基于虛擬儀器的電梯上行超速保護裝置檢測系統(tǒng)

摘要：電梯的上行超速保護裝置是電梯的最重要的安全部件之一。為了確保該裝置動作的有效性和可靠性，提出和設(shè)計了一種基于LabVIEW的電梯上行超速保護裝置的虛擬儀器檢測系統(tǒng)，對安全部件進行檢測以方便對它的控制和維修，防止電梯沖頂事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：安全部件；上行超速保護；虛擬儀器；LabVIEW；檢測系統(tǒng)

0 引言
    電梯作為一種載人的起重運輸設(shè)備被廣泛應用于各種場所，保證電梯的安全可靠性是非常重要的。根據(jù)曳引式電梯的工作原理在電梯的運行中有超過一半的時間是對重側(cè)重于轎廂側(cè)，因此電梯上行超速和下行超速的事故率幾乎相同，這是非常嚴重的。國家標準《電梯制造與安全規(guī)范》(GB7588-2003)第9、10條明確規(guī)定了在曳引驅(qū)動電梯上必須安裝上行超速保護裝置。作為電梯最重要的安全部件之一，主要用來解決電梯上行超速沖頂事故。因此對上行超速保護裝置出廠前的檢測直接關(guān)系到電梯的安全，根據(jù)該裝置工作原理和結(jié)構(gòu)特點提出了將檢測技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)應用到檢測系統(tǒng)中的檢測裝置。該裝置具有準確性、高效性、可靠性和先進性。
    虛擬儀器是在以PC為核心的硬件平臺上，由用戶通過軟件進行編程設(shè)計，設(shè)計出的虛擬儀器面板可以用來模擬儀器并實現(xiàn)其測量功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。它充分利用了計算機系統(tǒng)的強大功能并且在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲等方面突破了傳統(tǒng)儀器的限制，方便了用戶對系統(tǒng)的維護、擴展和升級等。
    美國NI公司的虛擬儀器平臺——LabVIEW作為一種虛擬儀器檢測軟件具有高效的圖形化程序設(shè)計環(huán)境，它以圖形化的語言為開發(fā)平臺，可以實時采集檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并且為檢測系統(tǒng)提供友好的人機界面，是一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。基于虛擬儀器的電梯上行超速保護裝置的檢測系統(tǒng)具有操作方便、自動記錄和存儲數(shù)據(jù)等優(yōu)點，對于電梯的安全運行具有很重要的意義。

1 夾繩器工作原理
    電梯的上行超速保護裝置包括鋼絲繩的夾持機構(gòu)、觸發(fā)機構(gòu)和復位機構(gòu)。通過圖1可以清楚地看出夾繩器的工作原理和動作順序，在電梯超速上行時，限速器會首先發(fā)出超速信號觸發(fā)電磁鐵失電使得機構(gòu)中的鉤板動作脫鉤，滑動主軸在穿有的壓縮彈簧的作用下解除約束并且在彈簧的作用力下沿槽滑動，同時通過拉動外側(cè)拉桿和內(nèi)側(cè)的推動力促使兩塊制動板迅速靠近夾住鋼絲繩。超速運行的轎廂通過鋼絲繩與制動片之間產(chǎn)生的摩擦力將鋼絲繩夾持住因此制停。復位的原理則是制動板進行與制動相反的工作遠離鋼絲繩，扳動復位扳手手動壓縮彈簧將滑動主軸滑動至弧形槽底端達到復位。

2 虛擬儀器檢測系統(tǒng)
    檢測系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理器和輸出環(huán)節(jié)組成。如圖2所示。

