基于LabView的高速電梯自動救援裝置測試系統的開發

劉 婧

（奧的斯高速電梯（上海）有限公司，上海200335）

0 引言

自改革開放以來，由于我國經濟建設的發展以及城市規劃的需要，北上廣深均興建了眾多高度超過200 m的高層建筑，代表性建筑有：1990年建成的208 m高的北京京廣中心，1992年交付使用的63層200 m高的廣東國際大廈，1995年投入使用的468 m高的上海東方明珠電視塔，1996年落成的325 m高的深圳地王大廈，1998年落成的420 m高的上海金茂大廈以及2008年竣工的492 m高、地上101層的上海環球金融中心等。在某種程度上，超高層建筑是對人類想象力和現今最高端技術水平的展示，而作為樓宇交通方案的超高速電梯（電梯額定速度V≥6.0 m/s）技術作為支撐超高層建筑的關鍵手段功不可沒。

目前，高速電梯配備自動救援裝置的技術方案能夠有效避免乘客在電梯故障時由于驚慌而出現扒門、敲打等非理性動作，造成嚴重后果。據不完全統計，國內高速電梯配套緊急救援裝置的比例為5%～10%，而國外大概有20%～30%，但在新加坡政府租屋項目中電梯緊急救援裝置的配置達到了80%，在電力不穩定的印度應用比例也達到了50%。現代社會越來越關注公共設施安全，例如我國《2016電梯型式試驗細則》中就明確提出了電梯緊急救援裝置基本要求，故對于電梯生產廠商/電梯部件商的設計人員，在電梯整機同步設計研發時就應規劃合適的、匹配的電梯緊急救援裝置，且雙方最好處于“黑白盒”互換系統架構來模擬測試。因此，設計一套高效、先進、可持續優化的電梯緊急救援裝置的測試分析系統勢在必行，現就如何構建此套LabView測試系統做必要的闡述。

1 基于LabView的系統開發理念

隨著計算機技術、電子技術、通信技術、計算機信息處理技術的迅猛發展，傳統的測試分析系統正向軟件化、數字化和虛擬化方向發展。虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）的概念是由美國國家儀器公司（NI）最先提出及產品化的，與傳統測試系統一樣，它可以分為數據采集、數據分析處理、顯示結果三大功能模塊。虛擬儀器的最大特點是將計算機資源與儀器硬件相結合，可以將整個系統軟硬件資源共享卻不必擔心核心代碼泄露。這樣，電梯廠商只需要兩個獨立的交流電源即可在已有電梯整機系統平臺模擬出相應的重要參數和信號，設計出VI提供給電梯緊急救援裝置部件商；電梯緊急救援裝置部件商則調用不同的VI進行測試，以最終深度優化產品后提供電梯整機廠商。運用合適的敏捷沖刺開發模型（圖1）將擁有快速的項目完成時間（1～4周），它能有效推動研發項目的迭代，團隊合作、產品周期的過程適應等。

圖1 敏捷沖刺模型

此套測試分析軟件架構將設計幾個核心模塊用于對應的高速電梯/自動救援操作裝置功能：投入運行模塊、切換動作庫、電源隔離動作庫、輔助控制運行庫、運行參數監控庫、支持VI組、專用子函數組等。投入運行庫有模擬市電斷電或缺相干接點信號，能判斷電梯整機狀態信號（數字觸發信號或0～10 V電平信號），經過人為特定延后并給出運轉干接點信號；實時掃描電梯檢修信號/緊急電動信號/電梯整機控制柜主開關手柄位置信號以及電梯安全回路干接點信號等。切換開關庫模擬一個非自復位的控制裝置，用于模擬蓄電池充電電壓信號和狀態。電源隔離庫是將自動切換的市電電源與輔助電源隔離的裝置，這樣既能隔斷市電對高速電梯系統供電，同時也能防止市電突然恢復與輔助電源沖突導致的短路，且可以產生一組機械電氣互鎖信號用于防止類似觸點熔焊后的故障再啟動。輔助控制運行庫可以產生電梯系統外召/轎廂呼梯信號、轎廂開關門自動延時信號、電梯平層信號等。運行參數監控模塊能記錄各種電梯操作狀態下的重要關聯數據，可以導入/導出至Excel表格。支持VI組設計用于調用及組合LabView控件功能來實現公有調用給其他模組，例如采集編碼器信號累計脈沖數計算樓層、采集載重信號與電梯方向判斷電梯輕載/重載、采集轉速信號轉換成高速電梯速度信號。專用子函數組用于通信端口設定、儀器和設備的操作指令等。具體如圖2所示。

