□ 巫濤江 □ 劉恩華 □ 余曉毅 □ 吳德操 □ 張春娟

1.電梯智能運維重慶市高校工程中心 重慶 402260 2.重慶理工大學 光纖傳感與光電檢測重慶市重點實驗室 重慶 400054

1 研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快,高層建筑的數(shù)量不斷增加,電梯作為高層建筑的必備設施,需求量與日俱增。根據國家質檢總局統(tǒng)計,我國當前已登記注冊電梯數(shù)量占全球電梯總量的1/3。我國現(xiàn)有約600萬臺電梯正在運行,并且以每年10%的增量增加,未來年新裝量和更新量會維持在80萬臺的水平[1]。對電梯技術進行研究,保障電梯的安全運行,有非常重要的實際意義。與此同時,隨著時代的前進,電梯的運行和維護正朝著更加智能化的方向發(fā)展[2-3]。

電梯轎廂運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測方法和技術是電梯智能運維的關鍵。傳統(tǒng)電梯轎廂的監(jiān)測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連接,當監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,會影響電梯的正常運行,無法有效反饋電梯轎廂的實時狀態(tài),如位置、速度、加速度等,不能及時評估電梯存在的潛在風險,電梯運行安全存在不穩(wěn)定因素。雖然維修人員可利用手持式設備以直接接觸法進行現(xiàn)場檢測,但無法長期監(jiān)控,具有一定的局限性。激光測距傳感技術通過測量激光脈沖發(fā)射及接收前后的時差或相位變化來獲取目標物體的位置信息[4],具有抗干擾能力強、測量精度高、空間分辨力強、動態(tài)響應快、功耗低、性能高、小型化等優(yōu)點,廣泛適用于工程領域直線測距[5]、煤礦采掘工作掘進進尺控制[6]、無人駕駛防撞間距預警[7],以及目標物體位置、速度、加速度實時監(jiān)測[8]。目前,激光測距傳感技術在動態(tài)位置信息監(jiān)測領域是研究熱點,尤其是在實時監(jiān)測應用場景中,已經成為一種重要的技術。

筆者針對高速曳引式電梯轎廂位置、速度、加速度等運行參數(shù)的監(jiān)測需求,利用激光測距傳感技術,設計和構建應用于電梯轎廂實時運行位置、速度、加速度的遠程監(jiān)測系統(tǒng),從而進一步對電梯轎廂運行狀態(tài)進行實時、標準化監(jiān)測和安全預警,并為未來電梯領域按需維保提供大數(shù)據支持。

2 基本原理

激光測距傳感技術一般分相位法和脈沖法兩類,性能對比見表1[9]。相位法的測距精度較高,量程可覆蓋常見高層建筑的高度范圍,更適合電梯轎廂的運動監(jiān)測需求。

表1 激光測距傳感技術對比

▲圖1 相位法激光測距傳感器結構

▲圖2 相位法激光測距原理

當調制頻率為f時,被測物體與激光器的距離D為:

(1)

式中:c為激光在測量環(huán)境中的傳播速度;t為激光的傳播時間。

對于遠距離目標,還需利用多種不同調制頻率進行多測尺聯(lián)合測量,以提高位置信息的檢測精度[11]。

監(jiān)測目標物體的運動速度V和自身位置關系為:

V=(D2-D1)/(T2-T1)

(2)

V=Δd/Δt

(3)

式中:T1、T2為不同測量時間點;D1、D2為對監(jiān)測目標不同時間點采集的位置信息;Δd為特定時間間隔Δt連續(xù)性采集的位置變化量。

設置極短測距時間間隔,V即可近似為目標物體的實時速度。

監(jiān)測目標物體的加速度a與自身位置、速度的關系為:

(4)

式中:V1、V2為不同位置點的速度。

基于以上分析,在實際應用中可以利用激光測距傳感技術所具有的高精度、高頻率位置檢測特性,通過實時解算得到電梯轎廂的位置、速度、加速度等運行狀態(tài)信息。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設計

基于激光測距傳感技術的電梯轎廂運行狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)整體結構如圖3所示,由電梯井監(jiān)測節(jié)點、Lora路由器、遠程監(jiān)控中心三部分組成。

