劉 婧

（奧的斯高速電梯（上海）有限公司，上海200335）

0 引言

自改革開放以來，由于我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展以及城市規(guī)劃的需要，北上廣深均興建了眾多高度超過200 m的高層建筑，代表性建筑有：1990年建成的208 m高的北京京廣中心，1992年交付使用的63層200 m高的廣東國際大廈，1995年投入使用的468 m高的上海東方明珠電視塔，1996年落成的325 m高的深圳地王大廈，1998年落成的420 m高的上海金茂大廈以及2008年竣工的492 m高、地上101層的上海環(huán)球金融中心等。在某種程度上，超高層建筑是對人類想象力和現(xiàn)今最高端技術(shù)水平的展示，而作為樓宇交通方案的超高速電梯（電梯額定速度V≥6.0 m/s）技術(shù)作為支撐超高層建筑的關(guān)鍵手段功不可沒。

目前，高速電梯配備自動(dòng)救援裝置的技術(shù)方案能夠有效避免乘客在電梯故障時(shí)由于驚慌而出現(xiàn)扒門、敲打等非理性動(dòng)作，造成嚴(yán)重后果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)高速電梯配套緊急救援裝置的比例為5%～10%，而國外大概有20%～30%，但在新加坡政府租屋項(xiàng)目中電梯緊急救援裝置的配置達(dá)到了80%，在電力不穩(wěn)定的印度應(yīng)用比例也達(dá)到了50%。現(xiàn)代社會(huì)越來越關(guān)注公共設(shè)施安全，例如我國《2016電梯型式試驗(yàn)細(xì)則》中就明確提出了電梯緊急救援裝置基本要求，故對于電梯生產(chǎn)廠商/電梯部件商的設(shè)計(jì)人員，在電梯整機(jī)同步設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)就應(yīng)規(guī)劃合適的、匹配的電梯緊急救援裝置，且雙方最好處于“黑白盒”互換系統(tǒng)架構(gòu)來模擬測試。因此，設(shè)計(jì)一套高效、先進(jìn)、可持續(xù)優(yōu)化的電梯緊急救援裝置的測試分析系統(tǒng)勢在必行，現(xiàn)就如何構(gòu)建此套LabView測試系統(tǒng)做必要的闡述。

1 基于LabView的系統(tǒng)開發(fā)理念

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的測試分析系統(tǒng)正向軟件化、數(shù)字化和虛擬化方向發(fā)展。虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）的概念是由美國國家儀器公司（NI）最先提出及產(chǎn)品化的，與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)一樣，它可以分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件相結(jié)合，可以將整個(gè)系統(tǒng)軟硬件資源共享卻不必?fù)?dān)心核心代碼泄露。這樣，電梯廠商只需要兩個(gè)獨(dú)立的交流電源即可在已有電梯整機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)模擬出相應(yīng)的重要參數(shù)和信號，設(shè)計(jì)出VI提供給電梯緊急救援裝置部件商；電梯緊急救援裝置部件商則調(diào)用不同的VI進(jìn)行測試，以最終深度優(yōu)化產(chǎn)品后提供電梯整機(jī)廠商。運(yùn)用合適的敏捷沖刺開發(fā)模型（圖1）將擁有快速的項(xiàng)目完成時(shí)間（1～4周），它能有效推動(dòng)研發(fā)項(xiàng)目的迭代，團(tuán)隊(duì)合作、產(chǎn)品周期的過程適應(yīng)等。

圖1 敏捷沖刺模型

此套測試分析軟件架構(gòu)將設(shè)計(jì)幾個(gè)核心模塊用于對應(yīng)的高速電梯/自動(dòng)救援操作裝置功能：投入運(yùn)行模塊、切換動(dòng)作庫、電源隔離動(dòng)作庫、輔助控制運(yùn)行庫、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控庫、支持VI組、專用子函數(shù)組等。投入運(yùn)行庫有模擬市電斷電或缺相干接點(diǎn)信號，能判斷電梯整機(jī)狀態(tài)信號（數(shù)字觸發(fā)信號或0～10 V電平信號），經(jīng)過人為特定延后并給出運(yùn)轉(zhuǎn)干接點(diǎn)信號；實(shí)時(shí)掃描電梯檢修信號/緊急電動(dòng)信號/電梯整機(jī)控制柜主開關(guān)手柄位置信號以及電梯安全回路干接點(diǎn)信號等。切換開關(guān)庫模擬一個(gè)非自復(fù)位的控制裝置，用于模擬蓄電池充電電壓信號和狀態(tài)。電源隔離庫是將自動(dòng)切換的市電電源與輔助電源隔離的裝置，這樣既能隔斷市電對高速電梯系統(tǒng)供電，同時(shí)也能防止市電突然恢復(fù)與輔助電源沖突導(dǎo)致的短路，且可以產(chǎn)生一組機(jī)械電氣互鎖信號用于防止類似觸點(diǎn)熔焊后的故障再啟動(dòng)。輔助控制運(yùn)行庫可以產(chǎn)生電梯系統(tǒng)外召/轎廂呼梯信號、轎廂開關(guān)門自動(dòng)延時(shí)信號、電梯平層信號等。運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控模塊能記錄各種電梯操作狀態(tài)下的重要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)入/導(dǎo)出至Excel表格。支持VI組設(shè)計(jì)用于調(diào)用及組合LabView控件功能來實(shí)現(xiàn)公有調(diào)用給其他模組，例如采集編碼器信號累計(jì)脈沖數(shù)計(jì)算樓層、采集載重信號與電梯方向判斷電梯輕載/重載、采集轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成高速電梯速度信號。專用子函數(shù)組用于通信端口設(shè)定、儀器和設(shè)備的操作指令等。具體如圖2所示。

