基于加速度传感器的电梯健康监测系统

图 1基 本 测 量 原 理3加 速 度 的 测 量加速度传感器发生的原始信号，若不经过处理，只能 得到较少的有用信息。对连续信号采样后，用数字低通 滤波器可滤掉高频的随机干扰。电梯加速度测试需要有 零频的信号，信号中的低频干扰无法用滤波的方法消除。 但是采样信号中仍然存在不需要的低频成分，原始信号 中有可能含有周期比采样长度长很多的低频成分。这种 低频成分被称为低频趋势项，在测量信号中表现为基准 线的偏离。分析电梯运行的特点，假设电梯启动到平稳制动的 时间为T 1,在r 时间内电梯运行加速度均值理论上应该 为零。由于信号低频趋势项的存在，r 时间内加速度的 测量值的平均并不为零。以原始信号的均值作为常量偏 移来修正原始测量信号，可减少误差的影响。接下来分 析运用常量替代平缓趋势的近似算法所带来的误差。设 电梯加速度测量值为 a(t、 +b0 +预 处 理 微 分1前言人们在享受电梯快捷服务的同时，对电梯乘坐舒适 性与安全性也提出了更为苛刻的要求。一台电梯在安 装、调试过程中，只有对电梯各个功能部件及整机性能反 复进行测试，才能使电梯性能达到设计要求。电梯的振 动、加速度、加速度变化、噪声等影响电梯乘坐舒适性的 参数将是电梯安装、调试过程中重点考虑的检测项目。 因此开发出一套电梯综合测试系统，检测电梯运行参数， 以便评定电梯运行质量、确定电梯运行状态就尤为重要。本项目旨在对电梯控制性能及其曳引机健康状态的 的实时监测系统进行开发和研究。通过安装在轿厢中的 传感器监测出轿厢的实时位置，判断电梯是否处于不平 层、蹲底或冲顶。同时根据算出的加速度和速度判断出 电梯的舒适度，评价电梯舒适度和控制性能，提高电梯的 安全可靠性。另外，安装在曳引机上面的振动传感器能 实时监测电机和制动器的运行健康状况。当制动器出现 松动或电机异常时第一时间通知监测中心，实现电梯异 常征兆自动预警。2基 本 测 量原 理用一只三轴加速度传感器或三只单轴加速度传感器 (方向相互垂直）来测量电梯轿厢三个方向的加速度信 号。采集到的原始信号经预处理后可得到起动加速度、 制动减速度及三个方向振动信号;对于电梯升降方向轴的 加速度信号，通过微分，可得到加速度变化率、减速度变化 率;通过积分，可得到轿厢速度、位移信号。图1说明了基本基金项目：福建省质量技术监督局科技项目（FJQ I2014015)基于加速度传感技术的电梯拖动与制动性能健康监测系统 收稿日期：2016 -07 -04 针 量 与 侧 试 技 术 2016年 第 43卷 第 9期基 于 加 速 度 传 感 器 的 电 梯 健 康 监 测 系 统郑 伟 峰(厦门市计量检定测试院，福建厦门361004)摘要:针对当前市面上电梯安全事中 、 事后监测系统的不足， 本文提出电梯事前健康监测的方案。首先， 根据加速度、 速度、 位移三者之间的关系， 提出将 三个参数在轿厢内同时测量的方法。然后， 采集振动信号， 分析制动器和电机的异常抖动。通过振动频率、 振幅、 趋势等一系列测试和分析， 掌握曳引机的 健康状态。本系统可以很好地实时检测电梯的平层准确度、 平层稳定度、 加速度、 速度、 制动能力加速度和距离等性能参数。关键词:加速度传感器;曳引机; 健康监测；电梯中图分类号:TB9 文献标识码: A 国家标准学科分类代码:410. 55DOI：10.15988/j. cnki. 1004 - 6941.2016.09.007Elevator Health Monitoring System Based on Acceleration SensorZheng Weifeng加 速 度 曲 线速 度 曲 线加 速 度 变 化 率位 移 曲 线4右振动 +前后振动上下振动 .制动性能 启动性能原始信号万方数据_g _势。理论上 a(t)的均值为零，加速度测量值的均值为B : B=+ a(0 +b0 +1) dt (1)B=b0bJ (2)用B 值作为测量数据的常量修正值，修正后的加速 度为 a(t :a () = a(tt + b0 + btt - B1 (3)= a(t) +bl -2hiT设电梯初始速度为 =0。对修正后的加速度求积 分得到修正后的速度(0:t v ( =t?o + “ a() + bt biT dt (4)0tvr(t ) = ja(t) dt + -212 士 biTt (5)0设电梯初始位移为 =0,对修正后的速度求积分得 到修正后的位移，（）。tsr () = o + jv () dt (6)0t t t （） =!Ja d2t + j(b1t2 ibiT ) dt (7)00 0上式中，第一项为电梯的实际位移M O，第二项为 修正后的测量值，（ 0与实际值众 0的差值土（ :4s( = J (Tbl Yb1T)dt0()As (t) =bit3 _+b1T2(9)的取值为0 T，当电梯停稳时t =T， 因此电梯最终位移测量误差土为：4如 T (0)由式（10)可看出用加速度测量值的均值作为常量 修正原始信号，经二次积分求位移，将会带来一定测量误 差。电梯停稳时位移误差与测量时间T 的三次方、加速 度传感器输出的线性趋势斜率b i成正比。