基于激光测距传感技术的电梯轿厢运行状态远程监测*

□ 巫涛江 □ 刘恩华 □ 余晓毅 □ 吴德操 □ 张春娟

1.电梯智能运维重庆市高校工程中心 重庆 402260 2.重庆理工大学 光纤传感与光电检测重庆市重点实验室 重庆 400054

1 研究背景

随着我国城镇化进程的加快,高层建筑的数量不断增加,电梯作为高层建筑的必备设施,需求量与日俱增。根据国家质检总局统计,我国当前已登记注册电梯数量占全球电梯总量的1/3。我国现有约600万台电梯正在运行,并且以每年10%的增量增加,未来年新装量和更新量会维持在80万台的水平[1]。对电梯技术进行研究,保障电梯的安全运行,有非常重要的实际意义。与此同时,随着时代的前进,电梯的运行和维护正朝着更加智能化的方向发展[2-3]。

电梯轿厢运行状态的远程监测方法和技术是电梯智能运维的关键。传统电梯轿厢的监测系统与控制系统相连接,当监测系统出现故障时,会影响电梯的正常运行,无法有效反馈电梯轿厢的实时状态,如位置、速度、加速度等,不能及时评估电梯存在的潜在风险,电梯运行安全存在不稳定因素。虽然维修人员可利用手持式设备以直接接触法进行现场检测,但无法长期监控,具有一定的局限性。激光测距传感技术通过测量激光脉冲发射及接收前后的时差或相位变化来获取目标物体的位置信息[4],具有抗干扰能力强、测量精度高、空间分辨力强、动态响应快、功耗低、性能高、小型化等优点,广泛适用于工程领域直线测距[5]、煤矿采掘工作掘进进尺控制[6]、无人驾驶防撞间距预警[7],以及目标物体位置、速度、加速度实时监测[8]。目前,激光测距传感技术在动态位置信息监测领域是研究热点,尤其是在实时监测应用场景中,已经成为一种重要的技术。

笔者针对高速曳引式电梯轿厢位置、速度、加速度等运行参数的监测需求,利用激光测距传感技术,设计和构建应用于电梯轿厢实时运行位置、速度、加速度的远程监测系统,从而进一步对电梯轿厢运行状态进行实时、标准化监测和安全预警,并为未来电梯领域按需维保提供大数据支持。

2 基本原理

激光测距传感技术一般分相位法和脉冲法两类,性能对比见表1[9]。相位法的测距精度较高,量程可覆盖常见高层建筑的高度范围,更适合电梯轿厢的运动监测需求。

表1 激光测距传感技术对比

▲图1 相位法激光测距传感器结构

▲图2 相位法激光测距原理

当调制频率为f时,被测物体与激光器的距离D为:

(1)

式中:c为激光在测量环境中的传播速度;t为激光的传播时间。

对于远距离目标,还需利用多种不同调制频率进行多测尺联合测量,以提高位置信息的检测精度[11]。

监测目标物体的运动速度V和自身位置关系为:

V=(D2-D1)/(T2-T1)

(2)

V=Δd/Δt

(3)

式中:T1、T2为不同测量时间点;D1、D2为对监测目标不同时间点采集的位置信息;Δd为特定时间间隔Δt连续性采集的位置变化量。

设置极短测距时间间隔,V即可近似为目标物体的实时速度。

监测目标物体的加速度a与自身位置、速度的关系为:

(4)

式中:V1、V2为不同位置点的速度。

基于以上分析,在实际应用中可以利用激光测距传感技术所具有的高精度、高频率位置检测特性,通过实时解算得到电梯轿厢的位置、速度、加速度等运行状态信息。

3 监测系统设计

基于激光测距传感技术的电梯轿厢运行状态远程监测系统整体结构如图3所示,由电梯井监测节点、Lora路由器、远程监控中心三部分组成。

▲图3 监测系统结构

电梯井监测节点安装在电梯拖曳电机处,自上往下对电梯轿厢进行运动监测。电梯井监测节点结构如图4所示,由微控制器、锁相频率合成器、激光驱动器、光电采集模块、混频模块、自适应放大滤波模块、Lora无线传输模块等组成。

▲图4 电梯井监测节点结构

频率合成模块配置锁相频率合成器,生成具有微量频率差的主振和本振信号。激光调制模块将主振信号加载至激光器,发射至电梯轿厢底部的漫反射板。由光电采集模块将采集到的反射信号与本振信号进行混频处理,获得同相位低频信号,经过自适应放大和滤波后,形成测量信号与参考信号,汇入微控制器,进行模数转换和傅里叶鉴相运算,基于相位差解算得到电梯轿厢运动信息,并对电梯轿厢异常状态进行初步判别。最后将状态信息通过Lora无线传输模块传输至Lora路由器。

Lora路由器基于470 MHz频段构建Lora无线传感网络,覆盖距离可达数千米,能有效接收来自整个住宅小区或大型商业体多部电梯的监测信号,并转发至位于云端的远程监控中心,可有效降低由大量前端节点分别租用4G、5G网络带来的运营成本。

远程监控中心汇总辖区内大量电梯的运行数据,并对其进行进一步处理分析,实现电梯故障的快速检测与预警。

4 监测系统测试

为了验证监测系统的性能,利用全结构曳引式升降电梯模型进行测试,电梯井监测节点与Lora路由器如图5所示,全结构曳引式升降电梯模型如图6所示。这一模型可以真实模拟电梯实际运行情况,通过变频器控制曳引机改变电梯轿厢加速度,实现速度可调,同时可以实时记录曳引机的运转情况,提供电梯轿厢实时位置和速度,可与监测系统的测试值进行对比。

电梯轿厢运动信息由监测系统客户端监测软件采集完成,界面如图7所示。测试时,电梯井监测节点轿厢位置及速度数据分别见表2、表3。

表3 电梯井监测节点轿厢速度数据

▲图5 电梯井监测节点与Lora路由器

▲图6 全结构曳引式升降电梯模型

▲图7 客户端监测软件界面

表2 电梯井监测节点轿厢位置数据

对于电梯轿厢加速度信息,由于电梯模型并未配置加速度采集和显示模块,因此将AETE-06电梯加速度测试仪安装于电梯轿厢底部,得到实时加速度数据。电梯井监测节点轿厢加速度数据见表4。

表4 电梯井监测节点轿厢加速度数据

从以上数据分析可知,监测系统能够有效获取电梯井监测节点轿厢的实际位置、速度、加速度信息,并且能够达到成熟传统测量方式的测量精度,满足GB/T 24474—2009标准要求[12]。连续测试10 d,监测系统稳定性良好,客户端可正确显示电梯轿厢位置、速度、加速度等运行状态信息。

5 结束语

笔者利用激光测距传感技术,通过软硬件结合的开发方式,设计和构建了一种基于激光测距传感技术的电梯轿厢运行状态远程监测系统。应用这一监测系统对电梯轿厢运行状态进行远程监测,在不依赖电梯原有电气系统的前提下,准确获取电梯轿厢的停留位置、运行速度和加速度信息,达到毫米级测量精度。通过测试,这一监测系统能够实时响应,稳定性良好,可以为电梯轿厢的运行状态提供实时监测数据,保障电梯的安全运行。