李云波，季宇飛

（蘇州萊茵電梯股份有限公司，江蘇蘇州 215500）

1 斜行電梯

自從1853 年，美國人伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯（Elisha Graves Otis）在紐約世界博覽會展示了其電梯安全系統(tǒng)后，真正意義上的電梯就誕生了。人們開始通過具有安全保障的垂直升降設備來解決生活中的上下提升難題。隨著驅動技術和控制技術的不斷發(fā)展，電梯也不斷在創(chuàng)新。而斜行電梯的歷史要追溯到1889 年埃菲爾鐵塔建成，為了解決登高代步，在埃菲爾鐵塔上設置了斜行電梯，這是斜行電梯的雛形。隨著社會的不斷發(fā)展和進步，人們對代步提升方面的不斷追求，斜行電梯作為電梯的一個比較小的分支，有了長足的發(fā)展。到21 世紀初，歐洲開始推出斜行電梯制造標準的試用版本。到2012 年，中國國家標準化委員會電梯委員會開始啟動斜行電梯的制造標準的轉化和制定工作。2018 年發(fā)布的GB/T 35857—2018《斜行電梯制造與安裝安全規(guī)范》給出了斜行電梯明確的定義：斜行電梯是指服務于指定的層站，其運載裝置用于運載乘客或貨物，通過鋼絲繩或鏈條懸掛，并沿與水平夾角≥15°且＜75°的導軌運行于限定路徑內的提升設備，斜行電梯的運行路徑僅限于同一鉛垂面（圖1）。斜行電梯主要是用來解決三大類難題。

圖1 斜行電梯原理

（1）解決公共交通的無障礙出行難題，如高鐵站、地鐵站、火車站等。隨著社會發(fā)展，社會越來越重視對殘障人士的關愛，現代大型的交通樞紐都設有無障礙設施，但是有時候還是不方便。假如坐輪椅的乘客去乘坐地鐵，因輪椅是無法乘坐自動扶梯的，就要去尋找垂直乘客電梯，而垂直乘客電梯通常和自動扶梯不能設置在同一位置，這就給有無障礙出行需求的乘客帶來很大不便。如果采用斜行電梯作為無障礙出行方案，斜行電梯可以直接和自動扶梯并排設置，為無障礙出行的乘客帶來更便捷的出行體驗。

（2）解決特殊建筑內的斜行提升難題。設計師為了呈現建筑的美，很多建筑物都不是垂直設計的，會有傾斜、曲線等各種造型，建筑的特殊設計對其內部提升就會有不同的需求，很多場合無法設計垂直乘客電梯，斜行電梯也就在這類建筑中有用武之地。斜行電梯的出現，給了很多規(guī)劃建筑師發(fā)揮建筑創(chuàng)意的空間，斜行電梯可以解決設計師設計的各種建筑中的斜面提升難題。

（3）解決山地、斜坡的斜行提升難題。很多景區(qū)為了解決提升代步，通常采用客運架空索道，但是客運架空索道更適合中長距離的人員運送，而斜行電梯彌補了中短距離運輸提升的空白，因此很多景區(qū)已經開始將斜行電梯作為客運架空索道的補充設備進行設置。

2 變角度斜行電梯關鍵結構的設計

GB/T 35857—2018《斜行電梯制造與安裝安全規(guī)范》將斜行電梯運行路徑限定在同一鉛垂面內，也就是限定了斜行電梯的軌跡只能在二維空間中運行。在這個鉛錘面內，斜行電梯按運行路徑可以劃分為兩大類：①直線軌跡運行；②變角度軌跡運行。直線軌跡運行斜行電梯是從斜行電梯運行的起點至終點，從技術角度講，直線型斜行電梯比較容易設計。但是在很多時候，在電梯路徑中的基礎會有較高的落差，同時較高落差的部位跨度又比較大，這個時候，如果還是采用直線軌跡運行的斜行電梯，對基礎的造價就會急劇增加，同時外觀上也不美觀。如果采用回填或開挖的方式，將整個路徑調整到接近直線的電梯基礎，工程量和造價會急劇增加。最好的選擇就是采用變角度軌跡運行的方式進行斜行電梯的設置。變角度運行軌跡斜行電梯可以貼合現場基礎結構設置，與基礎渾然一體，看上去比較美觀（圖2）。變角度軌跡運行的軌道形式主要有3 種形狀：上凸形，下凹形，波浪形（圖3）。不同的軌道形狀，適應不同的現場需要，更好地貼合基礎，設計才更符合實際，才更具有可操作性。

