基于单片机的电梯门故障预警系统

2018-05-29 08:31:16邢华奎陈勇俊
机械制造 2018年10期

□ 冯 毅 □ 邢华奎 □ 陈勇俊

1.华南理工大学 机械与汽车工程学院 广州 510640

2.中国农业银行 广州五山支行 广州 510640

1 设计背景

2013年,我国正式通过《特种设备安全法》,特种设备安全管理工作上升到法律监管地位。随着生活水平的提高,人们对特种设备的要求已经从传统的生产安全,发展为现代的生活安全。

截至2015年底,我国电梯登记台数为425.96万台,电梯保有量、年产量、年增量均为世界第一[1]。尽管电梯制造和维保技术已经非常成熟,但由于我国电梯基数大、增长快、投入运行时间长,在设计、制造和安装等方面仍存在不足,电梯事故时有发生,而且80%以上由电梯门系统故障造成[2-4]。虽然现在投入使用的电梯都安装有紧急报警装置,但该类设备偏向于事后救援,值班人员不在时难以发挥救援作用,而用于事前预防电梯故障的监控预警系统则较少。

在此种需求下,以预防电梯踏空坠井事故为目标,设计一种实用性强、价格低廉且具备通用功能的电梯门故障监控预警系统具有重要意义。

2 设计方案

电梯结构复杂,部件繁多。升降式电梯属于特种机电类设备,由机械、电气和安全装置三部分组成,三者相辅相成,共同保障电梯的安全运行。电梯门作为人员和货物的进出通道,与电梯踏空坠井事故有很大关系。笔者以升降式电梯为研究对象,重点对电梯门系统进行研究,提出电梯门故障预警系统总体设计方案。

笔者设计的电梯门故障预警系统,主要功能是预防电梯踏空坠井事故,系统包括单片机、距离检测装置、显示装置及报警装置。单片机采集距离信息,并进行对比分析,判断出电梯门的故障类型。距离检测装置采用超声测距技术[5]。显示装置用于显示距离信息和电梯门运行状态。报警装置采用蜂鸣器和发光二极管,用于警示乘客及通知电梯工作人员故障信息。同时,应用LabVIEW软件实现单片机与计算机的串口通信,可以在监控室中对电梯门系统进行故障监控[6-7]。

超声测距传感器结构简单,体积小,信号稳定,成本低。超声测距技术抗干扰能力强,响应时间短,能够实时控制,在精度方面也能达到要求,因此采用超声测距技术对整个电梯门系统进行实时监控。

由于每一楼层的电梯门故障预警系统工作原理都相同,因此笔者以高层建筑电梯进行原型设计,通过对每一楼层的实时监控,实现对整栋楼层电梯运行状态的监控与预警,以便工作人员及早发现故障,采取维修措施。

电梯轿厢各部件如图1所示。超声测距模块B1和B2分别对应轿厢正常停留时轿厢背面中线的电梯井后壁面上下拐角,检测前方空间的距离,用于判断轿厢落位及层门开闭情况。超声测距模块B3和B4分别设置在轿厢门的左侧和右侧,靠近中线附近对称分布,检测前方空间的距离,用于判断轿厢门开闭情况。电梯门故障预警控制系统结构如图2所示。

电梯运行过程中,单片机接收四个超声测距模块检测到的距离信息,并将接收到的四路距离信息与距离A、距离B和两处距离C进行综合对比,将轿厢半落位、轿厢门意外开启、层门意外开启等故障信息发送至显示器,在上位机中显示,启动报警装置,使蜂鸣器响起,并使发光二极管亮起预警。

▲图1 电梯轿厢部件示意图

▲图2 电梯门故障预警控制系统结构

单片机将中央处理器、多种存储器、多种输入输出口集成在一块硅片上,具有中断、定时器、计数器功能,是一个智能的数字控制集成电路芯片。笔者采用STC90C516RD+型单片机,工作电压为3.3~5.5 V,包含数据采集和控制等所需的单元模块,抗静电、抗干扰能力强,运算快,可靠性高,能够满足实际需求[8]。

