電梯故障記錄儀系統設計

摘要：為了保證電梯安全運行，同時減少事故的發生，本文設計一種基于ARM的電梯故障實時記錄儀系統。整個系統以ARM微控制器為核心，以無線為信號傳輸介質，進行電梯信號的采集、傳輸、判斷和存儲，將相鄰信號進行對比，把故障信號顯示在LCD顯示屏上，同時存儲于FLASH中。系統主要由無線收發模塊、門系統信號采集模塊、屏控制系統信號采集模塊、井道設備系統信號采集模塊等構成。初步實驗表明，這些模塊在ARM芯片的控制下，基本實現對電梯運行狀態、故障及事故前各種數據的采集和記錄，具有及時顯示危險信號，提示電梯故障等功能，能有效保障電梯安全運行。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247464.htm

關鍵字：電梯故障記錄；S3C2440A；信號對比；無線傳輸

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.010

引言

目前我國許多電梯正處于老齡化階段，較老的電梯又缺少安全保障措施，沒有專門設備去記錄故障，而解決電梯故障大部分是依賴技術員不斷積累的經驗。當電梯故障時，維修人員往往不能第一時間趕到事故現場，很有可能造成救助不及時從而出現二次傷害；同時，乘梯人員對故障描述不清楚，也會延誤有效搶修時間。所以當前狀況急需對舊電梯進行故障識別和記錄。故提出電梯故障記錄儀，以檢測和記錄電梯各種故障，同時提示維保人員有效地對電梯進行維護，保障人員安全。

電梯故障記錄儀俗稱電梯黑匣子，主設備安裝于電梯機房內，信號采集裝置安放在電梯各個關鍵信號輸出位置，是一種能夠對電梯故障的時間、速度、樓層數、故障點以及其他狀態信息進行采集記錄的裝置。為了提高監控電梯故障的準確性和實時性，故障記錄系統通過獲取電梯中各關鍵終端的輸出信號，將信號傳遞至電梯“黑匣子”，迅速判斷并定位出故障位置，為檢測人員迅速找到故障部位，及時處理、排除故障提供了有效依據，對電梯故障進行自動判斷就顯得十分重要。

1 主要故障分析

通過調查電梯故障及總結得出，電梯故障主要分四類：門機構故障、控制屏故障、電梯供電電源故障和井道設備故障。所有電梯故障的產生最主要是由電梯門系統故障引起的。電梯門包括轎門和層門，是重要的安全防護設施。門系統故障的主要原因是電氣聯鎖接觸不良、開關門受阻、門開關運行頻繁、人為撞擊等。控制屏故障主要由電氣設備引起。主要包括：制動器非正常工作、線路板故障、中間繼電器和接觸器故障。電梯供電電源故障是因為電梯主機啟動電流為正常工作電流的3倍以上，啟動時會引起供電電壓的波動，極易導致電梯故障。井道設備故障主要是曳引鋼絲繩損壞的問題，這一直是制約電梯發展的關鍵因素[1]。

針對上述電梯故障，設計了電梯故障記錄系統，實時記錄電梯信號。當電梯出現即使是輕微或短暫的故障時，都能提示出預警信號，告之乘客該梯為危梯，以保障人員安全。

2 系統總體方案設計

為了提高電梯信號傳輸速度，本文設計的電梯黑匣子系統中MCU選用基于ARM920T內核的16/32位的RISC嵌入式微處理器S3C2440A芯片。同時為了信號傳輸的穩定性，選擇與該MCU相匹配的無線發射芯片nRF2401進行通信。系統其他模塊為故障信號采集模塊、數據存儲、通信接口電路、LCD顯示、鍵盤操作等。系統的硬件設計框圖如圖1所示。

系統通過各終端獲取輸出信號，對門系統信號、控制屏信號、井道設備控制信號等進行采集，該信號所在的模塊都設有相應的無線發射模塊，主控芯片模塊也有相應的無線接收模塊，經過無線收發把采集到的電梯狀態信號傳遞至MCU對信號進行分析處理。通過處理后的數據存儲于外部FLASH中。同時，實時信號如停止樓層數、上下行方向、有無召喚等可通過LCD顯示。

