电梯运行状态监控系统设计.docx
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电梯运行状态监控系统设计
摘要
实现电梯运行状态监系统设计的目标，综合测量数据并以多种方式传输。
本系统采用传感器采集电梯运行数据，通过微处理器进行非常态数据分析，经由GPRS网络传输，局域网传输与485通讯传输多种方式实现电梯故障报警、困人救援、日常管理、质量评估、隐患防范等功能。
本文以电梯运行状态监控发展情况和现状为课题背景，论述了运行状态监控硬件的开发过程，主要完成课题中设计。
首先介绍了运行状态监控系统的硬件框图。
其次，介绍了每一部分的电路图的功能和电路图。
另外，本文还介绍了STM32F107VCT6对于采集的数据进行实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输。
本文最后提出了设计中的一些不足之处和对今后的一些要求。
关键词：
电梯运行状态监控，数据采集器，STM32F107VCT6
ABSTRACT
Thegoaloftheelevatoristodesignadatacollectorofremoteelevatormonitorsystem,enableittotransmitdatathroughdifferentmethods.Thistopicisbasedonthescientificresearchproject“remoteelevatormonitorsystem",usingsensorstogetdata,thensendthemtotoanalyze,transmitdatathrough,Ethernet,wireless.Userscouldusethesedatatoevaluatethequalityoftheelevator.
Thisthesisintroducesthehardwaredesignofwirelessremoteelevatormonitorsystemwiththebackgroundofmeasuringembeddedsystem;mainlycompletethedesignofhardwaredesigninthesubject.Firstlyintroducesthecurrentdevelopmentofremoteelevatormonitorsystem.Secondly,thisthesisintroducestheoverviewofthedatacollectorandthedetailofeachpart.Then,introducedthemethodofusingSTM32F107VCT6toanalyze,store,displayandtransmitreal-timedata.Attheendofthisthesis,somesuggestionsandimprovementsarestated.
Keyword：
Theelevatoruningstatusmonitoring，Sdatacollector，STM32F107VCT6
1绪论
1．1课题研究的背景与意义
1.1.1电梯的发展
电梯进入人们的生活已经一百多年了。
1854年，世界博览会在纽约水晶宫上举行，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯首次向人们展示了他所发明得升降机。
他站在装满货物的升降梯平台上，命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用利斧砍断了升降梯的提拉缆绳。
令人惊讶的是，升降梯并没有坠毁，而是牢牢地固定在半空中——奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。
“一切安全，先生们。
”站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。
谁也不会想到，这就是人类历史上第一部安全升降梯。
这项发明彻底改写了人类对使用升降工具的认识。
从那以后，“勇敢者的游戏”不在包括搭乘升降梯了，在世界范围内广泛应用到升降梯。
1889年12月，美国奥的斯电梯公司制造出了名副其实的电梯，它的动力采用直流电动机，卷筒上缠绕的绳索被蜗轮减速器带动，悬挂并升降轿厢。
1892年，美国奥的斯公司开始采用按钮操纵装置，传统的轿厢内拉动绳索的操纵方式被取代，为操纵方式现代化打开了历史之门。
时代在改变、科学技术在发展、电梯也在不停进步，一百多年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，尤其是操纵控制上更是不断更新——信号控制、手柄开关操纵、集选控制、人机对话、按钮控制等等，并联控制还出现在多台电梯上了，智能群控--双层轿厢电梯向人们展示出节省井道空间的方式，使运输能力不断提升的优势；为变节省了行人的时间变速式自动人行道扶梯也开始出现；不同形状——半圆形、三角形、整圆形、扇形、半菱形的观光电梯则彻底改变身处其中的乘客的视觉感受。
