CN105293238B

CN105293238B - 一种电梯健康状况检测方法

Info

Publication number: CN105293238B
Application number: CN201510742969.0A
Authority: CN
Inventors: 刘云海; 邬亚菲; 梁智聪
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2035-11-04
Also published as: CN105293238A

Abstract

本发明公开了一种电梯健康状况检测装置及方法；该装置包括振动检测部件、功率测量部件、载重测量部件、GPRS/4G网关、中心服务器及数据处理模块等。本发明给出电梯运行的振动参数、平衡系数、传动损耗系数等关键数据，以及常规的故障报警等数据，全面综合评价电梯的健康状况。本发明装置提供的健康数据，可以帮助维保人员对症下药，消除安全隐患；也可以协助电梯厂家分析电梯质量，提高制造及设计水平。

Description

一种电梯健康状况检测方法

技术领域

本发明涉及机电一体化领域，尤其涉及一种电梯健康状况检测方法。

背景技术

电梯是一个复杂的机电系统，由于设计制造、安装调试、运行损耗及磨损等方面的原因，会造成系统运行振动，轿厢与对重的不平衡，电机功耗过大，还有电子、电气本身的故障等。一般外观损伤、及控制器的报警、故障，维护保养人员容易识别和解决。但电梯运行中一些内在、本质的变化，还没有达到故障的程度，往往不会引起维保人员及厂家的重视，同时也没有很好的手段反映这些状况的变化，一旦量变达到质变发生故障，带来的损失往往巨大。能够及时地为维保人员或厂家提供这些数据信息，并及时得到预防处理，对提升社会效益和经济效益都具有重大意义。

发明内容

针对电梯事故频发，除人为事故原因外，电梯故障还隐含着内在因素，从量变到质变的过程不易被发觉的情况，本发明研制了一套便捷、准确、可以在线测量电梯健康状况的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明的电梯健康状况检测装置是基于加速度、重量传感器、功率计、WIFI/GPRS/4G和Internet 网络，云平台处理等部件；集现场检测、健康状况评估、故障报警和服务管理于一体的多功能应用装置。本发明通过物联网、互联网传送数据，并存入云平台数据库；数据处理服务器可利用当前或历史数据进行复杂的分析。电梯维保人员及相关技术人员通过web终端、手机app来进行各种服务。

本发明电梯健康状况检测装置，包括振动检测部件、功率测量部件、载重测量部件、GPRS/4G网关、中心服务器和数据处理模块。

所述功率测量部件，在常规功率测量的基础上，增加无线WIFI或CAN 总线接口和GPRS/4G网关通信。

所述载重测量部件，可采用电梯现有的载重测量技术及数据， GPRS/4G网关从电梯控制器中得到该数据；或者电梯改造时，轿厢底部安装载重测量传感器，得到载重数据。

所述中心服务器，与远程电梯的GPRS/4G网关通信，获取、存储电梯数据；并与用户手机通信；接收用户WEB终端访问。

所述振动检测部件为采用MEMS技术的三轴加速度计，通过滤波、消除零漂等方法预处理数据；并通过积分和微分计算出速度，加速度的变化率；数据通过CAN总线或WIFI发送给GPRS/4G网关。

所述GPRS/4G网关，通过GPRS/4G和中心服务器通信；又具有无线AP 的功能，和振动检测部件等具有WIFI方式的部件通信；还具有CAN组网的能力，和CAN接口的检测部件通信。

所述数据处理模块，在中心服务器中实现，对当前数据、历史数据的统计、求均值、方差等处理，给出电梯健康状况数据结果。

通过在轿厢系统安装MEMS加速度传感器部件；利用已有测重数据或加装测重传感器部件；在机房或房屋顶部安装网关部件；网关和其它部件采用无线WIFI通信或有线CAN通信；网关还可以和控制器采用RS485、 MODBUS、CAN等方式通信；获取电梯控制及故障报警信息；数据通过网关的GPRS/4G通信方式上传云服务器平台；相关用户使用计算机联网、或手机APP方式；就可以了解得到当前电梯的健康状况评测结果。

