智能型電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀研制

劉松國(guó)，李偉忠，徐金海，金新鋒，馬 舜

（杭州市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 杭州 310003）

智能型電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀研制

劉松國(guó)，李偉忠，徐金海，金新鋒，馬 舜

（杭州市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 杭州 310003）

為解決電梯檢驗(yàn)和安全評(píng)價(jià)過(guò)程中電梯運(yùn)行性能的快速高精度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析問(wèn)題，研制智能型電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀。通過(guò)三軸加速度傳感器和聲級(jí)計(jì)測(cè)量電梯的運(yùn)行信號(hào)，采用32位嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和數(shù)值分析，獲得電梯的運(yùn)行加加速度、加速度、速度、位移、振動(dòng)、噪聲等性能參數(shù)，三軸加速度非線性誤差低于0.1%，頻率響應(yīng)相對(duì)偏差低于1%，聲級(jí)計(jì)相對(duì)誤差低于0.3%。應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明：該儀器實(shí)現(xiàn)了電梯運(yùn)行性能的便捷可視化測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確分析，為電梯安全保障領(lǐng)域提供國(guó)產(chǎn)化解決方案。

電梯；運(yùn)行性能；測(cè)試；分析；智能

0 引言

我國(guó)在用電梯數(shù)量已超過(guò)200萬(wàn)臺(tái)，大中城市使用10年以上的“老舊電梯”比例超過(guò)10%[1]。由于電梯老齡化、頻繁運(yùn)行、維保不到位、使用安全意識(shí)淡薄等原因，電梯困人事故時(shí)有發(fā)生，引起社會(huì)廣泛關(guān)注。

通過(guò)電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析提高電梯安全保障水平是行之有效的辦法。根據(jù)GB/T 20900-2007《電梯、自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和降低的方法》和GB/T 24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》[2]，振動(dòng)加速度和噪聲是電梯運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。將電梯運(yùn)行過(guò)程中轎廂實(shí)際加速度用于反饋補(bǔ)償控制[3-4]，能有效降低曳引機(jī)旋轉(zhuǎn)失衡及起制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的剛性

慣性力引起的電梯振動(dòng)[5]，提高電梯運(yùn)行品質(zhì)和舒適性。目前，國(guó)際上大多采用美國(guó)的EVA625開(kāi)展電梯運(yùn)行性能測(cè)試，EVA625以8位單片機(jī)為核心，4通道700s存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)離線分析模式無(wú)法滿足高效率、高精度測(cè)試分析的需要。國(guó)內(nèi)研究了基于LabVIEW的煤礦升降機(jī)運(yùn)行性能測(cè)試虛擬儀器系統(tǒng)[6-7]，以及用于無(wú)機(jī)房電梯的振動(dòng)信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]，但還沒(méi)有出現(xiàn)電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析專用儀器。

本文采用先進(jìn)適用技術(shù)研制智能型電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行性能的可視化測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)間在線觀測(cè)和故障預(yù)測(cè)預(yù)警。

1 電梯運(yùn)行性能測(cè)試原理

采用三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量電梯、自動(dòng)扶梯的運(yùn)行加速度，并通過(guò)數(shù)值積分計(jì)算電梯的運(yùn)行速度、位移，通過(guò)數(shù)值微分計(jì)算電梯的運(yùn)行加加速度。電梯運(yùn)行振動(dòng)加速度性能測(cè)試如圖1所示，測(cè)試時(shí)，三軸加速度傳感器放置在電梯轎廂地板的中央，Z軸垂直于地板，X軸正對(duì)轎門(mén)，聲級(jí)計(jì)放置在轎廂地板中心上方1.5m的位置。完成一次電梯運(yùn)行性能測(cè)試，Z軸加速度傳感器采集電梯啟動(dòng)加速、途中勻速、制停減速整個(gè)過(guò)程的加速度信號(hào)，X軸和Y軸加速度傳感器采集電梯側(cè)向晃動(dòng)的加速度，聲級(jí)計(jì)采集運(yùn)行過(guò)程中的噪聲信號(hào)。自動(dòng)扶梯運(yùn)行性能測(cè)試操作見(jiàn)圖2，測(cè)試時(shí)，用夾具將三軸加速度傳感器固定在梯級(jí)上，Z軸垂直于梯級(jí)踏板，X軸與梯級(jí)運(yùn)行方向一致，聲級(jí)計(jì)疊放在三軸加速度傳感器之上。完成一次自動(dòng)扶梯運(yùn)行性能測(cè)試，Z軸傳感器和X軸傳感器協(xié)同采集自動(dòng)扶梯啟動(dòng)加速、途中勻速、制停減速整個(gè)過(guò)程的加速度信號(hào)，Y軸傳感器采集自動(dòng)扶梯側(cè)向晃動(dòng)加速度，聲級(jí)計(jì)采集運(yùn)行過(guò)程中的噪聲信號(hào)。

