【摘要】

    絕對值編碼器直接測量轎廂在井道的位置并實時反饋給控制系統(tǒng)，無需借助其他開關(guān)就可以實現(xiàn)井道位置的實時獲取，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的，不存在錯層問題、樓層位置丟失問題。采用絕對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，低的故障率和簡易的安裝調(diào)試可大大提升電梯產(chǎn)品的形象，另外，絕對值編碼器可以解決在高速梯系統(tǒng)中由于機械滑移造成的平層精度問題，其安全性可以滿足高速梯對速度及位置的監(jiān)視要求。相比開關(guān)定位系統(tǒng)，絕對值編碼器以安裝調(diào)試簡單、安全可靠等優(yōu)勢逐漸在電梯行業(yè)快速普及。

關(guān)鍵詞：

電梯控制系統(tǒng)絕對值編碼器井道定位

1  項目背景

    增量型旋轉(zhuǎn)編碼器可以提供驅(qū)動器所需要的電機的運行信息，還可以提供給控制系統(tǒng)所需要的增量型位置脈沖信號，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導(dǎo)致的錯層問題，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)格要求不錯層的場合則只能使用絕對定位系統(tǒng)。

    以絕對值井道信息系統(tǒng)替代原有增量型編碼器加井道開關(guān)方式實現(xiàn)樓層定位，作為井道信息系統(tǒng)的另一個選擇。并具有多種優(yōu)勢：井道信息不會丟失，不存在錯層問題、能實現(xiàn)真正意義上的距離?？俊p行程應(yīng)用，采用絕對值編碼器可以具有TUV認(rèn)證，并且可以通過SIL3安全等級認(rèn)證、在安裝維護的角度考慮，絕對值編碼器安裝簡單，可降低對井道開關(guān)的維護，減少維護費用、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層的電梯。絕對值編碼器是一個解決方案

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

2  系統(tǒng)設(shè)計

2.1定位方式對比

    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需要）、限位開關(guān)（非必須）、極限開關(guān)等組成；絕對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。基于絕對值編碼器井道定位系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：

（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和故障率；

（2）安裝維護方便：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；

（4）位置絕對，永不錯層；

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

圖1線型絕對值編碼器編碼裝置安裝示意圖

2.2通訊總線選擇

    絕對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)場總線，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一，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象進行通信。

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

圖2電梯控制系統(tǒng)CAN總線節(jié)點

    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)點掛接在CAN總線上；采用CANopen協(xié)議的絕對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絕對值編碼器傳感方式選擇

    線型絕對值編碼器根據(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，最終實現(xiàn)絕對的井道位置，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，每個二維碼帶唯一位置信息，可通過手機藍(lán)牙獲取；光電原理一般采用紅外直射或反射原理，通過在鋼帶上發(fā)射紅外信號，根據(jù)接對方收端或者反射接收端獲取的0和1信號組合成實時的位置信息，如圖3所示。

圖3絕對值編碼器按原理分類圖

    由于電梯控制系統(tǒng)對噪音有一定的要求，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)品主要是德國的ELGO。各種方式各有優(yōu)缺點，二維碼掃碼方式對光照和碎屑較敏感，不適用在觀光梯等應(yīng)用場合應(yīng)用；磁感應(yīng)原理受鐵屑影響較大，在初期安裝時，需要額外維護；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，使用絕對值編碼器時需根據(jù)實際應(yīng)用場景進行合理選擇。

3  工作原理

3.1傳感層原理

    絕對值編碼器關(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位置數(shù)據(jù)，由于編碼是唯一的，因此讀頭實時讀到的井道位置信息也是唯一確定的。以光電型絕對值編碼器為例，光電原理的編碼裝置碼尺上帶地址編碼格柵和時鐘編碼格柵，讀頭上分別有對應(yīng)的掃描單元，掃描數(shù)據(jù)進信號處理單元，經(jīng)數(shù)據(jù)單位處理后輸出電梯的運行方向、位置及速度信息。地址編碼格柵沿長度方向按一定的序列規(guī)則排列編碼，時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合，可采用冗余設(shè)計，即雙套讀頭和雙套信號處理單元，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)事件或進入故障保護模式。

圖4絕對值編碼器組成示意圖

3.2系統(tǒng)級原理

    絕對值編碼器和電梯控制系統(tǒng)通過CAN通訊進行數(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?？??？刂葡到y(tǒng)可選擇使用絕對值型轎廂井道定位信息，電梯運行速度曲線的位置和速度反饋由絕對值型定位裝置提供。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)用場合，采用雙通道數(shù)據(jù)比較機制，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。通過使用絕對值編碼器反饋速度作為比較對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)和絕對值編碼器通訊中設(shè)置心跳監(jiān)測機制，絕對值編碼器與電梯控制系統(tǒng)周期心跳交互，若失聯(lián)時間超過設(shè)定值，則進入故障保護狀態(tài)。

3.3安全功能實現(xiàn)原理

    國標(biāo)GB7588-2003第一號修改單提出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保護裝置。傳統(tǒng)井道開關(guān)定位系統(tǒng)實現(xiàn)這一要求通過在平層開關(guān)中間加裝一對門區(qū)開關(guān)，并配置提前開門板實現(xiàn)UCMP功能，而絕對值編碼器采用絕對定位方式取代開關(guān)定位，因此需在不加裝門區(qū)開關(guān)的前提下實現(xiàn)UCMP功能，需要絕對值編碼器輸出門區(qū)信號，并實現(xiàn)在電梯意外脫離門區(qū)的情況下輸出切斷信號，絕對值編碼器必須提供該安全功能組件，否則無法滿足國標(biāo)要求。絕對值編碼器一般通過安全繼電器輸出一組信號至電梯控制系統(tǒng)，配合滿足A3要求的制動器實現(xiàn)完整的UCMP功能。

4  結(jié)束語

    安裝簡便化、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)，絕對值編碼器在安裝簡便、井道干凈、調(diào)試方便、永不錯層、安全性更高等方面優(yōu)勢明顯，近年來在電梯高速梯（>4.0m/s）領(lǐng)域，絕對值編碼器已經(jīng)初露鋒芒，未來在低速梯領(lǐng)域，隨著行業(yè)競爭、元器件的降本及電梯安全要求的不斷提高，絕對值編碼器將會越來越普及。

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