本发明一种电梯健康状况检测方法，该方法通过从多个角度，测量电梯运行参数，以及参数的变化趋势，来客观真实反映电梯的健康指标。该方法包括：通过在线测量的方式，计算处理传感器的数据，这些数据有垂直方向振动、加速度变化率、倾斜度、平衡系数、传动损耗系数、电梯能效系数、待机能效系数、及其参数的长时变化率；具体包括以下步骤：

步骤1：对安装在轿厢的三轴加速度传感器的数据采集、滤波、零漂移消除，得到加速度值；

步骤2：对加速度值进行傅里叶变换，得到频率和幅度的关系；取得幅度最大值的频率，为第一振动频率和幅度；以幅度大小，得到第二振动频率和幅度；用于评价电梯运行时的振动特性；

步骤3：对加速度值进行微分或差分计算，得到加速度的变化率，取其均值和方差，反映电梯抖动的变化特性；

步骤4：对加速度值求一次积分，得到轿厢运行的速度；求二次积分，得到轿厢运行的距离；

步骤5：对加速度的水平分量计算均值和方差，在轿厢静止和运动时，给出静态和动态的倾斜特性分析；

步骤6：根据轿厢的加速度，去除启动和制动的时间；使用平稳时间段的上行和下行速度；

步骤7：功率计测出电机实际消耗的功率；取在速度平稳时段的功率参与计算；

步骤8：载重测量部件给出的测量数据，判断电梯是否处于空载状态运行；由满足空载、平稳速度条件下的功率法计算平衡系数。

步骤9：根据计算得到的平衡系数，再计算出传动损耗系数，该系数反映了电梯传动中的损耗特性；

步骤10：在电梯运行周期内，根据测得电梯运行的实际功率，计算电梯耗电量与所运送载重与被移动垂直距离之积的比值，得到单位载重输送量的耗电量，作为电梯能效系数；

步骤11：在电梯待机状态下，根据测得电梯运行的实际功率，测量一段时间内总耗电量，计算总耗电量与总待机时间之比，得到平均待机功率作为待机能效评价指标；

步骤12：上述测量计算得到的参数，通过网关传输到服务器，服务器按数据库方式存储相关参数；

步骤13：当前参数和历史的数据相比较，时间可以设定半个月、一个月、半年、一年、两年等等；得到这段时间内的变化率，反映了电梯的老化快慢，或者是健康的衰减程度；

步骤14：上述参数不仅可以和电梯本身的历史数据比较，还可以和同型号的电梯数据比较，给出当前电梯的排名，反映了电梯制造、使用、保养等环节的差异。

本发明的有益效果是：

本发明装置实现在线的检测，克服了检验检测机构申请、预约、执行的低效率运行方式；达到24小时全天候看护电梯；所述网关采用的GPRS/4G 网络，覆盖面广，没有盲区。

本发明的电梯健康状况检测，所述的评价参数，通常只是在电梯设计、制造、安装验收、检验中检测；平时电梯运行就没有很有效的手段测量这些参数，所以电梯的日常工作状况无从知晓；即使按国家规定的半月保养、月度保养、季度保养等也是很盲目的，并不会因电梯的使用频度高低、负载强度大小，而采用高效的保养方式。本发明的电梯健康状况检测，所述的评价参数能真实反映电梯实际运行状况；所述的网关可以记载电梯的运行时间、待机时间、上行时间、下行时间、负载做功等数据；可以根据这些参数，灵活设定保养周期，在保证安全的条件下，提高维保人员工作效率。

本发明的电梯健康状况检测，所述的振动测量、速度测量，并不需要专用的振动测试仪、测速仪器进行专门的测量；采用对加速度值求傅里叶变换就可以得到振动特性的定量分析；这种测量还可以细分为对启动时的振动特性、制动时的振动特性、及平稳运行时的振动特性等分析；实现对电梯各部件特性的准确分析和定位。所述的平衡系数、能效系数采用基于功率的测量值进行平衡系数、传动消耗系数、及能耗系数的计算；基于电梯运行状态分类的测量方法，保证测量结果的一致性、准确性；无需特别的停机测量检验来得到这些系数，因而，本发明的测量方法适合在线监测。

