一種電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

霍覽宇 陳杰金

摘 要：本文提出一種電梯主動(dòng)安全的設(shè)計(jì)方案，設(shè)置相應(yīng)傳感器裝置，檢測(cè)電梯的曳引張力、加速度或速度、安全回路元件狀態(tài)、平衡系數(shù)、額定載重、運(yùn)行速度等電梯相關(guān)信息，通過基于專家控制器的人工智能算法，以電梯運(yùn)行時(shí)參數(shù)變化規(guī)律、安全隱患的預(yù)處理經(jīng)驗(yàn)等為控制規(guī)則集，實(shí)時(shí)檢測(cè)并判斷電梯安全隱患，通過人機(jī)交互接口請(qǐng)求和指導(dǎo)人工干預(yù)，從而構(gòu)建電梯的主動(dòng)安全系統(tǒng)，提升電梯的安全性。

關(guān)鍵詞：電梯;主動(dòng)安全;專家控制器

一、電梯主動(dòng)安全性的提出

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的加快，以高層建筑為主的現(xiàn)代建筑中電梯是主要運(yùn)輸設(shè)備。作為載人的特種運(yùn)輸設(shè)備，電梯不僅要有良好的舒適性和高效性，更要有極高的可靠性。隨著近些年來，電梯裝機(jī)數(shù)量急劇增加，電梯事故時(shí)有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)運(yùn)行5到10年的電梯，每年平均發(fā)生沖頂、夾人等重大事故是3.3次，發(fā)生一般故障是36.5次，電梯事故率占到了特種設(shè)備事故率的21%，因此電梯的安全問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

雖然電梯有很高的安全保障措施，如超速可以通過安全鉗保護(hù)，速度可以由曳引機(jī)編碼器檢測(cè)，門鎖、限位等可以通過電氣觸點(diǎn)檢測(cè)，依托安全回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)人身和設(shè)備保護(hù)。但如果安全元件失效或作用后，造成的電梯安全問題則無法保障。比如曳引輪槽磨損等原因造成曳引張力變化，使得電梯打滑，曳引機(jī)編碼器數(shù)據(jù)失效;維保時(shí)由于電梯門鎖短接，電梯無法識(shí)別安全元件，造成剪切事故;安全開關(guān)失效造成蹲底和沖頂事故;超速時(shí)安全鉗動(dòng)作，電梯中途停車造成困人事故等。電梯的安全不是新問題，國(guó)內(nèi)外很多專家和企業(yè)都針對(duì)電梯的安全性進(jìn)行了研究。主要集中在電梯遠(yuǎn)程故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)研究，電梯檢驗(yàn)檢測(cè)方法研究，電梯安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管理等機(jī)制研究，安全鉗、制動(dòng)器、門機(jī)等電梯安全部件的改進(jìn)研究。如當(dāng)前很多企業(yè)正在利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術(shù)的開展研究電梯故障預(yù)警遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的研究，取得很多實(shí)際的應(yīng)用。

縱觀電梯安全性的研究現(xiàn)狀，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷技術(shù)研究較多，但是由于涉及異種通信融合的壁壘，突破起來困難較大。對(duì)于知名電梯企業(yè)由于限于自身的產(chǎn)品和專利保護(hù)，研究成果的通用性不足;電梯安全部件和檢驗(yàn)方法等的研究，雖然有助于提升電梯公司的產(chǎn)品質(zhì)量和檢測(cè)水平，但是目前電梯產(chǎn)品已經(jīng)很成熟，因此顯著提升電梯安全性的可能性也不大;安全風(fēng)險(xiǎn)和管理機(jī)制的研究，雖然能夠改善目前國(guó)內(nèi)電梯設(shè)備監(jiān)管、維保領(lǐng)域的管理水平，間接提升電梯的安全性，但是對(duì)電梯本身安全性而言意義不大。

要進(jìn)一步提升電梯的安全保障，本文提出電梯的“主動(dòng)安全”研究?！爸鲃?dòng)安全”主要應(yīng)用在汽車安全領(lǐng)域，主動(dòng)安全能在交通事故發(fā)生前主動(dòng)介入控制，避免或減小事故損失。作為建筑內(nèi)的主要交通工具，電梯的“主動(dòng)安全”研究還處在萌芽狀態(tài)。因此本文提出電梯主動(dòng)安全性研究，突破電梯安全性研究瓶頸。

