基于加速度传感技术的电梯拖动与制动性能健康监测系统

郑伟峰 蒋淑恋 聂泳忠

基于加速度传感技术的电梯拖动与制动性能健康监测系统

郑伟峰 蒋淑恋 聂泳忠

引言

随着我国经济建设的飞速发展，高层建筑也如雨后春笋般涌出。在高层建筑中，最为重要的运输工具是电梯。我国电梯保有量已经超过300万台，每天有超过2亿人乘坐。因此，电梯安全直接关系人民群众的生命安全和生活质量。据统计，仅2014年8月和9月，全国就发生了3起严重的电梯安全事故，每一起事故均造成不同程度的人员伤亡，引起了社会和主管部门的高度重视。

不同的电梯，不论采用何种控制方式，总是按轿厢内指令，层站召唤信号要求，向上或向下起动，起行，减速，制动，停站。电梯曳引机的拖动和制动性能决定了电梯的运行质量和安全。如果能实现对电梯拖动和制动性能的健康监测，对电梯曳引机的电机和制动器等关键部件进行实时动态监测，就可以在电梯出现故障之前及时判断，防止电梯故障发生，加强电梯运行的安全系数。

本文旨在研究如何对电梯的关键部位轿厢和曳引机进行实时监测并实现连网监测系统的建设和开发。

电梯安全监测系统

电梯属于特种设备，其运行性能、安全性能受到各界的高度关注。目前，电梯行业对电梯所能采取的监测手段主要有以下几种形式：

1.电梯远程监控系统

目前，市面上出现了各种形式的电梯运行安全监测产品。其中，电梯运行安全动态视频监测系统在国内一些城市已被推广应用。电梯运行安全动态视频监测系统是集嵌入式技术、无线网络技术、射频传输技术、红外线监测技术、视频压缩和视频窄带传输、计算机技术和数据库技术为一体的跨学科电梯运行安全视频监测系统。具有电梯运行状态实时监测、故障报警、事故预警、困人自动呼救、视频指导脱困等功能，其系统由电梯监测黑匣子、移动视频前端机和电梯安全运行视频监测系统软件平台构成。

2.电梯“黑匣子”

电梯“黑匣子”所提供的功能类似于飞机中黑匣子的作用，主要是能够将电梯运行数据自动收入存储，便于事故发生以后的分析使用。

3.动态性能监测系统

电梯的动态性能包括电梯的实时速度、加速度等。目前，很多针对电梯的转呀测试设备都同时测量电梯速度、加速度及加速度变化率等参数；同时，为了便于深层次分析电梯的运行性能，还建有测量噪声等其他参数。

动态视频远程监测系统的应用可以实现对电梯运行状况的远程监控、及时报警救援和维保、检验等工作的信息化管理，掌握每一台电梯的运行情况；可以第一时间发现故障、排除故障，大大缩短了救援时间。不足的是，动态视频监测系统是在一种运行过程监测的系统，当电梯安全事故发生后，维护人员才能通过动态监测系统传回的信息进行紧急救援。此时，生命财产损失已经无法挽回。

电梯“黑匣子”起到了事后分析，用以提高电梯管理水平的作用。对于电梯的运行情况进行记录，记录信息可以作为相关部门的追溯检索和统计处理使用。

动态性能监测系统能够量化加速度和噪声等参数的测量数据，为乘运质量和电梯系统问题诊断提供最真实参考依据，使用方便而且检测精度高。但是主要应用于规定的实验条件下电梯性能参数的检测工作中，可以采集电梯单次或多次运行动态数据，可以获得较好的检测效果，并不是用于电梯全天候实时检测设备，无法用以实时判断电梯的故障发生部位。

针对以上系统存在的不足，本文将加速度传感器用于电梯事前健康监测，可以实现一种健康状态性能监测的系统，对电梯本身的性能实时动态的监测。不仅可以采集到电梯运行时的加速度、速度、位移和抖动，而且可以判断电梯是否处于不平层、墩底或冲顶。本系统将加速度传感器用于曳引机的电机和制动器的性能健康监测，可以通过振动频率、振幅、趋势等一系列测试，掌握曳引机电机和制动器当前的状态，如果有故障苗头出现时，可以及时发现，立即抢修。以上这些电梯关键部件的健康监测对象和处理方式在国内尚未见有报道。

