霍覽宇 陳杰金

摘 要：本文提出一種電梯主動安全的設(shè)計方案，設(shè)置相應(yīng)傳感器裝置，檢測電梯的曳引張力、加速度或速度、安全回路元件狀態(tài)、平衡系數(shù)、額定載重、運行速度等電梯相關(guān)信息，通過基于專家控制器的人工智能算法，以電梯運行時參數(shù)變化規(guī)律、安全隱患的預(yù)處理經(jīng)驗等為控制規(guī)則集，實時檢測并判斷電梯安全隱患，通過人機交互接口請求和指導(dǎo)人工干預(yù)，從而構(gòu)建電梯的主動安全系統(tǒng)，提升電梯的安全性。

關(guān)鍵詞：電梯;主動安全;專家控制器

一、電梯主動安全性的提出

隨著社會經(jīng)濟和城市化進程的加快，以高層建筑為主的現(xiàn)代建筑中電梯是主要運輸設(shè)備。作為載人的特種運輸設(shè)備，電梯不僅要有良好的舒適性和高效性，更要有極高的可靠性。隨著近些年來，電梯裝機數(shù)量急劇增加，電梯事故時有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計，一臺運行5到10年的電梯，每年平均發(fā)生沖頂、夾人等重大事故是3.3次，發(fā)生一般故障是36.5次，電梯事故率占到了特種設(shè)備事故率的21%，因此電梯的安全問題成為人們關(guān)注的焦點。

雖然電梯有很高的安全保障措施，如超速可以通過安全鉗保護，速度可以由曳引機編碼器檢測，門鎖、限位等可以通過電氣觸點檢測，依托安全回路，實現(xiàn)對人身和設(shè)備保護。但如果安全元件失效或作用后，造成的電梯安全問題則無法保障。比如曳引輪槽磨損等原因造成曳引張力變化，使得電梯打滑，曳引機編碼器數(shù)據(jù)失效;維保時由于電梯門鎖短接，電梯無法識別安全元件，造成剪切事故;安全開關(guān)失效造成蹲底和沖頂事故;超速時安全鉗動作，電梯中途停車造成困人事故等。電梯的安全不是新問題，國內(nèi)外很多專家和企業(yè)都針對電梯的安全性進行了研究。主要集中在電梯遠程故障檢測和診斷系統(tǒng)研究，電梯檢驗檢測方法研究，電梯安全風(fēng)險評估及管理等機制研究，安全鉗、制動器、門機等電梯安全部件的改進研究。如當(dāng)前很多企業(yè)正在利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術(shù)的開展研究電梯故障預(yù)警遠程診斷系統(tǒng)的研究，取得很多實際的應(yīng)用。

縱觀電梯安全性的研究現(xiàn)狀，電梯遠程監(jiān)控和故障診斷技術(shù)研究較多，但是由于涉及異種通信融合的壁壘，突破起來困難較大。對于知名電梯企業(yè)由于限于自身的產(chǎn)品和專利保護，研究成果的通用性不足;電梯安全部件和檢驗方法等的研究，雖然有助于提升電梯公司的產(chǎn)品質(zhì)量和檢測水平，但是目前電梯產(chǎn)品已經(jīng)很成熟，因此顯著提升電梯安全性的可能性也不大;安全風(fēng)險和管理機制的研究，雖然能夠改善目前國內(nèi)電梯設(shè)備監(jiān)管、維保領(lǐng)域的管理水平，間接提升電梯的安全性，但是對電梯本身安全性而言意義不大。

要進一步提升電梯的安全保障，本文提出電梯的“主動安全”研究。“主動安全”主要應(yīng)用在汽車安全領(lǐng)域，主動安全能在交通事故發(fā)生前主動介入控制，避免或減小事故損失。作為建筑內(nèi)的主要交通工具，電梯的“主動安全”研究還處在萌芽狀態(tài)。因此本文提出電梯主動安全性研究，突破電梯安全性研究瓶頸。

