電梯門廂故障報警系統(tǒng)的設(shè)計與可靠性分析

華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640

1 研究背景

目前，國內(nèi)外對于電梯故障檢測技術(shù)的研究主要集中在電梯平層控制系統(tǒng)[1]、電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及電梯故障診斷方法等方面。國外大型電梯公司基本上都開發(fā)了適用于自身產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[2]，如日本三菱公司開發(fā)了對電梯群進(jìn)行綜合監(jiān)控的 SMOS-Ⅱ系統(tǒng)，美國奧的斯公司開發(fā)了具有分級報警功能的REMS監(jiān)控系統(tǒng)。放眼國內(nèi)，馬然等[3]分析了影響電梯平層精度的影響因素，并用CompactLogix系列控制器試驗證明了采用脈沖計數(shù)方式可以提升高層建筑電梯的平層精度。張汝成等[4]通過變采樣周期計算，生成了電梯運行S形速度曲線，滿足了電梯舒適度和精確平層要求。在電梯的平層過程中，用增量式光電編碼器與軟件計算相結(jié)合的方式，通過相對計數(shù)法[5]實時測量轎廂的位置，可以使電梯在減速和停靠時更加平穩(wěn)和精確。

筆者著眼于研究電梯門系統(tǒng)和轎廂系統(tǒng)這兩個故障發(fā)生相對頻繁的部位，根據(jù)電梯門和轎廂的運動特點，設(shè)計電梯門廂故障報警系統(tǒng)，針對門和轎廂進(jìn)行事故防范，有效改善電梯故障檢測的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)采用可編程序控制器（PLC），能對采集到的信息進(jìn)行邏輯運算和故障診斷，并將PLC控制技術(shù)[6]與電梯故障報警技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電梯安全事故預(yù)警，為電梯故障檢測提供一種解決方案。

2 電梯門廂故障報警系統(tǒng)

由于電梯門廂故障報警系統(tǒng)在每個樓層的工作原理都相同，因此筆者僅以一層樓的故障報警系統(tǒng)為例進(jìn)行原型設(shè)計。系統(tǒng)采用接近開關(guān)作為位置傳感器，對轎廂、層門和轎門的狀態(tài)進(jìn)行檢測，由于轎廂有上檢測位和下檢測位，且層門和轎門均由左右兩扇門組成，因此一層樓需要設(shè)置六個接近開關(guān)，安裝位置如圖1所示。J0、J1用于檢測轎廂位置，J2、J3用于檢測層門開啟狀態(tài)，J4、J5用于檢測轎門開啟狀態(tài)。每個接近開關(guān)有“0”和“1”兩種狀態(tài)，“0”代表接近開關(guān)處于斷開狀態(tài)，“1”代表接近開關(guān)處于接通狀態(tài)。對于轎廂檢測開關(guān)而言，“0”狀態(tài)表示轎廂失位，“1”狀態(tài)表示轎廂到位。對于層門和轎門而言，“0”狀態(tài)表示門關(guān)閉，“1”狀態(tài)表示門開啟。

系統(tǒng)通過接近開關(guān)的狀態(tài)判斷電梯運行是否有異常，因此需要對不同部位接近開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行組合和分類。若轎廂沒有在目標(biāo)樓層?？?，此時層門意外開啟，則無論轎門是否打開，都必須報警。同理，若轎廂在目標(biāo)樓層準(zhǔn)確?？浚藭r轎門沒有開啟，則無論層門是否打開，也都必須報警。也就是說，層門和轎門只要有一個部位發(fā)生故障，就要報警，無需同時發(fā)生。可見，需要分別對轎廂和層門、轎廂和轎門的狀態(tài)進(jìn)行研究，以確定實施報警的狀態(tài)組合。

