CN102556792B - 电梯运行性能在线分析仪及在线分析方法 - Google Patents

Abstract

电梯运行性能在线分析仪及在线分析方法，属于电梯技术领域，其特征在于上位机用于实现信号的统计和分析，以嵌入式工控机为主控制器，通过触摸屏进行现场操作；下位机用于实现信号的采集和处理，包括信号处理模块、信号采集模块、A/D转换模块及三轴加速度传感器、声音传感器，信号处理模块为主控制器；通过本分析仪及所述分析方法的应用对电梯运行性能实施在线分析，以电梯三轴加速度和噪声信号为基础实现电梯故障预测、预警，为分析和评价电梯安全提供可靠地量化指标，为电梯乘运质量测量和电梯风险评价提供有效的技术手段，采用双处理器结构，既保证信号的高速、高精度采集和预处理，又具有大容量存储能力和灵活统计分析功能。

Description

电梯运行性能在线分析仪及在线分析方法

技术领域

本发明属于电梯技术领域，具体涉及一种电梯运行性能在线分析仪及在线分析方法。

背景技术

电梯是城市中不可缺少的垂直交通工具，随着经济社会的发展，电梯的装备数量与日俱增，目前，我国在用电梯数量已超过150万台，成为全球最大的电梯制造基地和电梯市场，且中大城市的电梯装备数量正以20%的比例逐年递增。但是，由于电梯频繁运行，维保单位良莠不齐，再加上电梯逐年“老龄化”，进入故障多发期，屡屡有电梯故障停梯和故障困人事故发生。

为了保证电梯的安全使用，我国制定了严格的监督管理条例，对电梯的安装、维修、使用、检验及监察等各个环节提出了具体要求。《特种设备安全监察条例》要求：电梯的安装、改造、重大维修过程，必须经国务院特种设备安全监督管理部门核准的检验检测机构按照安全技术规范的要求进行监督检验；电梯使用单位应当按照安全技术规范的定期检验要求，在安全检验合格有效期（1年）届满前1个月向特种设备检验检测机构提出定期检验。检验工作内容主要是对涉及电梯安全运行的重要指标的当前状况进行符合性验证，并不对发现的电梯隐患进行深入的原因分析，因此，其预测、预防电梯事故和潜在故障的作用有限。此外，国家质量监督检验检疫总局也于2009年发布了两个新标准：《电梯、自动扶梯和自动人行道数据监视和记录规范》及《电梯远程报警系统》，两个标准共同规范了电梯运行数据监视、故障远程报警和救援服务平台建设，但是对电梯运行监控和报警的要求局限于电梯已经发生故障，其预测、预防作用仍然有限。

事实上，通过监测电梯的运行性能，分析电梯运行时的振动和噪声特征，对电梯故障的预测、预防具有重要的意义。在电梯安全评价方面，GB/T 20900-2007《电梯、自动扶梯和自动人行道风险评价和降低的方法》将电梯运行加速度和轿箱内噪声作为引起伤害的重要风险源之一。在电梯乘运质量方面，GB/T 24474-2009《电梯乘运质量测量》将振动和噪声作为电梯乘运质量的重要评价指标，并明确了振动和噪声的测量方法。国外已经出现了电梯运行性能测试或者乘运质量测量的专用仪器EVA625，EVA625以8XC52系列微处理器为核心，能够测量三轴加速度和噪声，并采用RS232接口与PC机通讯，EVA专用软件运行于PC机，用于分析电梯运行的振动、噪声性能。但是，EVA625仅有4通道700秒的数据存储空间，数据分析也只能在性能测试之后离线进行，这制约了其长时间在线观测性能和电梯故障预测预警功能。而国内在电梯技术领域总体落后于国际水平，尚未出现电梯运行性能分析方面的方法和仪器。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种采用双处理器结构、在线分析电梯三轴加速度和噪声信号的电梯运行性能在线分析仪及在线分析方法的技术方案，可实现电梯运行性能在线分析，实现电梯故障预测、预警，并为分析和评价电梯安全提供可靠地量化指标。