圖1 電梯運(yùn)行性能測(cè)試示意

圖2 自動(dòng)扶梯運(yùn)行性能測(cè)試操作

根據(jù)三軸加速度傳感器測(cè)得的加速度原始信號(hào)，經(jīng)濾波處理后，采用復(fù)化辛普森數(shù)值積分方法[9]計(jì)算速度、位移，公式如下：

式中：h=（te-ts）/（2M），2M為數(shù)值積分區(qū)間的等分?jǐn)?shù)，決定了數(shù)值積分的計(jì)算量和精度，2M值越大，計(jì)算量越大，精度越高，ts為測(cè)試開(kāi)始時(shí)間，電梯、自動(dòng)扶梯運(yùn)行性能測(cè)試時(shí)，要求從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)測(cè)試，通常設(shè)ts=0，te為測(cè)試結(jié)束時(shí)間；xl=ts+lh；Es（f，h）為截?cái)嗾`差，當(dāng)f（x）具有四階導(dǎo)數(shù)時(shí)，有

當(dāng)f（x）為加速度時(shí)，數(shù)值積分結(jié)果S（f，h）為速度，當(dāng)f（x）為速度時(shí)，S（f，h）為位移。數(shù)據(jù)處理時(shí)，先根據(jù)加速度計(jì)算速度，再根據(jù)速度計(jì)算位移。

根據(jù)三軸加速度傳感器測(cè)得的加速度數(shù)值，采用中心差商方法計(jì)算加加速度，計(jì)算公式如下：

式中：f（x）——加速度；

J（x）——加加速度；

ED（f，h）——舍去誤差，當(dāng)f（x）具有三階導(dǎo)數(shù)時(shí)，有

當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，h足夠小，Es（f，h）和ED（f，h）都接近0，因此分析過(guò)程中，可以直接舍去。

2 測(cè)試分析儀性能要求

根據(jù)TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢

驗(yàn)規(guī)則-曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》、TSG T7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則-自動(dòng)扶梯與自動(dòng)人行道》、GB/T 24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》、GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》、GB/T 10059-2009《電梯實(shí)驗(yàn)方法》和GB/T 16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道制造與安裝安全規(guī)范》，電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范中涉及的振動(dòng)加速度、速度、位移和噪聲相關(guān)測(cè)試分析功能，總體性能要求如表1所示。

表1 測(cè)試分析儀性能要求

3 測(cè)試分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行性能信號(hào)的高速高精度采集和現(xiàn)場(chǎng)快速分析處理，采用雙處理器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀硬件，如圖3所示。系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)、下位機(jī)和外掛傳感器，上位機(jī)由嵌入式工控機(jī)和觸摸屏構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和電梯運(yùn)行性能分析軟件的運(yùn)行；下位機(jī)由A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、USB通信模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和分析處理；外掛的傳感器包括三軸加速度傳感器和聲音傳感器。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

