电梯失速分析及智能控制解决方案

电梯失速分析及智能控制解决方案Elevatorstallanalysisandintelligentelectricalcontrolsolutions作者：汪圣勇单位：江南嘉捷电梯股份有限公司摘要：本文主要介绍电梯失速状况及解决方案。首先分析失速的危害及几种可能原因，针对这几种原因给出一些解决方案，在解决方案中提出电气系统的优化设计：增加智能安全控制模块、改良电梯现有制动器件---安全钳。通过控制模块之间信息数据的交流，如安全模块不断与主控之间比较电梯当前的位置、速度等状态参数，一旦发现两者不一致则采取紧急制动保护措施，从而打破电梯的安全完全依赖主控的不利局面，大大提高电梯的安全系数。Abstract:Thispapermainlyintroducestheelevatorstallconditionsandsolutions.Firstanalyzethestallhazardsandtheseveralofthesereasons.Thengivessomesolutionswhichputforwardtheoptimizationdesignofelectricalsystemthatincreasetheintelligentsecuritycontrolmoduleandimprovedtheexistingcarbrakingdeviceswhichisthesafetygearofelevator.Throughtheinformationexchangebetweenthesecontrolmodules,suchasbetweenthesecuritymoduleandthemaincontrolmoduleconstantcomparisonofthestateparametersofelevatorcurrentlocation,speedetc.Oncefoundtheinconsistencybetweenthetwoistakingemergencybrakingprotectionmeasures.Thusbreakingtheunfavorablesituationofelevatorsafetydependsentirelyonthemaincontrol.Thisisgreatlyimprovingthesafetycoefficientofelevator.关键词：电梯失速、独裁性控制系统、安全控制模块、门锁安全回路、电控限速器Keywords:Elevatorstall,Dictatorialcontrolsystem,Safetycontrolmodule,Locksafetycircuit,Electronicgovernor电梯作为现代化的交通工具的一种，已经有了无可替代的作用，但是电梯是一种高速运动着的设备，所以它的危险性也一直客观存在着，关于电梯的安全性国家标准也是很多，且越来越严格。随着人们的生活水平不断提高，电梯的使用量也越来越大，但电梯的安全事故还是时有发生。电梯的安全问题是一个比较大的课题，我们从电梯失速的角度来分析电梯电气安全控制问题。一、失速的危害电梯曳引系统是一组带有动力的滑轮组，而它的动力则来自电机的绳轮与钢丝绳的摩擦力，一般电梯是垂直运行的，井道具有一定的高度，并且有静止的厅门和随轿厢运行的轿门等。正因为电梯的这种特殊结构，从而也相应的产生了许多危险源，失速是其中的重要一个。电梯失速可定义为电梯的异常运行：①电梯本应处于停梯状态，但还在运行从而导致事故发生，如电梯在开着门的情况下启动运行，此时极易发生相对切割事故而造成严重人员伤亡；②运行中电梯速度突然增加而严重超速甚至飞车，如控制系统失灵导致电梯失去控制而无序运行导致人员伤亡或设备的严重损坏等。二、停梯状态的失速分析电梯本应处于停梯状态，但还在运行，此种状态下导致电梯异常运行的有以下几种情况：1）门开的情况下电梯突然运行：如电梯门锁被短接导致系统误认为电梯已关门而启动运行。