3 超声测距电路

超声测距模块是一种将电能转换为所需频率超声波能量或者将超声波能量转换为同频率电信号的电气装置。电梯在运行过程中,超声测距模块发射探头向介质发射超声波,内部计时器会在瞬间开始计时。超声波在介质中传播,遇到目标障碍物后沿原路反射。接收探头接收到反射波后,经过内部电路的滤波放大处理转换为电压信号。单片机接收到电压信号后,计时器立即结束计时,由此得到发射超声波与接收回波之间的时间差 Δt。

超声波速度与介质密度及弹性常数有关。空气介质受到温度、湿度、压力的影响会热胀冷缩,导致空气密度变化,进而影响波速,其中温度对超声波波速的影响最大[9]。根据研究表明,空气温度T对超声波波速v影响作用的关联式为:

结合超声波波速,目标点到发射端的距离L为:

超声波发射电路使用MAX232芯片来驱动超声换能器发射超声波。MAX232芯片由双路电荷泵电压转换器、RS-232发送器、RS-232接收器及电能控制输入四个部分组成。单片机的16位定时器T1IN和T2IN输出两路互补、占空比为50%的脉冲宽度调制信号,通过MAX232芯片得到放大后的两路输出信号,分别加在超声换能器的两极上,得到幅值约为18 V、频率为40 kHz的方波信号。通过这种方式可以有效降低超声波发射电路对接收电路的干扰,同时降低功耗[10]。超声波发射电路如图3所示。

超声波接收电路使用LMC6034IM集成芯片驱动超声换能器,引脚4接电源,引脚11接地。在该芯片周围连接了多种电阻和电容,一共组成四个运算放大电路。芯片引脚1、2、3及外围电阻与电容组成第一路运算放大器,引脚5、6、7及外围电阻与电容组成第二路运算放大器,引脚8、9、10及外围电阻与电容组成第三路运算放大器,引脚12、13、14及外围电阻与电容组成第四路运算放大器。超声波接收电路如图4所示[11]。

▲图3 超声波发射电路

▲图4 超声波接收电路

4 系统试验

在电梯门故障预警系统原型设计中,单片机作为控制核心,温度检测模块用于检测温度信息,四个超声测距模块用于检测距离信息,采用液晶显示器显示温度、速度、距离和故障情况,蜂鸣器和发光二极管灯用于表征三种电梯门系统故障及正常运行。

在电梯运行时,超声测距模块B1、B2、B3、B4对前方电梯门和轿厢的距离进行实时检测,并将检测到的距离信息 S1、S2、S3、S4发送至单片机。 假设电梯井后壁面至轿厢的水平距离A为50 cm,轿厢内壁面至轿厢门的水平距离B为150 cm,电梯井后壁面至层门的两处水平距离C为250 cm,将这四路距离值与S1~S4进行对比。根据对比结果,判断轿厢和层门是否出现故障。当对比结果表示电梯出现故障时,单片机控制蜂鸣器响起,对应红色发光二极管灯亮起,提示电梯门故障信息。预警系统试验情况见表1。

预警系统中共有三个红色发光二极管灯。当显示信息为F1时,电梯故障内容为轿厢完全未到达目标层门,且层门故障开启,红色L1亮,蜂鸣器响。当显示信息为F2时,电梯故障内容为轿厢半落位目标层门,且层门故障开启,红色L2亮,蜂鸣器响。当显示信息为F3时,电梯故障内容为轿厢半落位目标楼层,且轿厢门故障开启,红色L3亮,蜂鸣器响。当预警系统显示信息为SAFE时,绿色发光二极管灯亮,电梯处于正常运行状态。

5 结束语

笔者从防止电梯踏空坠落事故出发,基于单片机设计了电梯门故障预警系统,在测距手段上采用基于温度补偿的超声测距方法。

表1 预警系统试验情况

在电梯运行时,电梯门故障预警系统可以实时进行距离测量,有效监测电梯门系统的故障及轿厢落位情况。

另外,这一预警系统独立于电梯内部控制系统,通过外部距离监测实现对电梯的感应,可对每个楼层的电梯门系统进行独立监控。

虽然笔者针对双扇门中分开启方式电梯设计电梯门故障预警系统,但经少许变更,也可广泛应用于左分门、右分门、旁开门等类型。这一预警系统具有应用领域广泛、可推广性强、设计简洁、造价低廉、工作可靠等优点。