    系統(tǒng)通過傳感器直接從被測對象中取得被測量的信息，通過信號調(diào)理器這個中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)將由傳感器輸出的信號進行放大、轉(zhuǎn)換等操作，將信號轉(zhuǎn)化為可以顯示、記錄的參量，方便對數(shù)據(jù)進行顯示和打印。
    該系統(tǒng)用于檢測電梯上行超速保護裝置，其中包括：摩擦片的性能即其常溫下的高速摩擦系數(shù)和中溫下的低速摩擦系數(shù)；電磁鐵的性能即響應時間，檢測電磁 鐵斷電響應時間就是系統(tǒng)檢測的關(guān)鍵，但是無法直接測量得到，這里通過從電磁鐵在斷電瞬間到拉力為吸合后彈簧的彈力設(shè)計值所用的時間得到；彈簧的性能即對于彈簧主要是對自由高度、抗壓性和彈性剛度的檢測；整機的性能即制動摩擦力和響應速度。由以上分析可知在該系統(tǒng)中需要檢測6個模擬量和2個開關(guān)量，屬于多參數(shù)、多任務(wù)測量。
    虛擬儀器系統(tǒng)是由儀器硬件平臺和應用軟件兩大部分構(gòu)成的。硬件平臺包括計算機和I／O接口設(shè)備兩部分。應用軟件由應用程序和I／O接口設(shè)備驅(qū)動程序構(gòu)成。在整個軟件系統(tǒng)中融合了模塊化技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多線程技術(shù)和動態(tài)鏈接庫技術(shù)四大技術(shù)。虛擬儀器通過硬件來獲取被測信號，而軟件則是用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理以及顯示等功能并且集成為儀器操作和運行的命令環(huán)境。

3 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    虛擬儀器的硬件主要是獲取被測信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機、智能儀器與外界相聯(lián)系的紐帶和獲取信息的途徑。虛擬儀器通過計算機這個核心來控制整個系統(tǒng)及進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集是通過一個或者多個變量獲得對象信息的過程?；谔摂M儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將選用的傳感器通過配套的硬件鏈接到宿主計算機上，并且通過正確的軟件從傳感器獲取數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換并傳送給宿主計算機。
    該虛擬儀器系統(tǒng)的硬件主要包括計算機和負責完成被測信號的采集、放大、A／D轉(zhuǎn)換的I／O接口設(shè)備。硬件系統(tǒng)主要由多路開關(guān)、采樣／保持器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器及計算機等組成。由傳感器采集的模擬信號經(jīng)過采樣過程將連續(xù)的信號離散化，然后將離散后的信號的幅值量化處理再進行數(shù)／模轉(zhuǎn)化輸入到計算機中。結(jié)構(gòu)原理如圖3所示的虛線框。

    該系統(tǒng)中需要檢測的參數(shù)包括6個模擬信號量和2個數(shù)字開關(guān)量，6個模擬信號量中有5個是瞬態(tài)量?？紤]到系統(tǒng)待測信號多樣性的特點和經(jīng)濟成本的要求，選擇采用功能齊全即插即用的外置式數(shù)據(jù)采集器(DAQ)方案，選用北京瑞博華公司的AD8201數(shù)據(jù)采集器。

4 檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    在虛擬儀器檢測系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)扮演著非常重要的角色，是系統(tǒng)的關(guān)鍵。軟件平臺選擇了圖形化編程軟件LabVIEW，它是一個完全的、開放的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的應用軟件，并且具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高等優(yōu)點。
    該檢測系統(tǒng)軟件的主要作用是實現(xiàn)：連續(xù)可靠信號的實時數(shù)據(jù)采集；將采集的數(shù)據(jù)以數(shù)字或圖形的形式實時顯示；數(shù)據(jù)存儲至硬盤；保證信號采集的成功判別；數(shù)據(jù)的同時采集和顯示；歷史數(shù)據(jù)的查詢、再現(xiàn)和打印等功能。
    軟件系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

