【摘要】

絕對(duì)值編碼器直接測(cè)量轎廂在井道的位置并實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，無需借助其他開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)井道位置的實(shí)時(shí)獲取，井道開關(guān)位置和樓層位置均可以專用軟件設(shè)置，并且由于位置是絕對(duì)的，不存在錯(cuò)層問題、樓層位置丟失問題。采用絕對(duì)值編碼器可省去井道開關(guān)及其附屬安裝組件，可以大大降低系統(tǒng)的故障率和安裝調(diào)試難度，并確保井道的整潔；從整體上看，低的故障率和簡(jiǎn)易的安裝調(diào)試可大大提升電梯產(chǎn)品的形象，另外，絕對(duì)值編碼器可以解決在高速梯系統(tǒng)中由于機(jī)械滑移造成的平層精度問題，其安全性可以滿足高速梯對(duì)速度及位置的監(jiān)視要求。相比開關(guān)定位系統(tǒng)，絕對(duì)值編碼器以安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)勢(shì)逐漸在電梯行業(yè)快速普及。

關(guān)鍵詞：

電梯控制系統(tǒng)絕對(duì)值編碼器井道定位

1  項(xiàng)目背景

增量型旋轉(zhuǎn)編碼器可以提供驅(qū)動(dòng)器所需要的電機(jī)的運(yùn)行信息，還可以提供給控制系統(tǒng)所需要的增量型位置脈沖信號(hào)，是目前應(yīng)用最廣泛的電梯定位系統(tǒng)。但是增量型旋轉(zhuǎn)編碼器作為電梯定位系統(tǒng)必須借助一系列開關(guān)輔助才能實(shí)現(xiàn)完整的平層調(diào)整，這一系列開關(guān)大大增加了電梯的故障率和調(diào)試難度及安裝難度，并且未能從根本上解決電梯的轎廂位置誤差累計(jì)導(dǎo)致的錯(cuò)層問題，另一方面由于井道開關(guān)的故障導(dǎo)致的安全事故偶有發(fā)生。在一些嚴(yán)格要求不錯(cuò)層的場(chǎng)合則只能使用絕對(duì)定位系統(tǒng)。

以絕對(duì)值井道信息系統(tǒng)替代原有增量型編碼器加井道開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)樓層定位，作為井道信息系統(tǒng)的另一個(gè)選擇。并具有多種優(yōu)勢(shì)：井道信息不會(huì)丟失，不存在錯(cuò)層問題、能實(shí)現(xiàn)真正意義上的距離?？俊p行程應(yīng)用，采用絕對(duì)值編碼器可以具有TUV認(rèn)證，并且可以通過SIL3安全等級(jí)認(rèn)證、在安裝維護(hù)的角度考慮，絕對(duì)值編碼器安裝簡(jiǎn)單，可降低對(duì)井道開關(guān)的維護(hù)，減少維護(hù)費(fèi)用、滿足標(biāo)準(zhǔn)的需求：新的消防規(guī)范提出消防員電梯必須是不錯(cuò)層的電梯。絕對(duì)值編碼器是一個(gè)解決方案

絕對(duì)值編碼器在滿足基本井道定位功能之外，還可擴(kuò)展以下功能：電子安全鉗、配合符合A3要求的制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)UCMP功能、檢測(cè)門回路短接檢測(cè)功能、井道去除極限開關(guān)。其擴(kuò)展性相比開關(guān)定位系統(tǒng)更加靈活且可靠。

2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1定位方式對(duì)比

常規(guī)井道系統(tǒng)定位系統(tǒng)定位裝置包括：平層開關(guān)、插板、減速開關(guān)、門區(qū)開關(guān)（再平層或提前開門時(shí)需要）、限位開關(guān)（非必須）、極限開關(guān)等組成；絕對(duì)值編碼器井道定位系統(tǒng)能直接輸出轎廂位置及速度信息，去掉平層開關(guān)，門區(qū)開關(guān)及接線，去掉減速開關(guān)及接線，如圖1所示?；诮^對(duì)值編碼器井道定位系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）干凈井道，除兩端，中間不需任何支架開關(guān)和連線，極大的降低了安裝工時(shí)和故障率；

（2）安裝維護(hù)方便：在30分鐘內(nèi)完成安裝；

（3）編碼裝置的安裝已經(jīng)考慮了安全應(yīng)用，極其可靠，僅需要常規(guī)的清潔，基本不需要維護(hù)；

（4）位置絕對(duì)，永不錯(cuò)層；

（5）滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，適用于消防員電梯現(xiàn)場(chǎng)。

