陳 飛 ，樊衛(wèi)華 ，張永舉 ，顧旭波

（1.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院吳江分院江蘇蘇州 215200）

根據(jù)質(zhì)檢總局官網(wǎng)數(shù)據(jù)，截止2015年底全國共有電梯425.96萬臺(tái)，其中使用10年以上的“老舊電梯”比例超過10%[1-5]。前不久，國家質(zhì)檢總局對(duì)部分老舊電梯集中的省市開展了“在用老舊電梯安全狀況分析與監(jiān)測(cè)”，在抽查的2 523臺(tái)老舊電梯中，有7%的電梯存在較大隱患。另外，在抽查的15年以上梯齡的老舊電梯中，合格率僅為1成。由于電梯老齡化、頻繁運(yùn)行、維保不到位，使用安全意識(shí)淡薄等原因，電梯困人事故時(shí)有發(fā)生，引起了社會(huì)廣泛關(guān)注[6-8]。

通過電梯運(yùn)行性能分析提高電梯安全保障水平是比較可行的辦法。根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》和GB/T 20900-2007《電梯、自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和降低的方法》，振動(dòng)加速度是電梯運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。將電梯運(yùn)行過程中轎廂實(shí)際加速度用于反饋補(bǔ)償控制[9-10]，能有效減低曳引機(jī)旋轉(zhuǎn)失衡及起制動(dòng)過程產(chǎn)生的剛性慣性力引起的電梯振動(dòng)[11]，提高電梯運(yùn)行品質(zhì)和舒適性。目前，國際上大多采用美國研制的EVA625開展電梯運(yùn)行性能分析。EVA625以8位單片機(jī)為核心，內(nèi)置4通道700 s存儲(chǔ)空間，并且采用的是數(shù)據(jù)離線分析模式，但成本較高而且無法滿足高效率、高精度測(cè)試分析的需要。國內(nèi)杭州市特種設(shè)備檢測(cè)院研制了一種基于TMS320C6000系列DSP為核心的電梯運(yùn)行質(zhì)量分析儀，但該產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率還比較低，而且裝置體積較大，便攜性不高[12-15]。

文中采用基于STM32的嵌入式技術(shù)研制成本低、便攜性高的電梯運(yùn)行性能分析儀，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行性能的可視化測(cè)試和故障預(yù)測(cè)預(yù)警。

1 電梯運(yùn)行性能測(cè)試方法和要求

根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》中的描述，電梯運(yùn)行性能分析需要對(duì)電梯z軸的加速度、三軸的振動(dòng)加速度以及電梯運(yùn)行速度進(jìn)行處理分析。

采用三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量電梯或者自動(dòng)扶梯的運(yùn)行加速度、振動(dòng)加速度，并通過對(duì)運(yùn)行加速度進(jìn)行數(shù)值積分來計(jì)算電梯的運(yùn)行速度。電梯運(yùn)行性能測(cè)試如圖1所示，測(cè)試時(shí)，三軸加速度傳感器放置在電梯轎廂地板的中央，Z軸垂直于地板，X軸正對(duì)轎門。完成一次電梯運(yùn)行性能分析，Z軸加速度傳感器采集電梯啟動(dòng)加速、途中勻速、制停減速整個(gè)過程的加速度信號(hào)，X軸和Y軸加速度傳感器采集電梯側(cè)向晃動(dòng)的加速度。

圖1 電梯運(yùn)行性能測(cè)試示意

三軸加速度傳感器測(cè)的加速度原始信號(hào)，需要進(jìn)行濾波處理后才能用于計(jì)算速度、位移和分析。根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》[16]中的相關(guān)規(guī)定，振動(dòng)和加速度數(shù)據(jù)分別需要進(jìn)行ISO8041標(biāo)準(zhǔn)濾波和10 Hz的低通濾波（2階巴特沃斯濾波器）處理。其中二階巴特沃斯低通濾波器如下表示：

