韓郡業(yè)，馮月貴，王會方，宋來軍，金 嚴(yán)，倪敏敏

(南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210019)

0 引言

電梯制動器是電梯的重要安全部件之一，其任何一次制動失效都會導(dǎo)致電梯存在重大安全隱患，嚴(yán)重時導(dǎo)致沖頂、蹲底、溜車和停層失控等電梯安全事故[1]，危及人民群眾的生命財產(chǎn)安全。電梯制動器的失效是一個系統(tǒng)問題，產(chǎn)生的原因多樣化、無序化，常見的失效形式主要有制動力不足、閘瓦工作不可靠、制動卡阻等[2]。為有效地防范沖頂或蹲底等電梯安全事故的發(fā)生，制動器的可靠性和穩(wěn)定性越來越得到廣泛的關(guān)注，制動器的實時監(jiān)測裝置也得到進(jìn)一步的研究[3]。根據(jù)部分企業(yè)使用情況，制動器一般存在安裝繁瑣、統(tǒng)一通信規(guī)約及監(jiān)測費用比較高等問題。為了有效解決上述問題，本文研發(fā)了一種低成本、易安裝、可靠性強的制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非接觸式測量方法，將對制動力的監(jiān)測轉(zhuǎn)化為對制動距離的監(jiān)測。本文詳細(xì)分析了非接觸式制動距離測量采集電路的硬件設(shè)計原理和上下位機軟件設(shè)計流程，設(shè)計了優(yōu)質(zhì)、高效的電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時保障電梯的安全運行。

1 電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)測量原理及整體方案

1.1 電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)測量原理

基于電梯制動器失效模式及故障原因分析，實現(xiàn)對電梯制動器工作狀態(tài)的智能監(jiān)測，制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r采集制動器的制動輪與閘瓦間隙、閘瓦磨損量、制動距離、制動電磁線圈電壓值(包括開閘電壓和維持電壓)、曳引機工作電流。采用兩個LVDT傳感器對制動輪與閘瓦間隙和閘瓦磨損量進(jìn)行測量，將其分別安裝在兩個制動導(dǎo)靴的側(cè)面上，兩個傳感器探頭到制動輪端面距離相同，安裝中心線夾角為180°。采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量制動距離，旋轉(zhuǎn)編碼器與制動輪同軸安裝。制動線圈電壓值和曳引機工作電流分別采用WB V121S07和WB I412F21傳感器進(jìn)行測量[4]，實現(xiàn)對制動器和曳引機工作狀態(tài)的監(jiān)測。圖1為傳感器安裝示意圖。

圖1 傳感器安裝示意圖

圖2為電梯制動器抱閘間隙及閘瓦磨損量的測量方案圖，以左側(cè)為例說明其測量原理，右側(cè)測量方法同理。其中，X0和Y0分別為閘瓦未磨損時開閘和合閘時傳感器端面與制動輪的距離，X1和Y1分別為閘瓦磨損時開閘和合閘時傳感器端面與制動輪的距離，由此，可利用式(1)計算出閘瓦與制動輪端面的間隙，用式(2)計算出閘瓦磨損量。設(shè)閘瓦最大允許磨損量為d，當(dāng)Δd>d時，上位機進(jìn)行閘瓦磨損異常報警。

di=Xi-Yi

(1)

Δd=Y0-Y1

(2)

圖2 電梯制動器抱閘間隙及閘瓦磨損量的測量方案

采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量制動距離，當(dāng)電梯開始制動時，假設(shè)θ為制動過程中制動輪轉(zhuǎn)過的角度，R為曳引輪半徑，i1為減速箱減速比，i2為曳引比，最大允許制動距離為L，則依據(jù)式(3)可計算出制動距離。當(dāng)S>L時，上位機進(jìn)行制動距離異常報警。

(3)

1.2 電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計方案

電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)采用“上位機+下位嵌入式控制器”的設(shè)計方案，整體功能框圖如圖3所示。上位機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和故障預(yù)警，下位嵌入式控制器包括CAN BUS通信模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊、A/D模塊、掉電數(shù)據(jù)存儲模塊(EEPROM)、編碼器信號接收模塊。上位機與下位嵌入式控制器之間通過CAN USB連接。

