CN101259930B - 电梯门系统监测预警系统 - Google Patents

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Abstract

一种电梯在线监测技术领域的电梯门系统监测预警系统，本发明中，控制子系统控制电梯开关门速度，并获得电梯电机的磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，并通过CAN总线传输给性能子系统以及状态监测和预警子系统；性能分析子系统通过CAN总线接收磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，计算q轴电流分量的峰值大小和开关门位置，得到预警电流阈值；状态监测和预警子系统通过CAN总线接收磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，将q轴电流分量和预警电流阈值进行比较，产生预警代码。本发明通过CAN总线输出磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量进行状态监测和预警，不需额外的力传感器和加速度传感器。

Description

电梯门系统监测预警系统
技术领域
本发明涉及一种电梯在线监测技术领域的系统，具体是一种电梯门系统监测预警系统。
背景技术
目前，门系统故障是电梯事故的最主要原因之一。电梯门系统维护采用的方式是当电梯发生故障或事故之后，电梯检修人员才检测故障原因，并对故障部件进行维修或更换。如果对电梯门系统进行在线监测，分析门系统运行时的性能指标，当性能指标下降时预警，提前进行维护，就能避免故障甚至事故的发生，提高电梯运行的安全性。
目前，国内外大学和电梯公司对门系统状态监控进行相关研究，国外对于电梯门系统状态检测和性能退化分析的方案在简化实施装置、减少方案复杂度方面都存在不足，无法运用到实际的电梯中。如美国辛辛那提大学智能维护实验室通过提取电梯开关门过程中的振动信号来监测门系统运行状态，该方法基于传统的机械故障诊断原理，在实施过程中需要安装大量传感器。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号200580006756.6，专利名称为“电梯门监控装置”，该专利通过构造门系统动态模型，估算模型参数来在线分析门当前的状态，该方案同样需要额外的传感器，实施过程复杂，周期长，并需要大量的电梯行业专家经验数据。国内从事电梯行业的研究人员在电梯门系统的安全隐患和事故情况方面进行了许多探讨，但还没有从门系统状态在线监测和性能退化分析角度进行相关研究。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种电梯门系统监测预警系统，以电机转矩电流作为主要性能指标进行门系统状态监测和预警，门系统控制器直接将数字化后的驱动电流和位置信号通过控制器局域网CAN总线输出，通过转矩电流和开关门位置信息及其组合，对比通过门系统试验台的试验获取故障预警的阈值，对门系统故障进行预警，无需额外的力和加速度传感器。门系统试验台中的PC机通过CAN总线适配卡获取电机转矩电流大小和位置信息，监测开关门过程中位置、驱动电流随时间的变化，分析门系统的运行状态、性能及故障部位，获取故障预警阈值。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：控制子系统、性能分析子系统、状态监测和预警子系统，三个子系统之间通过CAN(控制器局域网)总线连接，其中：
控制子系统控制电梯开关门速度，并获得电梯电机的磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，并通过CAN总线传输给性能分析子系统以及状态监测和预警子系统；
性能分析子系统通过CAN总线接收磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，计算q轴电流分量的峰值大小和开关门位置，得到预警电流阈值并传输给状态监测和预警子系统；
状态监测和预警子系统通过CAN总线接收磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，将q轴电流分量和电流阈值进行比较，产生预警代码，并传送到远程控制中心。
所述控制子系统，包括：增量编码器、转速及磁极位置计算模块、霍尔元件、克拉克变换模块、比例电路、电压矢量计算模块、帕克逆变换模块、空间矢量计算模块、智能功率模块和CAN总线接口，其中：
