屈省源，張繼濤

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528400）

0 引言

近幾年來(lái)，超高層建筑物越來(lái)越多。建筑高度的增加帶來(lái)了客流量的迅猛增長(zhǎng)，隨之而來(lái)，就會(huì)增加電梯運(yùn)輸?shù)膲毫Α．?dāng)前，超高層建筑物的乘客運(yùn)輸依然采用單轎廂電梯方式，為了提高運(yùn)輸效率，不斷增加電梯運(yùn)行速度和轎廂容量。但是，提高電梯運(yùn)行速度，給電梯的控制和構(gòu)造帶來(lái)了一系列問(wèn)題；而增加轎廂容量，無(wú)疑需要增加電梯井道空間，這樣會(huì)使建筑物的有效利用率降低，而且大載重轎廂對(duì)電梯的曳引機(jī)、控制系統(tǒng)等方面又提出新的要求。因此，這種僅依靠增加電梯的速度和轎廂的載客量的方式已不能滿(mǎn)足超高層建筑運(yùn)輸能力的需求。為了提供超高層建筑客流量的運(yùn)輸效率，蒂森克虜伯公司提出了一種在一個(gè)井道中安裝2個(gè)獨(dú)立轎廂的雙子電梯應(yīng)運(yùn)而生[1-5]，每個(gè)轎廂都配有獨(dú)立的曳引機(jī)、控制器、曳引繩、配重和限速器。

雙子電梯的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然具有更高的運(yùn)輸能力，但是運(yùn)行規(guī)則更為復(fù)雜，如何確保雙子電梯安全運(yùn)行是該型電梯使用的首要條件。雙子電梯安全性需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題有2個(gè)，即：（1）如何設(shè)定2個(gè)轎廂之間的最小安全距離，確保2個(gè)轎廂在彼此相向或者同向運(yùn)行時(shí)不發(fā)生碰撞；（2）如何設(shè)定電梯的安全保護(hù)系統(tǒng)，確保電梯能在系統(tǒng)斷電或者其他異常故障時(shí)，轎廂不會(huì)發(fā)生碰撞。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種冗余性的位置探測(cè)技術(shù)和優(yōu)化控制技術(shù)，確保雙轎廂運(yùn)行的最小安全距離；在2個(gè)轎廂之間采用安全保護(hù)系統(tǒng)，并在井道增加輔助安全設(shè)備，避免2個(gè)轎廂在異常情況下發(fā)生碰撞。

1 雙子電梯的雙轎廂防碰撞運(yùn)行分析

一般的雙轎廂電梯系統(tǒng)有2種結(jié)構(gòu)，即高速雙轎廂電梯和雙子電梯。

高速雙轎廂電梯是通過(guò)在每一個(gè)井道中置入兩個(gè)轎廂，即將一個(gè)轎廂永久地置于另一個(gè)轎廂之上，使兩個(gè)轎廂在同一運(yùn)程中同時(shí)載客并將他們運(yùn)輸至目的地。可以同時(shí)服務(wù)于奇、偶樓層，有效地將運(yùn)載量提高了一倍。通過(guò)提高電梯系統(tǒng)的運(yùn)載量，可以減少等候時(shí)間和運(yùn)輸次數(shù)，從而提高大樓的服務(wù)水平，或者可以選擇減小電梯井道面積來(lái)擴(kuò)大實(shí)用面積。

雙子電梯[8]是兩個(gè)轎廂共享導(dǎo)軌和廳門(mén)。每個(gè)轎廂都配有獨(dú)立的曳引機(jī)、控制器、曳引繩、配重和限速器。雙子電梯的兩個(gè)轎廂在同一井道獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)轎廂的乘客進(jìn)出電梯時(shí)，其上或其下的另一個(gè)轎廂照常運(yùn)行，乘客無(wú)需等待。為了使兩個(gè)轎廂各自獨(dú)立運(yùn)行并減少不必要的等待時(shí)間，雙子電梯采用了電梯智能化目標(biāo)選擇控制系統(tǒng)，通過(guò)減少?？繕菍雍透纳平K端用戶(hù)的服務(wù)水平來(lái)最大程度地縮短運(yùn)行時(shí)間。

本文不涉及雙子電梯的智能化目標(biāo)選擇控制系統(tǒng)，只探討雙子電梯雙轎廂井道運(yùn)行時(shí)的安全保護(hù)方法。

雙轎廂防碰撞規(guī)定：（1）設(shè)定轎廂運(yùn)行的最小安全距離速度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2個(gè)轎廂的相對(duì)位置，讓它們之間的距離大于最小安全距離，當(dāng)相對(duì)位置達(dá)到最小安全距離時(shí)，2個(gè)轎廂緊急停止，避免碰撞；（2）按照國(guó)家電梯制造與安裝安全規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)雙轎廂的電梯速度獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，不能僅靠電梯的軟件控制系統(tǒng)來(lái)確保電梯的運(yùn)行安全，必須要結(jié)合安裝在曳引機(jī)的制停系統(tǒng)和井道中的限速系統(tǒng)等多重安全保護(hù)措施來(lái)避免發(fā)生轎廂間的碰撞。

