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浙江工业大学硕士学位论文 电梯控制柜测试与故障诊断技术的研究 摘要 本文以电梯控制柜故障检测为对象，利用计算机，测试板，并结合上位机软件的设 计，开发了一套基于专家系统的电梯控制柜测试与故障诊断系统。整个检测过程实现了 一定程度的自动化，提高了电梯控制柜出厂前可靠性测试的效率。 首先，论文从故障诊断入手，深入分析了电梯控制系统的组成及其运行机理，通过 故障模式与后果分析法得出了电梯控制系统故障的特点；采用故障树分析法建立了多棵 故障树，并运用最小割集理论对故障树作了定性分析。 其次，论文进行了检测系统的实际软硬件设计，详细分析了硬件系统中各个组成部 分的工作原理及电路设计；运用c 语言进行了检测程序的模块化设计，实现了计算机与 电梯控制柜之间的双向数据通讯；详细讲述了在电梯控制柜故障诊断专家系统的设计 中，专家系统知识的表示、获取、推理及解释等；用d e l p h i 7 0 设计了电梯控制柜测试 与故障诊断软件，检测人员可以在计算机上通过人性化的测试界面对电梯控制柜进行系 统的检测。 最后，在实验室组装了电梯控制柜，搭建了实验平台，对整个测试系统进行了全面 的实验，验证了该系统的实用性。 关键词：电梯控制柜，故障树分析法，专家系统，通信协议 a b s t r c t r e s e a r c ho nd e t e c t i o na n dt e c h n o l o g yo ff a u l t d i a g n o s i sf o re l e v a t o rc o n t r o l l e r a b s t r a c t u s i n gc o m p u t e r , t e s tb o a r d ，c o m b i n gc o m p u t e rs o f t w a r e ，t h i st h e s i sd e s i g n e da n d d e v e l o p e daf a u l tt e s ts y s t e mf o re l e v a t o rc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e de x p e r ts y s t e m t h i ss y s t e m h a sr e a l i z e da u t o m a t i o ni ns o m ed e g r e e ，s oi m p r o v e st h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yo fe l e v a t o r c o n t r o l l e r f i r s t ，d e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o n s i s t e n to ft h ee l e v a t o rc o n t r o l l e ra n di t so p e r a t i o n p r i n c i p l e ；t h i st h e s i sc o n c l u d e de l e v a t o rf a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa c c o r d i n gt of a u l tm o d e la n d e f f i c i e n ta n a l y s i s ；s e v e r a lf a u l tt r e e sw e r eb u i l tf o re v e r yk i n do ff a u l t s ，a n dt h e nm a d e q u a l i t a t i v ea n a l y s i sw i t ht h em i n i m a lc u ts e tt h e o r y s e c o n d ，t h i st h e s i sd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds 0 1 a r eo ft e s ts y s t e mi nt h ep a p e r , a n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fe a c hp a r t so fh a r d w a r ea n dt h ed e s i g no fc i r c u i t ；a c c o m p l i s ht h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n de l e v a t o rc o n t r o l l e r b yt h es o f t w a r ew h i c hp r o g r a m m e d u s i n gcl a n g u a g e ；d e t a i l