統(tǒng)給出的故障原因為“安全鉗 上下極限開關(guān) 繼電器SR1粘連”。

安全回路故障檢測結(jié)果正確。故障顯示簡潔明了。

6 結(jié)束語

針對隨行電纜中存在的故障排查困難、線纜易疲勞斷裂等問題，以及在電梯控制系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生故障時及時發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)故障，本研究采用了無線ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了轎廂控制板與電梯主控制板的無線通訊：完成了無線電梯安全回路設(shè)計以及無線電梯主控制板硬件設(shè)計：同時采用專家系統(tǒng)實現(xiàn)了電梯智能故障診斷，最終將故障信息與故障原因顯示在人機(jī)交互界面。

最后實驗測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)無線通訊正常，安全回路故障診斷無誤，基本可以滿足設(shè)計要求。

[1] 曾鐵軍,趙立宏.一種基于無隨行電纜的電梯控制系統(tǒng)[J].中國電梯,2013,24(11):4-7.

[2] 伏喜斌.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電梯安全管理中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2017，46(4)：256-257.

[3] 朱德文，楊禎山，張筠莉.智能控制電梯工程系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2007.

[4] GB 7588-2003.電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[5] 陳家盛.電梯實用技術(shù)教程[M].北京:中國電力出版社,2006.

[6] YAO Y K, WANG G. Efficient distributed address assignment algorithm based on toplogy maintenance in Zigbee networks[J].TheJournalofChinaUniversitiesofPostsandTelecommunications,2013,20(3):53-59.

[7] 昌大偉.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)知識庫與診斷推理的研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2001.

[8] 浙江瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司.REXBEE產(chǎn)品手冊[M].杭州：浙江瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，2011.

[9] 許麗婷.智能故障診斷專家系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,2006.

[10] 何新貴.知識處理與專家系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1990.

[11] 吳京格.專家系統(tǒng)及建造工具的推理解釋[D].北京：中國科學(xué)院自動化研究所，1987.