改進小波閾值算法在電梯電氣故障診斷中應用研究

王燕

摘 要：針對電梯中電氣故障易發(fā)，排除難度大，且線路長，干擾因素大等特點。提出了一種改進小波閾值的電梯電氣故障檢測方法，并運用于實際檢測中。結果表明，該檢測方法能很好的濾除電氣故障信號的各種干擾，實現(xiàn)電氣故障的智能監(jiān)測，將人們從繁雜危險的電梯故障中解放出來，保證電梯平穩(wěn)運行，也保證維修人員生命安全。

關鍵詞：小波閾值;電梯;故障診斷

文章編號：2095-4085（2020）04-0091-04

引言

隨著國民經濟的發(fā)展和科學技術水平的提高，人們對住宅的設備質量問題越來越重視。隨著舊樓改造和加裝電梯工程的實施，電梯的使用數量愈發(fā)增多，為人民群眾的生活帶來了極大的便捷。但在電梯系統(tǒng)運行過程中，其附屬的電氣控制系統(tǒng)時常受到各類因素干擾而出現(xiàn)運行故障問題，并引發(fā)電梯異常制動、滑梯等運行問題的出現(xiàn)，造成嚴重的經濟損失、人員傷亡與消極影響。同時，隨著電梯數量，電梯維修數量也逐漸增多，導致電梯行業(yè)維修及排故人員嚴重不足。針對這一情況，有關部門迫切希望運用新型的智能方法監(jiān)測電梯故障，減少人工數量。針對于此，本文對小波閾值診斷方法進行了深度研究，提出了電梯故障診斷的信息方法。結果表明，該方法能智能監(jiān)測出電梯電氣故障。

1 電梯常見電氣故障及排除方法

1.1 變頻器故障

變頻器主要用于控制電機的轉向和速度，電梯的上行與下降，電梯運行過程中的速度都由變頻器完成。變頻器輸入接三相電源，輸出接三相異步電動機，即電梯中的曳引機。若電梯中出現(xiàn)噪聲較大，加速、減速不穩(wěn)定，電梯不平層等現(xiàn)象，多半是變頻器出現(xiàn)了故障。針對此種現(xiàn)象，首先，檢查變頻器參數，其次，對變頻器硬件電路進行檢查，最后，檢查變頻器。

1.2 曳引機故障

曳引機實質是電機，主要作為電梯的動力裝置，輸出和傳遞動力。從硬件構造上來看，它包括了制動器，減速箱，電動機，聯(lián)軸器等。如果電梯出現(xiàn)如下幾種現(xiàn)象：大幅的震動、制動器噪音明顯、電機或制動體線圈溫度異常過高等，就要考慮是否為曳引機故障。針對這種故障現(xiàn)象，首先檢查曳引機的機械傳動結構，其次檢查曳引機的硬件電路，最后檢查電機的內部結構。

1.3 安全回路故障

安全回路在電梯安全運行中起著至關緊要的作用，其中，上、下限位開關和上、下極限開關的主要作用是確保電梯在特定的距離內運行，不會超過安全范圍。當發(fā)電梯蹲底或則沖頂時，通過幾種開關給出的信號，運用一定的安全回路，程序或者控制算法將其斷開。為了安全起見，這些開關通常是接近開關，通過觸碰轎廂擋板來實現(xiàn)開關閉合和信號的傳送，安全回路故障現(xiàn)象有門開關異常、上下極限失效、急停開關失效、主接觸器故障等。

1.4 門機故障

此類故障主要有：電梯門無法自動開啟或關閉、基站鑰匙開關無法開啟、關門夾人、電梯門打開程度不夠、轎廂開關噪聲明顯、電梯門無法徹底關閉等。針對門機故障，首先檢查門機光幕是否正常，其次檢查門機的電路是否正常，最后檢查門機的安裝是否正常。

1.5 控制主板故障

電梯控制主板相當于人的大腦，當其異常的時候，會導致運行過程出現(xiàn)異常，邏輯混亂，未能實現(xiàn)正常的控制要求，甚至電梯停止運行或者出現(xiàn)更大的安全事故。經驗表明，電梯的主板故障大多數是硬件故障，主要表現(xiàn)為接口接觸不良，接口老化，抗干擾能力降低以及器件功能損壞。針對這種情況，主要通過檢查線路硬件電路來排除。

1.6 電源故障

電梯的動力源主要是電能，電梯中提供的電源形式主要有三種，220V交流電，110V交流電和24V直流電。若電源出現(xiàn)過電流，過電壓，欠電壓等故障，就會引起電動機溫度過高、制動器線圈溫度過高等現(xiàn)象，若整流電路出現(xiàn)故障，就會出現(xiàn)無直流源輸出，控制信號無法輸出，電梯癱瘓等現(xiàn)象。