圖1線型絕對(duì)值編碼器編碼裝置安裝示意圖

2.2通訊總線選擇

絕對(duì)值編碼器與電梯控制系統(tǒng)的通訊接口主流的有CAN、CANopen、SSI等，總所周知，CAN屬于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線之一，CAN協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并未對(duì)應(yīng)用層做規(guī)定，本身并不完整，而CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。CANopen協(xié)議包括了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層規(guī)范和通信規(guī)范，在CANopen的應(yīng)用層，設(shè)備間通過相互交換信息對(duì)象進(jìn)行通信。

CANopen支持CAN2.0A11位和CAN2.0B29位標(biāo)示符，而且報(bào)文的優(yōu)先級(jí)只能通過它的大小來區(qū)分，通常節(jié)點(diǎn)地址較小的報(bào)文優(yōu)先級(jí)更高，若需傳送快速響應(yīng)的事件，則需通過預(yù)定義和特殊功能對(duì)象，如同步、時(shí)間標(biāo)記對(duì)象、緊急事件；過程數(shù)據(jù)對(duì)象用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)高于服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象，這對(duì)電梯控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取電梯位置信息而報(bào)文數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用場(chǎng)合需求較吻合。

圖2電梯控制系統(tǒng)CAN總線節(jié)點(diǎn)

主流的電梯控制系統(tǒng)采用CAN總線通訊，電梯系統(tǒng)中的外呼通訊終端、轎廂通訊終端、轎頂通訊終端、轎廂顯示終端、底坑檢修終端等都作為CAN的子節(jié)點(diǎn)掛接在CAN總線上；采用CANopen協(xié)議的絕對(duì)值編碼器可方便連接到電梯控制系統(tǒng)總線上，如圖2所示，而無需增加額外的通訊轉(zhuǎn)換板或者通訊轉(zhuǎn)接線。

2.2絕對(duì)值編碼器傳感方式選擇

線型絕對(duì)值編碼器根據(jù)傳感原理，主流的可分為：磁柵原理、二維碼掃描原理、紅外原理。磁柵定位方式主要通過獲取磁鋼帶上帶有的磁編碼數(shù)據(jù)，將磁編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成位置信息，最終實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的井道位置，目前精度能到到0.25mm，滿足電梯位置偏差精度要求；二維碼掃描方式由安裝在井道中布置滿二維碼的碼條和讀頭組成，每個(gè)二維碼帶唯一位置信息，可通過手機(jī)藍(lán)牙獲?。还怆娫硪话悴捎眉t外直射或反射原理，通過在鋼帶上發(fā)射紅外信號(hào)，根據(jù)接對(duì)方收端或者反射接收端獲取的0和1信號(hào)組合成實(shí)時(shí)的位置信息，如圖3所示。

圖3絕對(duì)值編碼器按原理分類圖

由于電梯控制系統(tǒng)對(duì)噪音有一定的要求，接觸式定位方式因不可避免產(chǎn)生噪音而不被大眾所接受。非接觸式中超聲波基本沒有廠家使用，采用直射光電原理的產(chǎn)品，市面上主流的有德國(guó)庫伯勒Limes系列產(chǎn)品，采用反射光電原理主要的產(chǎn)品主要由瑞士CEDES的APS產(chǎn)品，而采用磁感應(yīng)原理的產(chǎn)品主要是德國(guó)的ELGO。各種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，二維碼掃碼方式對(duì)光照和碎屑較敏感，不適用在觀光梯等應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用；磁感應(yīng)原理受鐵屑影響較大，在初期安裝時(shí)，需要額外維護(hù)；光電原理容易受制于反射或直射通路上的灰塵或垃圾顆粒的干擾。因此，使用絕對(duì)值編碼器時(shí)需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行合理選擇。

3  工作原理

3.1傳感層原理

絕對(duì)值編碼器關(guān)鍵部分主要由讀頭和編碼裝置組成，編碼裝置由帶有絕對(duì)位置信息的鋼帶/磁帶組成，如圖4所示。讀頭負(fù)責(zé)掃描和讀取編碼裝置上的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，由于編碼是唯一的，因此讀頭實(shí)時(shí)讀到的井道位置信息也是唯一確定的。以光電型絕對(duì)值編碼器為例，光電原理的編碼裝置碼尺上帶地址編碼格柵和時(shí)鐘編碼格柵，讀頭上分別有對(duì)應(yīng)的掃描單元，掃描數(shù)據(jù)進(jìn)信號(hào)處理單元，經(jīng)數(shù)據(jù)單位處理后輸出電梯的運(yùn)行方向、位置及速度信息。地址編碼格柵沿長(zhǎng)度方向按一定的序列規(guī)則排列編碼，時(shí)鐘編碼格柵一般為連續(xù)交替設(shè)置的正單元和負(fù)單元。

