電梯制動器智能監測系統的應用研究*

韓郡業，馮月貴，王會方，宋來軍，金 嚴，倪敏敏

(南京市特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210019)

0 引言

電梯制動器是電梯的重要安全部件之一，其任何一次制動失效都會導致電梯存在重大安全隱患，嚴重時導致沖頂、蹲底、溜車和停層失控等電梯安全事故[1]，危及人民群眾的生命財產安全。電梯制動器的失效是一個系統問題，產生的原因多樣化、無序化，常見的失效形式主要有制動力不足、閘瓦工作不可靠、制動卡阻等[2]。為有效地防范沖頂或蹲底等電梯安全事故的發生，制動器的可靠性和穩定性越來越得到廣泛的關注，制動器的實時監測裝置也得到進一步的研究[3]。根據部分企業使用情況，制動器一般存在安裝繁瑣、統一通信規約及監測費用比較高等問題。為了有效解決上述問題，本文研發了一種低成本、易安裝、可靠性強的制動器智能監測系統。該系統采用非接觸式測量方法，將對制動力的監測轉化為對制動距離的監測。本文詳細分析了非接觸式制動距離測量采集電路的硬件設計原理和上下位機軟件設計流程，設計了優質、高效的電梯制動器智能監測系統，實時保障電梯的安全運行。

1 電梯制動器智能監測系統測量原理及整體方案

1.1 電梯制動器智能監測系統測量原理

基于電梯制動器失效模式及故障原因分析，實現對電梯制動器工作狀態的智能監測，制動器智能監測系統應能夠實時采集制動器的制動輪與閘瓦間隙、閘瓦磨損量、制動距離、制動電磁線圈電壓值(包括開閘電壓和維持電壓)、曳引機工作電流。采用兩個LVDT傳感器對制動輪與閘瓦間隙和閘瓦磨損量進行測量，將其分別安裝在兩個制動導靴的側面上，兩個傳感器探頭到制動輪端面距離相同，安裝中心線夾角為180°。采用旋轉編碼器測量制動距離，旋轉編碼器與制動輪同軸安裝。制動線圈電壓值和曳引機工作電流分別采用WB V121S07和WB I412F21傳感器進行測量[4]，實現對制動器和曳引機工作狀態的監測。圖1為傳感器安裝示意圖。

圖1 傳感器安裝示意圖

圖2為電梯制動器抱閘間隙及閘瓦磨損量的測量方案圖，以左側為例說明其測量原理，右側測量方法同理。其中，X0和Y0分別為閘瓦未磨損時開閘和合閘時傳感器端面與制動輪的距離，X1和Y1分別為閘瓦磨損時開閘和合閘時傳感器端面與制動輪的距離，由此，可利用式(1)計算出閘瓦與制動輪端面的間隙，用式(2)計算出閘瓦磨損量。設閘瓦最大允許磨損量為d，當Δd>d時，上位機進行閘瓦磨損異常報警。

di=Xi-Yi

(1)

Δd=Y0-Y1

(2)

圖2 電梯制動器抱閘間隙及閘瓦磨損量的測量方案

采用旋轉編碼器測量制動距離，當電梯開始制動時，假設θ為制動過程中制動輪轉過的角度，R為曳引輪半徑，i1為減速箱減速比，i2為曳引比，最大允許制動距離為L，則依據式(3)可計算出制動距離。當S>L時，上位機進行制動距離異常報警。

(3)

1.2 電梯制動器智能監測系統整體設計方案

電梯制動器智能監測系統采用“上位機+下位嵌入式控制器”的設計方案，整體功能框圖如圖3所示。上位機可以實現數據存儲和故障預警，下位嵌入式控制器包括CAN BUS通信模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊、A/D模塊、掉電數據存儲模塊(EEPROM)、編碼器信號接收模塊。上位機與下位嵌入式控制器之間通過CAN USB連接。

