基于虚拟仪器的电梯上行超速保护装置检测系统

摘要：电梯的上行超速保护装置是电梯的最重要的安全部件之一。为了确保该装置动作的有效性和可靠性，提出和设计了一种基于LabVIEW的电梯上行超速保护装置的虚拟仪器检测系统，对安全部件进行检测以方便对它的控制和维修，防止电梯冲顶事故的发生。
关键词：安全部件；上行超速保护；虚拟仪器；LabVIEW；检测系统

0 引言
    电梯作为一种载人的起重运输设备被广泛应用于各种场所，保证电梯的安全可靠性是非常重要的。根据曳引式电梯的工作原理在电梯的运行中有超过一半的时间是对重侧重于轿厢侧，因此电梯上行超速和下行超速的事故率几乎相同，这是非常严重的。国家标准《电梯制造与安全规范》(GB7588-2003)第9、10条明确规定了在曳引驱动电梯上必须安装上行超速保护装置。作为电梯最重要的安全部件之一，主要用来解决电梯上行超速冲顶事故。因此对上行超速保护装置出厂前的检测直接关系到电梯的安全，根据该装置工作原理和结构特点提出了将检测技术和虚拟仪器技术应用到检测系统中的检测装置。该装置具有准确性、高效性、可靠性和先进性。
    虚拟仪器是在以PC为核心的硬件平台上，由用户通过软件进行编程设计，设计出的虚拟仪器面板可以用来模拟仪器并实现其测量功能的一种计算机仪器系统。它充分利用了计算机系统的强大功能并且在数据处理、显示、传送、存储等方面突破了传统仪器的限制，方便了用户对系统的维护、扩展和升级等。
    美国NI公司的虚拟仪器平台——LabVIEW作为一种虚拟仪器检测软件具有高效的图形化程序设计环境，它以图形化的语言为开发平台，可以实时采集检测系统的数据并且为检测系统提供友好的人机界面，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。基于虚拟仪器的电梯上行超速保护装置的检测系统具有操作方便、自动记录和存储数据等优点，对于电梯的安全运行具有很重要的意义。

1 夹绳器工作原理
    电梯的上行超速保护装置包括钢丝绳的夹持机构、触发机构和复位机构。通过图1可以清楚地看出夹绳器的工作原理和动作顺序，在电梯超速上行时，限速器会首先发出超速信号触发电磁铁失电使得机构中的钩板动作脱钩，滑动主轴在穿有的压缩弹簧的作用下解除约束并且在弹簧的作用力下沿槽滑动，同时通过拉动外侧拉杆和内侧的推动力促使两块制动板迅速靠近夹住钢丝绳。超速运行的轿厢通过钢丝绳与制动片之间产生的摩擦力将钢丝绳夹持住因此制停。复位的原理则是制动板进行与制动相反的工作远离钢丝绳，扳动复位扳手手动压缩弹簧将滑动主轴滑动至弧形槽底端达到复位。

2 虚拟仪器检测系统
    检测系统主要由传感器、信号调理器和输出环节组成。如图2所示。

    系统通过传感器直接从被测对象中取得被测量的信息，通过信号调理器这个中间转换机构将由传感器输出的信号进行放大、转换等操作，将信号转化为可以显示、记录的参量，方便对数据进行显示和打印。
    该系统用于检测电梯上行超速保护装置，其中包括：摩擦片的性能即其常温下的高速摩擦系数和中温下的低速摩擦系数；电磁铁的性能即响应时间，检测电磁 铁断电响应时间就是系统检测的关键，但是无法直接测量得到，这里通过从电磁铁在断电瞬间到拉力为吸合后弹簧的弹力设计值所用的时间得到；弹簧的性能即对于弹簧主要是对自由高度、抗压性和弹性刚度的检测；整机的性能即制动摩擦力和响应速度。由以上分析可知在该系统中需要检测6个模拟量和2个开关量，属于多参数、多任务测量。
    虚拟仪器系统是由仪器硬件平台和应用软件两大部分构成的。硬件平台包括计算机和I／O接口设备两部分。应用软件由应用程序和I／O接口设备驱动程序构成。在整个软件系统中融合了模块化技术、面向对象技术、多线程技术和动态链接库技术四大技术。虚拟仪器通过硬件来获取被测信号，而软件则是用来实现数据的采集、分析、处理以及显示等功能并且集成为仪器操作和运行的命令环境。

3 检测系统的硬件设计
    虚拟仪器的硬件主要是获取被测信号，数据采集系统是计算机、智能仪器与外界相联系的纽带和获取信息的途径。虚拟仪器通过计算机这个核心来控制整个系统及进行数据处理。数据采集是通过一个或者多个变量获得对象信息的过程。基于虚拟仪器的数据采集系统是将选用的传感器通过配套的硬件链接到宿主计算机上，并且通过正确的软件从传感器获取数据将数据进行转换并传送给宿主计算机。
    该虚拟仪器系统的硬件主要包括计算机和负责完成被测信号的采集、放大、A／D转换的I／O接口设备。硬件系统主要由多路开关、采样／保持器、放大器、A／D转换器及计算机等组成。由传感器采集的模拟信号经过采样过程将连续的信号离散化，然后将离散后的信号的幅值量化处理再进行数／模转化输入到计算机中。结构原理如图3所示的虚线框。