圖2 變角度運行軌跡斜行電梯

圖3 變角度軌跡類型

2.1 自整角系統(tǒng)的設計

斜行電梯運行過程中，要始終保持轎廂地坪的水平，確保乘客在電梯轎廂中始終豎直站立，而在運行過程中運行軌道是有角度變化的，需要一套準確可靠的自整角系統(tǒng)來解決這個問題。研發(fā)的斜行電梯轎廂自整角平衡智能控制系統(tǒng)，能根據斜行電梯運行位置的變化，進行斜行電梯轎廂自平衡調整，使電梯轎廂地坪保持水平，提高了變角度斜行電梯運行過程中的安全性和平穩(wěn)性，給乘客以更加舒適的體驗感受。斜行電梯啟動、運行、停止過程中，存在著加速、減速、乘坐人員的變化和變軌帶來的加速度變化等。

斜行電梯是一個時變系統(tǒng)，特別是在高速狀態(tài)下，斜行電梯運動控制十分復雜，對系統(tǒng)自整角控制精度更高，但是系統(tǒng)的時變特性，如果自整角控制調整，頻響滯后勢必給乘坐人員帶來更不舒適的頓挫感覺。本技術利用可拓控制技術，適合快時變，自整角控制精度高的特點，結合斜行電梯具體結構參數，對斜行電梯運行進行自整角可拓控制。自整角可拓控制系統(tǒng)由5 個部分組成：特征量的抽取，特征模式識別，關聯度計算，測量模式識別，控制輸出計算（圖4）。

圖4 斜行電梯運行進行自整角可拓控制框圖

斜行電梯轎廂運動自整角可拓控制數學模型：

控制條件為r=r∧r2∧r3

控制問題P 就是要在特定條件下，實現目標R，記為：

斜行電梯轎廂運動自整角可拓控制電路如圖5 所示。

圖5 斜行電梯轎廂運動自整角可拓控制電路

斜行電梯轎廂自整角可拓控制系統(tǒng)由控制模塊單元、檢測模塊單元、執(zhí)行模塊單元、驗證模塊單元、安全保障模塊單元所組成?？刂颇K單元由除電梯主控制系統(tǒng)以外的控制模塊，對轎廂自整角系統(tǒng)的其他模塊單元進行控制指令的輸入與輸出。檢測模塊單元采用非接觸式絕對值編碼器，對斜行電梯轎廂隨運行軌跡變化進行在線坐標檢測，將檢測數據連續(xù)傳輸給轎廂自整角控制模塊單元，控制單元發(fā)出相關自整角命令，給到執(zhí)行模塊單元。執(zhí)行模塊單元可采用多種方式實現轎廂地坪不受電梯運行軌跡變化的影響，始終保持水平狀態(tài)。執(zhí)行模塊單元可以采用鏈條驅動方式、電缸頂升方式、液壓缸頂升的方式、螺桿頂升方式等。驗證模塊單元由位置監(jiān)測傳感器對執(zhí)行模塊單元在整個頂升過程中全程進行位置監(jiān)測，將即時位置信號實時傳給轎廂自整角系統(tǒng)的控制模塊單元，由控制模塊單元將相關數據與檢測模塊單元反饋回來的數據進行比對，兩者數據偏差在系統(tǒng)設定范圍內，轎廂自整角系統(tǒng)工作有效。否則，轎廂自整角系統(tǒng)控制模塊單元向電梯主控制系統(tǒng)傳輸故障信號，電梯主控制系統(tǒng)報警，電梯即時停止。安全保障模塊單元是在檢測自整角與預設角度有偏差時，用電控制動器的方式將翻轉機構止停，防止轎廂出現明顯的不水平，造成人員因傾斜而受到傷害（圖6）。

圖6 變角度運行斜行電梯

2.2 電源、控制信號、安全信號的傳輸方式

對于直線運行的斜行電梯，轎廂與電梯機房控制系統(tǒng)之間的電力傳輸和信號傳輸，是通過固定在轎廂和機房之間的隨行電纜完成的。由于傾斜運行，隨行電纜受重力不能單獨自然懸掛，于是通過將隨行電纜固定在工業(yè)拖鏈內腔，工業(yè)拖鏈一端固定在井道內，另一端固定在轎廂尾部，保證了隨行電纜作為斜行電梯的電源和信號傳輸的安全可靠性。但是對于變角度運行斜行電梯而言，工業(yè)拖鏈只能順向折彎，即使是下凹型運行軌跡，工業(yè)拖鏈也有局部鼓起的風險。因此，引入了安全滑觸線加無線通信的方案，解決變角度斜行電梯轎廂和機房控制系統(tǒng)之間電源和信號的傳輸難題。