目前，以美国奥的斯公司为代表的各大著名电梯公司各自展自己独特的风姿，电梯新品的研发仍在不停地进行，并将维修和保养服务系统不断完善。
主机节能、调频门控、复合钢带环保、智能远程监控、控制柜低噪音耐用——每一款都集纳了人类在光学电子、机械等领域最新科研成果，各种新型花样电梯不断问世，冰冷的建筑也从此开始散射出不一样的人性的光辉，使人们的生活从此不在单调。
据统计，我国在用电梯34.6多万台，每年还以约5万～6万台的速度增长。
电梯服务中国已有100多年历史，而我国在用电梯数量的快速增长却发生在改革。
开放以后，目前我国电梯技术水平已与世界同步。
100多年来，中国电梯行业的发展经历了以下几个阶段：
①对进口电梯的维保、安装、销售阶段（1900～1949年），这一阶段我国电梯拥有量仅约1100多台；②独立自主，生产阶段、艰苦研制（1950～1979年），这一阶段我国共生产、安装电梯约1万台；③行业快速发展阶段（自1980年至今），这一阶段我国共生产、安装电梯约40万台。
目前，我国已成为世界最大电梯生产的市场和最大的新装电梯国。
1.1.2研究意义
科学技术的不断发展，国家标准的不断完善，迅速提高我国电梯安全水平。
近年来，我国因电梯事故造成的人员伤亡稳中有降，万台电梯死亡率、万台电梯事故发生率持续下降，但电梯事故仍然经常发生。
目前，全国平均每年发生的电梯事故大约有40多起。
安全形势仍不容乐观。
今后为了使电梯安全水平提高，需要电梯行业与质检系统共同努力不断进步，保驾护航我国经济社会快速发展，为社会经济做出贡献。
然而，电梯的迅速增长带来了各种压力，电梯的安全使用及管理，直接关系到人民的生命财产安全，因此，对电梯的安装和使用实现规范化、科学化管理迫在眉睫。
针对电梯这一现代化交通工具的性能和特点，还要实行科学化管理。
一些发达国家在十几年前就开发应用了智能化电梯安全远程监控系统[。
所谓智能化电梯运行状态监控系统，集计算机控制、地理信息和远程通讯技术于一体，通过提前安装的传感器和信息网络系统，将分布在各处的故障信息和电梯运行状况及时传递并显示到监控中心的液晶显示上，从而实现对各处电梯运行状态监视和控制。
国内一些企业已开发出了多款具有远程监控系统，未来电梯肯定会普及该系统的应用。
这些系统大部分基于GPRS/GSM或3G等无线网络基础，未来实际应用中传输方式会趋于多样化，多元化，价格更低，数据更快更可靠。
现在的数据采集功能简单，无数据库管理功能，只能进行简单的电梯运行状态监控、无维保质量管理监控功能，不能进行电梯故障的早期预警并且系统兼容性差只能针对少数梯种进行布控，且不能精确地对电梯故障进行分析、判断，无法准确给出电梯具体故障部位。
因此电梯运行状态监控系统还有很大的发展空间。
1.2研究现状与发展趋势
随着国民经济的快速发展和城市化进程步伐的不断加快，我国电梯的拥有量与日俱增，已成为全球最大的电梯市场。
电梯是一种非常繁忙垂直交通工具，在现代生产生活中发挥着不可替代的作用。
但在高效服务的同时，难免遇到电梯运行中关人、夹人、蹲底、冲顶等一系列突如其来的问题，对乘客的人身安全造成极大的威胁。
电梯运行的安全性越来越成为广大群众关注的热点问题。
如何保证每台电梯都能够安全、可靠、舒适的运行？
一方面要通过改进设计、提高制造、安装质量来解决，而另一方面已越来越需要依靠完善的维修保养体系和先进的监控手段来解决，电梯远程监控系统就是在这种需求下应运而生[3]。
目前国内有一些企业已开发出了多款具有中国特色的远程监控系统，但由于这些系统均是基于GPRS/GSM或3G等无线网络基础，因此普遍存在着以下缺点：
（1）由于中国电话网络的信号传输质量和带宽制约了电梯信息量传输，无法实时传输所需的电梯轿厢、机房等所需音视频信号。
（2）系统采集的电梯实施运行信息是通过移动、联通或电信等无线通讯网络实现传输，故数据流量相当大，加之无线网络运营商的收费是按流量收费，使这种电梯远程监控系统的运营成本高居高不下（运营费是按照手机通话时间和网络流量计费），无法实现24小时不间断监控。
（3）功能简单，无数据库管理功能，只能进行简单的电梯运行状态监控，无维保质量管理监控功能，不能进行电梯故障的早期预警。
（4）系统兼容性差，只能针对少数梯种进行布控，且不能精确地对电梯故障进行分析、判断，无法准确给出电梯具体故障部位[4]。
而其发展可能会有以下两个趋势：
（1）最高运行速度可变：
根据载重量，自决定运行速度和加速度，以提高效率。
（2）预选式群控：
在乘客上电梯前，就根据乘客需要去的目的楼层分配电梯并告知乘客应乘坐哪台电台，这样可以大幅提高电梯群运行效率，大幅节能。
1．3研究目标及内容