▲圖1 接近開關(guān)安裝示意圖

所設(shè)計的系統(tǒng)對轎廂和層門、轎廂和轎門的狀態(tài)組合實施報警，在電梯運行過程中，一旦出現(xiàn)故障，立刻發(fā)出聲光報警信號。在整個工作過程中，系統(tǒng)利用接近開關(guān)采集轎廂、層門和轎門的位置信號，PLC對接收到的開關(guān)量信號進(jìn)行處理，并根據(jù)程序所賦予的邏輯功能驅(qū)動報警設(shè)備執(zhí)行報警?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在監(jiān)控室和每個樓層現(xiàn)場均配置報警設(shè)備，某層樓只要出現(xiàn)表1和表2中所列的狀態(tài)組合，該樓層現(xiàn)場的指示燈和警鈴就將發(fā)出報警信號。針對轎廂和層門、轎廂和轎門這兩種不同的故障類型，分別設(shè)置指示燈L1和L2。故障出現(xiàn)，則對應(yīng)的指示燈開始閃爍報警，警鈴R1同時發(fā)出鈴聲報警，聲光報警持續(xù)10 s后自動停止。監(jiān)控室也設(shè)置若干指示燈，分別對應(yīng)不同的樓層，為監(jiān)控人員提供電梯故障信息。當(dāng)某層樓出現(xiàn)故障時，所對應(yīng)的遠(yuǎn)程指示燈L3亮起，故障狀態(tài)保持常亮，故障排除時自動熄滅。當(dāng)轎廂出現(xiàn)平層故障，且最后轎廂所處位置跨越兩個樓層時，視為兩個樓層均出現(xiàn)平層故障，此時兩個樓層均會發(fā)出報警信號。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

表1 轎廂和層門報警狀態(tài)真值表

表2 轎廂和轎門報警狀態(tài)真值表

3 控制電路可靠性分析

針對所設(shè)計的故障報警系統(tǒng)，為檢驗其可靠性，需進(jìn)行控制電路可靠性分析[7]。基于指標(biāo)分配的可靠性分析是利用可靠性分配的方法確定單元或元件重要度的過程，按照產(chǎn)品所要達(dá)到的可靠性目標(biāo)，將指標(biāo)以一定原則自上而下分配給設(shè)備、單元、元器件等子結(jié)構(gòu)。對于由n個單元組成的系統(tǒng)Rs，進(jìn)行可靠性分配的實質(zhì)相當(dāng)于求解不等式：

式中：Rs*為系統(tǒng)期望的可靠度；gs為系統(tǒng)組成中的可靠性系統(tǒng)；gs*為可靠性分配的約束條件。

▲圖3 系統(tǒng)控制流程

若在可靠性分配時沒有來自使用方或采購方的約束條件，則不等式將有任意多解?？紤]成本、質(zhì)量、體積和功耗等約束條件之后，可靠性分配結(jié)果將是唯一的。

目前已經(jīng)開發(fā)了多種可靠性分配方法，如等分配法、再分配法、評分分配法、AGREE法和層次分析法等，隨著分配模型和算法的不斷優(yōu)化，融合現(xiàn)代計算機技術(shù)的可靠性分配方法也在不斷增加。根據(jù)所掌握的系統(tǒng)電路信息，筆者選取AGREE法對指標(biāo)進(jìn)行分配。

AGREE法是以單元重要性和復(fù)雜性等可靠性影響因素為依據(jù)的分配方法，若Rs是由n個單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)，這些單元可能包含其它更小的單元，單元i的重要性即為單元i失效導(dǎo)致系統(tǒng)失效的概率，用重要性因子wi表示：

式中：Ns為單元失效引發(fā)系統(tǒng)失效的次數(shù)；ri為單元失效的次數(shù)。

由式（2）可知，重要性因子的取值范圍為 0＜wi≤1，wi的大小是單元i對系統(tǒng)可靠工作影響大小的直觀反映。當(dāng)wi=1時，單元i失效一定會導(dǎo)致系統(tǒng)失效。單元的復(fù)雜性主要由基本組件數(shù)決定，為該單元基本組件數(shù)占系統(tǒng)總組件數(shù)的比例，用復(fù)雜度ci表示：