2 外部I/O電路

圖2 測試系統(tǒng)文件結(jié)構(gòu)組成

由Siemens S7-200 PLC與相關(guān)接觸器/繼電器、操作按鈕等組成，通過梯形圖可邏輯編程采集ms級數(shù)字輸入信號，控制相關(guān)繼電器、接觸器閉合/釋放至自動(dòng)救援裝置；另外，PLC與LabView則使用OPC協(xié)議（OPC是一種利用微軟的COM/DCOM技術(shù)來達(dá)成自動(dòng)化控制的協(xié)定，套用典型的C/S服務(wù)模式，每個(gè)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序均由硬件廠商各自完成，提供統(tǒng)一OPC接口標(biāo)準(zhǔn)的Server程序，軟件廠商只需按照OPC標(biāo)準(zhǔn)接口編寫Client程序就能訪問Server程序進(jìn)行讀寫，即可實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備的通信）映射相關(guān)的I/O，例如PLC編輯一組Q0.0/Q0.1/Q0.2/Q0.4作為主路模擬缺斷相故障，Q0.5作為切換自動(dòng)救援裝置電源，利用OPC通道對相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行讀寫控制，若主路偵測到電源故障，則觸發(fā)自動(dòng)救援裝置電源啟動(dòng)，依照不同的電梯整機(jī)規(guī)格皆可套用此方法，只需變動(dòng)驅(qū)動(dòng)的接觸器回路等級。另外，PLC可以精確做相應(yīng)的設(shè)定延時(shí)信號（最小脈沖為1 ms），設(shè)定脈沖數(shù)則保留在V系列寄存器中，LabView可以把獲取到的樓層編碼器脈沖數(shù)傳輸?shù)絇LC，以適用于不同樓層距離的研發(fā)或測試。具體如圖3所示。

圖3 I/O電路

3 自動(dòng)匹配及延伸儀器數(shù)據(jù)采集

電梯整機(jī)系統(tǒng)與自動(dòng)救援裝置信號主要有直流母線電壓、交流逆變回路電流、直流回路電流等，目的在于仿真高速電梯啟動(dòng)時(shí)的負(fù)面影響。例如高速電梯驅(qū)動(dòng)使用額定功率32 kW變頻器，交流每相輸入電流約50 A，折算成570 V等級直流母線回路電流約58 A，再乘以電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)最大時(shí)限250 s，理論計(jì)算自動(dòng)救援裝置電源容量應(yīng)為2.5 kW·h，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)變頻器直流母線沖擊電流一般會(huì)造成自動(dòng)救援裝置電壓跌落，而變頻器母線低壓偵測閾值一般在427.5 V，低于此門檻電壓則變頻器母線低壓告警故障，造成自動(dòng)救援失敗，故適當(dāng)擴(kuò)大自動(dòng)救援裝置電源容量或優(yōu)化直流回路母線電壓（并聯(lián)大容量電容器）可解決此技術(shù)點(diǎn)。另一方面，若電機(jī)整機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)救援功能為輕載方向，則發(fā)生電能回饋至自動(dòng)救援裝置，造成非限流充電至直流母線回路，將影響穩(wěn)壓電容器和儲(chǔ)能電池組壽命。針對此異狀，常規(guī)做法是用示波器抓取交流電壓/電流信號、直流電壓/電流信號，通過目視觀察記錄電梯載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)方向以計(jì)算和匹配參數(shù)，對應(yīng)不同機(jī)種。

LabView利用VISA技術(shù)（VISA可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器，并根據(jù)使用儀器的功能覆蓋類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，這樣最終用戶無需重復(fù)學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議，且VISA還可獨(dú)立于操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境）可在某一個(gè)通信通道指令操作示波器執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，同時(shí)在另一個(gè)通信通道通過串行協(xié)議讀取電梯承重載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)方向。指令試舉例如下：