本课题的研究目标即是通过对电梯运行数据的分析，对电梯即将出现的故障做出预估并解决到来的故障和对已经出现的故障进行诊断和维修。
论文对以下几方面做了研究工作。
（1）针对当前民用电梯大幅增加，为弥补在传统的人工定检方式检验电梯时的不足，本系统提运行状态监测系统目前只适用于居民住宅小区的电梯设备。
将长期在线检测与传统的电梯离线检测方式相结合，在管理检测、维修服务、小区监控三方数据共享的基础上，使运行状态监控理念在社会上发挥作用，从而实现对电梯运行状态监测、故障预估的有效管理，保障居民在使用电梯是的的安全。
同时，通过对所监测到的数据作出分析，对电梯日常运行状态做出评估，从而制定有效的检修方案，在保证电梯安全运行的基础上，节约特检部门工作的人力、物力、财力，提高工作效率。
（2）确定电梯运行状态的数据有哪些，以传感器为主设计出一套动态智能检测系统，用于实现居民住宅小区电梯设备运行状态检测的长期在线检测任务。
实现电梯机房、轿厢数据的同步采集，通过对运营电梯的检测及信息存储，积累了大量检测数据，为电梯的状态分析提供数据基础；通过对本校电梯的观察与分析，并根据相关资料得出主要检测数据如下：
a转矩
b加速度
c水平振动幅值
d振动频率
e温度
f电源电压
g电源电流
h运行状态信息
（3）电梯运行所监测到的数据实行A/D转换，获得数字信号用液晶显示器显示，并记录保存在存储器中，设置数据达到一定时间自动删除，并提供计算机接口，方便获得所记录数据。
2电梯相关知识与传感器选择
2．1．电梯主要部件及原理
2.1.1电梯的分类
1、按用途分类
乘客电梯、载货电梯、客用电梯、货用电梯、病床电梯、住宅电梯、杂物电梯、船用电梯、观光电梯、车辆电梯和其他等。
2、按速度分类
（1）超高速电梯（速度在3m/s—10m/s,或更高，主要用于超高层建筑）；
（2）高度电梯（速度在2m/s—3m/s，主要用于16层以上的建筑）；
（3）快速电梯（速度在1m/s—2m/s，主要用于10层以上的建筑）；
（4）低速电梯（速度在1m/s以下，主要用于10层以上的建筑）。
3、按拖动方式分类
交流电梯、直流电梯、螺杆式电梯、齿轮齿条电梯、液压电梯直线电机驱动电梯
2.1.2电梯的基本结构
一、曳引系统
它的主要功能使为电梯提供输送与传递动力，从而使电梯运行。
主要由曳引机、曳引机钢丝绳、导向轮和反绳轮等组成。
二、导向系统
他的主要功能是限制对重和轿厢的活动自由度，使对重和轿厢只沿着各自的预定导轨进行升降运动，使两者在运行中平稳，不会偏摆。
导向系统的组成和位置：
不论是轿厢导向还是对重导向均由导轨、导靴和导轨架组成。
轿厢以两根导轨和对重以两根导轨限定了轿厢和对重在井道中的位置，导轨架作为导轨的支撑件，被固定在井道壁上，导靴安装在轿厢和对重架的两侧，导靴里的靴衬与导轨配合工作，使轿厢和对重分别沿着各自的导轨作上下运行。
三、轿厢
它是用以运送乘客和（或）货物的容器。
由轿厢体和轿厢架组成。
轿厢架是承重结构件，是一个框形金属构架，由上、下、直梁和拉杆组成，在上下梁上装有安装导靴和安全钳的座板，在直梁上装有轿厢平层感应器及撞弓。
轿厢由轿底、轿壁、轿顶和轿门等组成，轿壁和轿顶需要承受一定的载荷，为了检修时，在轿顶上操作人员的安全，还必须在轿顶设防护栏，有时，根据设计要求设置安全窗，轿顶有些设装饰顶，有照明和通风的功能。
另外，为防止电梯超载运行，还会在轿厢上设超载保护装置，有些电梯装在轿底，有些装在轿顶上。
4、门系统
由层门、轿箱门、门锁装置、开关门组成。
为防止人员和货物坠入井道或轿厢内乘客和物品与井道相撞而发生危险封住层站入口和轿厢入口，是电梯运行系统的重要组成部分。
保证其安全运行，对于电梯正常运行和开关门都有重要作用。
五、重量平衡系统
功能：
使对重和轿厢能达到相对的平衡，在电梯工作中能够使轿厢与对重间的重量差保持在某一个限额之内，保证电梯的曳引传动平稳、正常。
组成：
由对重装置和重量补偿装置组成。
对重装置起到相对平衡轿厢重量的作用，它与轿厢相对悬挂在曳引钢丝绳的另一端。
补偿装置的作用是：
当电梯的提升高度超过30m以上时，由于曳引钢丝绳和控制电缆的自重，使得曳引轮的曳引力和电动机的负载发生变化，补偿装置可弥补轿厢两侧重量不平衡。
这就是保证轿厢侧与对重侧重量比在电梯运行过程中不变。
6、安全保护系统
电梯的安全性除了在结构的可靠性、合理性、电气控制和拖动的可靠性方面充分考虑外，还针对各种可能发生的危险，设置专门的安全装置。
它能防超越行程的保护、防电梯超速和断绳的保护、防人员剪切坠落的保护，更是报警装置、救援装置、缓冲装置、停止开关和检修运行装置，具有电气安全保护功能、防机械伤害的功能、消防功能。
七、电力推动系统和电气控制系统
1、电力推动系统
提供动力，对电梯实行速度控制。
对电梯的启动加速、稳速运行、制动减速起着控制作用。
由曳引机、供电系统、速度反馈装置、电动机调速装置等组成。
2、电气控制系统
操纵和控制电梯的运行。
