關于高速電梯平層傳感器故障診斷及容錯控制的研究
作者：張毅
隨著超高層建筑的增多，電梯朝著高速和高行程方向發(fā)展，這就使得電梯控制系統(tǒng)的故障越來越突出，在電梯必須停機修理的故障中，電氣控制系統(tǒng)故障占全部故障的80%～90%。
神經網絡具有處理復雜多模式及進行聯(lián)想、推測和記憶的功能，因此非常適用于電梯控制系統(tǒng)故障診斷。它具有自組織自學習能力，能克服傳統(tǒng)專家系統(tǒng)存在的缺陷（當啟發(fā)式規(guī)則未考慮到位時傳統(tǒng)專家系統(tǒng)就無法工作）。容錯控制根據故障診斷機構提供的故障信息，對產生故障的平層開關進行迅速隔離，并充分利用電梯系統(tǒng)的冗余功能，即利用光電編碼器的冗余功能使系統(tǒng)能夠繼續(xù)工作。
1故障現(xiàn)象及原因
平層裝置是設置在平層區(qū)域內，使轎廂達到平層準確度要求的裝置。平層裝置通常由上平層開關、下平層開關和門區(qū)開關3個部分組成，圖1為平層裝置安裝示意圖。
根據電梯的控制需要，將光電開關安裝在轎廂頂部，上平層開關、門區(qū)開關和下平層開關依次排列，將遮光板固定在井道所需位置的導軌架上，且每層安裝一個遮光板。在轎廂運行過程中，遮光板插入U型槽遮擋光線，使光電開關動作，以獲得電梯控制所需的井道信號。
當電梯到達某一層后，由于平層開關的作用，電梯門可以準確地對準電梯的出口處，人員便可以方便地進出。電梯平層開關對抗干擾要求極高，因為干擾可能使平層開關發(fā)生誤動作，使電梯平層定位出錯，影響電梯的安全使用。表1為平層開關故障現(xiàn)象及原因分析。
2基于神經網絡的故障診斷
人工神經網絡就是使用物理上可實現(xiàn)的器件、系統(tǒng)和計算機來模擬人腦結構和功能的人工系統(tǒng)。神經網絡不僅在結構上是并行的，而且其處理問題的方式也是并行的，診斷信號輸入之后可以很快傳遞到神經元進行處理，克服了傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)出現(xiàn)的無窮遞歸、組合爆炸及匹配沖突等問題，使計算速度大大提高。
對于高速電梯平層開關，本文利用感知器神經網絡對其進行故障診斷，并且對傳感器故障模式進行MATLAB仿真實驗。
單層感知器是一個具有單層神經元、采用閾值激活函數(shù)的前向網絡。通過對網絡權值的訓練，可以使感知器對一組輸入矢量的響應達到元素為O或1的目標輸出，從而達到對輸入矢量分類的目的。圖2為單層感知器神經元模型圖。
其中，每一個輸入分量pi（i=1，2，…，r）通過一個權值分量wi進行加權求和得n，n作為閾值函數(shù)f(.)的輸入。偏差6的加入使得網絡多了一個可調參數(shù)，為使網絡輸出達到期望的目標矢量提供了方便。感知器的輸出y只有O和1兩個狀態(tài)，其他值由W．P+b的值大于、等于或小于零來確定。
平層裝置由上平層開關、下平層開關和門區(qū)開關3個部分組成，3個開關直接與控制器輸入端子相連，只有斷開和閉合兩種狀態(tài)，即輸入控制器的信號為O或1，則感知器的輸入矢量r=3．對于選定的權值Wl、w2、w3和偏差6，可以在以p1、p2和p3分別作為三坐標的輸入空間內畫出W．P+b=w1P1+ w2P2 + w3P3+b-0的軌跡，它是一個平面，在此平面上的及平面以上部分的所有p1、p2、p3值均使wip，+w2 p2+W3 p3+b>O；這些點若通過由w1、W2、w3和6構成的感知器則使其輸出為1，該平面以下部分的點則使感知器的輸出為O。
感知器的訓練：把開關量樣本輸入感知器，計算網絡的實際輸出A，并與相應的期望輸出T進行比較，檢查A是否等于T，然后用比較后的誤差量，根據學習規(guī)則進行權值的調整；重新計算網絡在新權值作用下的輸入，重復權值調整過程，直到網絡的輸出A等于期望輸出丁或訓練次數(shù)達到事先設置的最大值時訓練結束。表2為感知器輸入樣本及期望輸出值。
