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電梯鋼絲繩受力均衡性檢測系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：陳世澤妮妮文檔來源： 1．廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院 2．廣州機(jī)械科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月08日
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技術(shù)
DOI：10．3969／j．issn．1009-9492．2012．06．005
電梯鋼絲繩受力均衡性檢測系統(tǒng)設(shè)計
陳世澤 ，李妮妮
(1．廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院， 廣東廣州 510180；2．廣州機(jī)械科學(xué)研究院， 廣東廣州 510700)
摘要：針對電梯多條鋼絲繩受力不均衡導(dǎo)致的電梯鋼絲繩及曳引輪磨損過快的現(xiàn)象，采用基于ARM9的$3C2410A處理器設(shè)計
了基于雙通道全橋應(yīng)變檢測電路的鋼絲繩受力均衡性檢測系統(tǒng)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的檢測原理、硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計方案。實(shí)驗(yàn)
證明，該系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確可靠，為電梯維護(hù)保養(yǎng)和安裝單位和電梯檢驗(yàn)部門調(diào)節(jié)和檢測鋼絲繩受力均衡性提供了可靠便捷的解決
方案。
關(guān)鍵詞：電梯；鋼絲繩；應(yīng)變；ARM
中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009—9492(2012)06—0014—05
Research On the System for Force Balance Detectm‘n 0f the
Elevator W ire Ropes
CHEN Shi—ze ． LI Ni—ni2
(1．ResearchInstitute of specialmechanical and electrical equipmentinspection ofGuangzhou，Guangzhou510l80，
China；2．Guangzhou mechanical engineering research institute，，Guangzhou5 10700，China)
Abstract：The elevator wire rope and tractive sheave always wear too fast，because of unbalanced force between the elevator wire ropes．
Aimed at this phenomenon， a new detection system which is based on the whole bridge strain detection circuit with double channel is
designed by using$3C2410A CPU based on ARM9．And this paper detailedly analyzes the system detection principle，hardware structure
and software design．Finally the experiment proved the accuracy and reliable of this system．This design provides a reliable and convenient
solution for the company of elevator maintenance and installation and the elevator inspection institution to detect the force balance of the
elevator wire ropes．
Key words： elevator； wire rope； strain； ARM
O引言
曳引式驅(qū)動電梯通過曳引鋼絲繩牽引使轎廂
和對重做相對運(yùn)動，轎廂在井道中沿導(dǎo)軌上下運(yùn)
行。為了減小電梯因?yàn)殇摻z繩斷繩造成墜落的可
能性，國標(biāo)(GB7588—2003~規(guī)定鋼絲繩最少應(yīng)
為兩根，每根鋼絲繩應(yīng)是獨(dú)立的， 同時在懸掛鋼