电梯事前健康监测系统方案

现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯结构图如图1所示。

图1 电梯结构组成图

曳引机对轿厢的拖动和制动性能决定了电梯的运行质量和安全。因此，轿厢运行参数和曳引机的监测对电梯安全事前监测系统的实现至关重要。

本文对电梯事前健康监测系统的实现过程进行了设计，整体方案实现过程如图2所示。

图2 系统整体方案实现过程

本系统基于加速度传感器开展轿厢加速度、速度、位移和抖动等参数的监测，判断轿厢是否健康运行。建立曳引机振动数学模型，通过自学习并建立专家数据库，分析判断测试振动频率、振幅、趋势，掌握曳引机的健康状态。

电梯事前健康监测系统开发

1.加速度传感器选型

传感器选择厦门乃尔电子有限公司的CAYD152V-2和CAYD115V两款加速度传感器。其具有灵敏度高，稳定性好，适用于各种恶劣环境等特点，广泛应用于电梯安全监测、工业振动监测等领域。

2.轿厢健康运行监测

（1）轿厢速度、加速度和位移的监测

轿厢顶部安装CADR152V-2，轿厢顶部安装黑匣子，含电源模块、数采模块、通信模块等，将采集到的数据传输到电梯远程监控一体机上，通过软件数据分析，得到实时加速度、速度和位移。

（2）不平层检测

利用安装在轿厢顶的CADR152V-2传感器，可以计算知道轿厢的即时位置，通过计算出的实时位置来判断平层状况。精度能满足电梯的标准，十几层的的高度误差在毫米级别。

（3）电梯冲顶故障判断

利用CADR152V-2传感器，可知道轿厢的即时加速度，通过计算可得出实时速度、实时位移。当轿厢位置到达上限位置时，可根据此时轿厢的即时速度判断电梯是否冲顶。

（4）电梯的墩底故障判断

利用CADR152V-2传感器，可知道轿厢的即时加速度，通过计算可得出实时速度、实时位移。当轿厢位置到达下限位置时，可根据此时轿厢的即时速度判断电梯是否墩底。

（5）超速判断

利用CADR152V-2传感器，可计算出轿厢的即时速度。在分析软件中设定该轿厢允许的最大速度，超出即报警。

（6）电梯轿厢异常抖动监测

通过CADR152V-2传感器，可以实时计算震动烈度，判断轿厢是否属于异常抖动。

3．曳引机事前健康监测

曳引机关键部件包括电机和制动器。在电机和制动器上安装CAYD115V加速度传感器，并将传感器连接至数采模块，将采集到的数据传输到电梯远程监控一体机上，通过软件数据分析，当超过警戒值时报警提醒需要检修；或者通过趋势图判断是否该维护采集振动信号，分析制动器和电机的异常抖动。通过振动频率、振幅、趋势等一系列测试和分析，掌握曳引机的健康状态。

4．软件算法设计

电梯事前健康监测系统通过软件来实现信号的采集和通讯，并实时进行信号分析和处理，进而做出电梯健康状况的判断。软件主要分为两大部分，分别为启用自学习部分和运行监测部分。

软件的实现是以曳引机电机的振动数学模型为基础的。开发软件之前，需对各种常用型号的曳引机开展大量的试验数据采集。通过对试验数据的分析计算，建立各种常用型号曳引机的振动数学模型。

系统启用阶段将根据曳引机振动数学模型，通过自学习的方式，得到对应的专家数据库，作为电梯健康状况分析判断的基础。图3是系统启动阶段软件运行流程图。

图3 系统启动阶段软件运行流程图

系统运行阶段将根据健康状况专家数据库，对电梯关键部位的健康状况进行实时监测，进而做出健康预警。

5．系统监测窗口

图4所示是电梯事前健康监测系统的软件界面，用以电梯运行参数的输出观察及关键部件的健康预警。

图4 电梯事前健康监测系统的软件界面

结论

本系统主要对电梯关键部件运行进行实时健康监测，包括前端传感器、采集器以及后端信号处理和监控系统的开发，能做到对电梯健康监测，掌握曳引机电机和制动器当前的状态，判断电梯故障部位，提高电梯的运行安全系数和舒适度。

我国目前正在使用的电梯就已经超过300万部，未来随着国家城市化进程的不断发展，电梯的使用量和改造量仍然会大幅增长。基于加速度传感检测技术的电梯安全健康监测系统将来可以在各个城市大规模推广应用，因此有着巨大的市场前景。该项目在结合市场应用的前提下，具有非常乐观的产业化前景。在技术和产品成熟的前提下，本项目可以推向市场，作为电梯运行安全的 “保护神”。

（作者单位：厦门市计量检定测试院）