3 硬件系統設計

3.1 門系統信號獲取

電梯門信號通過電梯整梯控制系統和門機機械系統發出開關門信號、平層信號、門極限信號和安全輸出信號至門控制系統，來控制電梯門的運行。其中平層信號是指電梯到達該層樓平面位置時產生的信號；開關門極限信號指轎門運動到門兩端極限位置時，由極限開關產生的信號；電梯光幕和安全觸板是檢測障礙的裝置，其只在關門過程中有效，當關門時遇到障礙物，會產生觸板阻擋信號或電梯光幕輸出信號，控制電梯門重新開啟，防止障礙物被夾。

同時門控制系統將獲取到的電梯門相關數據通過無線模塊傳遞至MCU的無線接收模塊。通過比較第N次與第N+1次信號，來確定動作是否正常完成，同時將錯誤動作記錄至存儲器中。比如，第N次信號判斷為開門到達極限，那么收到第N+1次信號后應該判斷為關門到達極限，假設其他信號正常，說明這此次動作無誤。若第N+1次信號判斷不為關門到達極限，說明電梯門系統中門極限開關故障，門很有可能發生事故，那么此次信號就被完整地記錄到黑匣子中，同時屏蔽內外召喚板，禁止電梯工作，并在屏幕上顯示故障說明，供給維修人員參考。如圖2所示。

3.2 控制屏信號獲取

控制屏系統分電梯內、外樓層召喚系統，其獲得相應信號后，通過電梯控制系統的判斷對電梯制動器進行控制，使電梯上行、下行或停止。同時，控制板系統將同樣的信號傳遞給黑匣子的MCU，當黑匣子獲得兩相鄰信號，就能判斷出此次系統有無正確動作。如圖3所示。

3.3 無線主從式收發設計

本文中硬件系統采用的中心拓撲結構為星型網絡，建立主從式通信鏈路，一個節點損壞不至于拖累其他任何節點，主從節點之間無其他節點，信號傳輸能直接到達主節點，縮短了傳輸時間，增加了網絡的安全性。其中主節點負責整個網絡信號的接收，從節點只與主節點進行通信，從節點相互之間無通信，從而有效避免了從節點間信號串擾的問題。主從節點之間是利用nRF2401無線收發模塊進行通信，它的有效距離可以達到幾十米至幾百米，最大速率可以達到1Mbps，在一般的井道環境中能夠滿足速度與距離的要求。圖4是主從式網絡結構示意圖。

4 系統軟件設計

軟件設計的主程序框圖如圖5所示。根據系統的實際設計和需求，工作流程如下：

（1）上電自檢

電梯系統上電后，先對系統初始化，然后進行自檢。自檢內容主要包括I/O口、時鐘、存儲器等。若檢測到系統工作不正常，先將故障數據存儲于FLASH中，同時顯示屏則顯示錯誤信息，并提示檢修；若檢測正常，顯示屏將顯示“系統工作正?！薄?/p>

（2）數據采集、處理和保存

電梯運行后，記錄儀獲取到初始數據，根據其記錄時間、速度、運行狀態等能夠計算出電梯總運行時間、每周故障、每月故障等，當達到一定數量微小故障時，提示危險信號，此時需要維修人員來檢修。當有事故發生，事故前一段時間的數據將不被系統覆蓋，自動記錄數據，便于數據比對，同時顯示在顯示屏上；如果沒有事故發生，則以一定的容量進行數據存儲。

5 結束語

本文具體分析研究了電梯黑匣子系統，主要包括其軟硬件的總體設計。設計的重點和關鍵包括電路設計、信號采集、數據存儲和故障處理等部分。該系統基本能實現現有大部分電梯信號的故障采集存儲。在實際應用系統前，還需要對所在環境進行相應的測試和事故模擬測試，用以確保系統的可靠。

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