絲繩的一端應(yīng)至少設(shè)有一個調(diào)節(jié)裝置用來平衡各
繩的張力。在電梯的安裝以及日常維護(hù)保養(yǎng)過程
中，如果電梯各鋼絲繩受力調(diào)節(jié)不平衡，就會導(dǎo)
致其中的一根或幾根鋼絲繩受力過大，從而影響
鋼絲繩的使用壽命，加速該曳引輪繩槽的磨損。
同時，在日常的檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，對于個別鋼絲
繩受力偏大以及繩槽磨損嚴(yán)重的電梯，在進(jìn)行空
載曳引力實(shí)驗(yàn)時，對重裝置完全壓縮緩沖器之
后，曳引機(jī)仍能提升空轎廂，曳引能力過大具有
安全隱患。因此，精確地檢測電梯各鋼絲繩的受
力狀況并將各繩受力調(diào)節(jié)平衡對電梯的使用壽命
以及使用安全有重要的意義。
目前，國內(nèi)的檢測機(jī)構(gòu)在檢測鋼絲繩受力平
衡狀況時，通常用彈簧秤在水平方向?qū)Ω鳁l鋼絲
繩施加相同的力，再利用鋼直尺測量各鋼絲繩受
力點(diǎn)的水平位移，最后推算出各鋼絲繩受力偏
差。這種方法操作難度大，測量精度低，而且在
不同的點(diǎn)測量得到的結(jié)果偏差較大。本文利用應(yīng)
變檢測應(yīng)力的原理，以基于ARM的嵌入式系統(tǒng)為
平臺，設(shè)計了電梯鋼絲繩受力平衡檢測系統(tǒng)，為
電梯鋼絲繩受力平衡檢測和調(diào)節(jié)提供了一種精確
有效的方法。
收稿日期：2011～12—30
[二] 至二I
測控
1系統(tǒng)設(shè)計
1．1系統(tǒng)檢測方法
曳引鋼絲繩的兩端要與轎廂、對重或機(jī)房的
固定結(jié)構(gòu)相連接。這種連接裝置通常被稱為繩頭
組合或者端接裝置，如圖1所示。鋼絲繩通過澆
灌錐套或自鎖楔形繩套連接于轎廂或?qū)χ丶艿臋M
應(yīng)變片
圖1 電梯鋼絲繩繩頭組合及應(yīng)變片粘貼位置
梁上，彈簧用于緩沖工作中曳引繩的沖擊負(fù)荷以
及調(diào)節(jié)均衡各根鋼絲繩的張力川。從該結(jié)構(gòu)可以看
出，如果將應(yīng)變片粘貼于圖1中的連桿上，就可
以通過測量應(yīng)變來獲得每條鋼絲繩的受力大小。
測量時，將電梯空載靜止于基
站上并切斷主電源，按照圖1
所示的方式粘貼應(yīng)變片于連桿
上，再把應(yīng)變片與應(yīng)變檢測設(shè)
備相連接，然后在電梯轎廂中
放置額定載荷的砝碼。此時，
由于電梯載重量的變化，鋼絲
繩受力增加，粘貼在連桿上的
應(yīng)變片隨著連桿應(yīng)變的增加電
阻發(fā)生變化，只要讀取應(yīng)變檢
狽4結(jié)果，就可以獲得該載重量
產(chǎn)生的力在各條鋼絲繩上的分
配結(jié)果，從而判斷各鋼絲繩受
力的均衡性。
1-2系統(tǒng)總體設(shè)計
根據(jù)應(yīng)變檢測的原理，該系統(tǒng)主要由應(yīng)變
片、應(yīng)變檢測電路、前置放大濾波電路、嵌入式
信號采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2應(yīng)變檢測及放大濾波電路
本系統(tǒng)采用全橋式雙通道檢測電路以提高檢
測的精度，在傳統(tǒng)的單通道檢測基礎(chǔ)上加入了對
電源供電電壓的檢測通道。在檢測過程中，先對
兩個通道上采集的信號進(jìn)行預(yù)處理，再傳至處理
模塊。由于兩個檢測通道處于同一工作環(huán)境，所
以可以認(rèn)為外界干擾和器件參數(shù)非理想化對檢測
電路的影響對兩個通道是相同的，利用該性質(zhì)對
電路進(jìn)行補(bǔ)償，最終可以實(shí)現(xiàn)檢測電路轉(zhuǎn)換函數(shù)
的線性化和應(yīng)變的高精度檢測翻。雙通道應(yīng)變檢測
電路原理如圖3所示。
在圖3所示測量電路中，R．和R4為電阻應(yīng)變
片，分別粘貼于同一根鋼絲繩繩頭受力連桿的兩
側(cè)，因此電阻變化量△R =△R =△R，R：和 為
固定的精密電阻，其中R =R：= = = 。由此通過
圖3 雙通道全橋應(yīng)變檢測及放大濾波電路
技術(shù)
近似可以得 = l + 咖
通過放大得到U =kU．；U =kU ，將兩路模擬信
號通過一個模擬除法器3相除，得到F =下2~t／~。
模擬除法器AR3的實(shí)現(xiàn)如圖4所示，該模
擬除法器主要用到了LM741運(yùn)放和一個模擬乘
法器BG314。運(yùn)放的正輸入端是一個輸入信號
， 另一個信號輸入端在模擬乘法器的輸出端
3，模擬乘法器的1輸入端接收運(yùn)放的輸出信
號，根據(jù)運(yùn)放的虛短和虛斷的原理，運(yùn)放的正
負(fù)輸入端的電壓信號相等，且流過電阻R。，和電
阻R 的電流相等，可以得到模擬除法器的計算
公式：
Rl5
圖4 模擬除法器電路
u = ， 其中 和 是輸入信