雙轎廂防碰撞問(wèn)題是雙子電梯能夠投入使用迫切解決的首要問(wèn)題之一。雙轎廂發(fā)生碰撞的主要原因是由于當(dāng)轎廂相距較近時(shí)而相對(duì)速度又太高造成的，或者當(dāng)電梯在異常情況下雙轎廂失控，而電梯緊急制停系統(tǒng)缺失或者井道轎廂限速系統(tǒng)失效的情況下發(fā)生碰撞。所以為了避免碰撞的發(fā)生，應(yīng)使電梯轎廂之間的距離始終大于安全運(yùn)行距離，并采用多重安全措施。

基于以上規(guī)定，本文設(shè)計(jì)了一種雙子電梯的雙轎廂防碰撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3部分組成，如圖1所示。雙轎廂電梯防碰撞系統(tǒng)主要通過(guò)傳感器信息并以微控制器作為控制單元的核心，對(duì)執(zhí)行器和其他部件進(jìn)行減速和制動(dòng)。其中，雙轎廂相對(duì)位置檢測(cè)模塊主要通過(guò)傳感器元件實(shí)時(shí)檢測(cè)2個(gè)轎廂的相對(duì)距離，息并將該數(shù)據(jù)信息通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制模塊的微控制器進(jìn)行處理分析，對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送到報(bào)警顯示及執(zhí)行保護(hù)模塊，執(zhí)行其他部件進(jìn)行減速和制動(dòng)。

圖1 雙子電梯防碰撞結(jié)構(gòu)

為了確保在異常情況下，防碰撞電子系統(tǒng)工作失效，在2個(gè)轎廂上和井道內(nèi)安裝多個(gè)轎廂速度保護(hù)部件，這些部件在檢測(cè)到轎廂超速時(shí)，電梯主控系統(tǒng)根據(jù)超速信號(hào)向電梯主機(jī)發(fā)送制停命令，使電梯立刻停止運(yùn)行，確保電梯使用安全。

在轎廂正常運(yùn)行時(shí)，雙轎廂相對(duì)位置檢測(cè)模塊不斷獲得轎廂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息（速度、加速度和轎廂間距），轎廂間的最小安全距離是由轎廂運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)決定的，經(jīng)過(guò)信息處理單元得出的轎廂信息，運(yùn)用安全度判別準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。根據(jù)不同的輸出結(jié)果，該控制系統(tǒng)采取不冋的控制措施，例如，減速以及制動(dòng)等。系統(tǒng)釆取緊急制動(dòng)模式，避免轎廂發(fā)生碰撞，當(dāng)轎廂間距大于安全距離時(shí)，系統(tǒng)回到正常運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)雙轎廂防碰撞系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，安裝在上下轎廂上的傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)得上下轎廂的運(yùn)行狀態(tài)即速度、加速度和距離，將采集到的信息傳給控制單元，計(jì)算出這時(shí)的臨界安全間距再與實(shí)際轎廂間距進(jìn)行比較。如果實(shí)際轎廂間距接近或等于臨界安全轎廂間距，則控制單元發(fā)出信號(hào)控制報(bào)警單元報(bào)警，并使其中一個(gè)轎廂減速。如果實(shí)際轎廂間距小于臨界安全轎廂間距，則控制系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)剎車(chē)模式。

雙轎廂防碰撞系統(tǒng)的工作過(guò)程具體如下。

（1）上下轎廂相對(duì)位置的測(cè)量?？捎冒惭b在上下轎廂上的傳感器測(cè)出2個(gè)轎廂的相對(duì)位置和各自轎廂運(yùn)行的速度、加速度等狀態(tài)信息。

（2）安全間距的計(jì)算。以2個(gè)轎廂速度、加速度，目標(biāo)轎廂速度、加速度為輸入，按照動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制算法來(lái)計(jì)算轎廂運(yùn)行安全距離。

（3）輸出報(bào)警顯示。將實(shí)際轎廂間距與計(jì)算的安全間距進(jìn)行比較，對(duì)2個(gè)轎廂所處的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全度判別預(yù)測(cè)。如果轎廂接近危險(xiǎn)，則輸出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)2個(gè)轎廂開(kāi)始減速，直至危險(xiǎn)清除。

（4）智能制動(dòng)。如果2個(gè)轎廂的實(shí)際測(cè)量距離小于或等于最小安全距離，那么轎廂就會(huì)進(jìn)入自動(dòng)減速或制動(dòng)狀態(tài)。

