（机械电子工程专业论文）电梯动态智能监控系统的软件设计.pdf

摘要 摘要 电梯是日常生活中最常用的运输工具之一目前北京电梯约六万七千台，每 年以2 0 的速度增加，且有5 的电梯已经服役超过了1 5 年以上这些老旧电梯 在检验时可能达到规定的检验标准，但是在实际运行中，稳定性和可靠性难以保 证。 本文的研究旨在建立一套电梯动态智能监测装置可以对电梯进行不间断的 监测。系统采用基于c a n 总线技术的数据采集系统，收集数据有：电梯运行状态 参数，运行参数，电梯故障情况等等并设计一套数据分析软件，从收集到的原 始数据中对电梯实际运行性能进行评估，最终出具一份电梯分析报告 本系统具备了与以往监测系统所不同的特点首先全面收集了电梯运行时 的多种参数，包括：温度、噪声、加速度、电压、电流、故障类型等参数。其次， 可以在无人值守的情况下，对电梯进行2 4 小时不问断监测收集，积累了大量原 始数据。最后，通过分析对电梯在某一时间段内的运行状况做出了客观的统计 评估 系统硬件建立在传感器和c a n 总线的基础上，具备了良好的通用性，可适 用于多种梯型。并且具备了传统监测系统的报警功能，形成了电梯运行参数数据 仓库，为进一步深入评估老1 日电梯性能提供了完备的数据支持。 关键词现场总线；电梯监测；数据分析 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e v a t o ri so n eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e dc o n v e y a n c et o o li nt h ed a i l yl i f e 。 b e i ji n gh a v ean u m b e ro f6 7 ，0 0 0 。l i f t sa tp r e s e n t ，a n n u a l l yi n c r e a s i n ga ta r a t eo f2 0 a n d5 o ft h e s el i f i sh a v eb e e ni ns e r v i c ef o rm o r et h a nl5y e a r s t h e s eo l de l e v a t o r c o u l dr e a c ht h er e q u i r e ds t a n d a r di nt h et e s t a c t u a l l y ，i ti sd i f f i c u l tt ow o r ks t e a d i l y a n dr e l i a b l y t h i st e x ta i m st oe s t a b l i s had y n a m i ci n t e l l i g e n te l e v a t o rm o n i t o r i n gd e v i c ew h i c h c a nc a r r yo u tc o n t i n u o u sm o n i t o r i n go ft h el i f t s y s t e mi sb a s e do nc a nb u sd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mt oc o l l e c td a t a ，s u c ha se l e v a t o rr u n n i n gp a r a m e t e r s 。s t a t u s ： p a r a m e t e r s ，f a u l tc o n d i t i o n sa n ds oo n t h e nd e s i g nd a t aa n a l y s i ss o f t w a r et oa s s e s s t h ea c t u a lp e r f o r m a n c eo ft h el i f tf r o mt h ela wd a t a f i n a l l y ，c r e a t ea l la n a l y s i sr e p o r t o ft h ee l e v a t o r t h es y s t e mi sd i f f e r e n tf r o mt h ep r e v i o u sm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hs o m e c h a r a c t e r i s t i c s f i r s to fa l l ，ac o m p r e h e n s i v ec o l l e c t i o no fr u n - t i m ep a r a m e t e r s ， i n c l u d i n g ：t e m p e r a t u r e ，n o i s e ，a c c e l e r a t i o n ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，f a u l tt y p e s e c o n d l y ，t h e s y s t e mc a nr u ni nt h ec a s eo f u n a t t e n d e df o r2 4 h o u rm o n i t o r i n g ，a c