電梯能效實(shí)時(shí)記錄儀及系統(tǒng)研制

劉桂雄，朱海兵，何若泉，柯宇輝

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)院東莞分院，廣東 東莞 523129）

0 引 言

電梯作為建筑物耗電中的“電老虎”，據(jù)統(tǒng)計(jì)一年耗電超過(guò)165億kW·h，占總民用耗電的17%[1]，電梯能耗越來(lái)越受到社會(huì)、政府職能部門(mén)密切關(guān)注[2-3]，相關(guān)法律法規(guī)已明確要求對(duì)電梯能效進(jìn)行測(cè)試與監(jiān)管[4-5]。電梯能效監(jiān)測(cè)對(duì)于能效監(jiān)管及推廣電梯節(jié)能技術(shù)具有重要意義。中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)2007QK350課題組，開(kāi)展電梯能效評(píng)價(jià)指標(biāo)與檢測(cè)方法研究[6]；天津、成都、深圳等地方特檢院機(jī)構(gòu)，上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校，三菱、日立、西奧、東南等電梯公司，也正積極參與電梯能效檢測(cè)工作研究，但還未形成統(tǒng)一方案[7-8]，目前僅浙江省于2009年制訂《電梯能源效率評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》地方標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外電梯能耗檢測(cè)代表性方法主要有RTC法[9-10]、空載法、模擬實(shí)際工況法、典型工況法、特定工況法等。其中模擬實(shí)際工況法最接近電梯實(shí)際運(yùn)行工況，不過(guò)操作較復(fù)雜；其他方法相對(duì)簡(jiǎn)便，但僅是簡(jiǎn)化方法，與實(shí)際情況誤差較大。

本文基于雙核ARM架構(gòu)，設(shè)計(jì)一套可在電梯實(shí)際運(yùn)行工況下便捷、快速測(cè)試電梯能效記錄儀與系統(tǒng)，分別通過(guò)觸摸屏顯示、SD卡存儲(chǔ)實(shí)時(shí)能效信息、GSM短信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能。

1 系統(tǒng)總體框架與基本原理

1.1 系統(tǒng)組成

電梯能效實(shí)時(shí)記錄儀與系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，由中央處理器模塊、電參數(shù)測(cè)量模塊、運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量模塊、上位機(jī)、遠(yuǎn)程通信模塊、存儲(chǔ)模塊及人機(jī)交互模塊等組成。電參數(shù)測(cè)量模塊、運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量模塊分別完成對(duì)電梯電參數(shù)（包括電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、有功電能、無(wú)功電能、功率因素）及運(yùn)動(dòng)參數(shù)（包括工作狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)行速度、運(yùn)行距離等）的采集與計(jì)算；中央處理器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、存儲(chǔ)及通信；人機(jī)交互模塊完成被監(jiān)測(cè)電梯基本參數(shù)輸入、電梯實(shí)時(shí)能效信息顯示；存儲(chǔ)模塊用于實(shí)時(shí)能效數(shù)據(jù)大容量存儲(chǔ)；上位機(jī)、遠(yuǎn)程通信模塊實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)電梯平衡系數(shù)優(yōu)化與遠(yuǎn)程通信功能。

1.2 電梯能效系數(shù)計(jì)算方法

電梯單次運(yùn)行上、下作功Wi上、Wi下分別為

圖1 系統(tǒng)組成框圖

式中：Qi、Q、k——電梯當(dāng)次載重量、電梯額定載荷、

電梯平衡系數(shù)；

hi——電梯當(dāng)次運(yùn)行垂直行程；

g——重力加速度。

若Wi上、Wi下為正值，表示電梯是用電運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果必須記錄；若Wi上、Wi下為負(fù)值，表示電梯處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)需記錄。總功為所有記錄Wi上、Wi下總和。

1.3 測(cè)量模塊基本原理

運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量模塊通過(guò)在電梯曳引輪上均勻安裝8片磁鋼片，在曳引輪水平面垂直方向安裝2個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器，霍爾開(kāi)關(guān)傳感器1、霍爾開(kāi)關(guān)傳感器2輸出端接入調(diào)理電路，最終接入LM3S8962 GPIO端。曳引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，每片磁鋼片轉(zhuǎn)過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)，即輸出一個(gè)脈沖。根據(jù)兩個(gè)傳感器輸出脈沖先后順序，可判斷電梯運(yùn)行方向。電梯運(yùn)行速度ν、單次運(yùn)行距離s為