在轎廂到達平層區(qū)域時，檢測3個開關量的輸出，1表示開關動作，0表示開關沒動作。神經網絡的輸出值0表示3個開關無故障，或者有故障但是不影響電梯的正常運行；輸出值1表示開關出現(xiàn)故障且影響到電梯的正常運行。樣本輸入向量P=(0110 0 01 1，0 0 1 1 1 0 0 1，0 0 0 0 1111)，目標向量T= (1111110 0)，創(chuàng)建一個三個輸入、樣本數(shù)據的取值為0和1，并且網絡只有一個神經元的感知器神經網絡，其MATLAB代碼在此不做贅述，運行結果如圖3所示。由圖3可知，平面對輸入模式成功進行了分類。
由仿真輸出圖像可以看出，在平面上方的點（圓圈）表示平層開關無故障，在平面上及平面下方的點（十字）表示平層開關出現(xiàn)故障，需要做下一步的處理。
3 電梯的制動與平層
電梯在運行過程中通過停層信號與上、下平層開關相配合來完成電梯的制動停車環(huán)節(jié)。其程序梯形圖如圖4和圖5所示。
當電梯進入換速區(qū)間之后，換速開關動作，11.0或11.1閉合，經過上升沿脈沖指令，M2.3或者M2.4得電，進而產生制動信號M2.1，通過M2.1控制交流接觸器實現(xiàn)電梯制動停車過程。
當電梯在上行過程中，上行減速開關11.0閉合，則制動過程信號M2.1上電，0.8 s(T33)、1.2 s(T34)、1.8 s(T35)后，一級制動Ql.1、二級制動Ql.2、三級制動Ql.3相應依次接通，電梯進行三級制動減速過程。當電梯進入平層區(qū)域，上、下平層開關都閉合時，電梯平層到位且制動過程結束，電梯自動開門，5 s(T45)時間到，用定時器T45的常閉觸點斷開來消除停層信號M2.2。電梯下行制動過程與上行制動過程相似。
4容錯控制
容錯控制的基本思想是利用系統(tǒng)的冗余資源來實現(xiàn)故障容錯。即在平層開關發(fā)生故障的情況下，通過系統(tǒng)重構等，仍能保證電梯按原定性能指標正常運行。
在電梯系統(tǒng)運行中，要對感知器神經網絡故障診斷輸出信號進行監(jiān)控，容錯策略一旦接收到故障信號，此時若電梯正在運行，則對其進行制動，然后將轎廂慢速地降到底層端站。將電梯換速、平層控制切換到光電編碼器控制模式，在PLC程序中加入相應的程序段，以保證換速、平層過程的正常運行。
用光電編碼器代替平層開關，消除了平層開關每次平層都有不確定誤差的缺點，使電梯平層更加精確，運行上具有更好的舒適感。
利用增量式光電編碼器(SPC)進行電梯位置和速度的測量，把SPC的輸出脈沖作為PLC的高速計數(shù)端的輸入，高速計數(shù)器計數(shù)，并由PLC決定是否實行減速、平層動作，其流程圖如圖6所示。
電梯運行前，在PLC的內存單元中分別存入各樓層減速點、平層點位置所對應的脈沖數(shù)。在運行過程中，通過光電編碼器的測量和PLC內部計算實現(xiàn)對電梯實時位置的判斷，并發(fā)出相應的減速、平層信號。電梯運行位移H (mm)為：
其中：S為脈沖當量，mm；I為累計脈沖數(shù)。
其中：A為減速器的減速比；D為曳引輪直徑，mm；I ’為光電編碼器每轉對應的脈沖數(shù)。
5 結論
電梯是一種結構復雜的機電特種設備，它的運行狀況受到來自內部、外部多種因素的影響，其控制系統(tǒng)較為復雜，因此控制系統(tǒng)需要的信號數(shù)據的準確度非常重要。平層開關在整個控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色，且其處在頻繁通斷的工作狀態(tài)中，它們一旦出現(xiàn)故障，電梯正常工作狀態(tài)將得不到保證，甚至可能發(fā)生安全事故。運用感知器神經網絡診斷平層傳感器故障，并通過容錯策略改變換速、平層控制方式，采用光電編碼器對電梯進行位置控制，可以有效地保證電梯的減速、平層精度，使電梯運行平穩(wěn)可靠。電梯不需要停機維修，在一定程度上實現(xiàn)了故障自修復功能。
6摘要：平層開關作為電梯重要的組成部件，其作用是使轎廂能夠準確停靠各樓層，但在實際使用過程中不免會出現(xiàn)一些故障。首先介紹了平層傳感器的工作原理及故障類型；其次介紹了人工神經網絡技術基礎，研究了感知器神經網絡，通過MATLAB軟件建立平層傳感器故障診斷的神經網絡，對傳感器故障進行在線診斷，并通過仿真驗證該診斷方法的有效性；然后建立容錯控制策略，在神經網絡檢測到故障之后，通過系統(tǒng)冗余，利用光電編碼器代替平層開關來實現(xiàn)電梯的平層。