c u m u l a t e dag r e a t d e a lo fr a wd a t a f i n a l l y ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe l e v a t o r ，w eg i v ea no b j e c t i v e a s s e s s m e n to nt h ee l e v a t o rs t a t u si nac e r t a i np e r i o do ft i m e 一 s y s t e mh a r d w a r ei sb u i l to nt h eb a s i so fc a n b u sa n ds e n s o r sw i t hag o o d c o m p a t i b i l i t y ，a n da p p l i c a b l et oa w i d er a n g eo fl a d d e r a n dw i t haa l a r mf u n c t i o na s m a n yt r a d i t i o n a lm o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e m s w ef o r ma ne l e v a t o ro p e r a t i n g p a r a m e t e r sd a t a b a s ew h i c hp r o v i d e sc o m p l e t ed a t ao n a f u r t h e ri n d e p t ha s s e s s m e n to f t h ep e r f o r m a n c eo ft h eo l de l e v a t o r k e yw o r d sf i e l db u s ；e l e v a t o rm o n i t o r i n g ；d a t aa n a l y s i s 卜 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲础燧名：啦眺幽 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 目前，北京在用电梯约七万六千台，每年近2 0 的速度增加，逐年约有5 的电梯进入服役期限超过1 5 年以上，其中大部分电梯的安全性能会出现明显下 降。电梯检验部门每年对电梯进行一次定期的安全技术性能检验，检测手段主要 是对电梯各部件的外观检查和整体性能试验。这些老旧电梯在检验是可能达到规 定的检验标准，而实际上，其安全运行的稳定性和可靠性难以保证，一旦投入使 用，电梯的运行存在风险。 电梯属于国家特种设备，是涉及人民群众的人身安全等的重大问题。目前国 内的电梯安全检测都是每年一次的人工定检，而人工定检存在几点不足：首先， 人工定检的结果不够全面，因为一次定检往往得不到更全面客观的数据，难以反 映全年电梯的运行情况，对提早发现隐患不利；其次，人工定检得到的资料不易 整理分类，为以后的评估带来麻烦，所以高效的，基于电脑的检测系统势在必行。 同时电梯的检测产品必须建立在良好的兼容性，与原系统的隔离性，较高的性价 比，强大的数据库功能，以及对故障的及时报警与隐患的及时排查上。 电梯安防管理技术是伴随着计算机控制技术和网络技术的发展而逐步发展 起来的，目前国外大的电梯公司几乎都可提供与自己的系统配套的远程监测管理 系统，并能提供比较完善的功能。然而，由于中国特殊的国情，这些国外大公司 的远程监测管理系统在中国的实际应用过程中还存在着一定的局限性。如只能监 测本公司的电梯，对其他公司电梯的监测则无能为力，对电话网络的质量要求也 比较高。另外远程监测系统的价格也比较昂贵，一般用户难以承受。 国内已经厂家做着此类方面的研究，2 0 0 6 年，秦皇岛前景光电技术有限公司 研制开发的“p r o s p e c t 电梯远程自动报警安防管理系统域，已经可以远程监测 电梯的实时运行状态，一旦电梯发生故障就能够及时通知维修人员。它是通过监 测电梯控制器和轿厢内的状态，并通过电话网络将数据传输到远程主机上进行监 测，得到电梯的实时状态。 综上所述，对老旧电梯进行长时间监测、及时诊断出电梯故障、通过事后评 估尽早发现问题j 对于日益增多的高龄电梯来讲具备及其重要的意义。本系统就 是针对这一突出问题，采取了现场总线技术对电梯进行长时间、大数据量的不间 断监测，以期望通过后续处理得到电梯的真实状态。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 计算机监测技术的发展现状 微电子和微型计算机技术近年来有了迅速的发展，它们的应用领域不断扩 大。其中，把微型计算机应用在企业和事业中，对某些生产现场和工作过程进行 监视和控制，以达到优化的生产和管理，获得高的成品率和经济效益，已是当前 普遍重视的技术课题。 使用以微型计算机的监测系统，它的作用一方面主要是实时采集监测对象工 作状态的参数，将它们变换成计算机能够接收和使用的型式，然后送入微机，经 过组织和处理，把各监测对象的工作情况，用清晰的图表显示出来。如果出现异 常情况，则即时用声光报警，提醒有关人员注意。还可以根据采集到的工作状态 参数，用微机实现优化工作过程的决策分析，为优化生产过程和管理工作，提供 实时使用的决策依据。 