▲圖3 監(jiān)測系統(tǒng)結構

電梯井監(jiān)測節(jié)點安裝在電梯拖曳電機處,自上往下對電梯轎廂進行運動監(jiān)測。電梯井監(jiān)測節(jié)點結構如圖4所示,由微控制器、鎖相頻率合成器、激光驅動器、光電采集模塊、混頻模塊、自適應放大濾波模塊、Lora無線傳輸模塊等組成。

▲圖4 電梯井監(jiān)測節(jié)點結構

頻率合成模塊配置鎖相頻率合成器,生成具有微量頻率差的主振和本振信號。激光調制模塊將主振信號加載至激光器,發(fā)射至電梯轎廂底部的漫反射板。由光電采集模塊將采集到的反射信號與本振信號進行混頻處理,獲得同相位低頻信號,經過自適應放大和濾波后,形成測量信號與參考信號,匯入微控制器,進行模數(shù)轉換和傅里葉鑒相運算,基于相位差解算得到電梯轎廂運動信息,并對電梯轎廂異常狀態(tài)進行初步判別。最后將狀態(tài)信息通過Lora無線傳輸模塊傳輸至Lora路由器。

Lora路由器基于470 MHz頻段構建Lora無線傳感網絡,覆蓋距離可達數(shù)千米,能有效接收來自整個住宅小區(qū)或大型商業(yè)體多部電梯的監(jiān)測信號,并轉發(fā)至位于云端的遠程監(jiān)控中心,可有效降低由大量前端節(jié)點分別租用4G、5G網絡帶來的運營成本。

遠程監(jiān)控中心匯總轄區(qū)內大量電梯的運行數(shù)據,并對其進行進一步處理分析,實現(xiàn)電梯故障的快速檢測與預警。

4 監(jiān)測系統(tǒng)測試

為了驗證監(jiān)測系統(tǒng)的性能,利用全結構曳引式升降電梯模型進行測試,電梯井監(jiān)測節(jié)點與Lora路由器如圖5所示,全結構曳引式升降電梯模型如圖6所示。這一模型可以真實模擬電梯實際運行情況,通過變頻器控制曳引機改變電梯轎廂加速度,實現(xiàn)速度可調,同時可以實時記錄曳引機的運轉情況,提供電梯轎廂實時位置和速度,可與監(jiān)測系統(tǒng)的測試值進行對比。

電梯轎廂運動信息由監(jiān)測系統(tǒng)客戶端監(jiān)測軟件采集完成,界面如圖7所示。測試時,電梯井監(jiān)測節(jié)點轎廂位置及速度數(shù)據分別見表2、表3。

表3 電梯井監(jiān)測節(jié)點轎廂速度數(shù)據

▲圖5 電梯井監(jiān)測節(jié)點與Lora路由器

▲圖6 全結構曳引式升降電梯模型

▲圖7 客戶端監(jiān)測軟件界面

表2 電梯井監(jiān)測節(jié)點轎廂位置數(shù)據

對于電梯轎廂加速度信息,由于電梯模型并未配置加速度采集和顯示模塊,因此將AETE-06電梯加速度測試儀安裝于電梯轎廂底部,得到實時加速度數(shù)據。電梯井監(jiān)測節(jié)點轎廂加速度數(shù)據見表4。

表4 電梯井監(jiān)測節(jié)點轎廂加速度數(shù)據

從以上數(shù)據分析可知,監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效獲取電梯井監(jiān)測節(jié)點轎廂的實際位置、速度、加速度信息,并且能夠達到成熟傳統(tǒng)測量方式的測量精度,滿足GB/T 24474—2009標準要求[12]。連續(xù)測試10 d,監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性良好,客戶端可正確顯示電梯轎廂位置、速度、加速度等運行狀態(tài)信息。

5 結束語

筆者利用激光測距傳感技術,通過軟硬件結合的開發(fā)方式,設計和構建了一種基于激光測距傳感技術的電梯轎廂運行狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)。應用這一監(jiān)測系統(tǒng)對電梯轎廂運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)測,在不依賴電梯原有電氣系統(tǒng)的前提下,準確獲取電梯轎廂的停留位置、運行速度和加速度信息,達到毫米級測量精度。通過測試,這一監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時響應,穩(wěn)定性良好,可以為電梯轎廂的運行狀態(tài)提供實時監(jiān)測數(shù)據,保障電梯的安全運行。