浙江梅轮电梯股份有限公司 浙江绍兴 312000
摘要：随着我国城市现代化建设的持续深入，高层建筑工程在我国城市建设中变得越来越广泛，电梯是高层建筑不可缺少的一部分，它能够为人们的出入带来极大的便利。但是近些年来电梯安全事故发生的越来越频繁，使人们对电梯安全性的关注度越来越高，而如何保障其安全性就成为了现阶段电梯运行中需要解决的关键问题。本文将就电梯运行状态检测与故障远程报警系统进行研究，希望可以为电梯安全稳定运行提供一定的帮助。
关键词：电梯运行状态检测；故障远程报警；电梯故障
前言：电梯在高层建筑充当着垂直交通工具的角色，随着电梯在城市建筑中的广泛应用，其故障发生几率也在持续提升，对人们的生命财产安全产生了较大威胁。据统计，现阶段我国在用电梯已经超过120万台，且呈现出老龄化的趋势，因电梯故障出现的安全事故占到了特种设备事故总数的12%上下，由此可见，电梯运行安全是现阶段必须重视的一个问题[1]。本文将以电梯数据监视和远程报警系统两个新标准的要求，对电梯运行状态在线检测和故障远程报警系统的设计和实现进行探究。
1电梯故障简介
当前阶段，电梯故障大致可以分为三种，分别是电梯突然停止运行、电梯失去控制急速下坠以及电梯失去控制急速上升[2]。而导致电梯出现故障的原因可以概括为两个方面：其一，内部原因，如电梯内部零件故障导致电梯运行出现障碍。其二，外部破坏，例如人为因素造成的电梯损坏。在电梯运行的过程中，检修维护工作主要针对的是电梯的运行状态，很少涉及到了电梯内部零部件的工作情况。出现这种现象的原因在于电梯内部结构过于复杂，想要实现全面监测需要投入极大的成本。通常情况下，当电梯出现故障时，可以分析报警信号对故障类型进行掌握。例如，门区外停梯，由于平层插板未将上下平层之间的光电开关给予光路隔开，导致电梯在同一层上开门得时间过长。
2电梯运行状态监测与故障远程报警系统的设计和实现
2.1电梯运行参数采集和故障远程报警终端设计
目前，我国使用的电梯普遍没有设置主板通讯口，即使具有通讯口，电梯厂家通常也不会将通讯协议向客户公开，因此想要实现对电梯运行实时状态的掌握，只有额外加装独立的传感器，对电梯运行参数信号进行采集[3]。需要特别注意的是，必须避免加装传感器的信息采集方式和电梯现有机械结构以及控制电路的运行产生冲突。
整体框架设计在电梯运行状态监测和故障远程报警系统设计中处于十分重要的地位，在这一环节要对系统应用要求和功能进行明确，及对传感器采集信息进行处理和传输，如下图所示为电梯运行参数和故障远程报警终端的系统结构以及应用拓扑图。该终端采用了8位高速的MCU，主要是由的电源、传感器、实时时钟、RS485总线、状态指示灯、Mega64、E2PROM等部分构成[4]。其中Mega64为采用RISC指令集的8位微处理器，具有高性能、低能耗的特点，其在运行时最高可以达到16MIPS的高性能，此外该微处理器还包含了多个定时器、串口以及可编程Flash等，可以充分满足电梯运行状态在线监测以及故障远程报警系统的需求。电梯运行参数采集和故障远程报警终端中的传感器的内容十分复杂，包括上下层平光电开关、基站磁开关、红外人体感应器以及轿门磁开关等多个部分。不同传感器的功能也存在一定的差异，例如通过磁开关可以对电梯具体位置信息进行掌握，而通过红外人体传感器则可以用于判断电梯轿厢内是否存在人员。在将传感器和MCU进行连接时，必须对所有传感器进行光电隔离，利用LED指示灯将信号状态情况展现出来。E2PROM在电梯运行参数采集和故障远程报警终端中发挥着系统配置参数保存的作用，其保存的配置参数主要包括系统ID、状态实时上报时间间隔、楼层校准以及近期内电梯故障类型以及发生时间等内容。在电梯运行的过程中，综合两个平层光电开关被遮挡的先后顺序、遮挡时间以及平层插板的长度等信息，可以通过计算获得电梯运行的速度和方向。