微机监测系统第二方面的作用是对监测对象进行需要的实时控制。特别是当 要求监测对象实时改变工作状态时，显得非常重要。因为，用其它人工方式常会 引起不及时或差错，要造成不必要的损失。另外，如果控制对象比较分散，和主 控室距离较远，使用微机监测系统进行远距离监视和控制，会取得好的效果。i z j 1 2 1 网络通信与现场总线技术 计算机、通信及网络技术在工业自动化领域广泛应用使企业的信息沟通正迅 速扩展到工厂的现场设备到控制、管理的各个层面，覆盖了从工段、车间、工厂 企业乃至世界各地。自动化系统本身经历了结构性的变革，逐步形成以网络集成 和信息共享为基础的新型企业信息系统。 工业现场往往有大量的传感器、控制器、执行器，它们通常零散地分布在各 区域，通信网络若采用传统星型拓扑结构，通信介质造价与安装成本都将过于高 昂：而采用流行的局域网l a n 组件及环形或总线型拓扑结构可明显减少电缆长 度，但是增加的l a n 介质及相关硬件和软件开发费用又使系统成本与星型系统 相差无几。所以在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场 环境的通信系统，现场总线( f i e l d b u s ) 就是在这种背景下产生并于2 0 世纪8 0 年代 中期在国际上发展起来的，它是应用于生产现场、连接智能现场设备和自动化测 量控制系统的通信网络，被誉为自动化领域的计算机局域网。通过组网将多个传 感器、执行器相连，利用一台普通p c 电脑或者工控机( i p c ) 做服务器进行监 测，组成监测网络，如图1 1 。 第1 章绪论 图l l 现场总线网络 f i g u r e1 - 1 f i e l d b u sn e t w o r k s 对工业控制现场通信网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输 的任务相对比较简单，然而却往往对实时性、准确性要求很高如果按照o s i 七层参考模型来设计通信协议，层间的操作与转换较为复杂，网络连接的接口与 软件运行时间开销不能很好符合实时与准确性需求。因此现场总线的通信协议大 都在o s i 模型基础上进行不同程度的简化，并且在设计中将模型的软硬件实现方 式作了恰当的职责分工。 当前一些主流现场总线系统一般具有如下基本特征： 现场总线系统最常见形式是将专用微处理器嵌入到传统的测量控制装置里， 使其具有数字计算和数字通信能力，采用可进行方便连接的双绞线等作为通 信介质，把多个测控仪表节点连接成网络系统。 现场的多个职能化测控设备和现场仪表与远程监测计算机之间的数据传输 与交换采用领域通用的规范和数字通信协议，基于封闭、专用的解决手段变 为基于公开、标准的统一化解决方案。可以把来自不同厂商但遵守同一协议 规范的自动化设备通过现场总线网络连接成系统，从而实现综合自动化的各 种功能。 基于现场总线的控制系统网络一般为多分支多结点的全分布拓扑结构，是自 动化系统向分散化、网络化、智能化方向发展1 3 】。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、 投运到正常生产及其检修维护，都体现出优越性1 4 l ： 、 消除了4 - - 2 0 m a 信号传输的瓶颈现象。 现场总线替代了现场仪表到控制室的一对一布线，减少了连线、i o 卡件和 隔离器数量，从而预计可减少至少6 6 以上的电缆配线、安装、调试、维修 费用。 北京工业大学工学硕士学位论文 提高了检测精度和鲁棒性。 增强了控制系统的可靠性与自治性，由于智能现场仪表具有很强的运算处理 功能，在有了现场总线这一通信手段后就可在现场装置内实现一般的控制 策略，实现就地控制。 为用户提供更多的功能，用户可在控制室定期标定传感器，在故障情况下对 其进行诊断，他们可以看到主控系统及所有挂接的装置及其相互作用等，大 大方便了对系统和现场装置的标定和在线诊断。 用户拥有产品选择权，采用统一标准现场总线后，产品匹配性解决了，用户 可选择不同厂家产品，优化组合，构成自己最满意的系统。 产生先进的新型现场仪表，赋予现场仪表许多新的先进功能如多变量变送 器、多变量气动执行器。 调试维护方便，使用寿命长。 自8 0 年代以来，有几种现场总线技术己逐步形成其影响并在一些特定的应 用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，显示了很强的生命力。 ( 1 ) 基金会( f f ) 现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到广泛支持 和具有良好发展前景的技术。是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首的制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首制定的w o r l df i p 协议合并成立的。它以i s o 开放 系统互连模型为基础，取其物理 层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户 层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用 设备描述语言规定了通用的功能块集。f f 的成员均为自控领域控制设备的主要 供应商，对工业底层网络的功能了解十分透彻，也具备足以左右该领域现场自控 设备的发展方向的能力，由他们组成的基金会所颁布的现场总线标准具有很强的 权威性。 ( 2 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 现场总线技术由美国e c h e l o n 公司推出并由它与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用i s o o s i 全部七层通信协议， 采用了面向对象设计的方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，通 信介质可供选择的范围广泛，有通用控制网络之称。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片 中而得以实现。 l o n w o r k s 技术已被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公 设备、交通运输等行业。 第1 章绪论 皇量曼鼍量曼量鼍曼鼍曼曼曼曼鼍皇曼! 皇曼皇曼寡i 。i1 一i i i 曼皇量曼皇曼量曼曼量璺曼鲁 ( 3 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家d i n l 9 2 4 5 和欧洲现场总线标准，由p r o f i b u s d p ， p r o f i b u s - f m s ，p r o f i b u s p a 组成。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合 于加工自动化领域的应用。p r o f i b u s f m s 适用于纺织、楼宇自动化、p l c 、低压 开关等。而p a 型则适用于过程自动化，遵从i e c l l 5 8 2 标准，采用o s i 模型的 物理层数据链路层。f m s 还采用了应用层。 ( 4 ) c a n c a n 是控制局域网的简称，其总线规范已被i s o 国际标准化组织制定为国 际标准，广泛应用于离散控制领域。模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理 层、数据链路层和项层的应用层，传输介质采用双绞线。c a n 总线具有较强的 抗干扰能力。 其应用范围已不再局限于汽车工业，仅在国内，其应用已遍及过程控制【5 1 、机 械工业【6 l 、智能建筑【7 】、智能电器【引、化学- r 、l l , t g 、码头货运【i o 】、分布管理【l i 】等 领域，并且得到了快速发展。c a n 总线已形成国际标准，并已被公认为几种最有前 途的现场总线之一，因此拟采用基于c a n 总线的数据采集系统。 ( 5 ) h a r t h a r t 最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于 1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。这种协议的特点是在现有的模拟信号传输线 上实现数字通信，属于模拟向数字系统转变过程中的过渡性产品，在当前过渡时 期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展口】。 1 2 2 基于p i c 的监测 p l c 是可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的简称。主要用 于工业控制中。它的主要优点如下：1 1 2 1 ( 1 ) 可靠性特别高、抗干扰能力强，能适应各种恶劣的工业环境。p l c 采用了 光电耦合隔离及各种滤波方法，有效地防止了干扰信号的进入。内部采用电磁屏 蔽，防止辐射干扰。电源使用开关电源，防止引入电源干扰。具有良好的自诊断 功能。 ( 2 ) 采用模块化结构，系统组成灵活方便。p l c 一般由主模块( 包括c p u 模块) 、 电源、各种输入输出模块构成，并可以根据需要配备通信模块或远程i o 模块。 ( 3 ) 主要采用梯形逻辑图的编程语言，编程简单。 ( 4 ) 安装简便、调试方便、维护工作量小。 尽管p l c 具有上述优点，但p l c 主要是为现场控制而设计的。2 0 世纪9 0 年代末，许多p l c 产品都配备有计算机通信接1 ：3 ，通过总线将一台或者多台p l c 北京工业大学工学硕士学位论文 相连接，将p l c 高控制性能与个人计算机的友好人机界面相结合，这种类型的 计算机监测系统称为p l c s 。如图1 2 所示为p l c s 的组成示意图。 图1 2p l c s 系统组成 f i g u r el - 2 p l c ss y s t e m 计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行整个系统的监测和管理； 而p l c 作为下位机，执行可靠有效的分散控制。计算机与p l c 、p l c 与p l c 之 间通过通信网络实现信息的传送和交换。所有的现场控制都是由p l c 来完成的， 上位机只作为程序编制、参数设定和修改、数据采集所用。因此，即使是上位机 出现了故障，也不会影响生产过程的正常进行，这就大大地提高了系统的可靠性。 工控机或者普通计算机在整个系统中充当主站的功能，它属于上位机，用于 对整个系统进行实时监测。p l c 属于下位机，它接收上位机传送来的控制指令， 按照指令对现场进行控制。 