所述的电梯运行性能在线分析仪，其特征在于相互配合连接的上位机、下位机构成双处理器结构；所述上位机由嵌入式工控机、触摸屏配合构成；所述下位机包括信号处理模块，信号处理模块上连接设置与其双向数据传输连接的信号采集模块，信号采集模块上配合设置A/D转换模块并与其建立数据发送连接，A/D转换模块上连接设置三轴加速度传感器、声音传感器，A/D转换模块与信号采集模块及三轴加速度传感器、声音传感器分别建立数据接收连接；所述的嵌入式工控机和信号处理模块之间通过USB通讯模块建立双向数据传输连接。

所述的电梯运行性能在线分析仪，其特征在于所述的信号采集模块以FPGA为核心，FPGA内部设计时序控制电路、串并转换电路、FIFO缓存电路，所述的信号处理模块以DSP为核心，通过EMIF接口与FPGA通讯连接用于下达采集指令，与FIFO缓存电路建立数据传输连接用于读取A/D转换信号。

所述的电梯运行性能在线分析仪，其特征在于所述的USB通讯模块以EZ-USB FX2为核心，符合USB2.0通讯接口规范。

应用所述的电梯运行性能在线分析仪的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于包括以下过程：

1）上位机以嵌入式工控机为主控制器用于实现信号的统计和分析，在嵌入式工控机上运行Windows操作系统和电梯运行性能分析软件，该分析软件包括用户信息管理模块、电梯信息管理模块、系统参数配置模块、信号分析模块、报告生成模块，用户通过触摸屏操作该分析软件，实现现场设置系统运行参数、现场统计分析电梯运行性能、现场出具电梯电梯性能测试报告；

2）下位机以信号处理模块为主控制器用于实现信号的采集和处理，该信号采集、处理过程包括：

a）由信号处理模块在系统启动时完成A/D转换模块、信号采集模块的初始化，在系统运行过程协调各模块运行，向A/D转换模块下达信号采集指令，向信号采集模块下达读取转换信号指令和读取信号，并对所获得的信号实施滤波处理；

b）由三轴加速度传感器采集电梯轿厢在X、Y、Z三个轴方向的运行加速度，由声音传感器采集电梯轿厢内的噪声信号；

c）A/D转换模块四通道同步采集由三轴加速度传感器发送的三轴加速度信号和由声音传感器发送的噪声信号，并将所采集的四通道的模拟信号同步进行数字转换；

d）信号采集模块操作A/D转换模块实现四通道同步模数转换，从A/D转换模块获取三轴加速度和噪声信号，并将串行数据转换为并行数据；

   3)下位机由信号处理模块通过USB通讯模块向上位机的嵌入式工控机流畅传输处理后的三轴加速度和噪声信号，并接收与执行嵌入式工控机的控制指令。

所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述分析软件的用户信息管理模块用于实现用户的增加、修改和删除，为用户分配不同功能模块的操作权限，限制非法用户进入系统；所述的电梯信息管理模块可实现电梯基本信息管理和电梯运行性能信息管理，电梯基本信息可由电梯监察检验系统直接导入，包括设备注册代码、业主单位名称，电梯运行性能信息包括每台电梯历次性能分析的原始数据和分析结果；所述的系统参数配置模块可用于系统参数配置，包括三轴加速度传感信号和声音传感信号的采样频率、信号处理模块的滤波参数、电梯运行性能指标的上限值和下限值，同时可进行三轴加速度传感器和噪声传感器的标定；所述的信号分析模块可分析电梯加速度-时间关系、速度-时间关系、位置-时间关系、加加速度-时间关系、析噪声-时间关系，通过矢量求和，分析两轴或三轴的综合运动量-时间关系，通过傅里叶变换，分析运动量信号和噪声信号的频率特征，对比历次性能分析结果，判断性能发展趋势；所述的报告生成模块可由用户选择报告内容，包括X、Y、Z三轴加加速度、加速度、速度、位置的时域图和频谱图，以及噪声的时域图和频谱图、电梯运行性能历次分析结果对比图，能指出电梯运行性能超标的时间和位置，能指出电梯运行性能趋势。