e da n a l y s i so ft h em e t h o do fk n o w l e d g ed e n o t a t i o n ，a c q u i r e m e n t ， i n f e r e n c e ，e x p l a i n e rd u r i n gt h ed e s i g n i n gf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mo fe l e v a t o rc o n t r o l l e r ； d e s i g n e dap cs o f t w a r eo ff a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mo fe l e v a t o rc o n t r o l l e rf o rt e s t i n g p e r s o n n e lb yd e l p h i 7 f i n a l l y , a s s e m b l e da ne l e v a t o rc o n t r o l l e ra n db u i l ta l le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw i t ht e s t b o a r da n dc o m p u t e r ；o v e r a l lt e s to ft h ew h o l et e s ts y s t e m ，t h er e s u l t ss h o w e dt h ea p p l i c a b i l i t y o ft h es y s t e m k e yw o r d s ：e l e v a t o rc o n t r o l l e r , f a u l tt r e ea n a l y s i s ，e x p e r ts y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l i i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 伴随电梯控制系统的微机化及高性能化而来的便是检测过程的复杂化，一旦出现故 障，对检测、维修人员的专业技术及检测手段提出了较高的要求【1 1 。随着现代电梯智能 控制技术的迅速发展，在国外已经普遍采用3 2 位嵌入式微处理器作为电梯控制系统的 核心【2 】；这些年来，国内也正积极引进、研制和生产3 2 位微机控制系统，传统的继电器 接触器控制系统和p l c 控制系统被微机控制系统取代已成为不争的事实。在引进先进 技术的同时还必须配备先进的检测设备和手段，方能较好地保证产品的质量。电梯控制 系统的核心部件是电梯控制柜，它集中了电梯主控板、内选外呼信号、安全回路信号等 外围电路【3 1 。电梯控制系统的故障检测主要也是针对电梯电子线路和控制部分的，所以 对电梯控制柜功能检测的合理、全面是电梯安全可靠运行的重要保证。目前，国内一般 的电梯生产厂家，还没有完善的自动检测装置来快速的检验电梯控制柜的质量，测试工 作主要依靠检验专员手工做一些简单的调试，电梯一旦在安装现场出现故障，必将延长 工期、增加成本。 1 2 国内外电梯控制系统故障诊断研究的现状 根据系统采用的特征描述和决策方法，故障检测诊断的方法大致分为：基于 系统数学模型的故障诊断方法和基于故障诊断专家系统的诊断方法【4 】。 ( 1 ) 基于系统数学模型的故障诊断方法【5 j 基于数学故障诊断技术是通过构建观察器估计出系统的输出，然后把它与输出的测 量值进行比较，从而取得最终的故障信息。此方法可以与控制系统紧密结合，是监控、 容错控制、系统修复和重构的前提；以现代控制理论和优化设计方法为指导，以系统的 数学模型为基础，然后利用观察器、空间方程、参数估计等方法进行残差，最后对该残 差进行评价和决策。 第1 章绪 论 ( 2 ) 基于故障诊断专家系统的诊断方法【6 】 专家系统( e x p e r ts y s t e m s ，简记e s ) 也称为基于知识的系统，是人工智能的一个最 为重要的应用领域，内容包括诊断知识的表达、诊断推理方法、不确定性推理以及诊断 知识的获取等。这种故障诊断方法是把人们的实践经验和故障信息归纳成计算机语言提 供给专家知识库，并把被诊断系统的过程数据放入数据库，专家系统运用知识库中现存 的规则对已经获得的知识和数据进行推理分析，最终得到故障。由于计算机科学和人工 智能的快速发展，这种故障诊断专家系统克服了基于数学模型的故障诊断方法对模型的 过度依赖性，已经成为目前故障检测的常用方法【_ 7 1 。 1 2 1国外电梯控制系统故障诊断研究现状 国外实现工业化早，对电梯控制系统的研究也比较早，在电梯控制系统的测试和故 障诊断方面，很多先进的技术和理论已经应用与实际的产品，国外的大型电梯生产厂商 电梯都拥有自己的比较成熟的电梯控制柜检测系统，有些甚至可以远程监控，实现远程 诊断故障的功能。对电梯控制系统故障诊断的方法主要有基于规则的专家系统、模糊识 别法、函数识别法、人工神经网络等【8 】【9 1 。 