工控机或者普通计算机与p l c 之间的网络连接有两种形式：一种是点对点方 式。即一台计算机的c o m 接口与p l c 的异步通信端口之间直接用电缆相连。另 一种是多点结构。即一台计算机与多台p l c 通过一条通信总线相连接。它是以 工控机为主站，p l c 为从站，进行主从式通信。 1 2 3 虚拟仪器技术 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯 及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系 统。利用现有的计算机，配上相应的硬件( 如数据采集卡、输入输出卡、g p i b 卡等) 和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊 功能的高档低价的新型仪器。它利用p c 计算机强大的图形环境，建立界面友好 的虚拟仪器面板( a p 软面板) ，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控 制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器 的功能。由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不 第1 章绪论 同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满 足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪 器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效 果。它不仅可以用于测量、测试、分析、计量等领域，而且还用于进行设备的监 测，用于工业过程自动化。 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件 平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌 入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。 计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导致 了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，v i 可分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体 系结构。 ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 。 典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪 器。每台g p i b 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、 减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪器的 内部设计。 ( 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 。 v x i 系统最多可包含2 5 6 个装置，主要由主机箱、“o 槽”控制器、具有多种 功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。它具有体积小、结构紧凑、 数据传输效率高( 4 0 m b y t e s s ) 、信息吞吐量大、系统可靠性强等特点，特别是其 测量功能强大，易于组建，系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。 大大减少了用户的系统开发时间，因此在复杂科研和高科技产品领域迅速受到重 视。v x i 技术的推出，使仪器和自动测试技术产生了一个质的飞跃，成为虚拟仪 器领域中最重要的代表。用v x i 组成的虚拟仪器，适用于测试工作量大、测试 项目复杂、要求测试速度高、精度高且空间狭小环境比较恶劣的地方，多用在高 科技和军工部门。 ( 3 ) p x i ( p c ! e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 增加了 用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于 相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。p x i 兼容 c o m p a c t p c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿度、振动和冲击 试验) 等要求。这样以来，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。 ( 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、 p c 工、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加 北京工业大学工学硕士学位论文 了测试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器 ( c o m p u t e r - b a s e di n s t r u m e n t s ) ，实现“一机多型”和“一机多用”。 