一種電梯主動安全系統方案設計

霍覽宇 陳杰金

摘 要：本文提出一種電梯主動安全的設計方案，設置相應傳感器裝置，檢測電梯的曳引張力、加速度或速度、安全回路元件狀態、平衡系數、額定載重、運行速度等電梯相關信息，通過基于專家控制器的人工智能算法，以電梯運行時參數變化規律、安全隱患的預處理經驗等為控制規則集，實時檢測并判斷電梯安全隱患，通過人機交互接口請求和指導人工干預，從而構建電梯的主動安全系統，提升電梯的安全性。

關鍵詞：電梯;主動安全;專家控制器

一、電梯主動安全性的提出

隨著社會經濟和城市化進程的加快，以高層建筑為主的現代建筑中電梯是主要運輸設備。作為載人的特種運輸設備，電梯不僅要有良好的舒適性和高效性，更要有極高的可靠性。隨著近些年來，電梯裝機數量急劇增加，電梯事故時有發生，據統計，一臺運行5到10年的電梯，每年平均發生沖頂、夾人等重大事故是3.3次，發生一般故障是36.5次，電梯事故率占到了特種設備事故率的21%，因此電梯的安全問題成為人們關注的焦點。

雖然電梯有很高的安全保障措施，如超速可以通過安全鉗保護，速度可以由曳引機編碼器檢測，門鎖、限位等可以通過電氣觸點檢測，依托安全回路，實現對人身和設備保護。但如果安全元件失效或作用后，造成的電梯安全問題則無法保障。比如曳引輪槽磨損等原因造成曳引張力變化，使得電梯打滑，曳引機編碼器數據失效;維保時由于電梯門鎖短接，電梯無法識別安全元件，造成剪切事故;安全開關失效造成蹲底和沖頂事故;超速時安全鉗動作，電梯中途停車造成困人事故等。電梯的安全不是新問題，國內外很多專家和企業都針對電梯的安全性進行了研究。主要集中在電梯遠程故障檢測和診斷系統研究，電梯檢驗檢測方法研究，電梯安全風險評估及管理等機制研究，安全鉗、制動器、門機等電梯安全部件的改進研究。如當前很多企業正在利用物聯網等現代通信技術的開展研究電梯故障預警遠程診斷系統的研究，取得很多實際的應用。

縱觀電梯安全性的研究現狀，電梯遠程監控和故障診斷技術研究較多，但是由于涉及異種通信融合的壁壘，突破起來困難較大。對于知名電梯企業由于限于自身的產品和專利保護，研究成果的通用性不足;電梯安全部件和檢驗方法等的研究，雖然有助于提升電梯公司的產品質量和檢測水平，但是目前電梯產品已經很成熟，因此顯著提升電梯安全性的可能性也不大;安全風險和管理機制的研究，雖然能夠改善目前國內電梯設備監管、維保領域的管理水平，間接提升電梯的安全性，但是對電梯本身安全性而言意義不大。

要進一步提升電梯的安全保障，本文提出電梯的“主動安全”研究。“主動安全”主要應用在汽車安全領域，主動安全能在交通事故發生前主動介入控制，避免或減小事故損失。作為建筑內的主要交通工具，電梯的“主動安全”研究還處在萌芽狀態。因此本文提出電梯主動安全性研究，突破電梯安全性研究瓶頸。

二、電梯主動安全要解決的問題

本文提出利用智能檢測技術，通過專家控制器的診斷方法，增強電梯自我檢測、自我診斷、自我處理的能力，提高電梯本身的主動安全性。本文提出基于專家控制器的智能主動安全系統，就是研究一種獨立的安全回路，在電梯安全回路正常時可以作為一種安全冗余措施，并能主動檢測電梯安全回路的有效性;在電梯安全回路異常時，能夠起到安全保護作用。

三、電梯主動安全系統的探析

本項目研究的是基于專家控制器的人工智能算法的電梯主動安全系統，以曳引張力、加速度/速度、安全回路元件狀態等實時檢測信息和平衡系數、額定載重、運行速度等電梯參數為知識庫，以電梯運行時參數變化規律、安全隱患的處理經驗等為控制規則集，通過簡潔有效的正向推理機算法，檢測電梯安全隱患，并通過人機交互接口請求和指導人工干預，從而預防電梯安全故障，控制系統的原理框圖如圖1所示。

1.電梯主動安全系統的硬件設計

電梯主動安全系統采用PLC控制器作為測控硬件平臺，由張力、速度、安全元件狀態檢測和控制器、人機接口組成，如圖2所示。安全控制器（PLC）根據傳感器檢測的信號送入進行主動安全判斷，并通過人機界面發處報警和確認，必要情況下會控制電梯主控器進行相關操作。