（5）防碰撞系統(tǒng)異常處理。當(dāng)在防碰撞系統(tǒng)掉電或者任意一個(gè)轎廂速度超速時(shí)，安裝在井道內(nèi)的轎廂速度檢測(cè)設(shè)備工作，將超速信號(hào)發(fā)送到電梯主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)發(fā)出緊急停止運(yùn)行命令，電梯停止運(yùn)行。當(dāng)主控系統(tǒng)未能及時(shí)有效處理時(shí)，井道轎廂速度檢測(cè)設(shè)備觸發(fā)安裝在轎廂導(dǎo)軌上的制停設(shè)備動(dòng)作，確保轎廂停止。

2 冗余性轎廂位置傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了以故障安全的方式確定電梯轎廂的當(dāng)前位置和速度，Ahmad等[3]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法確認(rèn)多個(gè)轎廂之間的最小距離，有一定的指導(dǎo)性。為了保證系統(tǒng)在設(shè)定的最小安全距離下可靠工作，電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)至少具有2個(gè)多樣化的傳感器系統(tǒng)，即具有不同的動(dòng)作原理（硬件）和不同形式的數(shù)據(jù)交換的傳感器系統(tǒng)，如光電編碼器，實(shí)現(xiàn)冗余性的轎廂位置實(shí)時(shí)探測(cè)功能。每個(gè)傳感器系統(tǒng)都提供有關(guān)位置（絕對(duì)位置）和速度的測(cè)量值。在將這些值用于有關(guān)碰撞預(yù)防和碰撞預(yù)防裝置的其他功能的計(jì)算之前，首先在可編程電子安全系統(tǒng)中檢查這些值的合理性。如果檢測(cè)到不同傳感器系統(tǒng)的傳感器測(cè)量值之間的差異，即傳感器測(cè)量值本身是異常的，則做出相應(yīng)的動(dòng)作。

本文采用多傳感器系統(tǒng)，檢測(cè)轎廂的位置和運(yùn)行狀態(tài)。為了增加防碰撞系統(tǒng)的可靠性，在電梯系統(tǒng)上最好安裝3個(gè)傳感器系統(tǒng)。因?yàn)?個(gè)傳感器系統(tǒng)發(fā)生誤判而導(dǎo)致電梯緊急制停的概率較大。3個(gè)傳感器系統(tǒng)會(huì)明顯減少此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 傳感器系統(tǒng)1-條碼定位系統(tǒng)

條碼定位系統(tǒng)是由讀碼器和條碼帶等組成的。它的工作原理是將讀碼器安裝在轎廂上，條碼帶全程安裝在井道中，當(dāng)轎廂運(yùn)行時(shí)，安裝在轎廂上的讀碼器時(shí)時(shí)掃描當(dāng)前的條碼，通過(guò)譯碼器輸出轎廂當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置信息[6-7]。相對(duì)于常用的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量技術(shù)，條碼定位系統(tǒng)可以達(dá)到絕對(duì)毫米級(jí)的測(cè)量精度，并且不依賴(lài)于參考點(diǎn)。

如圖2所示，傳感器系統(tǒng)1-條碼定位系統(tǒng)：每個(gè)雙轎廂井道有一條條碼磁帶，每個(gè)轎廂上有一條具有自檢功能的條碼讀碼器。兩個(gè)條碼定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)脚鲎差A(yù)防裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轎廂的相對(duì)位置。

圖2 傳感器系統(tǒng)1-條碼定位系統(tǒng)

電梯轎廂的絕對(duì)位置可以通過(guò)條碼磁帶上的光編碼來(lái)確定。根據(jù)行程高度，將部署兩種不同版本的條形碼傳感器，即：當(dāng)電梯運(yùn)行高度小于196 m時(shí)，采用分辨率為14位的傳感器；當(dāng)電梯運(yùn)行高度大于或等于196 m時(shí)，采用分辨率為16位的傳感器。

2.2 傳感器系統(tǒng)2-磁性絕對(duì)定位系統(tǒng)

磁性絕對(duì)定位系統(tǒng)包含一個(gè)安裝在電梯井道的編碼絕對(duì)位置的磁帶和一個(gè)安裝在每個(gè)電梯轎廂的磁鐵傳感器。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送到安裝在2個(gè)轎廂上的防碰撞裝置。

磁鐵傳感器主要采用線性霍爾元件。霍爾傳感器是以霍爾效應(yīng)為物理機(jī)理設(shè)計(jì)制作的磁信號(hào)檢測(cè)傳感器。其結(jié)構(gòu)牢固，體積很小，重量比較輕，安裝方便，耐震動(dòng)，不怕灰塵等的污染，精度高、線性度好、位置重復(fù)精度高[8-10]；但是其受溫度影響比較大，所以在測(cè)量時(shí)必須考慮溫度因素。