USB1：

[Trig:Single:AC:Edge:negative]//單次觸發(fā)交流電壓且負(fù)脈沖抓取

[Trig Level:DC:427.5]//設(shè)置直流觸發(fā)電壓為427.5 V

[Measure:DC:Voltage:Max]//測量波形直流電壓最大值

[Measure:DC:Voltage:Min]//測量波形直流電壓最大值

[Measure:AC:Current:RMS]//測量波形交流電流有效值

[Measure:DC:Current:Max]//測量波形直流電流有效值

Com1：

[01 03 0x0515 0x0002 CRC1]//Modbus協(xié)議讀取電梯載荷

[01 03 0x07DA 0x0002 CRC2]//Modbus協(xié)議讀取電梯運(yùn)轉(zhuǎn)方向

計(jì)算公式則等效采用：

D(UP)&W(0%)：Voltage/Current=D(Down)&W(100%)：Voltage/Current//空載滿載轉(zhuǎn)換

D(UP)&W(25%)：Voltage/Current=D(Down)&W(75%）：Voltage/Current//輕載重載轉(zhuǎn)換

Batteries P(Valid)=DC Voltage(RMS)T570->427.5*DC Current(RMS)T570->427.5//計(jì)算電池有效容量

4 數(shù)據(jù)及文件架構(gòu)管理

從面向?qū)ο缶幊痰慕嵌瓤?，就是采用組件編程方式來規(guī)則化各種測試需求，如VISA通信組件、流轉(zhuǎn)狀態(tài)機(jī)組件和資源管理組件等。

VISA通信組件中串口的初始化配置和關(guān)閉只需初始化運(yùn)行一次（若端口關(guān)閉則需要重新配置），而向儀器或外圍I/O電路發(fā)送命令需要不斷運(yùn)行，這里加入了一個(gè)狀態(tài)機(jī)服務(wù)，從組件首次運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入到初始化轉(zhuǎn)態(tài)，在初始化狀態(tài)執(zhí)行VISA的配置，然后進(jìn)入查詢狀態(tài)。查詢采用了組合框控件，其中包括了所有的指令，這樣就避免了輸入錯(cuò)誤命令的可能。當(dāng)查詢命令不是STOP時(shí)，While循環(huán)只運(yùn)行一次。當(dāng)查詢命令為STOP時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入到關(guān)閉狀態(tài)。

流轉(zhuǎn)狀態(tài)機(jī)組件用簡單的方式表示始終只有一個(gè)操作在狀態(tài)，各種狀態(tài)只是按照設(shè)定步驟流轉(zhuǎn)。所以可以創(chuàng)建一個(gè)INI文件設(shè)置任意步驟以及每一步的顯示型式和定時(shí)時(shí)間，在INI文件中只有一個(gè)STEP段，關(guān)鍵鍵的名稱代表每一步，鍵值由顯示值和定時(shí)值兩部分組成，中間用“|”分隔。這個(gè)組件也有三個(gè)狀態(tài)，分別是BUILD、Read和RUN，其中BUILD是構(gòu)建路徑，READ是讀取路徑，而RUN在定時(shí)時(shí)間到后執(zhí)行后面的讀取鍵值和步驟。

資源管理組件主要是引用各種字符串常量、數(shù)值型常量以及保存重要數(shù)據(jù)至文件中等等；同時(shí)，某些變量或常量可能分布在各個(gè)子VI中調(diào)用，在LabView可以建立一些抽象名稱代表那些需要的局部變量或全局變量，而不是具體的值。另外創(chuàng)建一個(gè)INI文件來保存需要擴(kuò)充的其他類型的常量，這樣，一旦修改某一個(gè)全局變量或常量，那么分散到各處的修改就變得簡單而易行了。最后，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，LabView可以調(diào)用現(xiàn)有控件保存重要數(shù)據(jù)至TXT文件供設(shè)計(jì)查詢（或安裝相應(yīng)插件后保存到Excle文件中）。

另外，對每個(gè)子VI組件可以分別設(shè)置其運(yùn)行屬性，例如涉及儀器采集應(yīng)設(shè)置為調(diào)用后后臺(tái)始終運(yùn)行（即使前面板關(guān)閉），而驅(qū)動(dòng)部件則應(yīng)設(shè)置為每次調(diào)用時(shí)重新打開（以防止某些狀態(tài)發(fā)生改變后造成誤動(dòng)作）。

5 結(jié)語

本文描述的這套系統(tǒng)完全是從應(yīng)用實(shí)踐出發(fā)，通過LabView先進(jìn)的G語言模式開發(fā)的高速電梯用自動(dòng)救援裝置測試系統(tǒng)。其從基本的數(shù)學(xué)、物理、數(shù)字電路、電控線路著手，逐步分析高速電梯啟動(dòng)自動(dòng)救援裝置后的基本功能和參數(shù)，從而可以迅速針對特殊客戶群配置有效的備用安全設(shè)備，提高可靠性和滿意度；對于已經(jīng)開始研發(fā)相關(guān)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，該系統(tǒng)也可提供一些參考意見和問題解決思路。

[1]電梯型式試驗(yàn)規(guī)則：TSG T7007—2016[S].

[2]陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]COHN M.Scrum敏捷軟件開發(fā)[M].廖靖斌，呂梁岳，陳爭云，等譯.北京：清華大學(xué)出版社，2010.