图1 电梯运行参数采集和故障远程报警终端结构以及应用拓扑
通过对上图的分析可知，电梯运行状态监测和故障远程报警系统共包含有两路RS485通信口，二者发挥的功能也不同。其中一路通信口和RS485转Internet数据传输器相连接，其功能是将电梯实时运行状态和故障信息通过网络传输到远程管理中心，而另一路通信口则发挥着拓展维保考勤读卡器或是电梯振动分析仪模块的作用[5]。上图展现的电梯运行参数采集和故障远程报警终端能够和所有类型的电梯形成良好的契合。在具体运行的过程中，电梯运行参数采集和故障远程报警终端与远程监控中心以互联网为桥梁实现连接，用户可以输入账户、密码登录到远程管理凭条，发送指令对电梯实施运行参数信息进行获取，以此实现对电梯运行状况的有效掌握。一旦电梯发生故障，工作人员就可以在第一时间作出反应，安排检修或是救援活动。
在进行监控电路布线设计的过程中，必须基于简单便捷的原理，同时还需保障监控数据的完整性和精确性，因此必须保障布线设计的合理性。在设计中需要特别注意的一个点就是避免减少干扰，这需要设计人员充分把握监控系统的精度需求，结合实际情况对监控系统电路布线的合理性进行科学深入的分析。
电梯运行参数采集和故障远程报警终端在运行的过程中，所遵循的流程如下：首先，在通电情况下，系统程序开始启动运行，这一阶段系统中串口、定时器、I/O等硬件资源完成初始化。其次，为了保障上述硬件资源运行的稳定性，系统会延时500ms后开始系统参数以及全局变量的初始化。其中系统参数所包含的内容十分复杂，涉及到了终端ID、楼层校准、状态实时上报时间间隔等，这些数据通常保存在E2PROM中，系统参数初始化时需将上述参数从其中读取出来。当硬件资源、系统参数以及全局变量初始化等环节全部结束后，终端向远程管理中心登录以建立连接。登录时需要使用到终端ID信息等关键信息要预先进行注册。
电梯运行参数采集和故障远程报警终端通过登录和远程管理中心建立连接后，即开始进行系统循环。通过各种传感器获得上下平层光电开关信号、磁开关信号、红外人体感应信号，掌握楼层变化、电梯轿门状态以及电梯内部人员信息等情况。并综合多种传感器信号对电梯运行速度、方向等参数进行掌握。在此过程中，一旦传感器信号分析结果显示出现故障，则会在远程监管中心发出报警。此时，远程监管中心可以在电梯状态实时上报功能的支持下获取其上市运行状况信息，有针对性制定并发送参数配置命令，以此实现对电梯运行参数采集和故障远程报警终端系统的远程调控。此外，考虑到RS485总线仅能支持半双工通讯，因此需在远程管理中心和终端出设计应答协议，如此才能保障数据通讯的安全稳定，避免出现数据或是指令丢失的情况发生。
2.2科学制定故障推理和报警策略
电梯运行参数采集和故障远程报警终端系统可以在电梯发生故障向远程监控管理中心发出报警信号，但是由于终端获取的仅仅是电梯的运行参数信息，无法直接展现电梯是否处于正常运行状态，因此必须采取科学合理的电梯运行故障推理策略，对电梯是否处于正常运行状态进行判断，同时结合电梯故障表现分析了解故障类型。
电梯运行参数采集和故障远程报警终端系统运行中所能获得的电梯运行信息具体包括电梯运行速度、运行方向、所在层站、电梯轿门开关情况、轿厢内人员信息等，想要根据以上信息判断电梯是否出现运行故障以及故障的具体类型，必须依据一定的推力逻辑。具体内容如下：