二、電梯主動安全要解決的問題

本文提出利用智能檢測技術(shù)，通過專家控制器的診斷方法，增強電梯自我檢測、自我診斷、自我處理的能力，提高電梯本身的主動安全性。本文提出基于專家控制器的智能主動安全系統(tǒng)，就是研究一種獨立的安全回路，在電梯安全回路正常時可以作為一種安全冗余措施，并能主動檢測電梯安全回路的有效性;在電梯安全回路異常時，能夠起到安全保護作用。

三、電梯主動安全系統(tǒng)的探析

本項目研究的是基于專家控制器的人工智能算法的電梯主動安全系統(tǒng)，以曳引張力、加速度/速度、安全回路元件狀態(tài)等實時檢測信息和平衡系數(shù)、額定載重、運行速度等電梯參數(shù)為知識庫，以電梯運行時參數(shù)變化規(guī)律、安全隱患的處理經(jīng)驗等為控制規(guī)則集，通過簡潔有效的正向推理機算法，檢測電梯安全隱患，并通過人機交互接口請求和指導(dǎo)人工干預(yù)，從而預(yù)防電梯安全故障，控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.電梯主動安全系統(tǒng)的硬件設(shè)計

電梯主動安全系統(tǒng)采用PLC控制器作為測控硬件平臺，由張力、速度、安全元件狀態(tài)檢測和控制器、人機接口組成，如圖2所示。安全控制器（PLC）根據(jù)傳感器檢測的信號送入進行主動安全判斷，并通過人機界面發(fā)處報警和確認(rèn)，必要情況下會控制電梯主控器進行相關(guān)操作。

電梯張力和速度的檢測可通過張力輪實現(xiàn)。張力的檢測通過電梯導(dǎo)向輪，加裝壓輪和編碼器及支撐機構(gòu)，通過壓力傳感器檢測曳引繩施加在壓輪上的徑向壓力進而得到曳引繩的張力，如下圖3所示，通過檢測到的徑向壓力F間接檢測出電梯張力。速度的檢測在導(dǎo)向輪軸上面安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，可以直接檢測轉(zhuǎn)速，再根據(jù)導(dǎo)向輪直徑測算出電梯運行速度、加速度等信息。這兩種信號通過電梯導(dǎo)向輪檢測，一般在機房與安全控制柜距離不遠，相關(guān)器件采取導(dǎo)線直接連接到控制器。

電梯安全元件和運行狀態(tài)的監(jiān)控設(shè)計。由于安全鉗開關(guān)、門鎖開關(guān)、相序開關(guān)、轎廂稱重開關(guān)、門機開關(guān)及限位等通過由于分布在電梯及井道的各處，主要通過在這些開關(guān)器件旁邊設(shè)置無線發(fā)射模塊，用于記錄其開關(guān)頻次和時間，送入安全控制柜。如根據(jù)一般使用情況設(shè)定門機開關(guān)、門鎖開關(guān)、限位開關(guān)接通次數(shù)，超過設(shè)定次數(shù)，發(fā)出報警，需要更換器件。轎廂稱重開關(guān)接通頻次過高需要提出報警，確定超載原因，并反饋到電梯維保單位和使用單位。所有信息送入西門子S7-300PLC，PLC通過專家控制器分析，產(chǎn)生安全結(jié)論通過網(wǎng)絡(luò)通信介入電梯控制器進而控制電梯進行安全處理;相關(guān)信息監(jiān)控和管理通過觸摸屏的用戶界面和管理界面實現(xiàn)。

2.電梯主動安全系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

開發(fā)基于S7-300PLC的專家控制器程序。以S7-300PLC為核心，設(shè)置工作數(shù)據(jù)區(qū)DB塊，保存電梯實時檢測數(shù)據(jù)和電梯用戶參數(shù)等;設(shè)置電梯安全規(guī)則區(qū)DB塊，保存電梯安全概念、狀態(tài)、安全判斷規(guī)則等;設(shè)置通信數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)DB塊和接收DB塊，分別存儲推理機處理的結(jié)果和電梯主控制程序中速度、樓層等狀態(tài)信息;設(shè)置電梯安全推理機OB塊，利用SCL高級語言實現(xiàn)專家控制編程，實現(xiàn)對電梯安全分析和判斷。