在安全性要求較高的場(chǎng)合，可采用冗余設(shè)計(jì)，即雙套讀頭和雙套信號(hào)處理單元，雙通道數(shù)據(jù)偏差允許值必須限制在設(shè)定值范圍內(nèi)，否則系統(tǒng)認(rèn)為本次數(shù)據(jù)異常，可記錄相關(guān)事件或進(jìn)入故障保護(hù)模式。

圖4絕對(duì)值編碼器組成示意圖

3.2系統(tǒng)級(jí)原理

絕對(duì)值編碼器和電梯控制系統(tǒng)通過CAN通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)及命令交互，轎廂的位置和速度的信息以每10ms一個(gè)數(shù)據(jù)包的頻率更新到控制系統(tǒng)，電梯控制系統(tǒng)考慮了數(shù)據(jù)異常情況下的緊急?？俊？刂葡到y(tǒng)可選擇使用絕對(duì)值型轎廂井道定位信息，電梯運(yùn)行速度曲線的位置和速度反饋由絕對(duì)值型定位裝置提供。電梯控制系統(tǒng)中增加打滑故障判斷條件，即當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器有速度反饋，而轎廂位置沒有速度反饋和位置變化，則判斷為打滑；在電梯控制系統(tǒng)中增加速度相關(guān)的故障條件，如通過給定和轎廂反饋速度比較作為低速度或超速故障子碼條件。

在安全要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，采用雙通道數(shù)據(jù)比較機(jī)制，雙通道數(shù)據(jù)誤差不超過設(shè)定值，通過5ms任務(wù)周期性執(zhí)行，連續(xù)誤差超過4次則記錄數(shù)據(jù)誤差。通過使用絕對(duì)值編碼器反饋速度作為比較對(duì)象作為判斷電梯超速或低速故障的依據(jù)；在電梯控制系統(tǒng)和絕對(duì)值編碼器通訊中設(shè)置心跳監(jiān)測(cè)機(jī)制，絕對(duì)值編碼器與電梯控制系統(tǒng)周期心跳交互，若失聯(lián)時(shí)間超過設(shè)定值，則進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)。

3.3安全功能實(shí)現(xiàn)原理

國(guó)標(biāo)GB7588-2003第一號(hào)修改單提出UCMP（Unintendedcarmovementprotection）安全要求，即配備提前開門或再平常功能的電梯需安裝電梯轎廂意外移動(dòng)保護(hù)裝置。傳統(tǒng)井道開關(guān)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一要求通過在平層開關(guān)中間加裝一對(duì)門區(qū)開關(guān)，并配置提前開門板實(shí)現(xiàn)UCMP功能，而絕對(duì)值編碼器采用絕對(duì)定位方式取代開關(guān)定位，因此需在不加裝門區(qū)開關(guān)的前提下實(shí)現(xiàn)UCMP功能，需要絕對(duì)值編碼器輸出門區(qū)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)在電梯意外脫離門區(qū)的情況下輸出切斷信號(hào)，絕對(duì)值編碼器必須提供該安全功能組件，否則無法滿足國(guó)標(biāo)要求。絕對(duì)值編碼器一般通過安全繼電器輸出一組信號(hào)至電梯控制系統(tǒng)，配合滿足A3要求的制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)完整的UCMP功能。

4  結(jié)束語

安裝簡(jiǎn)便化、系統(tǒng)智能化、使用安全化是電梯未來發(fā)展的方向，相比開關(guān)式井道定位系統(tǒng)，絕對(duì)值編碼器在安裝簡(jiǎn)便、井道干凈、調(diào)試方便、永不錯(cuò)層、安全性更高等方面優(yōu)勢(shì)明顯，近年來在電梯高速梯（>4.0m/s）領(lǐng)域，絕對(duì)值編碼器已經(jīng)初露鋒芒，未來在低速梯領(lǐng)域，隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、元器件的降本及電梯安全要求的不斷提高，絕對(duì)值編碼器將會(huì)越來越普及。

參考文獻(xiàn)：

[1]任淑梅,蔣圣平,郝曉劍.用位置敏感傳感器進(jìn)行位移測(cè)試的技術(shù)研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2002,16(2).

[2]姜重然,陳文平,徐斌山.CAN總線位定時(shí)和同步的研究與設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2009年03期.

[3]金超,夏繼強(qiáng),滿慶豐.CANopen對(duì)象字典的分析與具體實(shí)現(xiàn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012年08期.