二、電梯主動(dòng)安全要解決的問題

本文提出利用智能檢測(cè)技術(shù)，通過專家控制器的診斷方法，增強(qiáng)電梯自我檢測(cè)、自我診斷、自我處理的能力，提高電梯本身的主動(dòng)安全性。本文提出基于專家控制器的智能主動(dòng)安全系統(tǒng)，就是研究一種獨(dú)立的安全回路，在電梯安全回路正常時(shí)可以作為一種安全冗余措施，并能主動(dòng)檢測(cè)電梯安全回路的有效性;在電梯安全回路異常時(shí)，能夠起到安全保護(hù)作用。

三、電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的探析

本項(xiàng)目研究的是基于專家控制器的人工智能算法的電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)，以曳引張力、加速度/速度、安全回路元件狀態(tài)等實(shí)時(shí)檢測(cè)信息和平衡系數(shù)、額定載重、運(yùn)行速度等電梯參數(shù)為知識(shí)庫(kù)，以電梯運(yùn)行時(shí)參數(shù)變化規(guī)律、安全隱患的處理經(jīng)驗(yàn)等為控制規(guī)則集，通過簡(jiǎn)潔有效的正向推理機(jī)算法，檢測(cè)電梯安全隱患，并通過人機(jī)交互接口請(qǐng)求和指導(dǎo)人工干預(yù)，從而預(yù)防電梯安全故障，控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)采用PLC控制器作為測(cè)控硬件平臺(tái)，由張力、速度、安全元件狀態(tài)檢測(cè)和控制器、人機(jī)接口組成，如圖2所示。安全控制器（PLC）根據(jù)傳感器檢測(cè)的信號(hào)送入進(jìn)行主動(dòng)安全判斷，并通過人機(jī)界面發(fā)處報(bào)警和確認(rèn)，必要情況下會(huì)控制電梯主控器進(jìn)行相關(guān)操作。

電梯張力和速度的檢測(cè)可通過張力輪實(shí)現(xiàn)。張力的檢測(cè)通過電梯導(dǎo)向輪，加裝壓輪和編碼器及支撐機(jī)構(gòu)，通過壓力傳感器檢測(cè)曳引繩施加在壓輪上的徑向壓力進(jìn)而得到曳引繩的張力，如下圖3所示，通過檢測(cè)到的徑向壓力F間接檢測(cè)出電梯張力。速度的檢測(cè)在導(dǎo)向輪軸上面安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，可以直接檢測(cè)轉(zhuǎn)速，再根據(jù)導(dǎo)向輪直徑測(cè)算出電梯運(yùn)行速度、加速度等信息。這兩種信號(hào)通過電梯導(dǎo)向輪檢測(cè)，一般在機(jī)房與安全控制柜距離不遠(yuǎn)，相關(guān)器件采取導(dǎo)線直接連接到控制器。

電梯安全元件和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控設(shè)計(jì)。由于安全鉗開關(guān)、門鎖開關(guān)、相序開關(guān)、轎廂稱重開關(guān)、門機(jī)開關(guān)及限位等通過由于分布在電梯及井道的各處，主要通過在這些開關(guān)器件旁邊設(shè)置無線發(fā)射模塊，用于記錄其開關(guān)頻次和時(shí)間，送入安全控制柜。如根據(jù)一般使用情況設(shè)定門機(jī)開關(guān)、門鎖開關(guān)、限位開關(guān)接通次數(shù)，超過設(shè)定次數(shù)，發(fā)出報(bào)警，需要更換器件。轎廂稱重開關(guān)接通頻次過高需要提出報(bào)警，確定超載原因，并反饋到電梯維保單位和使用單位。所有信息送入西門子S7-300PLC，PLC通過專家控制器分析，產(chǎn)生安全結(jié)論通過網(wǎng)絡(luò)通信介入電梯控制器進(jìn)而控制電梯進(jìn)行安全處理;相關(guān)信息監(jiān)控和管理通過觸摸屏的用戶界面和管理界面實(shí)現(xiàn)。

2.電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

開發(fā)基于S7-300PLC的專家控制器程序。以S7-300PLC為核心，設(shè)置工作數(shù)據(jù)區(qū)DB塊，保存電梯實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)和電梯用戶參數(shù)等;設(shè)置電梯安全規(guī)則區(qū)DB塊，保存電梯安全概念、狀態(tài)、安全判斷規(guī)則等;設(shè)置通信數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)DB塊和接收DB塊，分別存儲(chǔ)推理機(jī)處理的結(jié)果和電梯主控制程序中速度、樓層等狀態(tài)信息;設(shè)置電梯安全推理機(jī)OB塊，利用SCL高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)專家控制編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯安全分析和判斷。