图1 1r e m 电梯控制系统检测系统 美国奥的斯电梯公司推出的r e m ( r e m o t ee l e v a t o rm o n i t o r i n g ) 系统，已 经在国外市场上安装使用，取得了较理想的测试诊断效果，大大减少了电梯故障的发生 2 浙江工业大学硕士学位论文 率。它主要服务功能有：1 自动故障警报，r e m 检测系统会自动发送电梯中断讯号， 然后显示地点、问题等资料：2 电梯运行出现异常，r e m 系统便会发出讯号；3 乘 客被困警报，被困乘客可与服务中心建立直接双向的通话系统【1 0 1 。图1 1 显示的是该系 统的工作现场。 美国西屋公司推出的t u r b i na i d 系统，主要由数据采集部分、监测部分、人工智 能专家系统等构成，功能主要有测量轿厢的振动、转速，还可以进行振动分析及转子部 件的初步诊断等【1 。 t h y s s e n 公司的检测系统具有控制电梯的功能，能较好地掌控电梯的运行状况， 并进行分析和处理，转化为图表通过显示屏显示电梯的行驶方向和各个楼层的召唤信 号；可以自动故障报警，一旦出现故障，可以在线通知检测人员，该系统还能对电梯、 自动扶梯进行远程监控【1 2 】。 图1 - 2 三菱电梯综合测试系统 第1 章绪论 日本三菱公司开发的电梯综合测试系统主要由电梯控制系统、信号采集器、计算机、 打印机等组成，采用先进的数据采集、传输、处理技术，集中监视电梯的运行状况、及 时诊断电梯故障，并能用打印机把诊断报表打印出来，供技术人员查看、备案【1 3 】。其系 统简图如图1 2 所示。 日本富士达开发的可视通信系统e l v i c 由监控系统和测试系统两部分组成，在监 控端屏幕上可显示虚拟井道剖面图和楼层平面图，为每一组电梯提供电梯运行的各项信 息，测试系统可通过预先编制的指令检测电梯，有助于故障查询诊断，及时排除电梯故 障，使电梯运行更可靠、稳定【1 4 】。 电梯控制系统的检测、监测及故障诊断技术的一体化、网络化将是电梯控制领域的 前沿技术，也是计算机控制技术和网络通讯技术飞速发展的必然趋势【”】，其目的是：一 方面在电梯出厂前，对其全方位检测，并尽量排除故障；另一方面对电梯进行售后跟踪 监测，实现远程故障诊断及处理，以及对电梯的使用频率、故障次数、故障类型等进行 统计及分析，为产品的优化提供参考，也提升了售后服务质量。 1 2 2国内电梯控制系统故障诊断研究现状 目前，我国的电梯产品，在数量和质量上都有了显著的提高，电梯品种也在逐渐增 多。但由于国内大型的电梯厂家基本上都属于中外合资企业，国外的电梯公司对自己的 核心技术都严格保密，所以国内在电梯控制系统的测试和故障诊断方面的技术还很不成 熟。现在国内的主要研究方法是：通过建立模拟电梯的运行，将电梯运行状态写进数据 库，在运行时到数据库中对状态进行查找和匹配【1 6 】，采用专家系统理论对电梯进行故障 诊断【1 7 1 。 在实际的电梯测试和故障中，国内主要的电梯生产厂商对电梯控制柜系统的测试与 故障诊断仍旧依靠测试人员的经验。在电梯控制柜出厂检测时也依靠简单的测试仪器进 行简单的测试。 图1 3 是珠海阿尔法机电有限公司研发的a l p h a t 电梯控制柜试验台，针对电梯 生产厂家和电梯控制柜制造单位的试验台。该试验台以可编程序控制器( f x 2 n 系列) 为核心，可以模拟给出电梯控制柜在检测和试验过程中所需要的信号。 图1 4 是浙江莱茵电梯有限公司开发的基于o m r o n 的电梯控制柜测试台，可以模 拟电梯工作的各种信号。 4 浙江工业大学硕士学位论文 图卜3a l p h a - t 电梯控制柜试验台 图l - 4o m r o n 电梯控制柜测试台 这两款测试台在实际电梯测试工作中都发挥了一定的作用，能模拟电梯现场的部分 信号，也能比较真实的反映现场的信息。但存在的缺点也是显然的，主要有以下几方面： 1 不能比较全面的模拟电梯现场的实际信号； 2 不能实时监控到电梯控制系统的端口信号变化； 3 出现故障不能依靠测试系统自身诊断，需要依靠测试人员的经验来查找； 4 整个测试过程不够人性化，没有良好的人机界面，无法形象的描述测试过程和 测试结果。 第1 章绪论 1 3 本课题的研究目的及意义 本课题的研究目的是研究一套基于微机的电梯控制柜综合测试系统。采用串行通讯 接口分别连接计算机和待测电梯控制柜，通过测试板，实现计算机与电梯控制柜之间的 双向数据通讯，利用软件仿真电梯运行现场的各种信号，如轿内召唤信号、厅外召唤信 号、平层信号、极限开关信号等各种真实的电梯井道信号，并对电梯控制柜的端口状态 进行实时监测，最终通过友好的人机界面显示电梯现场的所有信息以及电梯的运行状 态，还可以用打印机打印出测试报告及故障报表，便于测试人员观察。 利用这套测试平台使电梯控制柜在出厂前，就能对其进行比较全面的、快速的检测， 不但保证了电梯的安全可靠运行，而且节约了现场的安装与调试时间，提高了效率、降 低了成本。为我们今后进行电梯控制系统的综合性能和品质检测提供了一套完整的检测 方法和评价体系，具有十分重要的意义，对电梯行业的发展也将起到巨大的推动作用。 