加速度積分法在機電類特種設(shè)備速度測量中的應(yīng)用*

蘇宇航，林曉明

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院，廣東珠海 519002）

0 引言

電梯和起重機都是常見的機電類特種設(shè)備，電梯是人們出行常用的交通工具，起重機則是工業(yè)廠房中常見的設(shè)施。其中無機房電梯是電梯的一種，由于占地小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點在寸土寸金的城市住宅樓中得到了廣泛的使用，但由于無機房電梯的運動部件以及運轉(zhuǎn)的裝置都裝設(shè)在電梯井道里，從外面難以通過測速表等方式測量其速度。目前業(yè)內(nèi)用于檢測無機房電梯運行速度的工具大都是EVA-625系統(tǒng)及其振動分析工具軟件。雖然利用EVA-625系統(tǒng)能采集電梯的三維振動加速度，但對其數(shù)據(jù)的處理和分析都必須在計算機上進行，而且需要用EVA振動分析軟件來查看，現(xiàn)場無法直接查看檢測結(jié)果［1］；而且該儀器價格較為昂貴，阻礙了普及使用的可能性。

起重機則是工業(yè)生產(chǎn)中常見的機械，它安裝在工礦企業(yè)、大型碼頭等地方，協(xié)助生產(chǎn)人員進行吊起重物的操作。但起重機作為大型機械，操作不注意時往往會造成人員受傷，要經(jīng)常對其各項安全裝置進行檢測，以保證滿足安全要求。制動器是起重機上的一個重要安全部件，制動下滑量能夠?qū)χ苿悠鞯男阅苓M行評估。目前業(yè)界對制動下滑量的檢測方法大都依賴人員感官來進行判斷，但由于準確度不一致、須改變電路、工作量較大、不安全因素較多等因素，都導(dǎo)致了這些方法存在有局限性，同時欠缺實際操作性，造成了推廣的難度較大［2］。

基于上述，本文介紹了加速度積分法的測量原理及其在測量無機房電梯速度和起重機制動下滑量中的應(yīng)用。

1 加速度積分法測量原理

該測量裝置的原理是在物體勻速下降時，利用加速度的突然變化，捕獲速度變化的開始瞬間t1以及結(jié)束的瞬間t2，并通過加速度a來獲知其減速開始的速度v1：

物體停止時的速度v2＝0，由速度和距離s的關(guān)系可得：

由式（2）可得：

由式（1）和（3）可得：

因此，通過加速度傳感器對電梯、起重機制動時的整個過程進行監(jiān)控，并獲取其加速度以及時間信息，就可以測出物體的速度以及在下降時的制動距離（制動下滑量）［3］。

2 加速度積分法測量無機房電梯速度

2.1 檢驗要求

電梯是城市里常見的垂直交通設(shè)備，隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展、生活水平提高，人們對乘坐電梯的安全、穩(wěn)定提出了更高的要求。目前評價電梯承運質(zhì)量的標準法規(guī)是國家標準GB/T10058-2009《電梯技術(shù)條件》和GB/T24474-2009《電梯乘運質(zhì)量測量》，而在電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則（曳引和強制驅(qū)動電梯）的第8.9 項規(guī)定了“當電源為額定頻率，電動機施以額定電壓時，轎廂承載0.5 倍額定載重量，向下運行至行程中段（除去加速和減速段）時的速度，不得大于額定速度的105%，不宜小于額定速度的92%”［4］。同時，電梯速度的測量在電梯的檢驗規(guī)則中也涉及到多個重要項目，因此電梯速度的測量在業(yè)內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，其測量的準確度和操作方法的簡便性更是得到了持續(xù)的改良。

2.2 加速度積分法測量

本文研發(fā)了一種基于加速度積分原理的電梯速度測量系統(tǒng)，包括終端和速度檢測傳感系統(tǒng)。速度檢測傳感系統(tǒng)位于電梯轎廂內(nèi)部，由加速度計、微處理器、無線通信模塊、時鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲模塊和電源管理模塊組成，如圖1 所示。速度檢測傳感系統(tǒng)位于信號采集器中，信號采集器固定于電梯轎廂內(nèi)的底部，采集電梯的加速度信號；終端為手持安卓平板計算機，能更好地與微處理器實現(xiàn)信息之間的即時交互。

加速度計采用AKE392B-MEMS 數(shù)字型加速度計，用于測量電梯的加速度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號通過RS485 收發(fā)芯片送至微處理器處理分析。微處理器采用STM32 型主板，其特點是技術(shù)成熟、應(yīng)用較廣。無線通信模塊采用WIFI 模塊，與微處理器相連進行終端接收和發(fā)送指令，實現(xiàn)與微處理器的信息交互。時鐘芯片采用ISL1208 芯片，與微處理器相連，提供微處理器運行所需的時鐘信號以及計時功能。數(shù)據(jù)存儲模塊采用AT45DB321E芯片，與微處理器相連，儲存所采集的數(shù)據(jù)。電源管理模塊則采用LTC4064芯片。

該電梯速度測量系統(tǒng)通過加速度計和微處理器對電梯的加速度進行實時采集、記錄、處理和分析，并利用無線通信模塊傳輸?shù)绞殖纸K端進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖1 檢測傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 測量過程及效果

測量時，先把速度檢測傳感系統(tǒng)放在電梯轎廂里，然后啟動電梯。在運行過程中，加速度計采集電梯啟動、加速、勻速、減速、停止的時間及加速度數(shù)據(jù)，通過積分運算，獲知電梯的速度、運行距離。