（1）以曳引張力、加速度/速度、安全回路元件狀態(tài)等實(shí)時(shí)檢測(cè)信息和平衡系數(shù)、額定載重、運(yùn)行速度等電梯參數(shù)，為知識(shí)庫(kù)，確定知識(shí)庫(kù)中知識(shí)和規(guī)則的表達(dá)方法，如將額定數(shù)據(jù)如速度、曳引力、載重等作為“事實(shí)”表達(dá)，將電梯實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)作為“證據(jù)”表達(dá)，根據(jù)電梯相關(guān)規(guī)范中電梯安全判斷的條件，基于“IF THEN”形式，表達(dá)電梯安全判斷“規(guī)則”;研究推理算法，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，正向推理的方式逐次判別推理的條件（事實(shí)、證據(jù)等），滿足則形成結(jié)論，不滿足則繼續(xù)搜索的方式，設(shè)計(jì)推理機(jī)程序。

（2）設(shè)計(jì)專家控制器對(duì)電梯控制程序的主動(dòng)安全干預(yù)算法。根據(jù)專家控制器的結(jié)論如“電梯超速、電梯打滑，安全元件動(dòng)作異?！钡葼顟B(tài)信號(hào)，設(shè)計(jì)邏輯處理程序，并入電梯變頻驅(qū)動(dòng)和門機(jī)驅(qū)動(dòng)等程序的觸發(fā)條件;或者作為安全條件并入電梯已有的超速保護(hù)、慢速運(yùn)行等觸發(fā)條件中，結(jié)合兩種方式研究主動(dòng)安全干預(yù)程序設(shè)計(jì)。

（3）開發(fā)基于觸摸屏的用戶界面和開發(fā)界面。基于觸摸屏組態(tài)技術(shù)，針對(duì)電梯物業(yè)管理、維保工程師等用戶設(shè)計(jì)安全狀態(tài)顯示、安全信息警告、安全處理操作引導(dǎo)、安全處理解釋、安全數(shù)據(jù)記錄和查詢等信息;針對(duì)安全系統(tǒng)工程師等管理員設(shè)計(jì)安全狀態(tài)、事實(shí)、概念、規(guī)則等知識(shí)庫(kù)的編輯修改。

（4）設(shè)計(jì)專家控制器與電梯控制程序的數(shù)據(jù)接口程序。設(shè)計(jì)專家控制器處理后的數(shù)據(jù)表達(dá)，形成處理結(jié)論數(shù)據(jù)包;研究電梯主控制程序中慢速自救、換乘?？?、重復(fù)開門等安全處理程序和觸發(fā)條件，將主動(dòng)安全系統(tǒng)的結(jié)論數(shù)據(jù)應(yīng)用到前述程序中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯控制的安全干預(yù);在電梯控制程序中增加共享數(shù)據(jù)程序，將速度、樓層、報(bào)警等狀態(tài)信息發(fā)送到主動(dòng)安全系統(tǒng)。

四、電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)小結(jié)

電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用在電梯生產(chǎn)制造、電梯改造、電梯維保、故障檢修等電梯生命周期的各環(huán)節(jié)，作為一種預(yù)防性的研究，能在故障前進(jìn)行預(yù)判和干預(yù)處理，避免人民生命財(cái)產(chǎn)損失，顯著提高安全性，具有非常明顯的研究意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]崔琪，基于數(shù)據(jù)融合的電梯故障診斷方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué).2014.

[2]艾鋒，基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯智能數(shù)據(jù)采集報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué).2015.

[3]曾憲權(quán).物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程電梯監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)測(cè)試.2015/02.

[4]Alexandru， Forrai， Takaharu， Ueda . Software Testing of Embedded Safety Loops[J].《Elevator world》2013/11.

[5]A.MutuY， PangJ.van， VlietG， Lodewijks. Methods for the Safety Integrity Determination of an Electric/Electronic/Programmable Electronic System[J].Elevator world.2013/3.

[6]劉金琨.智能控制（第3版）[M].電子工業(yè)出版社，北京，2014/1.

[7]李中興，薛濤，劉英杰，陳國(guó)華.平衡系數(shù)對(duì)電梯安全的影響及測(cè)試方法優(yōu)化[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào).2015/11.

[8]宋定宇.基于獨(dú)立回路構(gòu)造決策樹的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. ?2013/07.

項(xiàng)目基金：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目編號(hào)：16C0574。

（作者單位：湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）