通过电路控制电力推动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电梯安全运行。
由电梯限速器、安全钳、夹绳器、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。
2.1.3电梯的四大空间
一部电梯总体组成有机房、井道、轿厢、层站。
以下是各个空间中包含的零部件：
（1）机房
控制柜、导向轮、限速器、电源总开关、承重梁、曳引机、急停开关、绳头组合、绳头板等。
（2）井道
导轨支架、对重导轨、轿厢导轨、接导板、线槽、对重架、曳引机钢丝绳、限速器钢丝绳、平层感应装置、限速器钢丝绳涨紧装置、随行电缆、电缆支架、缓冲器、补偿装置、轿厢、中间接线盒、底坑检修箱等。
（3）轿厢
轿顶轮、轿架、轿底、轿壁、轿顶、轿门、门机、光电保护防夹装置、操纵箱、轿顶检修箱、照明装置、平层感应器、护脚板、导靴、安全钳、配重块、轿厢导轨用油杯、急停开关、安全窗、超载保护装置、五方通话等。
（4）层站
层楼显示器、层门装置、手动钥匙开关、层门、门锁、门套、层门地坎、呼梯盒等
2.1.4电梯基本工作原理
减速箱、制动器等组成的曳引机通过安装在机房的电动机，使曳引钢丝绳通过曳引轮，轿厢和对重分别连在曳引绳的两端，缠绕在导向轮和曳引轮上，曳引轮通过曳引电动机减速器变速后的力被带动转动，使曳引轮与曳引绳摩擦产生的牵引力，从而使对重和轿厢作出升降运动，达到运输目的。
2．2传感器的选择
传感器是本系统获得电梯运行数据传媒，所以对传感器的选择十分重要。
轿厢检测部分所需要对传感器做出选择的包括：
振动传感器、垂直方向（Z向）加速度传感器。
机房检测部分需要选择的传感器有：
温度传感器、电流电压传感器、转矩传感器。
2.2.1轿厢加速度传感器
按照本系统对轿厢加减速度的需求，轿厢加速度的测量包含一个垂直方向及两个水平方向。
（一）垂直方向加速度传感器
根据需求此传感器选取LE0710加速度传感器，进行垂直加速度的测量。
此传感器的响应频率为O’lOHz，测量范围为1．59，精度为847mV／g（5Hz@O．259），”O”g输出为2．522V。
加速度的测量：
在大于0．3Hz时，利用压电加速度传感器——电荷放大器测量系统或内装IC压电加速度传感器都可以进行理想的测量。
在小于O．3Hz时，通常使用应变加速度传感器——应变仪测量系统，但由于零漂和噪声都较大，特别在测量4,2n速度时，很难得到理想的测量结果。
LE0710型内装IC应变式加速度传感器很好的解决了这一难题。
该传感器不同于传统的应变桥结构，它是在硅片上同时集成了42个对加速度敏感的可变电容单元，同时解决了零漂、噪声、精度三大难题。
（二）水平方向加速度传感器
水平方向加速度传感器选取LC0121型内装IC压电加速度传感器，此传感器的量程为O．59，灵敏度为，X向：
10．03V／g，Y向：
10．02V／g（灵敏度测试条件：
2l℃，80Hz，0．39）；谐振频率为2kHz，频率范围为O．1’150Hz，抗冲击为509。
LC0121内装IC压电加速度传感器是内装微型IC放大器的压电加速度传感器，它将电荷放大器与传统的压电加速度传感器集于一体，能直接与显示、记录和采集传感器连接，简化了测试系统，提高了可靠性和测试精度。
广泛用于航空航天，车船，机械等领域。
而且具有抗干扰，低阻抗输出，噪声小，能够进行长电缆传输；性价比高，安装方便，尤其适用于多点测量；稳定可靠，抗潮湿，抗粉尘，抗有害气体等优点。
2.2.2电流电压传感器
目前市场上最流行的电流电压传感器是霍尔电流传感器／变送器。
霍尔电流电压传感器／变送器是一种响应快、宽频响、过载能力强、高可靠的、电检测元件。
它综合了分流器和互感器的共同优点，同时又克服了互感器只适用于交流正弦波信号测量和分流器无法进行隔离测量的不足。
霍尔电流电压传感器／变送器不仅可以检测交流，还可以检测直流。
其结构由聚磁环、原边电路、放大电路、次级线圈和霍尔器件等组成，分磁平衡式和直测式两种工作方式。
磁平衡式与直测式的区别在于其铁磁体上另加一平衡绕组，霍尔器件仅检测被测电流和平衡绕组中电流在铁磁体中所产生的磁电势的平衡状态。
直测式则是将霍尔器件置于具有线圈绕组或直穿母线的环型铁磁体气隙中，测出气隙里的磁压降，即为被测电流。
电流电压传感器使用注意事项：
（1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。
被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。
（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。
（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。
当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。