所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的信号处理模块对所获得的信号实施滤波处理包括高通滤波、低通滤波、ISO标准滤波处理。

所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的A/D转换模块采用高速、高精度A/D转换芯片CS5381，转换精度和采样速率可通过上位机配置，转换精度高达24位，采样速率高达192kHz。

所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的USB通讯模块以EZ-USB FX2为核心，符合USB2.0通讯接口规范,信号速率高达480Mb/s。

所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的信号采集模块以FPGA为核心，FPGA内部设计时序控制电路、串并转换电路、FIFO缓存电路，FPGA通过时序控制操作A/D转换模块实现四通道同步模数转换、获取三轴加速度和噪声信号，通过串并转换电路将A/D转换结果的串行数据转换为并行数据，并暂存于FIFO缓存中供信号处理模块读取。

所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的信号处理模块以DSP为核心，通过EMIF接口与FPGA为建立通讯连接，下达采集指令，从FIFO缓存中读取读取A/D转换结果。

上述的电梯运行性能在线分析仪及在线分析方法，构思新颖、结构合理，以电梯三轴加速度和噪声信号为基础，可在线分析电梯运行性能，实现电梯故障预测、预警，并为分析和评价电梯安全提供可靠地量化指标，为电梯乘运质量测量和电梯风险评价提供了有效的技术手段，同时采用以上位机实现信号的统计和分析、以下位机实现信号的采集和处理的双处理器结构，既保证了三轴加速度和噪声信号的高速、高精度采集和信号预处理，又具有大容量存储能力和灵活的统计分析功能，且人机界面良好，能适应各种电梯运行性能测试工况，具有良好的现场操作性。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明所述分析软件的功能模块图；

图中：1－上位机、101－触摸屏、102－嵌入式工控机、2－下位机、201－信号处理模块、202－信号采集模块、203－A/D转换模块、204－三轴加速度传感器、3－USB通讯模块。

具体实施方式

现结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式：

电梯运行性能在线分析仪，如图1所示，相互配合连接的上位机1、下位机2构成双处理器结构，上位机1、下位机2之间通过USB通讯模块3建立双向数据传输连接，上位机1用于实现信号的统计和分析，下位机2用于实现信号的采集和处理，这种双处理器结构既保证了信号的高速、高精度采集和预处理，又具有大容量存储能力和灵活的统计分析功能，且人机界面良好，能适应各种电梯运行性能测试工况，具有良好的现场操作性；