2.3 傳感器系統(tǒng)3-絕對(duì)脈沖發(fā)生器

如圖3所示，兩個(gè)電梯轎廂的限速器上都安裝了絕對(duì)脈沖發(fā)生器。用實(shí)時(shí)的高速計(jì)數(shù)脈沖數(shù)值與每一樓層記錄的數(shù)值進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確確定電梯實(shí)際的運(yùn)行樓層位置，每個(gè)絕對(duì)脈沖發(fā)生器對(duì)轎廂位置和速度的測(cè)量值發(fā)送到防碰撞裝置。

圖3 傳感器系統(tǒng)3-絕對(duì)脈沖發(fā)生器

3 多重安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在防碰撞電子系統(tǒng)失靈或者系統(tǒng)出現(xiàn)誤判時(shí)造成電梯異常停梯，是雙子電梯需要解決的重要問(wèn)題，也是雙子電梯目前不能大規(guī)模投入使用的原因之一。為了避免出現(xiàn)因?yàn)橄到y(tǒng)失靈或者誤判而造成的運(yùn)行異常，需要增加獨(dú)立于防碰撞電子系統(tǒng)的安全保護(hù)系統(tǒng)[11-12]。下面介紹可行的安全保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施方案。

3.1 緊急制停保護(hù)

如圖4所示，如果防碰撞電子系統(tǒng)不能確保預(yù)防緊急停止的最小距離，此時(shí)兩個(gè)轎廂的主控制系統(tǒng)的安全電路均由防碰撞裝置打開(kāi)，越過(guò)主控系統(tǒng)直接觸發(fā)安裝在主機(jī)上的緊急停止和驅(qū)動(dòng)機(jī)器的制停裝置，使轎廂停止運(yùn)行。

圖4 主機(jī)制停裝置

3.2 安全鉗

如圖5所示，如果在緊急情況下緊急制停裝置沒(méi)有足夠的延遲，且不滿(mǎn)足防碰撞安全鉗的最小距離的情況下，將觸發(fā)兩個(gè)電梯轎廂的安全鉗，此時(shí)防碰撞安全鉗動(dòng)作，進(jìn)而限制轎廂的運(yùn)行速度。

圖5 防碰撞安全鉗

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

在電梯井道中，對(duì)防碰撞系統(tǒng)做了測(cè)試，主要測(cè)試了雙轎廂最小安全距離的可靠性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。由于條件受限，不能模擬電梯高速運(yùn)行時(shí)（運(yùn)行速度4 m/s以上）的情況，結(jié)合當(dāng)前大多數(shù)廠家電梯的運(yùn)行速度，選取常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)電梯運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)試。考慮到目前雙轎廂電梯基本上都是超高速電梯，運(yùn)行速度在5 m/s以上，轎廂制停慣性較大，最小安全距離較大[12]。在現(xiàn)有條件下，在測(cè)試速度下最小安全距離設(shè)定比較保守，以期能達(dá)到測(cè)試的有效性。測(cè)試的主要依據(jù)是在設(shè)定的最小安全距離下，雙轎廂相向運(yùn)行系統(tǒng)停止時(shí)2個(gè)轎廂之間的距離。測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 不同速度下雙轎廂防碰撞系統(tǒng)最小安全距離測(cè)量

從測(cè)試數(shù)據(jù)中，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電梯低速運(yùn)行時(shí)（運(yùn)行速度小于或等于1.75 m/s），電梯制停時(shí)雙轎廂的實(shí)際距離與設(shè)定的最小安全距離比較接近，相對(duì)誤差較小。當(dāng)中高速運(yùn)行時(shí)（運(yùn)行速度大于或等于2.0 m/s），雙轎廂實(shí)際距離與設(shè)定的最小安全距離相對(duì)誤差有所增加，但是總體趨勢(shì)變化不大?？傮w來(lái)看，系統(tǒng)制停距離與設(shè)定的距離誤差依然處于設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著超高層建筑的日益增多，為了有效提高超高層建筑物內(nèi)工作生活的乘客運(yùn)輸能力，需要新型的電梯運(yùn)輸方式，蒂森克虜伯的使用已經(jīng)證明雙子電梯就是一種理想選擇之一。但是如何保證2個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的轎廂不發(fā)生碰撞，是雙轎廂電梯需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也是雙子電梯普及推廣需突破的瓶頸之一。本文提出的一種防碰撞電子系統(tǒng)，可以有效確保2個(gè)轎廂在保證最小安全距離下安全運(yùn)行；在有限的條件下測(cè)試表明，本系統(tǒng)是有效可行的。