    该系统中需要检测的参数包括6个模拟信号量和2个数字开关量，6个模拟信号量中有5个是瞬态量。考虑到系统待测信号多样性的特点和经济成本的要求，选择采用功能齐全即插即用的外置式数据采集器(DAQ)方案，选用北京瑞博华公司的AD8201数据采集器。

4 检测系统的软件设计
    在虚拟仪器检测系统中软件系统扮演着非常重要的角色，是系统的关键。软件平台选择了图形化编程软件LabVIEW，它是一个完全的、开放的虚拟仪器开发系统的应用软件，并且具有编程简单、直观、开发效率高等优点。
    该检测系统软件的主要作用是实现：连续可靠信号的实时数据采集；将采集的数据以数字或图形的形式实时显示；数据存储至硬盘；保证信号采集的成功判别；数据的同时采集和显示；历史数据的查询、再现和打印等功能。
    软件系统总体框图如图4所示。

    由图4可以直观地看到主控模块作为整个系统的调度中心，控制着系统的控制流(→)和数据流(→)的流向。数据流从数据采集模块开始分别流向数据存储模块和数据分析处理模块，采集到的数据通过数据存储模块进行存储，同时经过数据分析模块的判断，在计算机屏幕上进行实时显示。如果用户需要对历史数据进行查询时，则启动历史查询模块即可对历史数据进行曲线和数据的显示。
    程序设计最重要的部分是数据采集模块，主要任务是完成对数据的采集、波形的显示及回放和数据的存储。
    数据采集模块设计如下：
    先将初始化函数、启动板卡函数和读取数据等对仪器进行配置和数据读取的函数做成动态链接库。然后通过主程序调用动态链接库里的函数来实现对仪器的操作，一般调用过程如下：加载动态链接库，再获取函数的指针，之后利用指针来调用函数。系统的数据采集器采用的是AD8201，它是USBI．1总线兼容的12位32通道的数据采集器。
    LabVIEW中动态链接库的调用是通过CLF(Call Library Function)节点来实现的，并进行采集模块的编程。其中初始化时为了使驱动程序能够对底层的硬件进行初始化，应设置中断号、内存分配、I／O地址等打通驱动程序和应用程序的通道。通过CLF节点调用函数DllInitial来实现采集程序的初始化，并选择采集卡的中断号和口地址。此时为了顺利启动采集，采集卡上的中断号和口地址要和主板上的一致，如果程序初始化成功，函数将返回1，否则返回0。
    参数PhysAddr用来确定外部存储的开始地址，参数IRQNum用来确定板卡的中断号，参数DMAChn用来确定板卡的DMA通道，参数IOBase用来确定板卡的基地址。该例中其相应值为0，5，0，320。
    启动采集的过程：首先要设置采集通道和采集频率，并确定数据通信方式(单缓冲或多缓冲)，然后启动采集。接下来程序可自行驱动硬件实现采集，同时把采集到的数据存储到指定的缓冲区。
    读取结果：读取结果是为了方便对数据进行处理，把驱动程序缓冲区中的数据读取到应用软件的数据缓冲区中去。要实现再次采集数据量，需定义一个数据缓冲区(或用户)函数ADBuf(NumSamp*NumChn+1)和一个内存保存数据函数RecordBuf(NumSamp*NumChn)来实现。
     数据采集模块的设计主要是调用动态链接库中的各个函数来实现的，各函数调用的顺序是：
    (1)调用函数。Initial()；
    (2)调用函数StarIntr()；
    (3)调用函数ADResult()或ADResuit Rece nt()；
    (4)调用函数QueryBuf()；
    (5)调用函数StopIntr()。
    其中函数StarIntr()实现开始采集功能，函数ADResult()或函数ADResuitRecent()实现获得数据功能，函数QueryBuf()实现缓冲区的查询功能，函数StopIntr()实现中断采集功能。同时可以调用其他函数来实现特殊的功能，如调用函数ChannelFrq()来获取各通道的采样频率、调用函数RegisterNotify()可在多缓冲模式下缓冲区满时发出消息、调用函数IOCtrl()来实现A／D卡的其他功能等。
    其他模块的设计由于篇幅关系，这里不再赘述。

5 结论
    采用美国NI公司的图形化软件平台LabVIEW完成了基于虚拟仪器的电梯上行超速保护装置的检测系统的软硬件设计，通过该检测系统以确保装置的可靠性和有效性，提高了检测效率，降低了测量误差，弥补了传统检测技术的不足。系统中实时采集的数据方便了对电梯安全部件的检测和维修。