目前，d a q 技术主要应用于高采样速率及直接控制方面。这种基于计算机 的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数用 户来说，这种方案很实用，具有很高的性能价格化，是一种特别适合于我国国情 的虚拟仪器方案。图l - 4 给出了虚拟仪器系统的硬件构成图。i t 3 1 图i 3 虚拟仪器系统的硬件构成图 f i g u r e 卜3 v i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e 1 3电梯现代监测技术 在我国电梯属于国家特种设备安全监察范围。国务院特种设备安全监督管理 部门核准的特种设备检验检测机构对电梯实施强制性的监督检验。国家质量监督 检验检疫总局先后于2 0 0 2 年和2 0 0 3 年颁布实施了电梯监督检验规程( 以下 简称检规) 液压电梯监督检验规程自动扶梯和自动人行道监督检验规程和 杂物电梯监督检验规程。电梯的监督检验包括对新装电梯的验收检验和在用 电梯的定期检验，定期检验每年进行一次【1 4 1 。我国电梯的制造安装主体标准等效 采用了欧洲标准，如g b7 5 8 8 - - 2 0 0 3 标准等效采用了欧洲标准e n8 1 1 ：1 9 9 8 ( s a f e t yr u l e sf o r t h ec o n s t r u c t i o na n di n s t a l l a t i o no f l i f t s ) ) ，g b1 6 8 9 9 - 1 9 9 7 自动扶 梯和行动人行道的制造与安装安全规范等效采用了e n1 1 5 1 9 9 5 s a f e t yr u l e s f o rt h ec o n s t r u c t i o na n di n s t a l l a t i o no fe s c a l a t o r sa n dp a s s e n g e rc o n v e y o r s ； 等。 这些监督检验规程和标准的实施，对我国电梯安全运行起到了积极的促进作 用。但从事故发生概率上看，与国外发达国家相比，我国电梯事故仍呈高发态势。 - 8 第1 章绪论 电梯的监督检验，无论是电梯的验收检验，还是定期检验，现在多以人工检验为主， 由于受到人员经验限制，多数情况下只能反映当时电梯的情况，且并不全面。l l 习 由于电梯作为国家规定的特种设备，其安全性能、运行性能都受到业界的高 度关注。目前电梯行业对电梯所能采取的监测手段主要有以下三种形式： ( 1 ) 电梯的远程监测系统 当今先进的监视监测技术集控制、监视、管理以及决策支持等功能于一体， 成为综合自动化系统。电梯远程监测系统也随着监测技术及计算机通信和网络技 术的发展发生了巨大的变化，国外比较大型的电梯公司都拥有成熟的远程监测系 统，如日本三菱、美国的奥的斯等。 蒂森公司的远程监测系统具有控制电梯的功能，能检测和识别滥用或误操作 紧急呼救功能：能较好的掌握电梯的运行状况，并进行分析和处理，转化为图标 来显示各行驶方向和每层楼的呼叫次数、呼叫与处理时间曲线等；自动故障报警， 该系统同时可以监测电梯、自动扶梯和楼内其他设备；但是该系统仅适用于其本 公司生产的电梯和自动扶梯。 奥的斯公司自行开发的电梯监测系统，具有分级报警的功能。监测系统自动 发出电梯服务中断的信号，显示地点、性质、问题及乘客状况资料。电工电梯的 运行表现不符合预定的界限时，系统发出报警信号。 日立电梯远程监测系统以计算机系统2 4 小时监测用户电梯的运行状况，为 每一台电梯建立运行状态数据档案，定期进行检查保养，有效防止电梯故障的发 生，大大延长电梯的使用寿命。当电梯发生故障时，信号自动接通监测中心，监 测装置显示电梯的故障资料并立即向电梯故障发生地的维修人员发出指令，确保 第一时间赶到现场。 远程监测技术是伴随着计算机控制技术和网络技术的发展而发展起来的，随 着国内电梯领域这几年的发展出现了很多比较先进的监测系统，如最近的西子电 梯集团与浙大合作的基于嵌入式i n t e r n e t 的电梯远程监测网络系统，还有上 海新时达电气有限公司开发的c a n b u s 的电梯监测系统。f 1 6 i 也有相关单位生产 的远程监测系统，他们的客户群体主要针对在用电梯的使用单位，其产品可以实 现在一定区域内建立监测网络和信息中心，对所管辖的多部电梯的运行状态进行 实时的全天候监测并记录，同时能够及时地将故障状态信息通过无线通讯手段通 知有关人员，以利于有关人员及时维修和应急处理是物业部门的电梯管理设备， 可以明显地提高物业部门的电梯使用管理水平。例如：秦皇岛开发区前景光电技 术有限公司开发的“电梯远程自动报警安防管理系统”；深圳宏大明电子技术有限 公司研制的“电梯监测系统”；广州高大科技发展有限公司研制的“电梯监测系统” 等。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 曼i ii 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量舅皇! 兰曼! ! ! 