增量编码器与电梯门的永磁同步电机转子相连接，检测电机转子的磁极位置，电源接通后对电机磁极初始位置进行检测，电机工作时以脉冲PA、PB、PZ输出至转速磁极位置计算模块；
转速磁极位置计算模块计算得到电机实际转速及磁极位置，实际转速传输给比较电路，磁极位置传输给CAN总线接口和帕克逆变换模块；
霍尔元件作为电流传感器与电机定子相接，测量电机的U相电流和V相电流，输出至克拉克变换模块；
克拉克变换模块根据U相电流和V相电流计算得到d轴电流分量和q轴电流分量，将q轴电流分量传输给比较电路和CAN总线接口，将d轴电流分量传输给比较电路；
比较电路比较给定转速与增量编码器得到的实际转速，得到两个转速的差值，通过比例积分调节后，产生力矩电流；比较电路将力矩电流和q轴电流分量进行比较，所得差值通过比例积分调节后输至电压矢量计算模块；比较电路将励磁电流指令id＝0和d轴电流分量进行比较，所得差值通过比例积分调节后输至电压矢量计算模块；
电压矢量计算模块根据比较电路的比较结果计算得到电机矢量电压Vd和Vq，矢量电压Vd和Vq通过帕克逆变换模块计算产生α轴电压Vα和β轴电压Vβ，Vα和Vβ信号输至空间矢量计算模块运算得到PWM1-PWM6(脉宽调制信号)脉宽电压，输入至智能功率模块，产生U、V、W三相交流电压，驱动永磁同步电机按给定的速度完成开关门；
CAN总线接口将d轴电流分量、q轴电流分量、磁极位置输出至CAN总线。
所述d轴电流分量、q轴电流分量、磁极位置均为数字量，避免了为获取门系统机械参数和运动参数所需的力传感器和加速度传感器。
所述性能分析子系统，包括：CAN总线适配卡和性能分析模块，CAN总线适配卡接收CAN总线上数字量信号的磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，输出至性能分析模块，性能分析模块分别记录磁极位置的变化历程、d轴电流分量的变化历程和q轴电流分量的变化历程，计算q轴电流分量的峰值大小，得到电流预警阈值输出至状态监测和预警子系统。
所述性能分析模块，在门系统正常运行的工况下，记录分析控制子系统发送的磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量随时间变化的过程，并将q轴电流分量的峰值作为基准，同时模拟门系统出现强迫关门装置失效、门扇阻塞或夹人、导轨间磨损增大、皮带轮打滑、机电连锁失效等故障情况下，分别记录非正常状态下的磁极位置的变化过程、d轴电流分量的变化过程和q轴电流分量的变化过程，计算q轴电流分量的峰值大小，与q轴电流峰值基准进行比较，非正常状态下的q轴峰值电流是基准峰值电流的1.15-1.3倍，取1.15-1.3之间的某一值作为故障电流预警阈值并输出至状态监测和预警模块。
所述状态监测和预警模块，其包括：CAN总线收发控制器、状态监测预警单元、数据存储模块、数据显示模块和远程数传模块，其中：CAN总线收发控制器接收CAN总线上数字量信号磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，输出至状态监测预警单元，状态监测预警单元将q轴电流分量和性能分析模块获得的电流预警阈值进行比较，从而得到故障预警代码并传输给远程数传模块，同时状态监测预警单元将磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量保存至数据存储模块，并在数据显示模块进行实时显示，远程数传模块将预警代码传送至远程控制中心。
本发明工作时，首先通过CAN总线连接控制子系统以及状态监测和预警子系统，设定状态监测和预警子系统电流预警阈值；控制子系统在执行门系统正常控制功能的同时，将数字量信号磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，输出至状态监测和预警模块，状态监测和预警模块实时地从CAN总线上接收磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，比较q轴电流分量和电流预警阈值，当q轴电流分量超过电流预警阈值时，结合磁极位置、d轴电流分量，生成故障预警代码，启动远程数据传送，将故障预警代码送至远程数据中心从而达到状态监测和预警功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过CAN总线输出永磁同步电机磁极位置，控制器d轴电流分量和q轴电流分量，进行状态监测和预警，不需额外的力传感器和加速度传感器，方法简单，易于实现。以永磁同步电机驱动的门系统为例，如加装力传感器和加速度传感器，约增加35％的成本，且安装、接线受实际门系统空间限制，采用本发明，约增加4％的成本，安装几乎不受空间限制。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：控制子系统、性能分析子系统、状态监测和预警子系统，三个子系统之间通过CAN总线连接，其中：