2 外部I/O電路

圖2 測試系統文件結構組成

由Siemens S7-200 PLC與相關接觸器/繼電器、操作按鈕等組成，通過梯形圖可邏輯編程采集ms級數字輸入信號，控制相關繼電器、接觸器閉合/釋放至自動救援裝置；另外，PLC與LabView則使用OPC協議（OPC是一種利用微軟的COM/DCOM技術來達成自動化控制的協定，套用典型的C/S服務模式，每個硬件設備的驅動程序均由硬件廠商各自完成，提供統一OPC接口標準的Server程序，軟件廠商只需按照OPC標準接口編寫Client程序就能訪問Server程序進行讀寫，即可實現與硬件設備的通信）映射相關的I/O，例如PLC編輯一組Q0.0/Q0.1/Q0.2/Q0.4作為主路模擬缺斷相故障，Q0.5作為切換自動救援裝置電源，利用OPC通道對相關節點進行讀寫控制，若主路偵測到電源故障，則觸發自動救援裝置電源啟動，依照不同的電梯整機規格皆可套用此方法，只需變動驅動的接觸器回路等級。另外，PLC可以精確做相應的設定延時信號（最小脈沖為1 ms），設定脈沖數則保留在V系列寄存器中，LabView可以把獲取到的樓層編碼器脈沖數傳輸到PLC，以適用于不同樓層距離的研發或測試。具體如圖3所示。

圖3 I/O電路

3 自動匹配及延伸儀器數據采集

電梯整機系統與自動救援裝置信號主要有直流母線電壓、交流逆變回路電流、直流回路電流等，目的在于仿真高速電梯啟動時的負面影響。例如高速電梯驅動使用額定功率32 kW變頻器，交流每相輸入電流約50 A，折算成570 V等級直流母線回路電流約58 A，再乘以電機運轉最大時限250 s，理論計算自動救援裝置電源容量應為2.5 kW·h，但實際運轉變頻器直流母線沖擊電流一般會造成自動救援裝置電壓跌落，而變頻器母線低壓偵測閾值一般在427.5 V，低于此門檻電壓則變頻器母線低壓告警故障，造成自動救援失敗，故適當擴大自動救援裝置電源容量或優化直流回路母線電壓（并聯大容量電容器）可解決此技術點。另一方面，若電機整機系統啟動自動救援功能為輕載方向，則發生電能回饋至自動救援裝置，造成非限流充電至直流母線回路，將影響穩壓電容器和儲能電池組壽命。針對此異狀，常規做法是用示波器抓取交流電壓/電流信號、直流電壓/電流信號，通過目視觀察記錄電梯載荷和運轉方向以計算和匹配參數，對應不同機種。

LabView利用VISA技術（VISA可控制GPIB、串口、USB、以太網、PXI或VXI儀器，并根據使用儀器的功能覆蓋類型調用相應的驅動程序，這樣最終用戶無需重復學習各種儀器的通信協議，且VISA還可獨立于操作系統、總線和編程環境）可在某一個通信通道指令操作示波器執行相關動作，同時在另一個通信通道通過串行協議讀取電梯承重載荷和運轉方向。指令試舉例如下：