鼍曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼鼍曼皇皇曼量量罡! 曼曼鼍曼! 曼量曼曼曼皇曼曼 ( 2 ) 电梯“黑匣子” 电梯“黑匣子”所提供的功能类似于飞机中黑匣子的作用，主要是能够在无人 监管的情况下将电梯数据自动收入存储，便于以后的分析使用。 基本原理：状态信息的采集和传输方法与“远程监测系统”相似，将主要的运 行状态进行不间断检测，兼有故障报警功能，并可以将状态信息存储或以代码形 式发送给信息中心进行记录，记录信息可以作为相关部门追溯检索和统计处理使 用。 主要作用：为电梯使用管理单位及行政管理部门提供丰富的在用电梯运行状 态信息，再现电梯运行中的运行状态变化过程，是一种有利于提高地区安全运行 管理水平的监测设备。例如：广州市特种设备监察检验所与广州市银光电子工业 有限公司联合研制的“电梯运行记录仪系统”；重庆永旺科技发展有限公司与重庆 市渝中区质量技术监督局联合研制的“电梯安全运行动态监测管理系统终端”：陕 西亿丰电子工程有限公司与陕西特种设备质量监督检验检测中心研制的“电梯运 行安全追忆评估系统”。 ( 3 ) 动态性能监测系统 电梯的动态性能包括电梯实时的速度、加速度等。目前，很多针对电梯的专 业测试设备都同时具备测量电梯速度、加速度、加速度变化率等参数；同时，为 了便于深层次分析电梯的运行性能，还兼有测量噪声等其他参数。 当前主流的动态性能监测系统包括： a 电梯专项性能检测仪器 以美国e v a 6 2 5 、德国t u v 为代表的很多先进检测仪器得到很多国内技术部 门的认可，能够量化加速度和噪音等参数的测量数据，为乘运质量和电梯系统问 题诊断提供最真实参考依据，使用方便而且检测精准度高。 主要应用在规定的实验条件下电梯专项性能的检测工作中，可以采集电梯单 次或多次运行的动态数据，不是在用电梯的全天候实时检测设备，可以获得较好 的检测效果，但一般购买价格较高。 b 电梯性能跟踪检测仪器 浙江大学。浙江工业大学设计实现了液压电梯动态性能测试仪，并且已经申 请了专利。这是一种液压电梯动态性能测试仪，包括一套具有数据采集和处理的 计算机系统、速度传感器反馈接口电路，键盘与显示电路，脉宽调制d a 输出 电路，通讯接口电路。利用装在液压电梯轿箱上的速度传感器输出的脉冲信号， 经数据采集和处理，可在显示器上显示电梯运行参数，如运行速度、加速度、最 大瞬时速度等动态性能。 通过仪器的运行曲线输出电路，用示波器观察电梯各种运行曲线，仪器具有 较高的抗干扰能力、高频响、高精度、安装方便，具有较高的使用价值。 第1 章绪论 1 4 论文研究的意义和所作的工作 老旧电梯的性能关乎人民群众的生命安危，有些老电梯经常会出现关人、停 车不到位、开关门异常等毛病，对其进行必要的评估具有极强的现实意义。以往 凭借具有丰富经验的电梯维修工或者专家的判断，缺乏科学的、系统的数据支持。 现有的电梯检测设备要么只能在现场测多次，不具备长期借鉴意义，要么在采集 的参数上较为单一，要么造价昂贵。故而，全面的、准确的、基于数据的研究势 在必行。电梯动态智能监测系统就是基于这样一个初衷设计的，采用了c a n 总 线技术，软硬件上都具有成熟的、多样的技术：收集了多个电梯参数使得为以后 的分析提供了可靠的依据。电梯动态智能监测系统全面、准确、实时的采集了电 梯的各种数据，与其他的同类设备相比，它具有以下几个特点i ( 1 ) 运用电梯运行状态、运行参数和故障信息采集技术。通过电梯通讯数 据采集、控制系统输入输出模拟采集以及外部传感器采集等三种数据采集方式， 对电梯进行实时监测，实现了数据采集的实时、全面和准确。 ( 2 ) 动态性能的检测，区别于传统的单纯的电梯状态信息监测。电梯状态 是指电梯表现出来的形态( 运行停止、开关门、上厂f 方向、制动、检修、故障 等) 。电梯性能是指电梯对设计要求的满足程度( 额定速度、额定起动加速度和 制动减速度、额定电流、主机额定温度等) 。 ( 3 ) 高频次、长时间的记录电梯的数据。最高采集频率为电梯的速度和加 速度参数达到1 0 0 次秒。并且每次记录的是量化检测数据“x ”，而非定性的判断 结果“i 0 ”。采集的参数较多，包括电梯的电压、电流参数、噪声、温度、速度 参数等等。在c a n 总线的容量下，可以满足1 0 0 次秒速率。在硬盘空间允许的 情况下可以连续长时间采集，目前规定的最长记录时间为3 个月。所有信息不间 断采集每天形成约8 0 0 m b 数据，3 个月总共的数据不超过1 0 0 g b 。并可以设定 条件，选择记录的开始和终止点，节约大量储存空间。 ( 4 ) 报警方式的多样性，可根据电梯的状态，提供多种报警信息，包括监 测系统出错、电梯出现致命故障、电梯设备故障如电机温度过高等等。 ( 5 ) 可以长时间无人看守运行。 ( 6 ) 较为经济的软硬件配置。c a n 总线设备本身具备多元的、兼容的特点， 因此硬件设备的研制已经很成熟，使得整个系统造价不是特别昂贵。采用v c 、 v c 2 0 0 5 n e t 编写采集以及分析程序，大大减少了软件开支，比如使用组态软件 笔 寸o ( 7 ) 对于数据，以时间为横轴，检测值为纵轴多参数对应显示参数变化。 在任何一个受关注的时间点，可以同时获得速度、加速度、电流、电压等检测值， 并且同时显示电梯所处的运行状态。这对于有经验的电梯工作者分析电梯的状况 北京工业大学工学硕士学位论文 提供了全面、系统的支持。 ( 8 ) 形成了电梯参数数据库，选用了s q ls e r v e r 2 0 0 5 来实现数据的二次 存储，它的建立使得将来的分析处理变得有理有据。