控制子系统控制电梯开关门速度，并获得电梯电机的磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，并通过CAN总线接口传输给性能分析子系统以及状态监测和预警子系统；
性能分析子系统通过CAN总线接口接收磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，计算q轴电流分量的峰值大小和开关门位置，得到预警电流阈值iT并传输给状态监测和预警子系统；
状态监测和预警子系统通过CAN总线接口接收磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，并将q轴电流分量iqs和电流阈值iT进行比较，产生预警代码，并传送到远程控制中心。
所述控制子系统，包括：增量编码器、转速及磁极位置计算模块、霍尔元件、克拉克变换模块、比例电路、电压矢量计算模块、帕克逆变换模块、空间矢量计算模块、智能功率模块和CAN总线接口，其中：
增量编码器与电梯门的永磁同步电机转子相连接，用于检测电机转子和磁极位置，电源接通后对电机磁极初始位置进行检测，以脉冲PA、PB、PZ输出至转速磁极位置计算模块；
转速磁极位置计算模块计算得到电机实际转速ω及磁极位置θ，将实际转速传输给比较电路，磁极位置传输给CAN总线接口；
霍尔元件作为电流传感器与电机定子相接，测量电机的U相电流iu和V相电流iv，输出至克拉克变换模块；
克拉克变换模块根据U相电流iu和V相电流iv计算得到d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，将q轴电流分量iqs传输给比较电路和CAN总线接口，将d轴电流分量ids传输给比较电路；
比较电路比较给定转速ω*与增量编码器得到的实际转速ω，得到两个转速的差值，通过比例积分调节后，产生力矩电流iq；比较电路将力矩电流iq和q轴电流分量iqs进行比较，所得差值通过比例积分调节后输至电压矢量计算模块；比较电路将励磁电流指令id＝0和d轴电流分量ids进行比较，所得差值通过比例积分调节后输至电压矢量计算模块；
电压矢量计算模块根据比较电路的比较结果计算电机矢量电压Vd和Vq，该矢量电压通过帕克逆变换模块计算产生α轴电压Vα和β轴电压Vβ，Vα和Vβ信号输至空间矢量计算模块运算得到PWM1-PWM6脉宽电压，输入至智能功率模块，产生U、V、W三相交流电压，驱动永磁同步电机按给定的速度完成开关门。
CAN总线接口将d轴电流分量ids、q轴电流分量iqs、磁极位置θ输出至CAN总线。
所述d轴电流分量ids、q轴电流分量iqs、磁极位置θ均为数字量，避免了为获取门系统机械参数和运动参数所需的力传感器和加速度传感器。
所述性能分析子系统，包括：CAN总线适配卡和性能分析模块，CAN总线适配卡接收CAN总线上数字量信号的磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，输出至性能分析模块，性能分析模块记录磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs变化历程，计算q轴电流分量iqs的峰值大小，得到电流预警阈值iT输出至状态监测和预警子系统。
所述性能分析模块，在门系统正常运行的工况下，记录分析控制子系统发送的磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs随时间变化的过程，并将电流iqs的峰值作为基准，同时模拟门系统出现强迫关门装置失效、门扇阻塞或夹人、导轨间磨损增大、皮带轮打滑、机电连锁失效等故障情况下，记录非正常状态下的磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs变化过程，取平均计算电流iqs峰值大小，与基准电流进行比较，可取基准电流的1.2倍作为故障预警阈值iT并输出至状态监测和预警模块。
所述状态监测和预警模块包括：CAN总线收发控制器、状态监测预警单元、数据存储模块、数据显示模块和远程数传模块，其中：CAN总线收发控制器接收CAN总线上数字量信号磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，输出至状态监测预警单元，状态监测预警单元将q轴电流分量iqs和性能分析模块获得的电流阈值iT进行比较，从而得到故障预警代码并传输给远程数传模块，同时状态监测预警单元将θ、ids和iqs保存至数据存储模块，并在数据显示模块进行实时显示；远程数传模块将预警代码传送至远程控制中心。