式中：D——曳引輪直徑；

count1、count2、count11、count22——每秒及單次運(yùn)行霍爾傳感器1及霍爾傳感器2輸出脈沖個(gè)數(shù)。

電參數(shù)測(cè)量模塊采用電力儀表、開(kāi)口型電流互感器完成測(cè)量。電力儀表電壓接線端與電梯控制柜三相電壓接線端連接，電流接線柱與開(kāi)口型電流互感器輸出端相接，接線示意圖如圖2所示。電力儀表通過(guò)RS485通信口用Modbus-RTU通信輸協(xié)議輸出三相電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、累積有功和無(wú)功電能等參數(shù)，輸出頻率可通過(guò)軟件設(shè)定；電流互感器變比為20∶1，將電梯一次測(cè)強(qiáng)電流轉(zhuǎn)換為電力儀表可測(cè)電流范圍內(nèi)開(kāi)口型電流互感器無(wú)須改動(dòng)電梯輸電線路，安裝方便。

圖2 電梯電參數(shù)測(cè)量方案示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

雙核中央處理器模塊選用TI公司LM3S8962及ST公司STM32F103組成雙核ARM處理器，采用雙口RAM實(shí)現(xiàn)雙核CPU之間實(shí)時(shí)通信。選用IDT公司高速8KB RAM芯片IDT70V05作為共享存儲(chǔ)器，IDT70V05數(shù)據(jù)位寬為8位，故LM3S8962及STM32F103數(shù)據(jù)總線低8位與雙口RAM數(shù)據(jù)總線相連接，雙核CPU與IDT70V05連接示意圖如圖3所示。

圖3 中央處理器模塊雙口RAM連接圖

雙口RAM工作在標(biāo)示器模式，RAM空間劃分為兩個(gè)區(qū)段并且制定相應(yīng)軟件協(xié)議，可使兩個(gè)CPU以適當(dāng)時(shí)序讀寫(xiě)，可避免兩個(gè)CPU同時(shí)對(duì)同一RAM單元進(jìn)行操作競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

霍爾開(kāi)關(guān)傳感器輸出脈沖高電平為5V，無(wú)法直接輸?shù)紺PU GPIO管，選用TLP521-4光電耦合芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，采用三極管2N3904放大電流解決霍爾開(kāi)關(guān)傳感器輸出脈沖驅(qū)動(dòng)能力不足問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量模塊調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量模塊調(diào)理電路圖

存儲(chǔ)模塊電路選用Kingston micro 8G SD卡作為存儲(chǔ)器件，SD卡與STM32F103連接電路圖如圖5所示。

圖5 存儲(chǔ)模塊電路圖

人機(jī)交互模塊電路選用ALIENTEK TFTLCD 2.8′模塊，該模塊具有320×240的分辨率，16位色顯示支持，自帶觸摸屏，可以用來(lái)作為控制輸入。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為中央處理器控制軟件設(shè)計(jì)及上位機(jī)電梯能效監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)兩部分。中央處理器控制軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路各模塊驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)、顯示及通信功能。電梯能效監(jiān)控平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀取及統(tǒng)計(jì)分析、電梯平衡系數(shù)與能效影響關(guān)系建模及平衡系數(shù)優(yōu)化、GSM短信模塊通信。

按照系統(tǒng)功能要求，中央處理器控制軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，包括主程序模塊、電參數(shù)更新模塊、RS232通信模塊、RS485通信模塊和實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)模塊。

圖6為主程序流程圖，初始化包括GPIO口、TIMER0、SysTick、觸摸屏及各參數(shù)初始化。TIMER0定時(shí)器用于RS232串口數(shù)據(jù)通信接收超時(shí)檢測(cè)，SysTick定時(shí)器以每秒時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷，讀取電參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，之后進(jìn)入主循環(huán)。

圖6 主程序流程圖

主循環(huán)內(nèi)部各功能塊如下：（1）RS232串口狀態(tài)檢查。檢查當(dāng)前RS232狀態(tài)，根據(jù)其狀態(tài)完成相應(yīng)操作，如果未和上位機(jī)建立連接，該模塊為空操作。（2）能效分析計(jì)算。根據(jù)標(biāo)志量判定電參數(shù)數(shù)據(jù)是否更新完畢，如果當(dāng)前電參數(shù)已更新完畢，則對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行能效分析和計(jì)算。（3）LM3S8962通過(guò)IDT70V05將電梯實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)傳送給STM32F103，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示電梯運(yùn)行狀態(tài)及能效信息。

電梯能效監(jiān)控平臺(tái)在Visual Studio2010環(huán)境下開(kāi)發(fā)，采用模塊化編程思想，具有電梯能效監(jiān)控及分析、監(jiān)測(cè)設(shè)備即插即用、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、短信發(fā)布監(jiān)控信息、能效統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)挖掘等功能。