其中，ωc為截止頻率，ωp為通頻帶邊緣頻率，為|H(ω)|2在通頻帶邊緣的數(shù)值。

經(jīng)過濾波處理后，采用復(fù)化辛普森數(shù)值積分方法計(jì)算速度、位移，公式如下：

其中，h=(te-ts)/(2M)，2M為數(shù)值積分區(qū)間的等分?jǐn)?shù)，te為結(jié)束時(shí)間，ts為開始時(shí)間，Es(f+h)為截?cái)嗾`差，當(dāng)采樣頻率很高時(shí)，可以忽略。當(dāng)f(x)為加速度時(shí)，數(shù)值積分結(jié)果S(f,h)為速度，當(dāng)f(x)為速度時(shí)，S(f,h)為位移。

根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》、GB/T10058-2009《電梯技術(shù)條件》，電梯運(yùn)行性能分析儀應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范中設(shè)計(jì)的振動(dòng)加速度，速度和位移相關(guān)測(cè)試分析功能，總體性能要求如表1所示。

表1 電梯運(yùn)行性能分析儀性能要求

2 電梯運(yùn)行性能分析儀總體方案

為了實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行性能信號(hào)的高速高精度采集、分析、處理和顯示，以及實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)測(cè)預(yù)警功能，電梯系統(tǒng)整體框架分為兩部分，如圖2所示。其中，上位機(jī)主要對(duì)采集到的電梯加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，為離線進(jìn)行，并將歷次測(cè)量結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，不僅可以通過對(duì)單次測(cè)量數(shù)據(jù)處理，分析電梯當(dāng)前的運(yùn)行性能狀況，并生成性能報(bào)告，而且可以通過分析歷次的測(cè)量結(jié)果，判斷其性能變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的預(yù)測(cè)預(yù)警；下位機(jī)以32位單片機(jī)為核心，通過與三軸加速度傳感器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的即時(shí)顯示功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

電梯運(yùn)行性能分析儀的硬件電路以嵌入式處理器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)即時(shí)顯示的功能?？紤]到可調(diào)試性，下位機(jī)硬件電路的整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，微控制器通過SPI總線與三軸加速度傳感器相連，保證了較高的傳輸速率，并且提供了RS232接口，用于調(diào)試。此外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)一定的數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)，提高測(cè)量時(shí)間，硬件電路中還添加了外部存儲(chǔ)器。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

基于成本、功耗、性能3個(gè)方面的考慮，微處理器采用的是基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407芯片，主頻高達(dá)168 MHz，且增加了浮點(diǎn)、DSP、并行計(jì)算的功能，性能十分出眾。三軸加速度傳感器采用的是ADI公司的MEMS加速度傳感器ADXL362，ADXL362既能測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度也能測(cè)量靜態(tài)加速度，提供12位輸出分辨率，而且具有超低功耗。傳感器測(cè)量范圍為±2 g、±4 g及±8 g，其中±2 g范圍內(nèi)的分辨率為1 mg/LSB，采樣頻率最高可達(dá)400 Hz，符合電梯運(yùn)行性能分析儀的需求。此外，選用速度較快的SRAM作為外部存儲(chǔ)器臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，型號(hào)為ISSI公司的IS62WV5126BLL，容量為1 MB。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。下位機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)以及測(cè)量數(shù)據(jù)的即時(shí)顯示，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析。

下位機(jī)開發(fā)時(shí)采用C語言編程，因?yàn)镃語言簡潔且易于調(diào)試和維護(hù)。整個(gè)下位機(jī)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，使主程序簡單明了，同時(shí)方便系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。其中測(cè)量三軸加速度數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示，用戶點(diǎn)擊開始按鍵后，系統(tǒng)便會(huì)以400 Hz的采樣頻率開始采集三軸加速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)暫存在外部SRAM中，同時(shí)在液晶顯示屏上顯示即時(shí)采集的數(shù)據(jù)。用戶點(diǎn)擊結(jié)束按鍵后，系統(tǒng)便會(huì)停止采集數(shù)據(jù)，把已采集到的數(shù)據(jù)從外部SRAM中轉(zhuǎn)存到TF卡或USB設(shè)備中，便于上位機(jī)進(jìn)行深度分析。