1 4 本课题的研究内容及章节安排 本文分析了课题的研究背景及国内外发展现状，以电梯控制柜为检测对象，利用故 障树分析法，设计了一套基于专家系统的电梯控制柜测试与故障诊断系统。整个检测、 诊断过程初步实现了一定程度的自动化，图1 5 与图1 - 6 是测试现场的实物图。 图1 5电梯控制柜测试现场图1 - 6 待测电梯控制柜 6 浙江工业大学硕士学位论文 本论文主要完成工作有以下几点： ( 1 ) 了解课题的研究背景，概述国内外研究现状，理解电梯控制系统的基本结构及 运行工作机理。 ( 2 ) 搭建电梯控制柜测试系统试验平台。其中包括测试系统的硬件设计、底层软件 设计以及系统上位机应用软件的设计，实现在计算机上进行电梯控制系统的测试和控 制。 ( 3 ) 实现计算机与电梯控制系统之间的双向串行数据通讯。计算机通过测试板实时 采集电梯控制系统各端口的状态，同时把测试指令信号送给电梯控制系统，以控制电梯 的运行。 ( 4 ) 利用故障树分析方法，设计故障诊断专家系统，实时的诊断出在测试过程中电 梯控制柜的各种故障及故障发生的原因，并能保存、打印测试结果及查询故障信息等功 能。 本论文的具体章节安排如下： 第l 章绪论本章主要阐述了本课题的研究背景及国内外的研究现状，并给出了 笔者的见解；阐明了本课题研究的目的及意义，随后给出了笔者在论文中需要完成主要 内容及章节安排。 第2 章电梯控制系统故障分析本章首先介绍了电梯系统的基本机构及其运行原 理，通过分析电梯控制系统故障模式，得出了电梯控制系统的故障特点，最后用故障树 理论定性分析了电梯控制系统中安全回路故障的分析方法。 第3 章电梯控制柜故障诊断测试板的硬件设计本章主要阐述了测试板的功能结 构及各个硬件模块的设计要点，分析了各个模块的功能及硬件抗干扰技术的设计。 第4 章电梯控制柜故障诊断测试板的软件设计本章主要阐述了通信协议的设计 思想、协议制定及实现流程，并给出了p c 机与测试板之间的通信程序流程图及测试板 与电梯主控制器之间的通信程序流程图，最后分析了软件的可靠性设计。 第5 章电梯控制柜故障诊断专家系统的设计本章主要阐述了电梯控制柜故障诊 断专家系统中专家系统知识的表示方法、知识的获取方式、推理机的设计及软件的实现。 第6 章实验及结果分析本章主要介绍了电梯控制柜故障诊断专家系统的实验平 台，分析了测试及故障诊断的流程及结果。 第7 章总结与展望本章主要总结了笔者在论文中所做的工作，展望了本课题还 待改进、完善的地方。 7 第2 章电梯控制系统故障分析 第2 章电梯控制系统故障分析 2 1电梯系统的基本结构及运行原理分析 如果要检测出电梯控制系统的故障原因，必须要了解电梯的基本结构和工作原理， 尤其要清晰的知道整个电梯是如何运行的。 2 1 1电梯的基本结构 由于市面上在用的电梯大部分是异步电机交流变频变压调速( 、厂、f ) 电梯，本文 检测诊断的对象也是这种采用v v 、，f 技术( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 的曳引 式电梯，它的基本结构如图2 1 所示【1 8 】【1 9 】。 按其功能分析，曳引式电梯主要有以下8 个部分组成【2 0 】，见表格2 1 。 表2 - 1电梯系统的组成 浙江工业大学硕士学位论文 1 制动器； 3 电气控制柜； 5 位置检测开关； 7 轿内操纵盘： 9 随行电缆； 1 1 厅门； 1 3 减速箱； 1 5 曳引机底盘； 1 7 限速器； 1 9 曳引钢丝绳； 2 1 终端紧急开关； 2 3 轿厢门； 2 5 对重： 2 7 补偿链导向轮； 图2 1曳引式电梯的基本结构图 2 1 2电梯控制系统的运行原理分析 图2 2 是曳引式电梯的工作示意图： 远程监控模块 唼 2 曳引电动机； 4 电源开关； 每开门机； 8 轿厢； l 仉呼梯盒； 1 2 缓冲器； 1 4 - 曳引机； 1 6 导向轮； 1 8 导轨支架； 2 0 - 开关碰块； 2 2 轿厢框架； 2 禾导轨； 2 6 - 4 偿链； 2 8 张紧装置。 ( 如 图2 - 2 电梯的工作示意图 9 导嗣 liel唯ll 第2 章电梯控制系统故障分析 其工作过程大致如下：电梯主控制器根据内外召唤模块发出的呼梯信号，并结合集 选逻辑算法，发送速度指令和方向指令给变频器模块，变频器驱动曳引机使轿厢到达指 定的楼层。位置检测模块将轿厢位置信号实时反馈给主控制器，形成闭环控制，最终实 现轿厢的精确平层。 2 2电梯控制系统故障模式分析 2 2 1电梯故障模式与后果分析 故障模式与后果分析法( f a i l u r em o d ea n de f f e c t sa n a l y s i s ：简称f m e a ) 是通过分析系 统中每一种可能发生的故障模式，确定它对系统产生的后果，并把每一种可能的故障模 式按其严重程度分类的一种分析方法。交流变频变压调速电梯控制系统集成了电梯的所 有电气控制部分，内部接线和系统参数设置很复杂，整个电梯运行过程复杂、功能繁多， 出现的故障现象比较多。要尽可能多的收集控制系统出现故障的现象和原因，采用故障 模式与后果分析法的步骤如下： 1 收集系统的数据信息。主要收集电梯控制系统在不同参数设置下的工作情况，以 及在各种功能情况下的运行原理，并收集电梯在整个运行过程中电梯控制系统各个端口 的变化情况。 