基于激光測距傳感技術的電梯轎廂運行狀態遠程監測*

□ 巫濤江 □ 劉恩華 □ 余曉毅 □ 吳德操 □ 張春娟

1.電梯智能運維重慶市高校工程中心 重慶 402260 2.重慶理工大學 光纖傳感與光電檢測重慶市重點實驗室 重慶 400054

1 研究背景

隨著我國城鎮化進程的加快,高層建筑的數量不斷增加,電梯作為高層建筑的必備設施,需求量與日俱增。根據國家質檢總局統計,我國當前已登記注冊電梯數量占全球電梯總量的1/3。我國現有約600萬臺電梯正在運行,并且以每年10%的增量增加,未來年新裝量和更新量會維持在80萬臺的水平[1]。對電梯技術進行研究,保障電梯的安全運行,有非常重要的實際意義。與此同時,隨著時代的前進,電梯的運行和維護正朝著更加智能化的方向發展[2-3]。

電梯轎廂運行狀態的遠程監測方法和技術是電梯智能運維的關鍵。傳統電梯轎廂的監測系統與控制系統相連接,當監測系統出現故障時,會影響電梯的正常運行,無法有效反饋電梯轎廂的實時狀態,如位置、速度、加速度等,不能及時評估電梯存在的潛在風險,電梯運行安全存在不穩定因素。雖然維修人員可利用手持式設備以直接接觸法進行現場檢測,但無法長期監控,具有一定的局限性。激光測距傳感技術通過測量激光脈沖發射及接收前后的時差或相位變化來獲取目標物體的位置信息[4],具有抗干擾能力強、測量精度高、空間分辨力強、動態響應快、功耗低、性能高、小型化等優點,廣泛適用于工程領域直線測距[5]、煤礦采掘工作掘進進尺控制[6]、無人駕駛防撞間距預警[7],以及目標物體位置、速度、加速度實時監測[8]。目前,激光測距傳感技術在動態位置信息監測領域是研究熱點,尤其是在實時監測應用場景中,已經成為一種重要的技術。

筆者針對高速曳引式電梯轎廂位置、速度、加速度等運行參數的監測需求,利用激光測距傳感技術,設計和構建應用于電梯轎廂實時運行位置、速度、加速度的遠程監測系統,從而進一步對電梯轎廂運行狀態進行實時、標準化監測和安全預警,并為未來電梯領域按需維保提供大數據支持。

2 基本原理

激光測距傳感技術一般分相位法和脈沖法兩類,性能對比見表1[9]。相位法的測距精度較高,量程可覆蓋常見高層建筑的高度范圍,更適合電梯轎廂的運動監測需求。

表1 激光測距傳感技術對比

▲圖1 相位法激光測距傳感器結構

▲圖2 相位法激光測距原理

當調制頻率為f時,被測物體與激光器的距離D為:

(1)

式中:c為激光在測量環境中的傳播速度;t為激光的傳播時間。

對于遠距離目標,還需利用多種不同調制頻率進行多測尺聯合測量,以提高位置信息的檢測精度[11]。

監測目標物體的運動速度V和自身位置關系為:

V=(D2-D1)/(T2-T1)

(2)

V=Δd/Δt

(3)

式中:T1、T2為不同測量時間點;D1、D2為對監測目標不同時間點采集的位置信息;Δd為特定時間間隔Δt連續性采集的位置變化量。

設置極短測距時間間隔,V即可近似為目標物體的實時速度。

監測目標物體的加速度a與自身位置、速度的關系為:

(4)

式中:V1、V2為不同位置點的速度。

基于以上分析,在實際應用中可以利用激光測距傳感技術所具有的高精度、高頻率位置檢測特性,通過實時解算得到電梯轎廂的位置、速度、加速度等運行狀態信息。

3 監測系統設計

基于激光測距傳感技術的電梯轎廂運行狀態遠程監測系統整體結構如圖3所示,由電梯井監測節點、Lora路由器、遠程監控中心三部分組成。

▲圖3 監測系統結構

電梯井監測節點安裝在電梯拖曳電機處,自上往下對電梯轎廂進行運動監測。電梯井監測節點結構如圖4所示,由微控制器、鎖相頻率合成器、激光驅動器、光電采集模塊、混頻模塊、自適應放大濾波模塊、Lora無線傳輸模塊等組成。

▲圖4 電梯井監測節點結構

頻率合成模塊配置鎖相頻率合成器,生成具有微量頻率差的主振和本振信號。激光調制模塊將主振信號加載至激光器,發射至電梯轎廂底部的漫反射板。由光電采集模塊將采集到的反射信號與本振信號進行混頻處理,獲得同相位低頻信號,經過自適應放大和濾波后,形成測量信號與參考信號,匯入微控制器,進行模數轉換和傅里葉鑒相運算,基于相位差解算得到電梯轎廂運動信息,并對電梯轎廂異常狀態進行初步判別。最后將狀態信息通過Lora無線傳輸模塊傳輸至Lora路由器。

Lora路由器基于470 MHz頻段構建Lora無線傳感網絡,覆蓋距離可達數千米,能有效接收來自整個住宅小區或大型商業體多部電梯的監測信號,并轉發至位于云端的遠程監控中心,可有效降低由大量前端節點分別租用4G、5G網絡帶來的運營成本。

遠程監控中心匯總轄區內大量電梯的運行數據,并對其進行進一步處理分析,實現電梯故障的快速檢測與預警。

4 監測系統測試

為了驗證監測系統的性能,利用全結構曳引式升降電梯模型進行測試,電梯井監測節點與Lora路由器如圖5所示,全結構曳引式升降電梯模型如圖6所示。這一模型可以真實模擬電梯實際運行情況,通過變頻器控制曳引機改變電梯轎廂加速度,實現速度可調,同時可以實時記錄曳引機的運轉情況,提供電梯轎廂實時位置和速度,可與監測系統的測試值進行對比。

電梯轎廂運動信息由監測系統客戶端監測軟件采集完成,界面如圖7所示。測試時,電梯井監測節點轎廂位置及速度數據分別見表2、表3。

表3 電梯井監測節點轎廂速度數據

▲圖5 電梯井監測節點與Lora路由器

▲圖6 全結構曳引式升降電梯模型

▲圖7 客戶端監測軟件界面

表2 電梯井監測節點轎廂位置數據

對于電梯轎廂加速度信息,由于電梯模型并未配置加速度采集和顯示模塊,因此將AETE-06電梯加速度測試儀安裝于電梯轎廂底部,得到實時加速度數據。電梯井監測節點轎廂加速度數據見表4。

表4 電梯井監測節點轎廂加速度數據

從以上數據分析可知,監測系統能夠有效獲取電梯井監測節點轎廂的實際位置、速度、加速度信息,并且能夠達到成熟傳統測量方式的測量精度,滿足GB/T 24474—2009標準要求[12]。連續測試10 d,監測系統穩定性良好,客戶端可正確顯示電梯轎廂位置、速度、加速度等運行狀態信息。

5 結束語

筆者利用激光測距傳感技術,通過軟硬件結合的開發方式,設計和構建了一種基于激光測距傳感技術的電梯轎廂運行狀態遠程監測系統。應用這一監測系統對電梯轎廂運行狀態進行遠程監測,在不依賴電梯原有電氣系統的前提下,準確獲取電梯轎廂的停留位置、運行速度和加速度信息,達到毫米級測量精度。通過測試,這一監測系統能夠實時響應,穩定性良好,可以為電梯轎廂的運行狀態提供實時監測數據,保障電梯的安全運行。