本发明的电梯健康状况检测，在电梯发生故障报警前，根据所述的测量参数就可以给出预警，要求及时维保，保证电梯正常运行。所述的电梯参数长时变化率，可以分析电梯部件从量变到质变的过程，给电梯设计制造提供质量分析依据；而这种数据一般的检验检测和短时的试验很难得到，无法对电梯质量作出全面的评价；所述的测量的参数，可以进行纵向的历史数据分析、也可以横向同类型电梯数据对比；还可以实现统计排名，进一步了解该型号电梯的运行质量状况。

总之，本发明装置成本低，实施容易，采用WIFI无线或串行总线通信网络，安装方便，即装即用。本发明所设计的检测方法，从多个角度评价电梯的健康状况，为维护保养、设计制造，提供指导。本发明实施后有助于合理保养，将会降低电梯事故率，减少事故引起的生命财产损失，提高社会和经济效益。

附图说明

图1是本发明装置结构框图；

图2是本发明基于加速度测量值的其它相关参数计算方法；

图3是本发明的安装在电梯端的部件组成；

图4是中心服务器构成的网络系统。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明电梯健康状况检测装置，包括振动检测部件1、功率测量部件2、载重测量部件3、GPRS/4G网关4、中心服务器5和数据处理模块6。

所述功率测量部件2，在常规功率测量的基础上，增加无线WIFI或 CAN总线接口和GPRS/4G网关通信。

所述载重测量部件3，可采用电梯现有的载重测量技术及数据， GPRS/4G网关4从电梯控制器中得到该数据；或者电梯改造时，轿厢底部安装载重测量传感器，得到载重数据。

所述中心服务器5，与远程电梯的GPRS/4G网关4通信，获取、存储电梯数据；并与用户手机通信；接收用户WEB终端访问。

所述振动检测部件1为采用MEMS技术的三轴加速度计，通过滤波、消除零漂等方法预处理数据；并通过积分和微分计算出速度，加速度的变化率；数据通过CAN总线或WIFI发送给GPRS/4G网关4。

所述GPRS/4G网关4，通过GPRS/4G和中心服务器5通信；又具有无线 AP的功能，和振动检测部件1等具有WIFI方式的部件通信；还具有CAN组网的能力，和CAN接口的检测部件通信。

所述数据处理模块6，在中心服务器5中实现，对当前数据、历史数据的统计、求均值、方差等处理，给出电梯健康状况数据结果。

如图2所示，利用MEMS加速度传感器技术，选用合适的三轴加速度计测得的三个方向加速度可以应用在5个方面：

1、垂直方向加速度微分处理得到的加速度变化率可直接反映电梯的舒适度；

2、垂直方向加速度一次积分得到速度是电梯运行状态的重要参数，也是估算平衡系数k及传动损耗系数μ的必要参数；

3、垂直方向加速度进行两次积分得到的位移可获得电梯的启动距离、制动距离，这是分析电梯当前性能的重要指标；

4、垂直方向加速度经过FFT快速傅氏变换，可得到电梯垂直方向的振动情况，也是舒适度及安全性的体现；

5、安装在轿厢上的加速度传感器的水平二轴加速度值可判断轿厢是否倾斜，及倾斜度的大小。

如图3所示，三轴加速度测量部件安装在轿厢一侧，测量轿厢运动的状况；功率检测部件直接安装在电机侧，实时检测电机的运行功率；载重测量部件可以从电梯电机控制器中获取，或者在新设计及改良的电梯设备上直接将载重压力传感器分布于轿厢底座；网关部件安装在机房和电机处于一个地方；控制器是电梯本身已经存在的控制器系统。

加速度、功率等传感数据通过CAN总线或WIFI发送给GPRS/4G网关；控制器的数据也通过总线的方式和网关通信；网关通过GPRS/4G或有线网把数据可上传服务器并存储在数据库中。

网关还要对采集的数据进行处理，包括：实现图2的数据处理过程；实现空载功率法的平衡系数计算；传动损耗系数计算；能效计算等。具体有：

1)空载功率法求出电梯的平衡系数，原理可以参考相关资料。

式中，k为电梯平衡系数；Q为电梯额定载荷，kg；N_x为电梯下行功率，W； V_x为电梯下行速度，m/s；N_s为电梯上行功率，W；V_s为电梯上行速度， m/s；g为重力加速度，取9.8m/s²；