2 定义系统及故障判断根据。明确定义电梯控制系统要执行的各种功能及所具备的 条件。 3 构造电梯控制系统的故障逻辑框图。用图解方式来表达系统各个组成部 分的故障及它们的组合，如何导致系统故障的逻辑关系图，也称为故障可靠性框图。例 如电梯启动运行的可靠性框图如图2 3 所示。 有楼层召唤信号h 安全回路接通h 检修正常h 变频器参数设置正确 图2 - 3电梯启动可靠性框图 4 列出电梯控制系统可能发生的故障模式并分析其故障原因。通过分析电梯控制系 统的故障模式，得到电梯控制系统的故障模式与后果分析表。 5 通过对电梯控制系统的故障原因分析，确定故障诊断方法。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 电梯控制系统典型故障分析 由于整个电梯系统结构庞大，各单元之间的关系交错复杂，导致电梯出现故障的种 类繁多，情况多变。按照电梯控制系统故障的表现形式，可以分为安全回路故障、楼层 召唤故障、急停故障、变频器故障等等，这些故障都将导致电梯无法正常工作。表2 - 2 是电梯控制系统的典型故障模式与后果分析表【2 l 】。 表2 - 2 电梯控制系统典型故障模式与后果分析表 本文检测的控制柜采用奔克公司的高档产品b p 3 0 4 作为电梯主控制器，一旦发生故 障使电梯不能正常运行，电梯主控制器b p 3 0 4 自带的液晶显示器上会显示发生何种故 障，同时该故障存入堆栈，可供查询。常见的故障信息有安全回路故障、门锁故障、保 闸故障等，具体的故障信息及处理方法请看表格2 3 所示。它列出了电梯主控制器b p 3 0 4 常见的故障内容。 第2 章电梯控制系统故障分析 表2 - 3电梯主控制器b p 3 0 4 故障信息 此表清晰的给出了电梯控制系统的各种故障模式，为本文后续的故障树建造奠定了 基础，也为专家系统的知识获取提供了参看。 2 3电梯控制系统故障的故障树理论分析 根据前面对电梯控制系统典型故障的分析，我们知道电梯故障检测十分复杂。要检 测电梯控制系统的故障，必须对电梯控制系统的所有输入输出端口进行监控，并对电梯 的整个工作过程进行判断分析。由于电梯控制系统出现的故障形式多样，导致的原因也 很复杂，因此为了快速准确的找出故障原因，本文采用了故障树分析法。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 1 故障树分析法简介 故障树分析法( f t a ，f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 是一种将系统故障形成原因按树状逐级细化 的图形分析方法【翻。该方法通过对可能造成系统故障的各种原因进行分析，按树形结构， 自上而下逐层细化，画出逻辑框图( 即所谓故障树) ，最后确定系统故障原因和发生的 概率，以便在设计中采取相应的措施，从而提高系统的可靠性【2 3 1 。 故障树分析法的步骤，通常由于评价对象、分析目的等不同而干变万化，但一般按 以下步骤进行： 1 构造故障树： 2 建立故障树的数学模型； 3 定性分析。 2 3 2 故障树的构建 故障树模型例是基于研究对象结构、功能特征的行为模型，是一种定性的因果模型， 以系统不希望发生的事件( 系统故障状态) 作为故障树的顶事件，以可能导致顶事件发生 的其他事件作为中间事件和底事件，并用规定的逻辑符号( 与门、或门等) 来表示事件之 间的一种倒树状因果逻辑图，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 故障树结构图 构造故障树的一般步骤如下： 1 ) 系统分析所研究的系统。广泛收集系统相关的技术资料，理解系统的功能原理、 故障状态及故障因素，准确定义故障事件和故障状态。 2 ) 选择顶事件。以最不希望发生的故障事件为顶事件。 1 3 第2 章电梯控制系统故障分析 3 ) 确定系统边界条件。根据对系统所提出的假设条件为依据，合理确定边界条件， 以便明确故障树的建树范围。 4 ) 根据故障树的基本结构构建故障树并进行适当简化。 下面以电梯控制系统安全回路故障来说明电梯控制系统故障树的构建过程。 电梯安全回路指串联所有电气安全装置的回路【2 5 1 。也就是在电梯各安全部件都装有 一个安全开关，把所有的安全开关串联，控制一只安全继电器。只有所有安全开关都在 接通的情况下，安全继电器吸合，电梯才能得电运行，否则电梯立即停止运行。它的安 全部件一般由相序保护继电器、限速器、极限开关、安全窗、检修开关、急停开关、缓 冲器、门锁等组成。电梯控制系统安全回路的简化电气原理图如图2 5 所示。 其中，k x x 为相序保护器开关，当电路缺相、错相时开关动作；x s k 为限速器开关， 当轿厢超速时开关动作；s s j 为上行极限开关，防止电梯冲顶；s x j 为下行极限开关，防 止电梯暾底；s h l 为轿厢缓冲器开关，当轿厢暾底时开关动作；s h 2 为对重缓冲器开关， 当对重块暾底时开关动作；j f 为检修开关，j f s 为检修上行开关，j 敦为检修下行开关， 供电梯安装、维修使用；a c k 为安全窗开关，供紧急救护使用，保证维修、解困人员的 安全；s d t 为轿内急停开关，s d c 为轿顶急停开关，s d d 为机房急停开关，s q k 为底坑急停 开关，供电梯调试、紧急情况使用；h - n j 为轿门连锁开关，k m t l 、k m t n 为厅门门锁开关。 