USB1：

[Trig:Single:AC:Edge:negative]//單次觸發交流電壓且負脈沖抓取

[Trig Level:DC:427.5]//設置直流觸發電壓為427.5 V

[Measure:DC:Voltage:Max]//測量波形直流電壓最大值

[Measure:DC:Voltage:Min]//測量波形直流電壓最大值

[Measure:AC:Current:RMS]//測量波形交流電流有效值

[Measure:DC:Current:Max]//測量波形直流電流有效值

Com1：

[01 03 0x0515 0x0002 CRC1]//Modbus協議讀取電梯載荷

[01 03 0x07DA 0x0002 CRC2]//Modbus協議讀取電梯運轉方向

計算公式則等效采用：

D(UP)&W(0%)：Voltage/Current=D(Down)&W(100%)：Voltage/Current//空載滿載轉換

D(UP)&W(25%)：Voltage/Current=D(Down)&W(75%）：Voltage/Current//輕載重載轉換

Batteries P(Valid)=DC Voltage(RMS)T570->427.5*DC Current(RMS)T570->427.5//計算電池有效容量

4 數據及文件架構管理

從面向對象編程的角度看，就是采用組件編程方式來規則化各種測試需求，如VISA通信組件、流轉狀態機組件和資源管理組件等。

VISA通信組件中串口的初始化配置和關閉只需初始化運行一次（若端口關閉則需要重新配置），而向儀器或外圍I/O電路發送命令需要不斷運行，這里加入了一個狀態機服務，從組件首次運行時，自動進入到初始化轉態，在初始化狀態執行VISA的配置，然后進入查詢狀態。查詢采用了組合框控件，其中包括了所有的指令，這樣就避免了輸入錯誤命令的可能。當查詢命令不是STOP時，While循環只運行一次。當查詢命令為STOP時，自動轉入到關閉狀態。

流轉狀態機組件用簡單的方式表示始終只有一個操作在狀態，各種狀態只是按照設定步驟流轉。所以可以創建一個INI文件設置任意步驟以及每一步的顯示型式和定時時間，在INI文件中只有一個STEP段，關鍵鍵的名稱代表每一步，鍵值由顯示值和定時值兩部分組成，中間用“|”分隔。這個組件也有三個狀態，分別是BUILD、Read和RUN，其中BUILD是構建路徑，READ是讀取路徑，而RUN在定時時間到后執行后面的讀取鍵值和步驟。

資源管理組件主要是引用各種字符串常量、數值型常量以及保存重要數據至文件中等等；同時，某些變量或常量可能分布在各個子VI中調用，在LabView可以建立一些抽象名稱代表那些需要的局部變量或全局變量，而不是具體的值。另外創建一個INI文件來保存需要擴充的其他類型的常量，這樣，一旦修改某一個全局變量或常量，那么分散到各處的修改就變得簡單而易行了。最后，在數據存儲方面，LabView可以調用現有控件保存重要數據至TXT文件供設計查詢（或安裝相應插件后保存到Excle文件中）。

另外，對每個子VI組件可以分別設置其運行屬性，例如涉及儀器采集應設置為調用后后臺始終運行（即使前面板關閉），而驅動部件則應設置為每次調用時重新打開（以防止某些狀態發生改變后造成誤動作）。

5 結語

本文描述的這套系統完全是從應用實踐出發，通過LabView先進的G語言模式開發的高速電梯用自動救援裝置測試系統。其從基本的數學、物理、數字電路、電控線路著手，逐步分析高速電梯啟動自動救援裝置后的基本功能和參數，從而可以迅速針對特殊客戶群配置有效的備用安全設備，提高可靠性和滿意度；對于已經開始研發相關測試系統的設計人員，該系統也可提供一些參考意見和問題解決思路。

[1]電梯型式試驗規則：TSG T7007—2016[S].

[2]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]COHN M.Scrum敏捷軟件開發[M].廖靖斌，呂梁岳，陳爭云，等譯.北京：清華大學出版社，2010.