式中：Ni為單元的元器件數(shù)量；N為系統(tǒng)的元器件數(shù)量。

綜合考慮單元重要性和復(fù)雜性，得到單元可靠性分配值為：

式中：Ri*為模塊i分配到的可靠性。

在用AGREE法對系統(tǒng)電路進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配之前，必須先將系統(tǒng)電路劃分為不同的單元。系統(tǒng)工作過程中，接近開關(guān)將外部位置信息以開關(guān)量的形式傳送給PLC，PLC對信息進(jìn)行處理后再驅(qū)動報警設(shè)備執(zhí)行報警[8]。PLC內(nèi)部的輸入電路、主控芯片和輸出電路使外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備之間實現(xiàn)信息交流，發(fā)揮了重要的作用。接近開關(guān)和輸入電路完成信號采集功能，主控芯片承擔(dān)邏輯運算和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，輸出電路和報警設(shè)備完成信號輸出和報警功能，整個工作過程的順利進(jìn)行由PLC內(nèi)部電源子系統(tǒng)提供工作電壓。為此，可將報警系統(tǒng)電路按功能不同劃分為四個模塊，即輸入模塊、中央處理器（CPU）模塊、輸出模塊和電源模塊，組成如圖4所示。

▲圖4 報警系統(tǒng)電路組成

系統(tǒng)電路中四個模塊可以看作是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，任一模塊失效都會導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此重要性因子wi均取1。假設(shè)電梯門廂故障報警系統(tǒng)的使用方要求系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Rs*=0.9，將這一系統(tǒng)可靠性自上而下分配給輸入模塊、CPU模塊、輸出模塊和電源模塊，根據(jù)式（3）和式（4）計算得到可靠性分配結(jié)果，見表3。

表3 可靠性分配結(jié)果

從表3中可以看出，系統(tǒng)對CPU模塊的可靠性要求最高，說明該模塊對于系統(tǒng)預(yù)定功能的實現(xiàn)至關(guān)重要，這與實際應(yīng)用情況是相符的。如果系統(tǒng)最后交付使用時各模塊實際可靠性與分配的可靠性值相等，那么由于輸入模塊可靠度最低，該模塊將成為最易導(dǎo)致系統(tǒng)失效的薄弱環(huán)節(jié)，是后續(xù)可靠性設(shè)計的重點，也將會重點影響報警系統(tǒng)監(jiān)控的實現(xiàn)。

4 五層電梯報警系統(tǒng)監(jiān)控

現(xiàn)實生活中，在故障報警系統(tǒng)的使用現(xiàn)場無法做到時刻都有人值守，采取遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式對電梯門廂故障報警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，能夠有效節(jié)省人力和促進(jìn)信息流，對產(chǎn)品的普及和推廣具有重要意義。

三 菱 Q系 列 Q03UDECPU、Q04UDVCPU、Q04UDEHCPU 等多款PLC自帶以太網(wǎng)接口，可以利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)PLC控制現(xiàn)場與監(jiān)控終端的通信。建立以太網(wǎng)通信時，只需對GX-Developer編程軟件中的MESECNET/以太網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時相應(yīng)地在監(jiān)控終端中完成設(shè)備配置即可[9]。電梯現(xiàn)場PLC發(fā)出的電信號經(jīng)過交換機轉(zhuǎn)換為光信號，再通過光纖傳送至監(jiān)控中心，由終端工控機采集并顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

▲圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計了電梯門廂事故報警系統(tǒng)，對控制電路進(jìn)行了可靠性分析[10]。這一報警系統(tǒng)能有效降低電梯門廂事故發(fā)生率，提高電梯安全性能，并且由監(jiān)控系統(tǒng)長期記錄數(shù)據(jù)，可以使門廂事故信息更加全面和直觀，有利于監(jiān)控人員掌握報警系統(tǒng)的長期運行情況，具有很強的實用價值。