號，K，是模擬乘法器的相乘增益。由此可得
F =2( ) ，再根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)
系，鋼絲繩受力：
阱 AR =
， 其
中 為繩頭連接桿的楊氏模量，
為應(yīng)變，K2為應(yīng)變片常數(shù)。雙
通道的信號經(jīng)過除法運(yùn)算，可以
消除供電電壓的波動對應(yīng)變檢測
精度的影響。同時，雙通道信號
相同的發(fā)大濾波環(huán)節(jié)，削弱了電
子器件參數(shù)非理想化以及外界干
擾等因素對檢測精度的影響p 。
3嵌入式信號采集系統(tǒng)
經(jīng)過應(yīng)變檢測電路的處理，
應(yīng)變片在電梯轎廂加載額定載荷后的應(yīng)變量就線
性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫縁 。 的采集采用基于
$3C2410A的ARM9嵌入式測控系統(tǒng)，ARM具有比
較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，可以用來支持友好的人機(jī)
界面以及運(yùn)行應(yīng)用程序等。
3．1采集系統(tǒng)硬件設(shè)計
嵌入式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)的設(shè)計如圖5所
示，它主要包括CPU以及時鐘晶振系統(tǒng)、存儲系
統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、應(yīng)變信號A／D采樣系統(tǒng)。其
中CPU、時鐘晶振以及存儲系統(tǒng)組成了最小系統(tǒng)。
為了系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，本系統(tǒng)選擇兩片型號
為HY57V561620的SDRAM組成32位64M的內(nèi)存
空間。其中，HY57V561620存儲容量為4M×
4bankxl6位(32M字節(jié))，工作電壓為3．3V，常見
封裝為54腳TSOP，兼容LV1TrL接口，支持自動
刷新(Auto—Refresh)和自刷新(Self-Refresh)，
16位數(shù)據(jù)寬度。$3C2410內(nèi)置有SDRAM控制器，
可以和HY57V561620直接連接而無需時序轉(zhuǎn)換裝
置。SDRAM在系統(tǒng)掉電時，數(shù)據(jù)會丟失，所以必
須將系統(tǒng)的軟件固化在非易失性的NANDFLASH
存儲器上。系統(tǒng)選擇型號為K9F1208UDM的
NANDFLASH，存儲容量為64M，$3C2410內(nèi)置
NANDFLASH的控制器，使NANDFLASH與CPU
之間可以方便地直接連接 。
LCD和觸摸屏由于其操作便捷的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣
泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場合，在PDA和儀器儀表
領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用。$3C2410內(nèi)置的LCD控制
器和觸摸屏接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)
的設(shè)計。因此，本系統(tǒng)選擇5．7寸24位真彩TFT
液晶屏作為人機(jī)交互系統(tǒng)，其電源電壓VDD典型
值為3．3V／5V，并且LCD數(shù)據(jù)和控制信號的高電平
l LcD＆觸摸屏 —] == A／D}：}—爿應(yīng)變檢測電路
CPU I ● I
SDRAM }=> $3C241OA 、 l ?一 l’ --q應(yīng)變檢測電路
M NDFLASH — 時鐘晶振
— 1 ／
圖5 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
輸入電壓 在2．3～5．5V范
圍內(nèi)，低電平輸入電壓 。則
在一0．3V～0．9V范圍內(nèi)，為
了對CPU起到保護(hù)作用，同
時提高LCD輸入電壓，LCD
與CPU之間通過3．3V轉(zhuǎn)5V
的電平轉(zhuǎn)換器SN74AL—
VC164245連接 l。
A／D采樣電路是本系統(tǒng)
設(shè)計的重點(diǎn)，由于電梯鋼絲
繩的數(shù)量通常在3到8之
間，因此本系統(tǒng)選擇2片高
精度、寬動態(tài)范圍、△ 一Σ
型8通道24位的ADC芯片
ADS1216實(shí)現(xiàn)8路的應(yīng)變電
壓采樣芯片。ADS1216主要
包括模擬多路開關(guān)(Mux)、輸入緩沖器