上位机1由嵌入式工控机102、触摸屏101配合构成，嵌入式工控机102为上位机1的主控制器，用户通过触摸屏101进行现场操作；

下位机2包括信号处理模块201、信号采集模块202、A/D转换模块203及三轴加速度传感器204、声音传感器205，信号处理模块201为下位机2的主控制器，启动时完成对各模块的初始化，运行过程协调各模块有序运行； 信号处理模块201与信号采集模块202建立双向数据传输连接，A/D转换模块203与信号采集模块202建立数据发送连接，A/D转换模块203与信号采集模块202及三轴加速度传感器204、声音传感器205分别建立数据接收连接；所述的三轴加速度传感器204采集电梯轿厢在X、Y、Z三个轴向方向的运行加速度，对加速度作积分、微分处理，可以得到电梯的速度、位置和加加速度，可采用低成本、低功耗MEMS加速度传感器ICS 3022构成，ICS 3022加速度传感器广泛应用于振动测量、模态分析等领域，传感器量程可高达±200g，频响可高达2000Hz，使用时可根据不同电梯对加速度频响和量程的实际需要灵活拆卸替换；所述的声音传感器205用于采集轿箱内或者井道内的声音信号，电梯井道内的机械噪声通常在200Hz以下，普通电容传声器的频响范围为20Hz-15000Hz，采用普通电容传声器就能完全满足要求；所述的A/D转换模块203可实现三轴加速度和噪声四通道模拟信号的同步数字转换，为了提供足够精确的原始信号，可采用高速、高精度A/D转换芯片CS5381，其转换精度高达24位，采样速率高达192kHz，转换精度和采样速率可以通过上位机1配置；所述的信号采集模块202以FPGA为核心，FPGA内部设计时序控制电路、串并转换电路、FIFO缓存电路，通过时序控制操作A/D转换模块实现四通道同步模数转换、获取三轴加速度和噪声信号，通过串并转换电路将A/D转换结果的串行数据转换为并行数据，并存储在FIFO缓存中；所述的信号处理模块201以DSP为核心，通过EMIF接口与FPGA通讯连接用于下达采集指令，从FIFO缓存电路读取A/D转换结果，对信号进行高通滤波、低通滤波、ISO标准滤波处理；

上位机1的嵌入式工控机102和下位机2的信号处理模块201之间通过USB通讯模块3建立双向数据传输连接，USB通讯模块3以EZ-USB FX2为核心，符合USB2.0通讯接口规范,信号速率高达480Mb/s，下位机2由信号处理模块201通过USB通讯模块3向上位机1的嵌入式工控机102流畅传输处理后的三轴加速度和噪声信号，并接收与执行嵌入式工控机102的控制指令。

应用上述电梯运行性能在线分析仪的电梯运行性能在线分析方法如下过程：

1)上位机1以嵌入式工控机102为主控制器用于实现信号的统计和分析，在嵌入式工控机102上运行Windows操作系统和电梯运行性能分析软件，该分析软件为用户软件，采用面向对象程序设计，具有友好的界面和快速数据处理性能，包括用户信息管理模块、电梯信息管理模块、系统参数配置模块、信号分析模块、报告生成模块，如图2所示，用户通过触摸屏101操作该分析软件，实现现场设置系统运行参数、现场统计分析电梯运行性能、现场出具电梯电梯性能测试报告；所述的用户信息管理模块用于实现用户的增加、修改和删除，为用户分配不同功能模块的操作权限，限制非法用户进入系统；所述的电梯信息管理模块可实现电梯基本信息管理和电梯运行性能信息管理，电梯基本信息可由电梯监察检验系统直接导入，包括设备注册代码、业主单位名称，电梯运行性能信息包括每台电梯历次性能分析的原始数据和分析结果；所述的系统参数配置模块可用于系统参数配置，包括三轴加速度传感信号和声音传感信号的采样频率、信号处理模块的滤波参数、电梯运行性能指标的上限值和下限值，同时可进行三轴加速度传感器和噪声传感器的标定；所述的信号分析模块可分析电梯加速度-时间关系、速度-时间关系、位置-时间关系、加加速度-时间关系、析噪声-时间关系，通过矢量求和，分析两轴或三轴的综合运动量-时间关系，通过傅里叶变换，分析运动量信号和噪声信号的频率特征，对比历次性能分析结果，判断性能发展趋势；所述的报告生成模块可由用户选择报告内容，包括X、Y、Z三轴加加速度、加速度、速度、位置的时域图和频谱图，以及噪声的时域图和频谱图、电梯运行性能历次分析结果对比图，能指出电梯运行性能超标的时间和位置，能指出电梯运行性能趋势。