由上述分析可知，电梯安全回路涉及的装置繁多，故障的诱因有多种可能。比如输 入电源的相序错或有缺相，电梯冲顶或沉底、安全窗被人顶起等等都会触发安全回路动 作，迫使电梯停止运行。根据对安全回路的仔细分析，画出了电梯控制系统安全回路故 障树，如图2 - 6 所示。为了便于描述，选取a 、b 、c 、d 四个点作为测试点。 图2 - 5 安全回路电路简图 1 4 b 浙江工业大学硕士学位论文 出i 雁速器j _ j l 关故障莫麦国僻篓麦国( 兹蛩) ( 髫喾关故障八开关故障八故障八故障 g 囝囊 图2 - 6 电梯安全回路故障树 z 全窗 关故障 羹嚣国g ! 嚣国g 笺嚣僻霎墓莲 2 3 3故障树的定性分析 故障树定性分析的目的主要是找出导致顶事件发生的基本事件或基本事件的组合， 即寻找出导致顶事件发生的所有故障模式。故障树定性分析的主要内容包括以下三个方 面：第一对故障树进行规范化处理，也就是建立故障树的结构函数；第二对故障树进行 简化和模块化处理，也就是确立割集：第三采用故障树算法( 上行法或下行法) ，得到故 障树的最小割集。 1 结构函数的建立【2 6 】 结构函数( s t r u c t u r ef u n c t i o n ) 作为一种数学工具，可以有效的描述故障树，并且方便 对故障树作定性分析和定量分析。假设所研究的系统及其部件只有两种状态：正常和故 障；并假设部件的故障之间是相互独立的。研究一个以n 个独立的底事件构成的故障树。 设置为底事件f 的状态变量，取值0 或1 。设( x ) 表示顶事件的状态变量，取值0 或1 。现有如下定义： 第2 章电梯控制系统故障分析 ，f 1 当事件i 发生时( 部件故障) i = ( 1 ，2 ，n ) 一 10 当事件i 不发生时( 部件正常) 吣，： ：) 耄：嚣毽霉篆甏， 仁。 故障树的顶事件是系统不愿意发生的故障状态，即( z ) = l ；相应的底事件为下一 层事件的故障状态，即五= 1 。所以顶事件的状态( x ) 取决于底事件的状态五，即顶事 件状态是底事件状态的函数，故有： q 的= 吐饯，五，)( 2 - 2 ) 称( x ) 为故障树的结构函数，其表示系统的一种布尔函数，其自变量是该系统各 组成部件的状态。不一样的故障树有不一样的布尔结构，对应不一样的结构函数。 ( 1 ) 与门的结构函数 ( x ) = n 互= g 置 ( 2 3 ) t = l i = l 式中i = 1 ，2 ，订，, 为底事件个数。上式说明只有当全部元件发生故障时，系统才 会发生故障，根据布尔运算法则，只要五= 0 ( 即第f 个部件j 下常) ，则( x ) = 0 ( 系统正常) ， 这种与门结构函数对应的故障树如图2 - 7 ( a ) 所示。 ( 2 ) 或门的结构函数 ( x ) = _ 五= l 一( 1 一置) ( 2 4 ) l = ll = l 式中i = 1 ，2 ，刀，z 为底事件个数。 ( a ) 图2 7 与门、或门结构故障树 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 上式说明只要有1 个元件发生故障，则系统就有故障，根据布尔运算法则，只要 一五= l ( 即第f 个部件故障) ，则( x ) = o ( 系统故障) ，这种或门结构函数对应的故障树如图 2 - 7 ( b ) 所示。 知道了与门结构故障树和或门结构故障树的结构函数后，理论上可以写出任意故障 树的结构函数。图2 6 电梯安全回路故障树的结构函数为： 蓑黜荒芝崔羔监黜警妇叭剐剐灿亿5 ， ( 五。u 五。) u 五，u ( 五：u 五。u 五，u 五。) 式中，五，五，五。依次为图2 - 6 从最左断到最右断的底事件。显然可以看出，系 统越复杂，其结构函数越冗长，不便于定性分析和定量分析，在此引入割集和最小割集 的概念及算法。 2 割集与最小割集【2 7 】 如果故障树的一些底事件的集合同时发生时，顶事件必将发生，则这个集合称为割 集。而最小割集是指割集中任意去掉一个底事件后，就不再是割集了，则这个割集称为 最小割集。最小割集删除任何底事件就不再是割集。每一个最小割集都是系统的故障模 式，集合故障树的所有最小割集，就意味着集合了顶事件发生的所有可能，即提出了系 统的所有故障。故电梯控制系统故障树的定性分析也就是找出所有故障的最小割集。确 定最小割集的算法通常有上行法和下行法，本文采用了上行法来求故障树的最小割集。 上行法( 也称s e m a n d e r e s 算法) 【2 8 】，是从底事件开始，由下而上进行布尔代数展开， 每一步都运用集合运算法则简化，最后得到全部最小割集。 下面以电梯控制系统安全回路故障树为例来进一步分析说明。规定m 1 ，m 2 ， m j 依次代表图2 - 6 从最左到最右的中间事件，丁代表顶事件。根据公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 得 出： m 1 = 五u 置，m 3 = 五u t ，m 5 = x iu t ，m 11 = 墨：u x 。