圖3 電梯制動器智能監測系統功能框圖

2 電梯制動器智能監測系統硬件設計

下位嵌入式控制器選用32位內核的STM32F407作為主控芯片[5]，STM32F407最高工作頻率可達168 MHz，外設資源豐富，計算能力強，可以使用DMA操作。根據應用需求和硬件資源，控制器規劃3路A/D通道，包含1路掉電數據存儲通道、1路編碼器數據采集通道和1個CAN BUS接口，另外，預留數字信號采集接口和輸出接口以備后續升級使用，電路原理圖如圖4所示。

圖4 下位嵌入式控制器電路原理框圖

2.1 電梯制動器制動輪與閘瓦間隙測量電路設計

電梯制動器智能監測系統測量制動輪與閘瓦之間間隙采用LVDT傳感器測量，LVDT信號是由專用AD698芯片處理的[6]，此芯片的應用也是該電路的核心部分。AD698是美國Analog Devices公司生產的單片式線性位移差分變壓器(LVDT)信號調理系統。AD698與LVDT配合，能夠高精確地將LVDT的機械位移轉換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698采集LVDT傳感器信號的電路設計原理圖如圖5所示。

AD698將位移信號轉化成雙極性的直流電壓信號，模數轉換芯片AD7327對AD698轉換過來的電壓信號進行采集變為數字信號與監測系統的控制器進行通信。AD7327是美國Analog Devices公司生產的AD芯片，具有500 KSPS采樣速度。AD7327采集位移的電路設計原理圖如圖6所示，其OUT_SIGB信號是圖5中AD698的輸出信號。

圖6 AD7327采集位移轉換后電壓的電路設計原理圖

2.2 編碼器信號采集電路的設計

電梯制動器制動距離采用旋轉編碼器測量，本文選用STM32F407具有32位計數器的TIM2編碼器模式，接口芯片選用差分線路接收器AM26LV32，電路原理圖如圖7所示。

圖7 編碼器信號采集電路設計原理圖

3 電梯制動器智能監測系統軟件設計

制動器智能監測系統上位機應用軟件基于Microsoft VisualStuio2010環境開發，使用C#語言編寫[7]，通過CAN USB與下位嵌入式控制器進行數據交換，實時接收下位機傳輸的數據，接收到故障數據后在界面上進行故障報警。下位嵌入式控制器軟件采用任務模塊化的設計思想，基于Keil μVision4環境開發，使用C語言編寫，STM32F407中嵌入μC/OS-II實時操作系統[8]，程序設計主要包括IO、外設、操作系統初始化，制動器信息采集任務創建，制動器狀態監測任務創建，數據存儲任務創建，故障預警任務創建。任務模塊調用程序有任務優先級和調動任務模塊、數據處理計算任務模塊、數據轉換通信任務模塊、故障預警上報任務模塊，并引入一定的軟件抗干擾測試等。該設計系統的各個任務獨立工作，互不干涉，可實現準時且無誤任務調度、中斷，簡化了軟件框架的設計工作，擴展性強。制動器智能監測系統的主程序流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

4 結論

現代社會的電梯使用保有量逐年增加，隨之電梯事故頻發，電梯安全性和可靠性備受關注。制動器故障是誘發電梯溜車、蹲底、剪切沖頂等各類電梯事故的主要原因之一。本文研制的制動器智能監測系統，采用非接觸式測量制動距離的方法，設計了基于ARM芯片的監測系統硬件，重點介紹了制動距離信號采集電路、模數轉換電路的關鍵性硬件設計電路原理圖，結合μC/OS-II嵌入式操作系統

的軟件設計，在實驗室條件下運行，有效地解決了現有安裝繁瑣、通信規約、監測費用高等問題，為電梯制動器的智能監測系統發展提供了新的途徑。電梯制動器智能監測系統應用于某電梯機房中，安裝方便、工作穩定，能夠達到預期設計目標。