圖3 電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

2 電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

下位嵌入式控制器選用32位內(nèi)核的STM32F407作為主控芯片[5]，STM32F407最高工作頻率可達(dá)168 MHz，外設(shè)資源豐富，計算能力強，可以使用DMA操作。根據(jù)應(yīng)用需求和硬件資源，控制器規(guī)劃3路A/D通道，包含1路掉電數(shù)據(jù)存儲通道、1路編碼器數(shù)據(jù)采集通道和1個CAN BUS接口，另外，預(yù)留數(shù)字信號采集接口和輸出接口以備后續(xù)升級使用，電路原理圖如圖4所示。

圖4 下位嵌入式控制器電路原理框圖

2.1 電梯制動器制動輪與閘瓦間隙測量電路設(shè)計

電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)測量制動輪與閘瓦之間間隙采用LVDT傳感器測量，LVDT信號是由專用AD698芯片處理的[6]，此芯片的應(yīng)用也是該電路的核心部分。AD698是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器(LVDT)信號調(diào)理系統(tǒng)。AD698與LVDT配合，能夠高精確地將LVDT的機械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698采集LVDT傳感器信號的電路設(shè)計原理圖如圖5所示。

AD698將位移信號轉(zhuǎn)化成雙極性的直流電壓信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7327對AD698轉(zhuǎn)換過來的電壓信號進(jìn)行采集變?yōu)閿?shù)字信號與監(jiān)測系統(tǒng)的控制器進(jìn)行通信。AD7327是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的AD芯片，具有500 KSPS采樣速度。AD7327采集位移的電路設(shè)計原理圖如圖6所示，其OUT_SIGB信號是圖5中AD698的輸出信號。

圖6 AD7327采集位移轉(zhuǎn)換后電壓的電路設(shè)計原理圖

2.2 編碼器信號采集電路的設(shè)計

電梯制動器制動距離采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量，本文選用STM32F407具有32位計數(shù)器的TIM2編碼器模式，接口芯片選用差分線路接收器AM26LV32，電路原理圖如圖7所示。

圖7 編碼器信號采集電路設(shè)計原理圖

3 電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)上位機應(yīng)用軟件基于Microsoft VisualStuio2010環(huán)境開發(fā)，使用C#語言編寫[7]，通過CAN USB與下位嵌入式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實時接收下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，接收到故障數(shù)據(jù)后在界面上進(jìn)行故障報警。下位嵌入式控制器軟件采用任務(wù)模塊化的設(shè)計思想，基于Keil μVision4環(huán)境開發(fā)，使用C語言編寫，STM32F407中嵌入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)[8]，程序設(shè)計主要包括IO、外設(shè)、操作系統(tǒng)初始化，制動器信息采集任務(wù)創(chuàng)建，制動器狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)創(chuàng)建，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)創(chuàng)建，故障預(yù)警任務(wù)創(chuàng)建。任務(wù)模塊調(diào)用程序有任務(wù)優(yōu)先級和調(diào)動任務(wù)模塊、數(shù)據(jù)處理計算任務(wù)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通信任務(wù)模塊、故障預(yù)警上報任務(wù)模塊，并引入一定的軟件抗干擾測試等。該設(shè)計系統(tǒng)的各個任務(wù)獨立工作，互不干涉，可實現(xiàn)準(zhǔn)時且無誤任務(wù)調(diào)度、中斷，簡化了軟件框架的設(shè)計工作，擴(kuò)展性強。制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)的主程序流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

4 結(jié)論

現(xiàn)代社會的電梯使用保有量逐年增加，隨之電梯事故頻發(fā)，電梯安全性和可靠性備受關(guān)注。制動器故障是誘發(fā)電梯溜車、蹲底、剪切沖頂?shù)雀黝愲娞菔鹿实闹饕蛑?。本文研制的制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)，采用非接觸式測量制動距離的方法，設(shè)計了基于ARM芯片的監(jiān)測系統(tǒng)硬件，重點介紹了制動距離信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵性硬件設(shè)計電路原理圖，結(jié)合μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)

的軟件設(shè)計，在實驗室條件下運行，有效地解決了現(xiàn)有安裝繁瑣、通信規(guī)約、監(jiān)測費用高等問題，為電梯制動器的智能監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展提供了新的途徑。電梯制動器智能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于某電梯機房中，安裝方便、工作穩(wěn)定，能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。