其一，门区外停梯故障：具体表现为上下两个平层光电开关没有同时被平层插板隔开光路，同时距离上次电梯平层时间超出t秒。此处的t可以根据公式=kt1计算，其中t1为电梯从最低处运行到最高处所需的时间，k为保险系数，其取值区间为1.2~1.5。在实际工作中，利用上述公式求得ts之后，就可以据此判断是否存在门区外停梯的故障。
其二，运行时间超长，具体表现为上下两个平层光电开关没有同时别平层插板隔开光路，同时楼层数发生变化，且距离上次开门时间超出t2。此处的t2可以通过公式t2=2t1进行计算获得。
其三，冲顶。当楼层显示为最顶层，同时上极限磁开关检测到信号的情况下， 即可判断电梯出现冲顶故障。
其四，蹲底。当楼层显示为最底层，同时下极限磁开关检测到信号的情况下，可以据此判断电梯出现蹲底故障。
其五，超速等。电梯运行速度超出其额定运行速度的1.2倍即可认定为超速。
其六，电梯困人。当电梯轿厢内存在人员的情况下，出现上述五种故障中的任何一种，都可以判断出现电梯困人现象。
为了方便作出故障推理判断，上述故障推理中所需的一些固定参数都可以储存到电梯运行参数采集和故障远程报警终端的E2PROM中，这样一来在使用时就可以直接读取。
通过上述叙述可知，电梯运行状态上报和故障报警策略和终端系统运行的效率存在十分紧密的联系。在终端系统运行的过程中，除了故障自动报警之外，还存在被动查询的方式，这样可以起到相互补充的效果。在系统默认运行的状态下，系统的心跳数据包会和远程工管理平台之间建立连接，此时终端系统并不会定期向远程管理中心上报电梯运行状态信息，只有在电梯出现故障的情况下才会主动发出报警。终端系统在向远程管理中心发送故障报警之后，远程管理平台必须在一定时间内传输应答数据包，否则终端系统就会对该故障进行多次重复报警，直至受到应答为止。另一方面，远程管理中心的工作人员还可以通过发送电梯状态查询指令的方式开启电梯运行状态实施上报功能，然后终端系统就会向远程管理平台传输电梯运行的周期性状态信息。通常情况下，电梯运行状态监测和故障远程报警系统运行过程中，不会同时开启心跳功能和运行状态实时上报功能，目的是为了控制通讯数据量。
电梯运行参数采集和远程故障报警终端和远程管理平台进行数据通讯过程中采用的协议格式如下表所示，表中帧头和帧尾的功能是对数据帧进行识别，序列号为通讯密匙，终端ID用于是终端及其监测电梯的标识。在电梯运行参数采集和故障远程报警终端运行中，从终端发往远程管理中心的消息主要包括设备登录、故障上报、注销登录等类型，从管理平台发往终端的信息主要包括电梯运行信息查询指令、应答数据等类型。
2.3远程通讯模块介绍
电梯运行参数采集和故障远程报警终端系统的远程通讯模块主要负责的是和远程管理平台之间的数据通讯，在通讯模式选择方面，采用的是嵌入以太网串口服务器模组M4000T的系统，为RS485总线和Internet之间的双向数据传输提供支持，实现电梯运行参数采集和故障远程报警终端和与远程管理平台间信息数据的高效传输。采用这种通讯模式的原因在于，电梯井道和机房内的无线网络信息强度相对偏弱，采用GPRS或是无线通讯很难保障通讯效果，加之这两种方式会产生大量的流量费用。相对而言，在电梯机房内布置有线宽带网络接口更加简单方便，且在数据传输稳定性方面更具优势。