2 電梯故障常見的診斷方法及注意事項

電阻測量診斷法。在電梯工作時，整個系統(tǒng)所需的內能，來自電阻，它能夠將電流轉化為內能。如果電阻因為外部因素而受損，或者是無法正常的運行，就會導致整個電氣控制線路出現(xiàn)故障，進而導致多種問題。顯然，這一系列故障的根源在于電阻的異常，所以需要對電阻元件進行測量和診斷。具體的操作方法是，切斷電氣控制系統(tǒng)的電源，然后測量電阻值，若測量結果和預計數值明顯不一致，證明電阻元件產生了故障，采取有效的措施予以維修，或者是更換電阻后，故障消失。

系統(tǒng)全面診斷法。隨著經濟的發(fā)展和房地產行業(yè)的興盛，電梯產品需求日益旺盛，電梯產量不斷攀升。電梯是一種特殊的商品，其規(guī)格型號、結構多種多樣，通常需要結合建筑的結構、運載需求等進行設計。在出現(xiàn)故障事件后，維修人員首先應該對整個電氣控制系統(tǒng)予以全方位的檢查和分析， 兼顧發(fā)生故障后出現(xiàn)的外部事件，將故障源限定在一定的范圍內，再進行進一步的分析和檢測，這樣就能夠快速定位故障源。

程序故障診斷法。統(tǒng)計數據表明，在現(xiàn)實中，大部分的電梯故障都屬于停運故障。導致此類故障的原因在于：電氣控制系統(tǒng)軟件在運行過程中崩潰，或者是運算邏輯出現(xiàn)錯亂等。如果發(fā)生此類問題，維修人員應該對控制系統(tǒng)軟件部分予以檢測和診斷，以更快的找到故障位置并予以修復。

元件故障排查診斷法。有些電氣控制系統(tǒng)故障不會表現(xiàn)出任何的外部癥狀，導致上述幾種診斷方法全部失效。在這種情況下應該應用元件故障排查診斷法，具體的操作原理是：更換每個系統(tǒng)包含的電子元件，每次更換后，檢查故障是否被解決，如果故障消失，證明剛更換的元件即為故障源。為了提高該方法的診斷效率，可以結合之前的經驗，確定各個元件的故障率，然后按照故障率從高到低的順序進行更換和診斷。

電勢測量診斷法。在電梯電氣控制系統(tǒng)處于通電運行狀態(tài)時，運用復用表設備，測量電氣控制系統(tǒng)包含的各個電子元件的電勢，如果檢測結果和正常情況下的電勢明顯不一致，則表明這一元件出現(xiàn)運行故障。這一故障診斷法與上述元件故障排查診斷法同理。維修人員均需要構建優(yōu)先級機制，優(yōu)先對故障率較高的電子元件開展電勢測量作業(yè)。

在電梯系統(tǒng)運行時，為了在最大程度上保障其安全，需要安裝各種安全部件，利用安全回路，對安全部件的開關進行統(tǒng)一的控制，確保其能夠正常的運行，為整個電梯系統(tǒng)的安全提供有力的保障。如果安全回路裝置本身異常、電梯無法得電，就必須對安全回路和安全繼電器進行維修。當然，在維修之前必須對相關的電路、部件和元件進行診斷，找到故障源。

如果通過初步診斷將故障限定為門系統(tǒng)連鎖回路，此時應將電氣控制系統(tǒng)切換到停運模式下，然后再進行診斷和檢查，防止在工作時因外部因素的存在而導致電梯門不受控的開啟或關閉。在系統(tǒng)停運的情況下，還需對機械和電氣進行全面的檢查，以更快的找到故障之所在。

如果在電氣控制系統(tǒng)工作時，因電磁干擾等因素導致異常狀況。此時，維修人員應該根據具體的情況，采取有效的措施，去除系統(tǒng)中存在的電磁能干擾源。一般情況下，縮減控制板線路就能夠有效的消除電磁干擾，維修人員根據具體情況，選擇適配性最高的方法，就能夠有效的排除故障。

若經過初步的診斷確定故障出現(xiàn)在接觸器、繼電器上，通常情況下導致此類故障的原因是短路。所以，維修人員首先應該檢查兩種設備是否出現(xiàn)了短路故障，如果是，再采取針對性的措施予以解決。成功的消除故障后，對兩種設備的屬性、運行模式進行分析是何有必要的，然后據此合理的設定設備檢查維修作業(yè)的頻率，以便盡早的發(fā)現(xiàn)故障隱患。

