電梯門廂故障報警系統的設計與可靠性分析

華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州 510640

1 研究背景

目前，國內外對于電梯故障檢測技術的研究主要集中在電梯平層控制系統[1]、電梯遠程監控系統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了適用于自身產品的遠程監控系統[2]，如日本三菱公司開發了對電梯群進行綜合監控的 SMOS-Ⅱ系統，美國奧的斯公司開發了具有分級報警功能的REMS監控系統。放眼國內，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合的方式，通過相對計數法[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和精確。

筆者著眼于研究電梯門系統和轎廂系統這兩個故障發生相對頻繁的部位，根據電梯門和轎廂的運動特點，設計電梯門廂故障報警系統，針對門和轎廂進行事故防范，有效改善電梯故障檢測的準確度。系統采用可編程序控制器（PLC），能對采集到的信息進行邏輯運算和故障診斷，并將PLC控制技術[6]與電梯故障報警技術相結合，實現電梯安全事故預警，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

由于電梯門廂故障報警系統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為例進行原型設計。系統采用接近開關作為位置傳感器，對轎廂、層門和轎門的狀態進行檢測，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，因此一層樓需要設置六個接近開關，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，J4、J5用于檢測轎門開啟狀態。每個接近開關有“0”和“1”兩種狀態，“0”代表接近開關處于斷開狀態，“1”代表接近開關處于接通狀態。對于轎廂檢測開關而言，“0”狀態表示轎廂失位，“1”狀態表示轎廂到位。對于層門和轎門而言，“0”狀態表示門關閉，“1”狀態表示門開啟。

系統通過接近開關的狀態判斷電梯運行是否有異常，因此需要對不同部位接近開關的狀態進行組合和分類。若轎廂沒有在目標樓層停靠，此時層門意外開啟，則無論轎門是否打開，都必須報警。同理，若轎廂在目標樓層準確停靠，此時轎門沒有開啟，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生故障，就要報警，無需同時發生。可見，需要分別對轎廂和層門、轎廂和轎門的狀態進行研究，以確定實施報警的狀態組合。

▲圖1 接近開關安裝示意圖

所設計的系統對轎廂和層門、轎廂和轎門的狀態組合實施報警，在電梯運行過程中，一旦出現故障，立刻發出聲光報警信號。在整個工作過程中，系統利用接近開關采集轎廂、層門和轎門的位置信號，PLC對接收到的開關量信號進行處理，并根據程序所賦予的邏輯功能驅動報警設備執行報警。控制系統總體結構如圖2所示。

▲圖2 控制系統總體結構

系統在監控室和每個樓層現場均配置報警設備，某層樓只要出現表1和表2中所列的狀態組合，該樓層現場的指示燈和警鈴就將發出報警信號。針對轎廂和層門、轎廂和轎門這兩種不同的故障類型，分別設置指示燈L1和L2。故障出現，則對應的指示燈開始閃爍報警，警鈴R1同時發出鈴聲報警，聲光報警持續10 s后自動停止。監控室也設置若干指示燈，分別對應不同的樓層，為監控人員提供電梯故障信息。當某層樓出現故障時，所對應的遠程指示燈L3亮起，故障狀態保持常亮，故障排除時自動熄滅。當轎廂出現平層故障，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平層故障，此時兩個樓層均會發出報警信號。系統控制流程如圖3所示。

表1 轎廂和層門報警狀態真值表

表2 轎廂和轎門報警狀態真值表

3 控制電路可靠性分析

針對所設計的故障報警系統，為檢驗其可靠性，需進行控制電路可靠性分析[7]。基于指標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，按照產品所要達到的可靠性目標，將指標以一定原則自上而下分配給設備、單元、元器件等子結構。對于由n個單元組成的系統Rs，進行可靠性分配的實質相當于求解不等式：

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

▲圖3 系統控制流程

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。考慮成本、質量、體積和功耗等約束條件之后，可靠性分配結果將是唯一的。

目前已經開發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化，融合現代計算機技術的可靠性分配方法也在不斷增加。根據所掌握的系統電路信息，筆者選取AGREE法對指標進行分配。

AGREE法是以單元重要性和復雜性等可靠性影響因素為依據的分配方法，若Rs是由n個單元組成的串聯系統，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失效導致系統失效的概率，用重要性因子wi表示：

式中：Ns為單元失效引發系統失效的次數；ri為單元失效的次數。

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對系統可靠工作影響大小的直觀反映。當wi=1時，單元i失效一定會導致系統失效。單元的復雜性主要由基本組件數決定，為該單元基本組件數占系統總組件數的比例，用復雜度ci表示：

式中：Ni為單元的元器件數量；N為系統的元器件數量。

綜合考慮單元重要性和復雜性，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法對系統電路進行可靠性指標分配之前，必須先將系統電路劃分為不同的單元。系統工作過程中，接近開關將外部位置信息以開關量的形式傳送給PLC，PLC對信息進行處理后再驅動報警設備執行報警[8]。PLC內部的輸入電路、主控芯片和輸出電路使外部輸入設備和輸出設備之間實現信息交流，發揮了重要的作用。接近開關和輸入電路完成信號采集功能，主控芯片承擔邏輯運算和數據處理任務，輸出電路和報警設備完成信號輸出和報警功能，整個工作過程的順利進行由PLC內部電源子系統提供工作電壓。為此，可將報警系統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 報警系統電路組成

系統電路中四個模塊可以看作是串聯結構，任一模塊失效都會導致系統失效，因此重要性因子wi均取1。假設電梯門廂故障報警系統的使用方要求系統可靠性指標Rs*=0.9，將這一系統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，根據式（3）和式（4）計算得到可靠性分配結果，見表3。

表3 可靠性分配結果

從表3中可以看出，系統對CPU模塊的可靠性要求最高，說明該模塊對于系統預定功能的實現至關重要，這與實際應用情況是相符的。如果系統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致系統失效的薄弱環節，是后續可靠性設計的重點，也將會重點影響報警系統監控的實現。

4 五層電梯報警系統監控

現實生活中，在故障報警系統的使用現場無法做到時刻都有人值守，采取遠程監控的方式對電梯門廂故障報警系統進行集中管理，能夠有效節省人力和促進信息流，對產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自帶以太網接口，可以利用工業以太網實現PLC控制現場與監控終端的通信。建立以太網通信時，只需對GX-Developer編程軟件中的MESECNET/以太網參數進行設置，同時相應地在監控終端中完成設備配置即可[9]。電梯現場PLC發出的電信號經過交換機轉換為光信號，再通過光纖傳送至監控中心，由終端工控機采集并顯示。遠程監控系統總體結構如圖5所示。

▲圖5 遠程監控系統總體結構

5 結束語

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