該系統(tǒng)檢測過程直觀、數(shù)據(jù)準確精度高，操作簡單，不但可以提高效率，還降低檢測成本，尤其對于無機房電梯更是提供了一種行之有效和方便快捷的測量方法。

3 加速度積分法測量起重機制動下滑量

3.1 檢驗要求

作為起重機的一項重要安全部件，制動器能夠?qū)⒅匚锿Ｔ谏a(chǎn)作業(yè)時所需的高度，還能在提升或下降時對重物的速度進行準確控制。制動下滑量作為評價制動器工作性能的多個指標參數(shù)中的重要一項，成為了對起重機進行檢驗檢測時必須要考量的安全指標之一［5］。

“制動下滑量”是指起重機的起升機構(gòu)在帶載下降時，由于重物本身的原因，導(dǎo)致制動器不能立即制停，而是會向下溜車所產(chǎn)生的一小段距離。

《起重機械安全規(guī)程》 （GB6067.1-2010）4.2.6.3 里提及：“吊鉤起重機的起吊物在下降制動時的制動距離不應(yīng)大于1 min 內(nèi)起升距離的1/65”［6］。TSG Q7016-2008 《起重機械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗規(guī)則》B10.1 中也要求：如果起重機械對制動下滑量有要求，其制動下滑量應(yīng)處于允許范圍［7］。

這些法規(guī)詳細規(guī)定了起重機下滑量的要求，檢測機構(gòu)應(yīng)遵循法規(guī)。

3.2 加速度積分法測量

作者所在單位基于加速度積分法開發(fā)出起重機制動下滑量檢測儀，該裝置能夠在起重機工作時測量出制動器的下滑量。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，組成部分有MCU、上位機、加速度計、WiFi模塊、存儲模塊、電源管理模塊、時間同步模塊等。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

MCU 主控模塊為STM32 主板，特點是高性能、功耗低，能夠接收加速度計信號并進行數(shù)據(jù)的解析、計算下滑量數(shù)據(jù)，同時與上位機進行通信，并能對其他傳感器的信號進行判定。

加速度計采用電容式微機械傳感器，其中MMA8451 數(shù)字式三軸加速度計是較佳的一種，特點是低電壓、14 位最高精度、QFN 封裝，I2C 串行通信協(xié)議，能夠在起重機吊重工作并進行制動時采集加速度和角速度變化的數(shù)據(jù)。

WiFi 模塊采用ESP8266，工作溫度范圍大，且能保持穩(wěn)定的性能，適應(yīng)各種操作環(huán)境，其功能是收發(fā)MCU 的數(shù)據(jù)，接收上位機信號。

上位機由液晶屏、電池、單片機及通訊模塊組成，能夠通過WiFi 與下位機的主控MCU 進行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，將處理后數(shù)據(jù)可視化并顯示于液晶屏上，還可以輸出簡單的控制信號發(fā)送至與MCU 相連接的WiFi模塊，再通過高速串口把數(shù)據(jù)傳給MCU 以控制下位機。

存儲模塊可以增加下位機主控MCU 的容量，其主要功能為存儲加速度計的數(shù)據(jù)，也通過高速串口與MCU 通信，存儲MCU 的處理結(jié)果。

時間同步模塊由單片機電路以及WiFi 模組組成，通過有線方式與起重機的控制電路連接，記錄起重機制動的時間并發(fā)送給MCU。

起重機在制動的過程中，通過加速度計采集重物在下降過程及下滑過程中的加速度變化數(shù)據(jù)，將其傳送至下位機主控中心MCU，再由MCU 完成傳感器信號的判定，分析和計算加速度傳感器的數(shù)據(jù)和參數(shù)變化，完成下滑距離的轉(zhuǎn)化。當下位機MCU 計算出下滑結(jié)果后，再通過高速串口傳送給WiFi 模塊，再由WiFi 模塊傳送至上位機，通過可視化操作在液晶屏上顯示出下滑距離［8］。

3.3 測量過程及效果

先將加速度計部件通過膠粘、磁吸等方式，安裝于起重機吊鉤下面的重物上，啟動起重機并將重物升至高處。然后起重機司機操作起升機構(gòu)將重物緩慢下降，在穩(wěn)定下降至恰當位置時，將手柄拉回零位或按下停止開關(guān)，發(fā)送制動指令使起重機制動。此時，MCU 模塊接收到時間同步模塊的信號，并發(fā)出指令控制加速度計開始采集下降制動時的加速度數(shù)據(jù)；等待起重機完全停止并再過3 s 后，下位機接收上位機發(fā)出的停止信號并控制加速度計采集加速度數(shù)據(jù)，然后將采集到的所有加速度、角速度變化等數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機。

將采集的數(shù)據(jù)送至MCU，然后利用設(shè)計好的算法程序進行濾波、消除采樣誤差和積分處理；處理完畢后，利用WiFi模塊通過無線協(xié)議將結(jié)果發(fā)送至上位機；上位機接收數(shù)據(jù)并將測量結(jié)果（制動下滑量）顯示于在液晶屏上。

該制動下滑量檢測儀能夠提高起重機制動下滑量精度，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、測量結(jié)果在濾波處理、消除誤差后較為精確。在下滑量超出標準要求時，要求起重機使用單位及時檢修，消除隱患，確保使用安全。

4 結(jié)束語

本文介紹了加速度積分法的測量原理以及該方法在測量無機房電梯速度和起重機制動下滑量中的應(yīng)用，根據(jù)該原理研發(fā)出的電梯速度測量系統(tǒng)和起重機制動下滑量檢測儀，在現(xiàn)場試驗中得到了準確數(shù)據(jù)，能夠提高檢測精度和檢測效率。