    由圖4可以直觀地看到主控模塊作為整個系統(tǒng)的調(diào)度中心，控制著系統(tǒng)的控制流(→)和數(shù)據(jù)流(→)的流向。數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)采集模塊開始分別流向數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊，采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)存儲模塊進行存儲，同時經(jīng)過數(shù)據(jù)分析模塊的判斷，在計算機屏幕上進行實時顯示。如果用戶需要對歷史數(shù)據(jù)進行查詢時，則啟動歷史查詢模塊即可對歷史數(shù)據(jù)進行曲線和數(shù)據(jù)的顯示。
    程序設(shè)計最重要的部分是數(shù)據(jù)采集模塊，主要任務(wù)是完成對數(shù)據(jù)的采集、波形的顯示及回放和數(shù)據(jù)的存儲。
    數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計如下：
    先將初始化函數(shù)、啟動板卡函數(shù)和讀取數(shù)據(jù)等對儀器進行配置和數(shù)據(jù)讀取的函數(shù)做成動態(tài)鏈接庫。然后通過主程序調(diào)用動態(tài)鏈接庫里的函數(shù)來實現(xiàn)對儀器的操作，一般調(diào)用過程如下：加載動態(tài)鏈接庫，再獲取函數(shù)的指針，之后利用指針來調(diào)用函數(shù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器采用的是AD8201，它是USBI．1總線兼容的12位32通道的數(shù)據(jù)采集器。
    LabVIEW中動態(tài)鏈接庫的調(diào)用是通過CLF(Call Library Function)節(jié)點來實現(xiàn)的，并進行采集模塊的編程。其中初始化時為了使驅(qū)動程序能夠?qū)Φ讓拥挠布M行初始化，應設(shè)置中斷號、內(nèi)存分配、I／O地址等打通驅(qū)動程序和應用程序的通道。通過CLF節(jié)點調(diào)用函數(shù)DllInitial來實現(xiàn)采集程序的初始化，并選擇采集卡的中斷號和口地址。此時為了順利啟動采集，采集卡上的中斷號和口地址要和主板上的一致，如果程序初始化成功，函數(shù)將返回1，否則返回0。
    參數(shù)PhysAddr用來確定外部存儲的開始地址，參數(shù)IRQNum用來確定板卡的中斷號，參數(shù)DMAChn用來確定板卡的DMA通道，參數(shù)IOBase用來確定板卡的基地址。該例中其相應值為0，5，0，320。
    啟動采集的過程：首先要設(shè)置采集通道和采集頻率，并確定數(shù)據(jù)通信方式(單緩沖或多緩沖)，然后啟動采集。接下來程序可自行驅(qū)動硬件實現(xiàn)采集，同時把采集到的數(shù)據(jù)存儲到指定的緩沖區(qū)。
    讀取結(jié)果：讀取結(jié)果是為了方便對數(shù)據(jù)進行處理，把驅(qū)動程序緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取到應用軟件的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中去。要實現(xiàn)再次采集數(shù)據(jù)量，需定義一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(或用戶)函數(shù)ADBuf(NumSamp*NumChn+1)和一個內(nèi)存保存數(shù)據(jù)函數(shù)RecordBuf(NumSamp*NumChn)來實現(xiàn)。
     數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計主要是調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的各個函數(shù)來實現(xiàn)的，各函數(shù)調(diào)用的順序是：
    (1)調(diào)用函數(shù)。Initial()；
    (2)調(diào)用函數(shù)StarIntr()；
    (3)調(diào)用函數(shù)ADResult()或ADResuit Rece nt()；
    (4)調(diào)用函數(shù)QueryBuf()；
    (5)調(diào)用函數(shù)StopIntr()。
    其中函數(shù)StarIntr()實現(xiàn)開始采集功能，函數(shù)ADResult()或函數(shù)ADResuitRecent()實現(xiàn)獲得數(shù)據(jù)功能，函數(shù)QueryBuf()實現(xiàn)緩沖區(qū)的查詢功能，函數(shù)StopIntr()實現(xiàn)中斷采集功能。同時可以調(diào)用其他函數(shù)來實現(xiàn)特殊的功能，如調(diào)用函數(shù)ChannelFrq()來獲取各通道的采樣頻率、調(diào)用函數(shù)RegisterNotify()可在多緩沖模式下緩沖區(qū)滿時發(fā)出消息、調(diào)用函數(shù)IOCtrl()來實現(xiàn)A／D卡的其他功能等。
    其他模塊的設(shè)計由于篇幅關(guān)系，這里不再贅述。

5 結(jié)論
    采用美國NI公司的圖形化軟件平臺LabVIEW完成了基于虛擬儀器的電梯上行超速保護裝置的檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，通過該檢測系統(tǒng)以確保裝置的可靠性和有效性，提高了檢測效率，降低了測量誤差，彌補了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足。系統(tǒng)中實時采集的數(shù)據(jù)方便了對電梯安全部件的檢測和維修。