u 五，u 置。 m 2 = m 1 u 五um 3 um 5 ，m 6 = 墨u t ，m 7 = 墨ou x i i ，m 1 0 碣3u m l l ，m 9 = m 4 u m l o m 4 = m 2 n m 6 = m 1u x 3 u m 3 0 m 5 u ( 墨u 墨) ，m 8 = m 7u m 9 = 五ou x t iu m 4 u m l 0 t = m 4 u m 8 = x 3 s u x 2 x s u x x 8 u x 4 x g u x 5 x s u x 6 x s u x 7 x g u x l x 9 u x 2 x 9 u x 3 x q u 丘墨u 墨墨u 饩墨u 置墨u x 。u 五，u 墨：u x 。，u 五。u 五，u 置。 1 7 第2 章电梯控制系统故障分析 - _ - 一 所以按上述算法得出电梯安全回路故障树的最小割集集合为： z k 肖 m 墨z 以e ”x x ”瓦置毪裟戤五。五 矗以t 矗 五墨 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章电梯控制柜故障诊断测试板的硬件设计 3 1 故障诊断测试板功能框架 测试板的主要作用是实现电梯控制系统与计算机电梯仿真系统之间的实时数据通 讯。图3 - 1 是电梯主控制器的平面图。 图3 1电梯主控制系统平面图 电梯主控制器的接口功能介绍如下： 1 d c s l p 接口模块，采用r s 4 8 5 接口，用于轿厢串行通讯； 2 s a p 接口模块，采用r s 4 8 5 接口，用于外召串行通讯； 3 r s k 4 2 2 接口模块，用于多台电梯的群控连接或双梯并联； 4 d f u 接口模块，用于电梯的远程监控； 5 a w g c w g 接口模块，用于连接绝对值编码器或增量式编码器，实时监测轿厢的 当前位置； 1 9 第3 章电梯控制柜故障诊断测试板的硬件设计 6 e 1 2 1 k e l 2 2 并行输入接口，连接外部控制信号，比如安全回路、检修回路等，具 体每个端口的定义将在第6 章给出； 7 a 0 3 k a l 2 1 并行输出接口，主要用于控制电梯的运行及功能检测的反馈信号等， 具体每个端口的定义也将在第6 章给出。 本文设计的系统主要需要用到以上介绍中的s l p 接口模块、s a p 接口模块及并行 输入输出模块，测试板的硬件功能结构如图3 2 所示。 图3 - 2 测试板硬件结构框图 此测试板具备以下功能： 1 3 路r s 4 8 5 接口，主要用于连接电梯主控制器的s l p 轿厢串行通讯接口、s a p 外召串行通讯接口，预留1 路与d c p 接口连接； 2 1 路r s 2 3 2 接口，用于与p c 机联机，作现场调式使用； 3 1 路j t a g 接口，供仿真调试使用； 4 1 路u s b 接口，当p c 机没有r s 2 3 2 串口时，通过u s b 联机，作现场调试使用； 5 2 路c a n 总线接口，备用通讯接口( 有些电梯主控制器的轿厢、外召通讯接口为 c a n 接口) ； 6 1 6 路2 4 vd c 数字输出接口，短路保护，限流保护，输出电流2 8 0 m a ( 6 w ) ； 浙江工业大学硕士学位论文 7 1 6 路2 4 v d c 数字输入接口，输入电流约1 0 m a ； 8 增量式编码器输入接口，实时反馈轿厢当前运行位置； 9 1 路d a 转换接口，用于连接变频器的模拟量输入口，控制电机转速； 1 0 若干按键及l e d ，供人机交互使用； 1 1 1 路以太网远程监控接口，供电梯控制系统的远程维护和保养。 测试板实物图如图3 3 所示。 图3 - 3 测试板实物图 3 2 微处理器模块 根据上述功能需求，此测试板的核心微处理器，必须具备丰富的外围硬件接口、 良好的抗干扰性，还须满足数据处理的实时性要求。本文选用n x p 公司推出的基于a r m c o r t e x m 3 内核的微控制器l p c i 7 6 6 作为主芯片。此芯片的操作频率可达1 0 0 m h z ，具 有3 级流水线和哈佛结构。外设组件包含高达5 1 2 k b 的f l a s h 存储器、6 4 k b 的数据存 储器、以太网m a c 、u s b 主机从j 6 | t o t g 接口、4 个u a r t 接口、2 个c a n 通道、2 个s s p 控制器、s p i 接口、4 个定时器、3 个i i c 接口、带有独立电池供电的超低功耗 2 1 第3 章电梯控制柜故障诊断测试板的硬件设计 r t c 和多达7 0 个通用i 0 口，非常适合本系统的开发。 l p c i 7 6 6 的硬件原理图如图3 - 4 所示，各引脚的具体连接将在各部分设计中作详细 介绍。 3 3电源模块 h 珥：曩l 叫 * ：l d n ：o 掣 x n l t 疆t ：2 1 w ：i g ：c n 口t x “ fo ：飘= l z 小， “姒：n * ：1 = m j， m ：。