下图所示为电梯运行状态监测和故障远程报警系统远程通讯模块原理图，通过对该图的分析可知，远程通讯模块的关键组成部分有M4000T模组、RS485总线芯片、复位芯片等。其中M4000T是由微处理器、通用I/O串行接口以及集成通信变压器的10M以太网口构成。该模组的串口可以同时支持半双工或是全双工通讯方式，同时支持TCP、APR等多种通讯协议，此外，在网络中断的情况下其还具备自动恢复连接的功能。模组包含了两个510字节的缓存空间，可以支持最大1256字节的网络数据打包。本文中，电梯运行状态监测和故障远程报警终端和远程管理平台间采用的是半双工通讯模式，该模组完全可以满足通讯需求，在具体工作的过程中，RX-和RX+构成以太网差分输入，TX-和TX+构成以太网差分输出，其中串行输出TX和输入引脚RX均和RS485总线芯片相连接，这样不仅可以实现串行数据的差分传输，同时还能够大幅度的提升传输距离，强化传输过程的安全性和稳定性。
在完成PC机配置软件的编写之后，利用以太网口将终端系统的远程通讯模块和PC机连接起来，之后对通讯模块IP地址、子网掩码、串行总线通讯波特率、校验方式、远程管理服务器地址以及网关等工作参数进行科学配置。一般情况下，将通讯模块挂靠在局域网内，将局域网接入到Internet 中。之后，将电梯运行参数采集装置的RS485总线的A、B引脚分别和远程通讯模块的RS485总线的A、B引脚连接。最后通过以太网口将远程通讯模块接入到局域网路由器中，如此就可以实现电梯终端系统和远程管理平台的双向通讯，为电梯运行状态检测和故障远程报警系统的有效运行奠定基础。
需要特别注意是，在软件设计环节，为了保障电梯运行监测和故障远程报警系统的有效运行，需要从以下几个方面进行加强，首先，模拟运行界面当中的各触点实际状态，将真实情况更加生动逼真的展现出来。同时，系统软件必须具备显示电梯运行参数以及运行曲线的功能。基于上述要求，必须对多种软件进行整合，形成针对电梯运行的实时监控网络，如此才能使管理人员在电梯出现故障的短时间内对故障信息进行掌握。
图2 远程通讯模块原理图
3运行效果分析
在完成电梯运行状态检测和故障远程报警系统的研制后，将200套设备投入到城市中心城区进行试点运行，并和城市特种设备应急处置中心建立连接，查看其运行效果，结合一段时间内的运行情况来看，有效的降低了电梯故障的发生几率，实现了电梯故障的及时有效处理。在系统安装之后，可以利用系统调试助手对系统进行现场调试。在调试过程中，可以重复进行故障复位、系统重启、楼层校准等操作。为了检验系统安装运行效果，可以人为的制造一些电梯故障，同步对系统显示串口中实时状态显示信息进行检查，若存在故障信息，即可判断系统安装有效。
结语：综上所述，电梯运行状态检测和故障远程报警系统设计实现的内容主要包括电梯运行参数采集和故障远程报警终端设计、故障推理策略科学选用以及远程通讯模块设计三个方面，通过对系统运行结果来看，基于独立传感器研制的系统可以实现对电梯运行的实时在线监控，保障其运行的安全性和可靠性。此外，该系统还具有性价比高、环境适用性好等特点，可以应用于不同品牌和型号的电梯中。
参考文献：
[1]惠嘉琪. 电梯运行状态监测与故障远程报警系统分析[J]. 硅谷，2015，8(01):63+65.
[2]黄超护. 电梯运行状态检测与故障远程报警系统分析[J]. 科技与企业，2015(12):242.
[3]王军. 电梯运行监测系统和故障远程报警系统研究[J]. 内燃机与配件，2016(08):66-67.
[4]何兵. 基于电流信号的电梯运行状态监测终端研发[D].华南理工大学，2014.
[5]王洁，张连凯. 基于无线传感器网络的电梯运行状态监测系统[J]. 传感器世界，2012，18(06):31-34.
论文作者:沈福,谈金林,谈明军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/22
标签：电梯论文; 故障论文; 终端论文; 参数论文; 系统论文; 运行状态论文; 通讯论文; 《防护工程》2018年第23期论文;