2）下位机2以信号处理模块201为主控制器用于实现信号的采集和处理，该信号采集、处理过程包括：

a）由信号处理模块201在系统启动时完成A/D转换模块203、信号采集模块202的初始化，在系统运行过程协调各模块运行，向A/D转换模块203下达信号采集指令，向信号采集模块202下达读取转换信号指令和读取信号，并对所获得的信号实施高通滤波、低通滤波、ISO标准滤波处理；

b）由三轴加速度传感器204采集电梯轿厢在X、Y、Z三个轴方向的运行加速度，由声音传感器205采集电梯轿厢内的噪声信号；

c）A/D转换模块203四通道同步采集由三轴加速度传感器204发送的三轴加速度信号和由声音传感器205发送的噪声信号，并将所采集的四通道的模拟信号同步进行数字转换；

d）信号采集模块202操作A/D转换模块203实现四通道同步模数转换，从A/D转换模块203获取三轴加速度和噪声信号，并将串行数据转换为并行数据，A/D转换模块203采用高速、高精度A/D转换芯片CS5381，转换精度和采样速率可通过上位机1配置，转换精度高达24位，采样速率高达192kHz；

3)下位机2由信号处理模块201通过USB通讯模块3向上位机1的嵌入式工控机102流畅传输处理后的三轴加速度和噪声信号，并接收与执行嵌入式工控机102的控制指令，所述的USB通讯模块3以EZ-USB FX2为核心，符合USB2.0通讯接口规范,信号速率高达480Mb/s。

上述的电梯运行性能在线分析方法实施例中，所述的信号采集模块202以FPGA为核心，FPGA内部设计时序控制电路、串并转换电路、FIFO缓存电路，FPGA通过时序控制操作A/D转换模块203实现四通道同步模数转换、获取三轴加速度和噪声信号，通过串并转换电路将A/D转换结果的串行数据转换为并行数据，并暂存于FIFO缓存中供信号处理模块201读取；所述的信号处理模块201以DSP为核心，通过EMIF接口与FPGA为建立通讯连接，下达信号采集指令，读取A/D转换结果，对信号进行高通滤波、低通滤波、ISO标准滤波等处理后，通过USB通讯模块3发送至嵌入式工控机102；同时，DSP也是下位机2的主控制器，系统启动时，完成A/D、FPGA、USB等模块的初始化，系统运行过程中，协调各模块有序运行。

上述的电梯运行性能在线分析方法，下位机2信号处理模块201为核心实现信号的采集和处理，上位机1以嵌入式工控机102为核心实现信号的统计和分析，既保证了三轴加速度和声音信号的高速、高精度采集和信号预处理，又具有大容量存储能力和灵活的统计分析功能，且人机界面良好，能适应各种电梯运行性能测试工况。

Claims (6)

1.电梯运行性能在线分析方法，其特征在于应用下述的电梯运行性能在线分析仪进行分析：相互配合连接的上位机（1）、下位机（2）构成双处理器结构；所述上位机（1）由嵌入式工控机（102）、触摸屏（101）配合构成；所述下位机（2）包括信号处理模块（201），信号采集模块（202）以FPGA为核心，包括FPGA内部设计时序控制电路、串并转换电路、FIFO缓存电路；信号处理模块（201）上连接设置与其双向数据传输连接的信号采集模块（202），信号处理模块（201）以DSP为核心，通过EMIF接口与FPGA通讯连接用于下达采集指令，与FIFO缓存电路建立数据传输连接用于读取采样信号；信号采集模块（202）上配合设置A/D转换模块（203）并与其建立数据发送连接，A/D转换模块（203）上连接设置三轴加速度传感器（204）、声音传感器（205），A/D转换模块（203）与信号采集模块（202）及三轴加速度传感器（204）、声音传感器（205）分别建立数据接收连接；所述的嵌入式工控机（102）和信号处理模块（201）之间通过USB通讯模块（3）建立双向数据传输连接；同时包括了以下分析过程：

1）上位机（1）以嵌入式工控机（102）为主控制器用于实现信号的统计和分析，在嵌入式工控机（102）上运行Windows操作系统和电梯运行性能分析软件，该分析软件包括用户信息管理模块、电梯信息管理模块、系统参数配置模块、信号分析模块、报告生成模块，用户通过触摸屏（101）操作该分析软件，实现现场设置系统运行参数、现场统计分析电梯运行性能、现场出具电梯性能测试报告；