（1）安全滑觸線在斜行電梯中的應用。斜行電梯轎廂中有電氣設備需要電源供電，如動力門機系統(tǒng)、照明、風機等。依照目前的技術造價，還不方便采用無線輸送強電的方式，因此引用了其他行業(yè)的安全滑觸線輸電方式給電梯轎廂供電。電源通過機房引線接到安全滑觸線頂端，使滑觸線帶電，再通過固定在轎廂上的集線器與安裝在貫穿井道的安全滑觸線接觸，通過集線器在滑觸線上沿著運行路徑滑動，將電源導入到轎廂的配電箱中，分配給各用電設備使用，可靠解決了變角度斜行電梯給轎廂上設備輸電的難題。也可以在轎廂上采用蓄電池儲電，但是要同時考慮蓄電池儲電量和安全風險，因此采用全程安全滑觸線，不考慮使用蓄電池。

（2）通過無線通信進行轎廂和機房之間的CAN 總線通信。隨著這些年的科技進步，電梯控制技術也有了很大進步，由過去幾十年的并行通信、RS485 通信發(fā)展到目前大量使用CAN 總線通信。目前CAN 總線在電梯上主要應用在3 個部分：①單臺電梯轎廂控制和顯示模塊與機房控制系統(tǒng)之間的通信；②各個層站顯示模塊和機房控制系統(tǒng)之間的通信；③不同電梯之間的并聯控制或群控通信。通過無線傳輸的方式替代斜行電梯轎廂與機房控制系統(tǒng)之間的CAN 總線通信，解決了變角度斜行電梯隨行電纜不方便設置的難題。斜行電梯的轎廂和機房控制系統(tǒng)之間的通信采用定向無線發(fā)射和接收技術，讓斜行電梯的設計結構更簡單，對于運行行程比較大的斜行電梯，也降低了一定的部件成本和維護成本。無線通信的種類很多種，如Zigbee、藍牙、Wi-Fi、移動通信、傳統(tǒng)數傳電臺等。本文所述采用了LCWLAN-622 智能適配器完成斜行電梯機房控制系統(tǒng)與轎廂控制板之間的無線通信，LCWLAN-622 是專為CAN 總線網絡與無線IP 網絡（WLAN 或Wi-Fi）之間或多個CAN 總線網絡之間通過無線IP 網絡（WLAN 或Wi-Fi）傳輸CAN 總線數據而設計CAN/WLAN 適配器，具有優(yōu)秀的EMC 性能，無線IP 網絡（WLAN或Wi-Fi）符合IEEE802.11b/g/n 標準。將一個LCWLAN-622 模塊設置成AP 工作模式，另一個LCWLAN-622 模塊設置成Station 工作模式，將CAN 總線的信息通過無線發(fā)包方式進行雙向傳輸。同時采用了定向天線，在機房和轎廂相對應的方向上，實現前向增益，確保信號傳輸更加穩(wěn)定，對后向或周圍其他設備降低潛在干擾的可能。無線通信的應用，既解決了變角度斜行電梯不方便設置隨行電纜的困難，也使得斜行電梯外部結構看起來更加簡潔大方。斜行電梯無線通信系統(tǒng)電氣圖，如圖7～圖9 所示。

圖7 機房控制系統(tǒng)電氣圖

圖8 無線通信回路電氣圖

圖9 轎廂控制板電氣圖

（3）安全信號的傳輸。電梯轎廂處有轎廂門鎖觸點，常規(guī)做法是串接在電梯門鎖回路內；另有安全鉗的安全開關，常規(guī)做法是串接在電梯安全回路內。對于無法進行隨行電纜布置的變角度斜行電梯，門鎖回路和安全回路中的信號是安全信號，傳輸方式同樣有2種：①采用安全滑觸線的方式，將門鎖信號和安全鉗開關信號通過增加安全滑觸線的根數來傳輸，此種傳輸方式增加了滑觸線的數量，成本增加比較明顯；②采用無線傳輸方式，但是無線傳輸安全信號要符合相關國家標準對安全可靠性的要求。在GB/T 35857—2018《斜行電梯制造與安裝安全規(guī)范》附錄A 電氣安全裝置表中有如下規(guī)定：“5.5.9.2 檢查轎門的關閉位置，安全完整性等級為SIL3……5.6.8.8檢查安全鉗的動作，安全完整性等級為SIL1。”無線通信方式，是不能直接反應通信傳輸的安全完整性等級，是否能夠滿足上述兩項中的等級要求，如果采用無線通信的方式進行安全信號的傳輸，就要對無線信號傳輸系統(tǒng)進行“斜行電梯安全相關的可編程電子系統(tǒng)（PESSRAL）”的相關認證，驗證所應用的無線通信系統(tǒng)能夠滿足標準中的安全完整性等級的要求和相關可靠性要求。

3 結語

闡述變角度斜行電梯的兩個關鍵技術和實現方式，即自整角技術，安全滑觸線與無線通信方式相結合的應用，希望本文能夠給在斜行電梯應用方面的需求者一些指導和幫助。