这里的短接除了人为短接外，还有外界干扰的原因如门锁接地而无接地保护、电气触点粘连等。2）门开的情况下电梯溜车：此时电梯并未给出运行指令，电梯的抱闸系统夹持力不足或钢丝绳打滑，造成此原因的除了抱闸和钢丝绳自身问题外，也与电梯超载有关，如电梯使用高峰期人员不断涌入轿厢而无法制止或不断的增加轿厢的货物。轿厢系统的静止是靠钢丝绳与曳引轮绳槽的之间的静摩擦力来实现的，一旦静摩擦力的平衡被打破而转入滑动摩擦，那么电梯的钢丝绳打滑溜车现象就形成了，特别是当曳引轮与钢丝绳之间被误加了润滑性物质后，静摩擦力将大幅减小，在满载或超载情况下更加危险；抱闸对曳引轮的控制同样是靠静摩擦力，当抱闸夹持力不足时将会发生曳引轮的失控现象而导致轿厢溜走，目前除了有安全钳系统机械保障外，还无其它有效措施，但安全钳是纯机械构件，需要一定的超速才动作。3）控制系统失效或受电磁干扰：这种现象也是当前电梯的一个弊病，可形象的称为独裁性控制，即系统完全依赖主控系统，一旦主控系统崩溃则系统无法监测，而加速失控，如抱闸打开而无合闸指令、无条件输出运行指令等。4）安全回路失效：如电梯处在安全回路保护之下却启动了，此时可认为安全回路被短接或接地短接。三、运行状态的失速分析运行中电梯速度突然增加而严重超速甚至飞车，或电梯无法在预定楼层停车或反复运行，此种状态下导致电梯异常运行的有以下几种情况：1）控制系统失效或受电磁干扰：上面已分析了此种状况，而且这种状况主要发生在电梯运行阶段，因为电梯运行阶段要实现大能量的转换，如电能转化为机械能（驱动时），或机械能转化为电能或热能（制动），同时由于变频器的整流变频，会产生强电磁干扰，此时如果电路或程序设计有漏洞极易使主控系统崩溃而产生失控现象。2）速度反馈异常：电梯运行是属于距离控制的，而距离控制的反馈元件是编码器，编码器是一个精密的机械电子元件，而且是高强度运转，只要电梯在动，编码器就在动，电梯速度与位置的检测全在编码器提供的信号基础上来实现闭环控制，一旦编码器失效则速度同样失控，同时电梯的位置也会出现异常，如变码器丢码，原本电梯是1米/秒，但编码器反馈只有0.5米/秒，由于闭环反馈的作用，电梯只能加速，此时位置也变了，原本已到顶楼，但系统反馈只到了顶楼的一半而继续高速运行，如此必然造成冲顶现象。3）同步电机磁极位置异常：电梯的动力直接来源于电动机，目前用于电梯的主要是交流异步三相电机和交流同步三相电机，前者已逐步被淘汰，而后者因体积小、能耗低、噪音小、易维护而逐步占领市场。但同步机的弱点往往也是致命的：在运转过程中必须不断反馈电机转子的磁极位置给变频控制器，再由控制器精准控制电机的运行，磁极的位置角度就是由编码器提供的，如果反馈位置异常则电机速度也会出现大幅波动甚至飞车失控现象，这里磁极位置异常有可能是编码器原因：如编码器损坏、编码器松动导致原点位置变化、脉冲处理模块损坏、也可能是电机本身结构异常导致磁场紊乱引起。四、失速的解决方案根据以上分析我们提出解决方案，其核心思想是一旦发生电梯失速现象则迅速被检测出来而采取制停措施。在这里我们引入系统状态监控模块——安全模块和电动型轿厢制停装置——电动限速器。下图-1是解决方案设计图，图中空心箭头表示通讯数据交换流向，单实箭头表示开关量信号输入/输出，粗实箭头表示能量控制关系兼数据交换。图-1安全监控方案设计图1）安全模块在图-1中安全模块起到监控和紧急输出制动的作用，电梯中关键因素都要由安全模块来监测其运行的有效性，一旦发现被监测器件运行失常则报警停梯，输出安全触点而断开安全回路切断动力电源（见图-2），甚至采取紧急制动措施，提前通过电动限速器启动安全钳；同时主控也监控安全模块运行的有效性，从而形成类似互相监督互相制约的局面，如安全模块与主控板之间；安全模块与变频器之间；安全模块与PG卡之间；模块与外呼板之间（包含了门锁检测）；安全模块与平层感应器之间（仅开关量无需通讯）等。