電梯張力和速度的檢測可通過張力輪實現。張力的檢測通過電梯導向輪，加裝壓輪和編碼器及支撐機構，通過壓力傳感器檢測曳引繩施加在壓輪上的徑向壓力進而得到曳引繩的張力，如下圖3所示，通過檢測到的徑向壓力F間接檢測出電梯張力。速度的檢測在導向輪軸上面安裝旋轉編碼器，可以直接檢測轉速，再根據導向輪直徑測算出電梯運行速度、加速度等信息。這兩種信號通過電梯導向輪檢測，一般在機房與安全控制柜距離不遠，相關器件采取導線直接連接到控制器。

電梯安全元件和運行狀態的監控設計。由于安全鉗開關、門鎖開關、相序開關、轎廂稱重開關、門機開關及限位等通過由于分布在電梯及井道的各處，主要通過在這些開關器件旁邊設置無線發射模塊，用于記錄其開關頻次和時間，送入安全控制柜。如根據一般使用情況設定門機開關、門鎖開關、限位開關接通次數，超過設定次數，發出報警，需要更換器件。轎廂稱重開關接通頻次過高需要提出報警，確定超載原因，并反饋到電梯維保單位和使用單位。所有信息送入西門子S7-300PLC，PLC通過專家控制器分析，產生安全結論通過網絡通信介入電梯控制器進而控制電梯進行安全處理;相關信息監控和管理通過觸摸屏的用戶界面和管理界面實現。

2.電梯主動安全系統的軟件設計。

開發基于S7-300PLC的專家控制器程序。以S7-300PLC為核心，設置工作數據區DB塊，保存電梯實時檢測數據和電梯用戶參數等;設置電梯安全規則區DB塊，保存電梯安全概念、狀態、安全判斷規則等;設置通信數據發送區DB塊和接收DB塊，分別存儲推理機處理的結果和電梯主控制程序中速度、樓層等狀態信息;設置電梯安全推理機OB塊，利用SCL高級語言實現專家控制編程，實現對電梯安全分析和判斷。

（1）以曳引張力、加速度/速度、安全回路元件狀態等實時檢測信息和平衡系數、額定載重、運行速度等電梯參數，為知識庫，確定知識庫中知識和規則的表達方法，如將額定數據如速度、曳引力、載重等作為“事實”表達，將電梯實時檢測數據作為“證據”表達，根據電梯相關規范中電梯安全判斷的條件，基于“IF THEN”形式，表達電梯安全判斷“規則”;研究推理算法，采用數據驅動，正向推理的方式逐次判別推理的條件（事實、證據等），滿足則形成結論，不滿足則繼續搜索的方式，設計推理機程序。

（2）設計專家控制器對電梯控制程序的主動安全干預算法。根據專家控制器的結論如“電梯超速、電梯打滑，安全元件動作異常”等狀態信號，設計邏輯處理程序，并入電梯變頻驅動和門機驅動等程序的觸發條件;或者作為安全條件并入電梯已有的超速保護、慢速運行等觸發條件中，結合兩種方式研究主動安全干預程序設計。

（3）開發基于觸摸屏的用戶界面和開發界面。基于觸摸屏組態技術，針對電梯物業管理、維保工程師等用戶設計安全狀態顯示、安全信息警告、安全處理操作引導、安全處理解釋、安全數據記錄和查詢等信息;針對安全系統工程師等管理員設計安全狀態、事實、概念、規則等知識庫的編輯修改。

（4）設計專家控制器與電梯控制程序的數據接口程序。設計專家控制器處理后的數據表達，形成處理結論數據包;研究電梯主控制程序中慢速自救、換乘停靠、重復開門等安全處理程序和觸發條件，將主動安全系統的結論數據應用到前述程序中，實現對電梯控制的安全干預;在電梯控制程序中增加共享數據程序，將速度、樓層、報警等狀態信息發送到主動安全系統。

四、電梯主動安全系統設計小結

電梯主動安全系統能廣泛應用在電梯生產制造、電梯改造、電梯維保、故障檢修等電梯生命周期的各環節，作為一種預防性的研究，能在故障前進行預判和干預處理，避免人民生命財產損失，顯著提高安全性，具有非常明顯的研究意義。

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項目基金：湖南省教育廳科學研究項目編號：16C0574。

（作者單位：湖南機電職業技術學院電氣工程學院，湖南 長沙 410151）