c k o 巩c q l l l g | | t i - , , a“l ：r 瞄 + = w “l ，l j i “一“4 n ”霉凹= n e c w l 口e 1 - c ”l “嚣：n 】衅j 口0 h # ：i ： 1 m ， w ：c 二c 虹3 m ：l o ：s c “1 ”“ “ 怒露曼器戳嚣：i ：m 、： ：l ，l = ! s ! ；“： h 嚣1 蚴 l l n ：城1 1 j = - a ： e ：，蚴c 婚 = ：n z 搿 z ! ：k ! f 二k = ”w = * ：，z mn = 琳： ：j ：o “： # ：l 站l；l ：r 弛 ：帆 b ：t 。口 n ，口口：m ：m ： k ：t ：乱l 删l ；讪t h = 塌4 口耳舅“- ，i ，k 饯 盯“时 n * “n l 。6 ： 3 t = 自【邝： z = z ：= q 璀 册 h 0 ：i 勘m ，m j l r - ：c e 强“嚣：“t - k , ：i z l 黼口4 1 4b ：，1 l ：噶：“e ： e ，：珥，o p t x 粥：w e ：e 韩”锶e 抖t ：也：”： j n w ：l j o ：k n ， ：“。! = ；二c ：t ： 蜡蝴0 枞，h 嚣+ ：二m ：j o ： t ) 翟m l ，n 褂镥胛毪：蕊；暑j e ? + 1 二x j 吼毗，册：! ! 巴= ：嗄= 1 p j 茸勰蚍：嬲e a e ，! = 档童 图3 4l p c i 7 6 6 微处理器硬件原理图 本系统总共需要五种电压源，分别是5 v 、3 3 v 、1 2 v 、1 5 v 和2 4 v 。设计中电源采 用三路外部开关电源输入，分别是5 v 2 a 、1 2 v 1 5 a 和2 4 v 1 5 a 。3 3 v 采用低压差线 性电源r e g l l l 7 3 3 得到，1 5 v 采用电源稳压器l m 7 8 1 5 得到。电源原理图如图3 5 所 示。 掣。“爹ut 严 o 工气了管1 患。 “ 上上m “_ l c i 上“ 奠p j 分j i 豳 一嚣羔一 图3 5 电源原理图 浙江工业大学硕士学位论文 3 4 逻辑i o 口模块 电梯控制系统正常工作过程中，会处理很多开关量输入输出信号，比如检修、超载、 消防、抱闸、提前开门等信号，故信号输入输出模块是电梯控制系统故障诊断中很重要 的一块。本文运用数据采集技术，对电梯控制系统中的各个端口的开关量信号进行实时 采集、监控，为故障定位和诊断作基础。 一般电梯控制系统处理的开关量输入输出信号采用2 4 v ，即2 4 v 表示高电平“l ”， 0 v 表示低电平“0 。本测试系统设计了1 6 路并行输出通道和1 6 路并行输入通道，利 用这些并行i o 口可以模拟出电梯控制系统正常工作时所需的开关量信号，通过控制这 些端口来测试、诊断电梯控制系统。 2 4 v 开关量输入信号电路如图3 - 6 所示，2 4 v 开关量输出信号电路如图3 7 所示。 由于1 6 路开关量输入信号的电路原理是相同的，所以本文只分析其中一路。 图3 - 62 4 v 开关量输入信号电路原理图 从电路可靠性设计方面考虑，此接口电路需满足以下两个条件： 条件1 ，当输入2 4 v 时，p 1 1 9 处输出为5 5 v 左右( 目标是5 v ) ； 条件2 ，当输入1 6 v 时，p 1 1 9 处输出为4 v 左右。 从条件1 入手，输出r 8 5 + r 9 4 两端的电压为1 8 v ，0 8 0 5 封装的贴片电阻理论最大 功率为1 8 w ，故足8 5 + 最0 2 5 w 。设计时，考虑到安全余量，预定p r 8 5 + p r 9 。0 1 5 w ， 则r 8 5 与r 9 4 的电阻阻值和r = u 2 p = 2 2 6 k f 2 ；取r 8 5 = r 9 4 = 1 2 k f ，电流 i = u ( r 8 5 + r 9 4 ) = 7 5 m a ，电路电流较大，故增加电阻阻值， r 8 5 = r 9 4 = 2 2 k f 2 。 此时i = u ( r 8 5 + r 9 4 ) = 4 0 9 m a ，r 1 0 4 = ( 2 4 - 1 8 - 0 7 ) 4 0 9 = 1 3 k o ，取r 1 0 4 = 1 5 k q 。 2 3 第3 章电梯控制柜故障诊断测试板的硬件设计 外部输入2 4 v 电压时，u r l 舛= ( r 1 0 4 ( r 8 5 + r 9 4 + r 1 0 4 ) ) 2 4 = 6 1 v ，此时5 v 稳压管 工作，使p 1 1 9 输出为5 v ；外部输入1 6 v 时，u r 。舛= 4 0 6 v ，满足设计要求。 下面对r 8 5 、r 9 4 、r 1 0 4 进行功耗校核： 假设外部输入电压为2 4 v ，电阻r 8 5 、r 9 4 流过的电流 = ( 2 4 - 5 - 0 7 ) 4 4 = 4 1 6 m a ，电阻r 1 0 4 流过的电流厶= 5 1 5 = 3 3 m a ，功率 p r 8 5 + p 南= 2 ( r 8 5 + r 9 4 ) = 0 0 7 6 w 0 1 5 w ，功率p r l 0 4 = 厶2 r 1 0 4 = 0 0 1 6 w l 弋夕弋。7弋乡 i 知识获取机构 解释