三軸加速度傳感器由低成本、低功耗MEMS加速度傳感器ICS 3022構(gòu)成。ICS 3022加速度傳感器廣泛應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)量、模態(tài)分析等領(lǐng)域，傳感器量程可高達(dá)±200g，頻響可高達(dá)2 000 Hz，量程為±2g時(shí)分辨率優(yōu)于0.0006g。聲音傳感器采用頻率范圍覆蓋0.02～12.5kHz、量程為30～130dB、準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5%的聲級(jí)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)三軸加速度和噪聲共四路模擬信號(hào)的數(shù)字化，為了給上位機(jī)電梯運(yùn)行性能分析軟件提供足夠精確的原始信號(hào)，采用高速、高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5381，其轉(zhuǎn)換精度高達(dá)24位，采樣速率高達(dá)192kHz。轉(zhuǎn)換精度和采樣速率可以通過(guò)上位機(jī)軟件配置，且四通道模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換同步進(jìn)行。信號(hào)采集模塊以XILINX的Spartan-IIE FPGA為核心，F(xiàn)PGA內(nèi)部設(shè)計(jì)有時(shí)序控制電路、串并轉(zhuǎn)換電路、FIFO緩存電路。通過(guò)時(shí)序控制，操作A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)四通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取三軸加速度和噪聲信號(hào)，通過(guò)串并轉(zhuǎn)換電路，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在FIFO緩存中，供DSP讀取。信號(hào)處理模塊以TMS320C6000系列DSP為核心，DSP通過(guò)EMIF接口與FPGA通信，下達(dá)信號(hào)采集指令，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)信號(hào)做高通濾波、低通濾波、ISO標(biāo)準(zhǔn)濾波等處理后，通過(guò)USB通信模塊發(fā)送至嵌入式工控機(jī)。同時(shí)，DSP也是下位機(jī)的主控制器，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，完成A/D、FPGA、USB等模塊的初始化，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，協(xié)調(diào)各模塊有序運(yùn)行。USB通信模塊以EZ-USB FX2為核心。EZ-USB FX2符合USB2.0通信接口規(guī)范，信號(hào)速率高達(dá)480Mb/s，DSP可以通過(guò)USB通信模塊向工控機(jī)流暢傳輸處理之后的三軸加速度信號(hào)和噪聲信號(hào)，并接受工控機(jī)的控制指令。嵌入式工控機(jī)是電梯運(yùn)行性能在線分析儀的主控制器，任意一款主頻在1GHz以上、內(nèi)存在512MB以上、硬盤(pán)在320GB以上的嵌入式工控機(jī)都能滿足要求。嵌入式工控機(jī)上運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)和電梯運(yùn)行性能分析軟件，用戶通過(guò)觸摸屏

操作電梯運(yùn)行性能分析軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析電梯運(yùn)行性能、現(xiàn)場(chǎng)出具電梯性能測(cè)試報(bào)告。

電梯運(yùn)行性能分析軟件采用VC++開(kāi)發(fā)，具有友好的界面和快速數(shù)據(jù)處理性能。軟件包括用戶信息管理模塊、電梯信息管理模塊、系統(tǒng)參數(shù)配置模塊、信號(hào)分析模塊、報(bào)告生成模塊等。其中，系統(tǒng)參數(shù)配置模塊，用于配置三軸加速度傳感信號(hào)和聲音傳感信號(hào)的采樣頻率、信號(hào)處理模塊的濾波參數(shù)、電梯運(yùn)行性能指標(biāo)的上限值和下限值等，以及三軸加速度傳感器和噪聲傳感器的標(biāo)定。信號(hào)分析模塊，分析電梯加速度-時(shí)間關(guān)系、速度-時(shí)間關(guān)系、位置-時(shí)間關(guān)系、加加速度-時(shí)間關(guān)系、噪聲-時(shí)間關(guān)系。通過(guò)矢量求和，分析兩軸或三軸的綜合運(yùn)動(dòng)量-時(shí)間關(guān)系。通過(guò)W傅里葉變換，分析運(yùn)動(dòng)量信號(hào)和噪聲信號(hào)的頻譜特征。針對(duì)選定的電梯，統(tǒng)計(jì)分析歷次性能測(cè)試結(jié)果，判斷其性能變化趨勢(shì)。

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

委托省級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢測(cè)研制的智能型電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀，測(cè)得儀器的振動(dòng)加速度頻率響應(yīng)性能如表2所示，幅值非線性性能如表3所示，聲級(jí)計(jì)的測(cè)量相對(duì)誤差為0.213%。由表2計(jì)算得到三軸加速度測(cè)量的頻率響應(yīng)相對(duì)偏差分別為：X軸0.837 9%、Y軸0%、Z軸0%，均低于1%，由表3計(jì)算得到三軸加速度測(cè)量的幅值非線性誤差分別為：X軸0.0826%、Y軸0.0804%、Z軸0.0928%，均低于0.1%。三軸加速度測(cè)量覆蓋電梯系統(tǒng)的頻率范圍，且幅值線性良好，保證了振動(dòng)加速度測(cè)量的準(zhǔn)確性，為加加速度、速度、位移的數(shù)值計(jì)算提供了優(yōu)質(zhì)原始數(shù)據(jù)。