2）下位机以信号处理模块为主控制器用于实现信号的采集和处理，该信号采集、处理过程包括：

a）由信号处理模块（201）在系统启动时完成A/D转换模块（203）、信号采集模块（202）的初始化，在系统运行过程协调各模块运行，向A/D转换模块（203）下达信号采集指令，向信号采集模块（202）下达读取转换信号指令和读取信号，并对所获得的信号实施滤波处理；

b）由三轴加速度传感器（204）采集电梯轿厢在X、Y、Z三个轴方向的运行加速度，由声音传感器（205）采集电梯轿厢内的噪声信号；

c）A/D转换模块（203）四通道同步采集由三轴加速度传感器（204）发送的三轴加速度信号和由声音传感器（205）发送的噪声信号，并将所采集的四通道的模拟信号同步进行数字转换；

d）信号采集模块（202）操作A/D转换模块（203）实现四通道同步模数转换，从A/D转换模块（203）获取三轴加速度和噪声信号，并将串行数据转换为并行数据；

   3)下位机（2）由信号处理模块（201）通过USB通讯模块（3）向上位机（1）的嵌入式工控机（102）流畅传输处理后的三轴加速度和噪声信号，并接收与执行嵌入式工控机（102）的控制指令；

上述分析过程中所述分析软件的用户信息管理模块用于实现用户的增加、修改和删除，为用户分配不同功能模块的操作权限，限制非法用户进入系统；所述的电梯信息管理模块可实现电梯基本信息管理和电梯运行性能信息管理，电梯基本信息可由电梯监察检验系统直接导入，包括设备注册代码、业主单位名称，电梯运行性能信息包括每台电梯历次性能分析的原始数据和分析结果；所述的系统参数配置模块可用于系统参数配置，包括三轴加速度传感信号和声音传感信号的采样频率、信号处理模块的滤波参数、电梯运行性能指标的上限值和下限值，同时可进行三轴加速度传感器和噪声传感器的标定；所述的信号分析模块可分析电梯加速度-时间关系、速度-时间关系、位置-时间关系、加加速度-时间关系、噪声-时间关系，通过矢量求和分析两轴或三轴的综合运动量-时间关系，通过傅里叶变换分析运动量信号和噪声信号的频率特征，对比历次性能分析结果，判断性能发展趋势；所述的报告生成模块可由用户选择报告内容，包括X、Y、Z三轴加加速度、加速度、速度、位置的时域图和频谱图，以及噪声的时域图和频谱图、电梯运行性能历次分析结果对比图，能指出电梯运行性能超标的时间和位置，能指出电梯运行性能趋势。

2.如权利要求1所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的信号处理模块（201）对所获得的信号实施滤波处理包括高通滤波、低通滤波、ISO标准滤波处理。

3.如权利要求1所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的A/D转换模块（203）采用高速、高精度A/D转换芯片CS5381，转换精度和采样速率可通过上位机（1）配置，转换精度高达24位，采样速率高达192kHz。

4.如权利要求1所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的USB通讯模块（3）以EZ-USB FX2为核心，符合USB2.0通讯接口规范,信号速率高达480Mb/s。

5.如权利要求1所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的信号采集模块（202）以FPGA为核心，FPGA内部设计时序控制电路、串并转换电路、FIFO缓存电路，FPGA通过时序控制操作A/D转换模块（203）实现四通道同步模数转换、获取三轴加速度和噪声信号，通过串并转换电路将A/D转换结果的串行数据转换为并行数据，并暂存于FIFO缓存中供信号处理模块（201）读取。

6.如权利要求1所述的电梯运行性能在线分析方法，其特征在于所述的信号处理模块（201）以DSP为核心，通过EMIF接口与FPGA为建立通讯连接，下达采集指令，从FIFO缓存中读取读取A/D转换结果。