在大量的数据的基础上我们 可以进行相关的统计分析，或者后续的数据挖掘，为电梯性能全面的评估提供坚 实的基础。 根据以上所述，根据论文所选题目的背景和意义，本论文对现场总线技术、 电梯监测技术做了基本的介绍。并在此基础上，阐述了利用c a n 总线技术设计 的电梯动态智能监测技术的整个软件设计与开发。 本论文所做工作如下： ( 1 ) 系统全面地阐述了现场总线技术的概念及其发展背景与趋势。详尽阐 明了现场总线的独特之处及其相对于其他控制技术的优势。介绍了目前国际上几 种有影响的现场总线技术。 ( 2 ) 介绍了目前主流的电梯监测手段，并且比较了之间的不同。 ( 3 ) 在搭建硬件环境的基础上，设计出了一套电梯数据采集、实时监测软 件和一套电梯数据处理与分析软件。在详尽数据的基础上分析了电梯的性能。 第2 章软件系统的整体设计 皇皇鼍曼皇曼曼鼍曼曼曼鼍曼曼蔓皇皇i 1 ll i e _ 一, 一, 鼍曼! 曼曼皇曼! ! ! 曼曼! 曼曼曼蔓曼皇曼皇曼曼曼皇曼鼍曼曼皇曼皇曼曼曼曼 第2 章软件系统的整体设计 2 1系统的硬件结构 2 1 1电梯结构介绍 电梯是一种复杂的机电产品，从结构上它分为井道部分和机房部分，动力和 控制设备多放在机房中，井道部分有照明和机械运输部分。整个结构如下图所示： 图2 - 1电梯基本结构剖视图 f i g u r e2 1 b a s i cs t r u c t u r eo ft h el i f t - 1 3 - 卜减速箱； 2 一曳引轮； 3 一曳引机底座：4 - 导向轮： 5 一限速器；6 一机座： 7 一导轨支架； 8 一曳引钢丝绳； 9 一开关碰铁；1 0 - 紧急终端开关： l i 一导靴；1 2 - 轿架： 1 3 一轿门；1 4 - 安全钳； 1 5 一导轨；1 6 - 绳头组合； 1 7 一对重： 1 8 一补偿链： 1 9 一补偿链导轮：2 0 - 张紧装置： 2 卜缓冲器；2 2 - 底坑； 2 3 一层门i2 4 - 呼梯盒； 2 5 一层楼指示灯：2 6 - 随行电缆； 2 7 一轿壁；2 8 - 轿内操纵箱： 2 9 一开门机：3 0 - 井道传感器； 3 卜电源开关：3 2 - 控制柜： 3 3 - 曳引电机；3 4 - 制动器 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 2 系统硬件结构 由参考文献 1 7 - 2 1 ，系统采用c a n 总线技术，收集电梯各个参数。在轿厢顶 和机房，我们放置了采集设备。所有采集数据通过c a n 总线或串口收集到一台 工控机设备中，同时，工控机配置了两台无线发射装置，用以传送报警信息和实 时数据。数据收集后，可在远端任意一台具有公网i p 的主机上进行数据分析， 拥有公网i p 的目的是可以与下位机工控机实现无线通讯。整体机构如下所示： 图2 - 2 系统硬件结构图 f i g u r e2 - 2s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e 第2 章软件系统的整体设计 2 2 软件系统的需求分析 整个系统共有两套软件，一个是动态智能监测软件，主要采集电梯数据：另 一个是电梯的数据分析软件，主要负责处理电梯数据和分析。电梯动态智能监测 系统的软件应该具备以功能： ( 1 ) 电梯各个参数的采集，与c a n 卡通讯采集传感器数据，与r s 2 3 2 通讯 采集电梯状态信息。 ( 2 ) 可以适应采集节点参数以及数量的不同，仅需要重新配置而不用修改 程序。 ( 3 ) 可以图形显示实时电梯各个参数数据。 ( 4 ) 可以列表显示查看数据的具体数值。 ( 5 ) 可以提供简单的数据查询功能，调出实时数据。 ( 6 ) 可以在远端监测电梯运行状态，通过g p r s 模块将采集到的数据送至 远端主机，随时监测电梯状况。 ( 7 ) 将电梯状态报警信息迅速的发给远端技术人员，及时处理电梯故障。 ( 8 ) 实时监测采集软件的状态，当软件崩溃时，及时通知技术人员前往处 理。而电梯的数据分析软件，与监测软件不同，电梯动态智能监测软件运行在与 c a n 卡相连的主机上，连接着总线上所有的节点；电梯分析软件可以运行在任 何一台拥有公网i p 的主机上，当运行在没有网络连接的主机上时，软件将失去 远程监测功能。 鉴于此，电梯数据分析软件因具有以下功能： ( 1 ) 远程监测功能。 ( 2 ) 电梯原始数据的再处理功能，他是将电梯原始数据进行细分、保存的 必要过程。 ( 3 ) 原始数据的过程再现，完全重现在同一时间段内电梯某次运行的所有 采集参数。 ( 4 ) 电梯的运行参数分析，速度、加速度、x y 振动加速度等等。 ( 5 ) 电梯的噪声参数分析。 ( 6 ) 电梯的电压电流参数分析。 ( 7 ) 电梯的温度数据分析。 ( 8 ) 电梯的运行信息分析：如电梯的运营率，故障率，维修时间等等。 ( 9 ) 应该最终能出具一份当前被测电梯的性能评估报表。根据以上的功能 需求，设计系统需求，如下表2 1 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 i 系统需求 t a b l e2 i s y s t e mr e q u i r e m e n t 智能监测程序功能需求 功能 说明 基于i c a n 协议收集电梯传感器数据，包 l 通过c a n 总线采集各个传感器数据括电压、电流、温度、噪声、速度、加速 度等 2