（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。
（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。
（6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。
剩磁影响精度。
退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。
（7）传感器抗外磁场能力为：
距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。
三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。
（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1－10介绍的简易典型稳压电源。
（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。
（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。
2.2.3转矩传感器
转矩传感器又称为扭矩传感器，扭矩传感器在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，传统中使用较多的是扭转角相位差式传感器为了检测旋转扭矩，这种方法是将安装着两组形状、安装角度及齿数完全相同的齿轮在弹性轴的两端，将两只接近（磁或光）传感器安装在齿轮的各自外侧。
在弹性轴发生旋转时，相应的两组脉冲波就这两组传感器就可以测量出，对这两组脉冲波的前后沿的相位差比较就可以直接计算出该弹性轴所承受的扭矩量。
转矩传感器采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。
将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。
他的性能指标：
扭矩示值误差：
<±0.5%F·S灵敏度：
1±0.2mv/V
非线性：
<±0.25%F·S重复性：
<±0.2%F·S
回差：
<0.2%F·S零飘（24小时）：
<0.5%F·S
零点温飘：
<0.5%F·S/10℃输出阻抗：
1KΩ±3Ω
绝缘阻抗：
>500MΩ静态超载：
120%
断裂负载：
200%使用温度：
0～60℃
储存温度：
－20～70℃电源电压：
+15V±5%,-15V±5%
总消耗电流：
<130mA频率信号输出：
5KHz—15KHz
负额定扭矩：
5KHz±10Hz零扭矩：
10KHz±10Hz
正额定扭矩：
15KHz±10Hz信号占空比：
（50±10）%
非接触式是非接触扭矩传感器工作方式，因而可靠性高、寿命长，不易受到磨损、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小、有更小的延时。
因此非接触式扭矩传感器十分适合本系统。
2.2.4振动传感器
振动传感器在本系统中是十分重要之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。
由于它也是一种机电转换装置。
所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。
振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而振动传感器的输入量才是原始要测的机械量，然后被机械接收部分接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后被机电变换部分变换为电量。
因此机械接收部分和机电变换部分来决定一个传感器的工作性能。
相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。
由于机械运动是物质运动的最简单的形式，因此人们最先想到的是用机械方法测量振动，从而制造出了机械式测振仪（如盖格尔测振仪等）。
传感器的机械接收原理就是建立在此基础上的。
相对式测振仪的工作接收原理就是，在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使被测物体与触杆的振动方向一致，并借被测物体表面与弹簧的弹性力相接触，物体振动，触杆就跟随被测物体一起运动，并且振动物体的位移随时间的变化曲线随推动记录笔杆在纸带上的移动被描绘出，移的大小及频率等参数就可以根据这个记录曲线可以计算出位。
因此本系统采用相对式
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