安全模块将监控距离控制情况下的关键参数如位置、位移、速度、加减速、楼层标记；驱动状况下的关键参数如电流、电压、频率、转速、脉冲；系统安全状态等，所以安全模块非常全面的监测了电梯控制模块的意外失效情况，本身又被主控系统监控而减少了程序的误动作。2）电动限速器大家知道限速器-安全钳系统是电梯标配的纯机械限速机构，限速器通过其离心结构感应速度的变化，当超过整定速度时，离心机构触发棘轮机构通过钢丝绳连杆结构拉动轿厢安全钳楔块将轿厢卡死在导轨上，从而防止失速继续加大，在这里我们将不改变其原有功能，在上面增加电动触发棘轮的机构，俗称电动限速器，这种限速器其实已经广泛应用在无机房电梯上，但其电动功能仅仅是为了方便验收时的测试，因为无机房电梯的限速器是安装在井道里的而难以接触，其电动也是手动控制，在我们的新系统里我们将增加程序控制，且其主控就是安全模块：当系统检测到失速时按程序设定自动触发限速器而让安全钳提前动作，而并非等到限速器自整定速度时才动作，让限速器的自整定动作速度保护作为失速安全的最后一道保障。3）门锁检测模块此模块并非一个单独模块，我们可取门锁开关的一个触点引入到该层的外呼板上与外呼通讯合二为一共享一个数据通道，既方便也节省成本。有了门锁检测模块我们就可智能化检测门锁的状态了，避免传统的单纯的开关触点串联门锁回路极易被全部短接或部分短接而无法检测的弊病：如在机房短接，则与单层门开状况发生冲突；短接单层，而系统要求的是开状态发生冲突；轿门与厅门开闭不一致等。与开门到位信号和门变频器的开、关门到位信号综合逻辑控制可确保门锁状态的一目了然，从而避免系统在开门情况下的自主误运行。五、以安全模块为核心的失速保护示意图-2为安全模块输入/输出回路示意图。图-2安全模块控制图1）门开的情况下失速问题由于有门锁检测模块，电梯的开门自主误运行情况可以避免；安全模块可以适时监测到主板是否死机或受干扰而造成的误运行，从上图可以看出安全模块也参与到安全回路中而控制动力源和制动，如图-2，目前在新的电梯安全规范里已增加了轿厢意外移动保护措施，可有效防止门开的情况下电梯失速问题，但仍然缺乏安全模块智能化处理所具有的灵活性与广泛性的优点。2）由于非主控系统原因造成误运行此种状况往往是超重、抱闸夹持力不足、钢丝绳打滑、断绳（见异常运行分析），这种状况往往脱离了传统的监控系统，主控也不能做出及时响应，此种状况可认为是单纯的轿厢独立运行而与主控无关，但是轿厢上有平层感应器，当轿厢在平层位置时，平层感应器提供外部平层标记信号给主控，而平层的另一数据为编码器数据，因为电梯是距离控制，平层位置事先已分配妥当，且轿厢的位移、速度、时间、加减速度是严格按照运行曲线规律的，若在错误的时间、错误的状况（如开门状态）离开或到达某个标记点（平层感应器插板），则认为是溜车发生，此时应采取紧急制动即输出安全异常、抱闸输出不允许、限速器—安全钳制动而进入检修模式。3）运行状态下的失速运行电磁干扰、主板失效导致死机或逻辑混乱、编码器检测系统失效、驱动模块失效（见异常运行分析），运行过程中安全模块适时检测关键模块数据信息，一旦发现通讯数据异常可认为该模块损坏而采取紧急制动，同时触发电动限速器—安全钳系统而进入检修模式；运行中的溜车情况同样被检测而受保护。例如在运行过程中编码器发生位移而导致磁极原点位置参考值发生变化，从而导致电梯速度异常，系统可以检测到当前的速度与驱动输出的电流或频率不匹配而出错；当编码器发生严重丢码时，系统可检测出速度的异常波动，与正常值会产生偏差而被检测出错，同时位移也会发生相应的巨大偏差等，当然判断的方法多种多样，看设计人员如何去定义了。总结：从以上分析可以看出，电梯控制系统的几大模块可以相互实现数据共享而相互监控，尤其是安全控制模块，单独从主控里分离出来这样既减轻主控负担而且还可监控主控，主控又可监控安全控制模块，所以就可以避免以往的独裁性控制时的当系统崩溃时导致的电梯失控而失速问题；增加电动型限速器--安全钳系统，在不改变原来功能的情况下增加了主动控制功能，因