(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、兩階△ 一Σ
調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、微控制器、l6個狀
態(tài)控制寄存器、128字節(jié)RAM、串行SPI接口、連
個8位DAC、兩路可編程恒流源(IDAC)、內(nèi)部參
考電壓產(chǎn)生器以及時鐘發(fā)生器等工作模塊[61。它通
過SPI接口與外界進(jìn)行信息交換，因此可以方便
地與$3C2410的SPI接口連接進(jìn)行控制。圖6為
ADSI216與CPU連接電路圖。
3．2采集系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)程序是在ARM單片機(jī)開發(fā)調(diào)試工具即
Embest IDE開發(fā)環(huán)境中編寫完成的，主要包括啟
動程序bootloader、主程序、初始化子程序、LCD
界面顯示子程序、觸摸屏中斷處理程序以及參數(shù)
設(shè)置及數(shù)據(jù)濾波運(yùn)算程序。主程序框圖如圖7所
示。啟動程序bootloader涉及到對系統(tǒng)主要模塊的
配置、運(yùn)行環(huán)境的建立、系統(tǒng)時鐘、MMU等模塊
的配置。程序的初始化主要包括以下幾個部分：
Cache使能初始化、時鐘管理初始化、端口的初始
化、A／D采樣芯片的初始化設(shè)置 。
觸摸屏中斷觸發(fā)的三個子程序是鋼絲繩受力
采樣的核心內(nèi)容。參數(shù)子程序主要針對不同的電
梯設(shè)置電梯的額定載荷、鋼絲繩根數(shù)、電梯的鋼
絲繩懸掛比，程序根據(jù)現(xiàn)場的參數(shù)自動計算出電
梯各鋼絲繩的大概的受力狀況，進(jìn)而改變A／D采
圖6 A／D轉(zhuǎn)換部分連接電路
樣芯片的電壓采樣范圍，從而提高采樣的精度。
采樣子程序就是控制A／D采樣芯片進(jìn)行采樣，并
讀取采樣結(jié)果，在采樣數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，可以通過計
算子程序判斷各鋼絲繩受力的均衡性，從而有針
對性地調(diào)整鋼絲繩的張緊程度。
圖7 主程序流程圖
技術(shù)
4檢測測試
測試實(shí)驗(yàn)選擇一臺運(yùn)行時間為10年左右的日
立YPVF型號電梯，速度為1．75rrds，額定載重量
為1000kg，該電梯使用5條公稱直徑為12mm的鋼
絲繩以1：1的懸掛比懸掛電梯轎廂和對重。根據(jù)
電梯結(jié)構(gòu)，測量位置選擇在轎頂?shù)匿摻z繩繩頭組
合處，在電梯裝滿1000kg的額定載荷后，經(jīng)過電
梯轎頂繩頭組合部位的應(yīng)變檢測后，得出5條鋼
絲繩的受力值。同時對該電梯曳引輪各個輪槽的
磨損程度也進(jìn)行了測量，由于曳引輪的繩槽采用
半圓形帶切口槽，如圖8所示，因此測量切口的
深度h作為磨損量的判斷依據(jù)，h值越小磨損程度
越嚴(yán)重。
圖8 半圓形帶切口繩槽
檢測的結(jié)果如表i所示。從檢測結(jié)果可以看
出，受力值較大的鋼絲繩對應(yīng)的繩槽磨損程度
較大，這與理論分析的結(jié)果是一致的。以該實(shí)
驗(yàn)電梯為例，只要在繩頭組合上調(diào)節(jié)各繩的張
緊程度，使各繩槽分擔(dān)的力趨于一致，就可以
降低個別繩槽的磨損速度，從而可以提高曳引
輪的使用壽命。
表1 檢測數(shù)據(jù)
5結(jié)語
本文提出了基于ARM和應(yīng)變測力的電梯鋼絲
繩受力平衡檢測系統(tǒng)，應(yīng)變檢測部分采用了雙通
道的全橋檢測電路，有效地減小電源電壓波動、
元器件參數(shù)不確定以及周圍環(huán)境的干擾，電壓采
樣部分采用基于ARM9的$3C2410A為核心的嵌入
式采樣系統(tǒng)，可以同時對8條鋼絲繩進(jìn)行數(shù)據(jù)采
樣。本文闡述了檢測的原理以及硬件和軟件的實(shí)
現(xiàn)方法，同時通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計的可行
性，為電梯維護(hù)保養(yǎng)和安裝單位進(jìn)行電梯鋼絲繩
張緊度調(diào)節(jié)，以及電梯檢測部門進(jìn)行鋼絲繩受力
均衡性檢測提供了一種可靠而方便的解決方案。
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[Jj．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(1)：81—86．
第一作者簡介：陳世澤，男，1985年生，福建人，碩士。
研究領(lǐng)域：儀器儀表。已發(fā)表論文l篇。
(編輯：阮毅)

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