（1）以曳引張力、加速度/速度、安全回路元件狀態(tài)等實時檢測信息和平衡系數(shù)、額定載重、運行速度等電梯參數(shù)，為知識庫，確定知識庫中知識和規(guī)則的表達方法，如將額定數(shù)據(jù)如速度、曳引力、載重等作為“事實”表達，將電梯實時檢測數(shù)據(jù)作為“證據(jù)”表達，根據(jù)電梯相關(guān)規(guī)范中電梯安全判斷的條件，基于“IF THEN”形式，表達電梯安全判斷“規(guī)則”;研究推理算法，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動，正向推理的方式逐次判別推理的條件（事實、證據(jù)等），滿足則形成結(jié)論，不滿足則繼續(xù)搜索的方式，設(shè)計推理機程序。

（2）設(shè)計專家控制器對電梯控制程序的主動安全干預(yù)算法。根據(jù)專家控制器的結(jié)論如“電梯超速、電梯打滑，安全元件動作異常”等狀態(tài)信號，設(shè)計邏輯處理程序，并入電梯變頻驅(qū)動和門機驅(qū)動等程序的觸發(fā)條件;或者作為安全條件并入電梯已有的超速保護、慢速運行等觸發(fā)條件中，結(jié)合兩種方式研究主動安全干預(yù)程序設(shè)計。

（3）開發(fā)基于觸摸屏的用戶界面和開發(fā)界面?；谟|摸屏組態(tài)技術(shù)，針對電梯物業(yè)管理、維保工程師等用戶設(shè)計安全狀態(tài)顯示、安全信息警告、安全處理操作引導(dǎo)、安全處理解釋、安全數(shù)據(jù)記錄和查詢等信息;針對安全系統(tǒng)工程師等管理員設(shè)計安全狀態(tài)、事實、概念、規(guī)則等知識庫的編輯修改。

（4）設(shè)計專家控制器與電梯控制程序的數(shù)據(jù)接口程序。設(shè)計專家控制器處理后的數(shù)據(jù)表達，形成處理結(jié)論數(shù)據(jù)包;研究電梯主控制程序中慢速自救、換乘停靠、重復(fù)開門等安全處理程序和觸發(fā)條件，將主動安全系統(tǒng)的結(jié)論數(shù)據(jù)應(yīng)用到前述程序中，實現(xiàn)對電梯控制的安全干預(yù);在電梯控制程序中增加共享數(shù)據(jù)程序，將速度、樓層、報警等狀態(tài)信息發(fā)送到主動安全系統(tǒng)。

四、電梯主動安全系統(tǒng)設(shè)計小結(jié)

電梯主動安全系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用在電梯生產(chǎn)制造、電梯改造、電梯維保、故障檢修等電梯生命周期的各環(huán)節(jié)，作為一種預(yù)防性的研究，能在故障前進行預(yù)判和干預(yù)處理，避免人民生命財產(chǎn)損失，顯著提高安全性，具有非常明顯的研究意義。

[參考文獻]

[1]崔琪，基于數(shù)據(jù)融合的電梯故障診斷方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué).2014.

[2]艾鋒，基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯智能數(shù)據(jù)采集報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué).2015.

[3]曾憲權(quán).物聯(lián)網(wǎng)遠程電梯監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].中國測試.2015/02.

[4]Alexandru， Forrai， Takaharu， Ueda . Software Testing of Embedded Safety Loops[J].《Elevator world》2013/11.

[5]A.MutuY， PangJ.van， VlietG， Lodewijks. Methods for the Safety Integrity Determination of an Electric/Electronic/Programmable Electronic System[J].Elevator world.2013/3.

[6]劉金琨.智能控制（第3版）[M].電子工業(yè)出版社，北京，2014/1.

[7]李中興，薛濤，劉英杰，陳國華.平衡系數(shù)對電梯安全的影響及測試方法優(yōu)化[J].中國安全科學(xué)學(xué)報.2015/11.

[8]宋定宇.基于獨立回路構(gòu)造決策樹的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制. ?2013/07.

項目基金：湖南省教育廳科學(xué)研究項目編號：16C0574。

（作者單位：湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410151）