選用GSM模塊通過(guò)短信查詢方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)布能效信息功能。GSM模塊通過(guò)RS232與電梯能效監(jiān)控平臺(tái)連接，系統(tǒng)初始化階段對(duì)GSM設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，用戶即可通過(guò)AT命令形式實(shí)時(shí)查詢實(shí)時(shí)能效信息及一段時(shí)間內(nèi)能效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也會(huì)自動(dòng)通過(guò)短信形式報(bào)警。圖7為電梯能效實(shí)時(shí)記錄儀及系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖7 電梯能效實(shí)時(shí)記錄儀及系統(tǒng)實(shí)物圖

3 裝置誤差分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 誤差分析

電梯能效實(shí)時(shí)記錄儀及系統(tǒng)誤差來(lái)源主要包括電力儀表誤差和霍爾開(kāi)關(guān)傳感器測(cè)距誤差。電力儀表電流、電壓、有功功率及無(wú)功功率測(cè)量準(zhǔn)確度為±（0.5%FS+1個(gè)字），有功電能及無(wú)功電能測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.5%。

霍爾開(kāi)關(guān)傳感器測(cè)距誤差由兩個(gè)原因造成：輸出脈沖個(gè)數(shù)存在誤差；電梯啟動(dòng)停止時(shí)小磁鋼不正對(duì)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器。

外界干擾信號(hào)有可能引起霍爾開(kāi)關(guān)傳感器輸出，可在軟件中設(shè)置閾值消除干擾；當(dāng)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器或小磁鋼安裝不當(dāng)，有可能導(dǎo)致脈沖輸出個(gè)數(shù)偏少，在軟件中比較兩個(gè)傳感器脈沖輸出個(gè)數(shù)差值，當(dāng)差值到達(dá)閾值，通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)界面提示應(yīng)檢查霍爾開(kāi)關(guān)傳感器及小磁鋼安裝情況。

當(dāng)電梯啟動(dòng)或停止時(shí)，小磁鋼不正對(duì)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算電梯運(yùn)行距離誤差，這是原理誤差，可減小但無(wú)法消除，最大誤差值取決于被測(cè)電梯曳引輪直徑及小磁鋼個(gè)數(shù)。以本實(shí)驗(yàn)測(cè)試為例，曳引輪直徑D=540mm，小磁鋼個(gè)數(shù)為8，則最大測(cè)距誤差為

單次運(yùn)行距離越大，相對(duì)誤差越小，設(shè)最小單次運(yùn)行距離H=4m，則最大相對(duì)誤差為

通過(guò)增加小磁鋼個(gè)數(shù)，可減小測(cè)距誤差。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

整臺(tái)儀器已經(jīng)過(guò)廣東省計(jì)量科學(xué)研究院檢定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所研制的系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)近一年運(yùn)行試驗(yàn)，效果良好。

表1 被測(cè)電梯基本參數(shù)表

表2 被測(cè)電梯一周能效信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 被測(cè)電梯一周內(nèi)載荷分布表

表1為某被測(cè)電梯基本參數(shù)，表2、表3分別為其中一周時(shí)間內(nèi)電梯能效信息及載荷分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由表2看出，待機(jī)能耗占總能耗15.1%，電梯運(yùn)行時(shí)間與待機(jī)時(shí)間比為1∶7.57，平均能效系數(shù)為1.72；通過(guò)表3看出，單次載荷在500kg以下占81%，平均載荷為309kg，故被測(cè)電梯使用工況為輕載運(yùn)行，在保證電梯運(yùn)行安全前提下，若合理調(diào)整電梯平衡系數(shù)可降低電梯能耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于雙核ARM架構(gòu)研制電梯能效實(shí)時(shí)記錄儀及系統(tǒng)，可在電梯實(shí)際運(yùn)行工況下實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行狀況及能效信息，提高電梯能效測(cè)試效率與準(zhǔn)確性，系統(tǒng)裝置與被測(cè)電梯控制系統(tǒng)聯(lián)接簡(jiǎn)單、便捷，不影響原來(lái)電梯電氣線路。

系統(tǒng)具有顯示、存儲(chǔ)及短信發(fā)布實(shí)時(shí)能效信息功能，還可統(tǒng)計(jì)分析出一段時(shí)間內(nèi)被測(cè)電梯能效相關(guān)信息，為進(jìn)一步將研究采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)基于能效相關(guān)信息的電梯平衡系數(shù)優(yōu)化策略及電梯群組實(shí)時(shí)能效監(jiān)測(cè)技術(shù)打下基礎(chǔ)。

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