3 小波變換在故障診斷中應用

3.1 電梯故障現(xiàn)象的歸一化建模

對于故障診斷系統(tǒng)中，不同采集參數有著明顯的差距，且其量綱往往是不統(tǒng)一的，這意味著參數的統(tǒng)一操作是不可行的。針對這一問題，有必要對其予以規(guī)范化處理，然后輸入到神經網絡中完成后續(xù)的診斷工作，在實現(xiàn)更高網絡效率的同時，大幅縮短訓練時間?！耙?guī)范化”的本質，是對各項參數予以無量綱處理，為了實現(xiàn)最佳的效果，通常是利用特定的函數，把參數轉化到[-1，1]區(qū)間內。在這里，筆者通過模糊化的方式對數據進行預處理，將作為輸入量的特征分量 1 2 3 14X x ， x ， x ...， x映射成論域上各模糊子集的各模糊子集的隸屬度。 如此一來，能夠實現(xiàn)兩方面的效果：其一，神經網絡的輸入數據實現(xiàn)了規(guī)范化;其二，電梯控制系統(tǒng)數據采集并非同時進行的，各項參數的采集周期也并不一致，所以是做不到數據的實時采集的。對神經網絡輸入數據予以模糊化處理，能夠在最大程度上降低非實時采集數據造成的負面影響。

所以，在仿真模擬的過程中，用脈沖波替代，其正負方向是隨機變化的，幅值同樣隨機分布，但不超過-1.0V～+1.0V范圍。脈沖信號詳見圖1。

3.2 小波變換的故障診斷

在電氣設備無異常的情況下，其電磁信號非常平穩(wěn)，一旦發(fā)生故障，就會出現(xiàn)奇異點。 按照小波變換理論，對奇異信號予以多辨率分析，基于各種尺度分解信號，揭示出原始信號的組成。經過分析確定故障信號，進行動態(tài)監(jiān)視，最終識別出故障。在信號突變的情況下，小波變換后系數為其模的極大值，所以只需檢測小波系數的極大值，就能夠找到信號的間斷點，在此基礎上完成故障信息的分析。如果原信號中包含了噪聲，此時應用小波變換方法，除了能夠確定存在間斷點，還可以找到其具體的位置，主要分為以下幾步。

（1）消除噪聲

不同尺寸的小波變化

（1）小波分析

（2）故障診斷

3.3 小波閾值去噪的實現(xiàn)

根據前文的分析，對于分解后的各層信號，筆者充分的結合其特點，基于差異性的閾值予以處理，以爭取在最大程度上消除噪聲。詳細的處理流程為[1，3]：結合具體情況確定一個分解層數j，對j+1以及更高層，所有系數保留;（2）對第i層（1≤i≤j），保留絕對值最大的ni個系數，ni的計算公式如下。

ni= M（j+2-i）a。（1）

這里面，M和a為經驗系數，在默認情況下有M= L（1），即第一層分解后系數的長度。一般而言，M符合L（1）≤M≤2L（1）這一條件，在降噪時，通常取a=3。

（2） 小波基的選取[4-7]，在這一環(huán)節(jié)，必須將小波函數的正交性，緊支性與衰減性，對稱性，正則性，消失矩等因素納入到考慮范圍中來。基于此，筆者決定以Daubechies（dbN）小波系作為小波基。dbN是非對稱的，且不存在明確的表達式，但轉換函數h的平方模是很明確的。db小波族的支集長度和濾波器長度將近為2N，消失矩為N，充分證明，該序列的小波在擴展性方面表現(xiàn)良好，能夠在一定程度上緩解增加支集長度所導致的邊界問題。

（3）如果是雜散電流，分解層數太高會造成邊緣信息丟失的結果，層數太少會影響到去噪效果，經過多次的仿真實驗后，最后決定采用5層。

（4） 小波閾值去噪方案的MATLAB驗證[8-10]如下。

基于電梯運行環(huán)境，筆者采用-5V～+5V范圍內的高頻噪聲信號，對現(xiàn)實中的各種噪聲進行模擬。

對圖2進行分析可知，雜散電流信號被噪聲信號徹底覆蓋。此時需要進行小波閾值處理，以消除噪聲信號。利用MATLAB仿真過程詳見圖4。

對比圖2，3可知，運用小波閾值方法后，大多數噪聲成分被消除，從而完整的呈現(xiàn)出電氣電流信號。

4 結 論

運用db5小波進行分解，最小值設置為10，步長設置為200，最大值設置為600。對通過MATLAB的仿真實驗結果如圖4所示我們可以看出，在分解后的細節(jié)系數中存在比較窄的區(qū)域，也就是涉及到一個模的極大值很高的系數，按照其檢測原理能夠確定， 信號在這一區(qū)域中出現(xiàn)了間斷點。結果表明，小波閾值方法能夠很好的檢測出電梯電氣故障并在去噪方面有很好的效果，為電梯的電氣故障的準確檢測提供了保障，為為電梯電氣故障遠程監(jiān)控打下基礎。

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