圖4 下位機(jī)軟件流程圖

上位機(jī)電梯運(yùn)行性能分析軟件用C#開發(fā)，提供了友好的人機(jī)交互界面和快速數(shù)據(jù)處理的性能。軟件主要包括存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、用戶信息管理模塊、電梯信息管理模塊、信號(hào)分析模塊、報(bào)告生成模塊。其中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊，將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)文件分別存入到數(shù)據(jù)庫中各個(gè)對(duì)應(yīng)電梯的數(shù)據(jù)集里，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析；用戶信息管理模塊，存儲(chǔ)用戶的一些基本信息，以及其屬下電梯的整體情況；信號(hào)分析模塊，根據(jù)當(dāng)前下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)文件分析電梯的加速度-時(shí)間關(guān)系、速度-時(shí)間關(guān)系、位置-時(shí)間關(guān)系、加加速度-時(shí)間關(guān)系。通過傅里葉變換，分析運(yùn)動(dòng)量信號(hào)的頻譜特征，界面如圖5所示；電梯信息管理模塊，存儲(chǔ)電梯的一些基本信息，以及對(duì)存入該電梯數(shù)據(jù)集中的所有結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷其性能的變化趨勢(shì)，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警；報(bào)告生成模塊，將分析后的電梯各項(xiàng)指標(biāo)的基本信息生成報(bào)告文檔。

5 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

在電梯檢驗(yàn)和安全評(píng)估實(shí)際工作中，應(yīng)用研制的電梯運(yùn)行性能分析儀，驗(yàn)證其功能。按照?qǐng)D1所示的測(cè)試方法，測(cè)試額定速度為1.6m/s、額定載荷為1 350 kg的乘客電梯，電梯從9樓啟動(dòng)一直平穩(wěn)運(yùn)行到-1樓，總距離為32 m。測(cè)得的三軸加速度原始信號(hào)以及Z軸經(jīng)過濾波后的信號(hào)如圖6所示，圖中，至上而下依次為X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度、經(jīng)2階巴特沃斯濾波器濾波后的Z軸加速度，由圖可知，Z軸加速度信號(hào)反應(yīng)了轎廂啟動(dòng)、加速、勻速、減速、停止的整個(gè)過程，X軸加速度和Y軸加速度反應(yīng)了轎廂的側(cè)向晃動(dòng)。對(duì)濾波后的Z軸數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)化辛普森數(shù)值積分處理，得到如圖7所示的運(yùn)行性能分析結(jié)果，至上而下依次為速度和位移。從圖6和圖7中可知，電梯運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)的速度以及總位移分別為1.569m/s和32.59 m。與標(biāo)稱值相比，誤差在允許的范圍之內(nèi)，可見此電梯運(yùn)行性能分析儀能夠提供準(zhǔn)確地三軸加速度數(shù)據(jù)。此外，該電梯運(yùn)行加速度在-0.75～0.75 m/s2之間，根據(jù)GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》，乘客電梯啟動(dòng)和制動(dòng)的加速度最大值不應(yīng)大于1.5m/s2。測(cè)試結(jié)果表明加速度性能完全達(dá)到要求。

圖5 信號(hào)分析模塊界面

圖6 電梯運(yùn)行三軸加速度原始信號(hào)及Z軸濾波后的信號(hào)

圖7 電梯加速度分析結(jié)果

6 結(jié)論

采用高性能的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法研制的電梯運(yùn)行性能分析儀，具有以下特點(diǎn)：

1）通過adxl362芯片獲得高質(zhì)量的三軸加速度信號(hào)，并進(jìn)行濾波處理和數(shù)值計(jì)算，準(zhǔn)確快速地分析出電梯運(yùn)行加速度、速度、位移等運(yùn)行性能參數(shù)。

2）設(shè)計(jì)了測(cè)試的可視化界面，便于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)直接觀察數(shù)據(jù)，并應(yīng)用C#設(shè)計(jì)了可視化的數(shù)據(jù)分析界面，提高了電梯運(yùn)行性能分析的效率。

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