所述CAN总线适配卡，采用美国国家仪器公司的高速CAN通讯适配卡NI CANSeries 2 Interface for PCI。
所述CAN总线收发控制器，其中总线控制器采用Philips SJA1000、总线收发器采用PCA82C250。
所述状态监测和预警模块包括RDC 8820微处理器、512K RAM。
所述数据存储模块为512K Flash存储器。
所述数据显示模块由128×64点阵LCD及其控制器HD 61202组成，用于显示电流数据。
所述CAN总线通讯接口、数据存储模块和数据显示模块之间通过RDC 8820微处理器地址和数据总线连接。
所述远程数传模块由SIEMENS MC35i GPRS无线数据传送模块和外围电路组成，通过RS 232和状态监测和预警模块连接。
本实施例工作时，首先通过CAN总线连接控制子系统以及状态监测和预警子系统，设定状态监测和预警子系统电流预警阈值iT，iT为q轴电流分量基准电流的1.2倍，控制子系统在执行门系统正常控制功能的同时，将数字量信号磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs输出至状态监测和预警模块，状态监测和预警模块实时地从CAN总线上接收磁极位置θ、d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，比较q轴电流分量iqs和电流预警阈值iT，当q轴电流分量iqs超过电流预警阈值iT时，结合磁极位置θ、d轴电流分量ids，生成故障预警代码，启动远程数据传送，将故障预警代码送至远程数据中心从而达到状态监测和预警功能。
本实施例通过CAN总线输出永磁同步电机磁极位置θ，控制器d轴电流分量ids和q轴电流分量iqs，进行状态监测和预警，不需额外的力传感器和加速度传感器，方法简单，易于实现。以永磁同步电机驱动的门系统为例，如加装力传感器和加速度传感器，约增加35％的成本，且安装、接线受实际门系统空间限制，采用本实施例系统，仅增加4％的成本，安装几乎不受空间限制。

Claims (3)

1.一种电梯门系统监测预警系统，其特征在于，包括：控制子系统、性能分析子系统、状态监测和预警子系统，三个子系统之间通过CAN总线连接，其中：
控制子系统控制电梯开关门速度，并获得电梯电机的磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，并通过CAN总线传输给性能分析子系统以及状态监测和预警子系统；
性能分析子系统通过CAN总线接收磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，计算q轴电流分量的峰值大小和开关门位置，得到预警电流阈值并传输给状态监测和预警子系统；
状态监测和预警子系统通过CAN总线接收磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，将q轴电流分量和预警电流阈值进行比较，产生预警代码，并传送到远程控制中心。
2.根据权利要求1所述的电梯门系统监测预警系统，其特征是，所述性能分析子系统，包括：CAN总线适配卡和性能分析模块，CAN总线适配卡接收CAN总线上数字量信号的磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量，输出至性能分析模块，性能分析模块分别记录磁极位置的变化历程、d轴电流分量的变化历程和q轴电流分量的变化历程，计算q轴电流分量的峰值大小，得到电流预警阈值输出至状态监测和预警子系统。
3.根据权利要求2所述的电梯门系统监测预警系统，其特征是，所述性能分析模块，在门系统正常运行的工况下，记录分析控制子系统发送的磁极位置、d轴电流分量和q轴电流分量随时间变化的过程，并将q轴电流分量的峰值作为基准，同时模拟门系统出现强迫关门装置失效、门扇阻塞或夹人、导轨间磨损增大、皮带轮打滑、机电连锁失效故障情况下，分别记录非正常状态下的磁极位置的变化过程、d轴电流分量的变化过程和q轴电流分量的变化过程，计算q轴电流分量的峰值大小，与q轴电流峰值基准进行比较，非正常状态下的q轴峰值电流是基准峰值电流的1.15-1.3倍，取1.15-1.3倍之间的某一值作为故障电流预警阈值并输出至状态监测和预警子系统。
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