电梯运行时 间T 可由加速度曲线求出。加速度传感器的缓慢漂移 引起的测量值线性趋势的斜率b 很小，达到10_ 6m/S3以 下，当测量时间T 为5 0S时，根据式(10)计算出位移误差山 可控制在0.01m 以内。因此，加速度信号经过预处理后，可 进行滤波、微分、积分、频谱分析等后续数字信号处理。4曳 引 部 分 的 检 测由于不同的电机在稳定运行时，它们振动都有典型 的特性和允许限制，当电机发生不同故障或异常时，其振 动幅值和频谱都会发生相应的变化。不同故障会引起不郑 伟 峰 :基 于 加 速 度 传 感 器 的 电 梯 健 康 监 测 系 统同频率的振动。电机所有的故障几乎都会通过振动表现 出来。因此振动能客观地反映电机的故障情况，通过对 加速度传感器获得的振动信号进行分析处理，精确分析 各种振动信息和形式，与己知的故障特征相比较，便能确 定故障发生的原因和部位，并制定判断方案。表 1电 机 常 见 故 障 的 振 动 特 性 频率电机故障类型 主振动频率转子不平衡 乂转子不对中静态偏心故障 2/1偏心故障 动态偏心故障 /转子断条故障 /定子绕组故障 /1、22 1、4/ 1这种方法主要采用传感器（比如:加速度型、速度型 和位置型传感器）来对电机轴承、机壳、机座等的振动进 行检测。传感器的输出信号，在经过信号分析处理后，再 与己知的电机故障特征进行对比，从而判断出故障的类 型、故障的严重程度及其发生的部位。通常，电机的不同 故障会产生不同频率的振动，所以本文选用此法来诊断 电机故障。5试 验 结 果电梯上升时，制动过程加速度信号及速度、制动位移 曲线分别如图2,图3和图4 所示。图 2制 动 过 程 加 速 度 信号图 3速 度 曲 线图 4制 动 位 移 曲 线万方数据由试验结果的波形可以看出，采集到的原始信号经 预处理后可得到起动加速度、制动减速度;对于加速度信 号，通过微分，可得到加速度变化率、减速度变化率;通过 积分，可得到轿厢速度和位移信号。平层准确度、平层稳定度、加速度、速度、制动能力加 速度和距离，这些都是电梯的性能参数。基于加速度传 感器的电梯健康监测系统能够实时的检测以上性能参 数。该系统主要实现了：(1) 根据加速度、速度、位移三者之间的关系，提出 将三个参数在轿厢内同时测量的方案。解决了以往电梯 轿厢速度与位移的测量需要附加编码器，并只能在机房 内测量的缺点，使轿厢运动参数测量更加简便。(2) 采用冗余设计提高系统安装系数。电梯故障甚 至机房断电，监测系统不受影响。系统运行不对电梯有 任何影响，责任界定分明。(3) 采集振动信号，分析制动器和电机的异常抖动。 通过振动频率、振幅、趋势等一系列测试和分析，掌握曳 引机的健康状态。参考文献1 郑伟峰.基于加速度传感技术的电梯拖动与制动性能健康监测系 统J.厦门科技,2015(3):53 -56.2 刘振兴.电机故障在线监测诊断新原理和新技术研究D .华 中 科技大学,2004:1 17.作者简介:郑伟峰，男，研究生,高级工程师。工作单位 :厦门市计量检定测 试院。通讯地址 :361004福建省厦门市湖滨南路17 0号。电梯下降时，制动过程加速度信号及速度、制动位移 曲线分别如图5，图6 和图7所示。51000 52000 53000 54000 55000 56000 57000 58000 59000 60000采 样 点图 5制 动 过 程 加 速 度 信号 -制 动 过 程 速 度20000 40000 60000 80000 10000采 样 点图 6速 度 曲 线图 7制 动 位 移 曲 线 针 量 与 侧 试 技 术 2016年 第 43卷 第 9期(上接第17页）型后，在统计期内的节约电量如下。A(AE ) = (12 x0. 862 +4. 97 x1.22 x0. 52) x 720 - (12 x0. 34 +3.65 x1.22 x0. 52) x720 =718kWh 5结 束 语从算例中可以发现，两种计量方法在不考虑误差的 情况下，即在理想条件下得到的结果是一样的，但在实际 应用过程中，往往会伴随着一系列的误差，而且在单边计 量法中，由于均方根电流系数K 一般是按经验公式取 值，因此在精度上双边计量法稍优于单边计量法。但是 为了保证精度，需要在变压器两侧都安装计量装置，其计 量成本较单边计量法高，计量装置的安装难度也随之提 高。同时经过深入分析发现，双边计量法所测量的量是 变压器更换后的损耗量，也就是需要在变压器更换项目 实施以后才能得到节约电量，而单边计量法只需根据变 压器负载率以及均方根电流系数经验公式即可得到变压 器更换的节约电量，可以为相关部门制定变压器更换项 目时提供数据参考，以计算更换项目的经济效益。所以总体来看，单边计量法更适合于在变压器更换项目中推 广应用。参考文献1 吴喜红.配电变压器损耗和容量在线检测方法研究D 重 庆 :重 庆大学,2006.2 韩绍宗.加速淘汰高损配电变压器对节能意义的探讨J .城 市 建设理论研究：电子版，2011，(17).林怀德，张勇军，何通.更换高能耗配电变压器经济效益评估 .电力需求侧管理，2010, 12：4548.4 周先哲，古智鹏，黄雯.变压器损耗计算方法的研究 J.电