表2 頻率響應(yīng)（標(biāo)準(zhǔn)加速度0.5m/s2）

表3 幅值非線性（參考頻率10Hz）

在電梯檢驗(yàn)[10]和安全評(píng)估實(shí)際工作中，應(yīng)用研制的智能型電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀，驗(yàn)證其功能和性能。按照?qǐng)D1所示的測(cè)試方法，測(cè)試額定速度為1m/s、額定載荷為1000kg的乘客電梯。測(cè)得的三軸加速度及噪聲原始信號(hào)如圖4所示，圖中，至上而下依次為噪聲、X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度，由圖可知，Z軸加速度信號(hào)反應(yīng)了轎廂啟動(dòng)、加速、勻速、減速、停止的整個(gè)過(guò)程，X軸加速度和Y軸加速度反應(yīng)了轎廂的側(cè)向晃動(dòng)。將測(cè)試分析軟件從在線測(cè)試切換到離線分析模式，點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)分析功能，得到如圖5所示的電梯運(yùn)行性能分析結(jié)果，至上而下依次為位移、速度、加速度、加加速度。從圖4和圖5中可知，轎箱內(nèi)聲音信號(hào)在40～80dB之間，電梯運(yùn)行加速度在-0.75～0.75m/s2之間，加加速度在-1.0～1.5 m/s3之間，勻速運(yùn)行段的速度值為0.99m/s，減速制停過(guò)程中，電梯運(yùn)行了1.21m。根據(jù)GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》，乘客電梯啟動(dòng)和制停的加速度最大值不應(yīng)大于1.5m/s2，加加速度不宜大于1.3m/s3，轎箱內(nèi)噪聲不能大于55dB。測(cè)試結(jié)果中，聲音信號(hào)達(dá)到80dB，是因?yàn)橛斜尘耙魳?lè)，加速度性能參數(shù)完全達(dá)到要求，啟動(dòng)加加速度在規(guī)定范圍內(nèi)，速度非常接近額定速度，但是制動(dòng)加加速度有超出，對(duì)乘客的舒適感有一定影響。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該電梯的運(yùn)行性能基本達(dá)到GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》的要求。

圖4 電梯運(yùn)行三軸加速度及噪聲原始信號(hào)

圖5 電梯三軸加速度合成分析結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

采用高性能嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)

計(jì)方法研制了智能型電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析儀，具有以下特點(diǎn)：

（1）通過(guò)24位A/D和32位DSP獲得高質(zhì)量的三軸加速度信號(hào)和聲音信號(hào)，并進(jìn)行濾波處理和數(shù)值計(jì)算，準(zhǔn)確快速地分析出電梯運(yùn)行加加速度、速度、位移、噪聲等運(yùn)行性能參數(shù)，以及各性能參數(shù)的頻譜。

（2）應(yīng)用嵌入式工控機(jī)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可視化和現(xiàn)場(chǎng)出具測(cè)試報(bào)告，提高了電梯運(yùn)行性能測(cè)試分析效率。

（3）解決了電梯、自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度和制停距離，自動(dòng)扶梯梯級(jí)和踏板的同步率，電梯限速器安全鉗性能，電梯緩沖器性能等測(cè)試分析問(wèn)題，為電梯、自動(dòng)扶梯安全保障提供了國(guó)產(chǎn)化智能型設(shè)備支撐。

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Research and design of intelligent performance testing and analyzing instrument for elevators

LIU Song-guo，LI Wei-zhong，XU Jin-hai，JIN Xin-feng MA Shun
（Hangzhou Special Equipment Inspection Institute，Hangzhou 310003，China）

In order to solve the problem of testing and analyzing the running performance of elevators fast and accurately during the process of inspection and safety evaluation，an intelligent instrument for testing elevator’s running performance was developed.Several sensors including triaxial accelerometer and sound level meter are exploited to measure elevator’s running signals and 32-bit embedded system is used to accomplish signal processing and numerical analysis.Then elevator’s running performance parameters including jerk，acceleration，velocity，displacement，vibration and noise are obtained.The nonlinear error of tri-axial accelerometer is less than 0.1%，the relative deviation of frequency response is less than 1%，and the relative error of the sound level meter is less than 0.3%.Application results show that the instrument realizes convenient visual measurement and fast accurate analysis of elevator’s running performance，which makes it a domestic solution for elevator’s safeguarding.

elevator；running performance；testing；analyze；intelligence

TP277；TU857；TP206+.3；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）01-0078-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.021

2013-05-04；

：2013-08-02

國(guó)家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助（201010057）浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010C33186）

劉松國(guó)（1980-），男，湖南耒陽(yáng)市人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制系統(tǒng)。