2)机构传动损耗系数μ

在电机驱动过程中，会存在传动时的功率损耗及传动机构的摩擦损耗等，将传动机构的整体损耗情况用机构传动损耗系数μ来表示。在空载功率法求得电梯平衡系数后，可以求出μ：

或

μ有很大的挖掘价值，能部分反映当前电梯的能耗情况，可作为电梯健康状况评估的一项指标，分析历史数据下的μ还可以反映电梯的损耗演化或电梯老化状况。

3)电梯能效系数η的计算

在电梯工作周期内，电梯按规定负载率，电梯耗电量与所运送载荷重量与被移动垂直距离之积的比值η即为单位客货输送量耗电量。η计算公式为：

式中：∑E为一段时间内电梯运行垂直距离内，电网内所消耗电能总和；∑ W为这段时间内电梯系统对负载做功量总和。η代表这段时间内，电梯耗电量与做功量之比，体现出单位输送量所需耗电量。电梯能效系数η将作为电梯健康状况评估的一项指标。

4)待机能耗效率的计算

测量并记录一段时间内待机状态下总耗电量，总耗电量与总待机时间之比，及平均待机功率P_aver作为待机能效评价指标。在电梯实际运行工况下，测量并记录一段时间内，总待机耗电量∑E₀及总待机时间∑t₀，计算该时间段内曳引电梯平均待机功率：

如图4所示：电梯前端数据通过网络传输到服务器中存储和处理，电脑终端用户和手机APP用户，可以通过WEB服务器获取当前电梯的健康参数，了解电梯状况。服务器中的数据处理模块还要对数据进行长时变化率计算，给出统计平均、方差、排名等的结果。

作为例子，如电梯k、η的长时变化率，同一型号的电梯，用于不同的场景，在不同的工况下，它的平衡系数k和能效系数η都会有一定的差异。基于本装置不同长时段多次的k与η值可以反映某些工况下电梯有异常，存在安全隐患或者能耗浪费现象严重等问题。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电梯健康状况检测方法，该方法在电梯健康状况检测装置上实现，所述电梯健康状况检测装置包括：振动检测部件、功率测量部件、载重测量部件、GPRS/4G网关、中心服务器和数据处理模块；

所述振动检测部件为采用MEMS技术的三轴加速度计，通过滤波、消除零漂方法预处理数据；并通过积分和微分计算出速度，加速度的变化率；数据通过CAN总线或WIFI发送给GPRS/4G网关；

所述功率测量部件通过无线WIFI或CAN总线接口和GPRS/4G网关通信；

所述载重测量部件，可采用电梯现有的载重测量技术及数据，GPRS/4G网关从电梯控制器中得到该数据；或者电梯改造时，轿厢底部安装载重测量传感器，得到载重数据；

所述中心服务器，与远程电梯的GPRS/4G网关通信，获取、存储电梯数据；并与用户手机通信；接收用户通过WEB终端访问；

所述数据处理模块，在中心服务器中实现，对当前数据及历史数据的统计、求均值、求方差处理，给出电梯健康状况数据结果；

其特征在于，该方法包括：通过在线测量的方式，计算处理传感器的数据，这些数据有垂直方向振动、加速度变化率、倾斜度、平衡系数、传动损耗系数、电梯能效系数、待机能效系数、及其参数的长时变化率；具体包括以下步骤：

步骤8：载重测量部件给出的测量数据，判断电梯是否处于空载状态运行；由满足空载、平稳速度条件下的功率法计算平衡系数，公式如下：

式中，k为电梯平衡系数；Q为电梯额定载荷，kg；N_x为电梯下行功率，W；V_x为电梯下行速度，m/s；N_s为电梯上行功率，W；V_s为电梯上行速度，m/s；g为重力加速度，取9.8m/s²；

步骤9：根据计算得到的平衡系数，再计算出传动损耗系数，该系数反映了电梯传动中的损耗特性；机构传动损耗系数μ的公式如下：

或

步骤13：当前参数和历史的数据相比较，时间可以设定半个月、一个月、半年、一年、两年，得到这段时间内的变化率；

步骤14：上述参数不仅可以和电梯本身的历史数据比较，还可以和同型号的电梯数据比较，给出当前电梯的排名。