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【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，無需借助其他開關就可以實現井道位置的實時獲取，井道開關位置和樓層位置均可以專用軟件設置，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及其附屬安裝組件，可以大大降低系統的故障率和安裝調試難度，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試可大大提升電梯產品的形象，另外，絕對值編碼器可以解決在高速梯系統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視要求。相比開關定位系統，絕對值編碼器以安裝調試簡單、安全可靠等優勢逐漸在電梯行業快速普及。

關鍵詞：

電梯控制系統絕對值編碼器井道定位

1  項目背景

    增量型旋轉編碼器可以提供驅動器所需要的電機的運行信息，還可以提供給控制系統所需要的增量型位置脈沖信號，是目前應用最廣泛的電梯定位系統。但是增量型旋轉編碼器作為電梯定位系統必須借助一系列開關輔助才能實現完整的平層調整，這一系列開關大大增加了電梯的故障率和調試難度及安裝難度，并且未能從根本上解決電梯的轎廂位置誤差累計導致的錯層問題，另一方面由于井道開關的故障導致的安全事故偶有發生。在一些嚴格要求不錯層的場合則只能使用絕對定位系統。

    以絕對值井道信息系統替代原有增量型編碼器加井道開關方式實現樓層定位，作為井道信息系統的另一個選擇。并具有多種優勢：井道信息不會丟失，不存在錯層問題、能實現真正意義上的距離停靠、減行程應用，采用絕對值編碼器可以具有TUV認證，并且可以通過SIL3安全等級認證、在安裝維護的角度考慮，絕對值編碼器安裝簡單，可降低對井道開關的維護，減少維護費用、滿足標準的需求：新的消防規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UCMP功能、檢測門回路短接檢測功能、井道去除極限開關。其擴展性相比開關定位系統更加靈活且可靠。

2  系統設計

2.1定位方式對比

    常規井道系統定位系統定位裝置包括：平層開關、插板、減速開關、門區開關（再平層或提前開門時需要）、限位開關（非必須）、極限開關等組成；絕對值編碼器井道定位系統能直接輸出轎廂位置及速度信息，去掉平層開關，門區開關及接線，去掉減速開關及接線，如圖1所示。基于絕對值編碼器井道定位系統有如下優勢：

（1）干凈井道，除兩端，中間不需任何支架開關和連線，極大的降低了安裝工時和故障率；

（2）安裝維護方便：在30分鐘內完成安裝；

（3）編碼裝置的安裝已經考慮了安全應用，極其可靠，僅需要常規的清潔，基本不需要維護；

（4）位置絕對，永不錯層；

（5）滿足標準要求，適用于消防員電梯現場。

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的通訊接口主流的有CAN、CANopen、SSI等，總所周知，CAN屬于工業控制現場總線，是目前國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一，CAN協議只定義了物理層和數據鏈路層，并未對應用層做規定，本身并不完整，而CANopen協議是CAN-in-Automation定義的標準之一，CANopen協議被認為是基于CAN的工業系統中占領導地位的標準。CANopen協議包括了標準的應用層規范和通信規范，在CANopen的應用層，設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位標示符，而且報文的優先級只能通過它的大小來區分，通常節點地址較小的報文優先級更高，若需傳送快速響應的事件，則需通過預定義和特殊功能對象，如同步、時間標記對象、緊急事件；過程數據對象用于傳輸實時數據，優先級高于服務數據對象，這對電梯控制系統需要實時獲取電梯位置信息而報文數據量不大的應用場合需求較吻合。

圖2電梯控制系統CAN總線節點

    主流的電梯控制系統采用CAN總線通訊，電梯系統中的外呼通訊終端、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的子節點掛接在CAN總線上；采用CANopen協議的絕對值編碼器可方便連接到電梯控制系統總線上，如圖2所示，而無需增加額外的通訊轉換板或者通訊轉接線。

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據，將磁編碼數據轉換成位置信息，最終實現絕對的井道位置，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，通過在鋼帶上發射紅外信號，根據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

    由于電梯控制系統對噪音有一定的要求，接觸式定位方式因不可避免產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品，市面上主流的有德國庫伯勒Limes系列產品，采用反射光電原理主要的產品主要由瑞士CEDES的APS產品，而采用磁感應原理的產品主要是德國的ELGO。各種方式各有優缺點，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用場合應用；磁感應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實際應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。讀頭負責掃描和讀取編碼裝置上的絕對位置數據，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，讀頭上分別有對應的掃描單元，掃描數據進信號處理單元，經數據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則排列編碼，時鐘編碼格柵一般為連續交替設置的正單元和負單元。

    在安全性要求較高的場合，可采用冗余設計，即雙套讀頭和雙套信號處理單元，雙通道數據偏差允許值必須限制在設定值范圍內，否則系統認為本次數據異常，可記錄相關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系統級原理

    絕對值編碼器和電梯控制系統通過CAN通訊進行數據及命令交互，轎廂的位置和速度的信息以每10ms一個數據包的頻率更新到控制系統，電梯控制系統考慮了數據異常情況下的緊急停靠。控制系統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。電梯控制系統中增加打滑故障判斷條件，即當旋轉編碼器有速度反饋，而轎廂位置沒有速度反饋和位置變化，則判斷為打滑；在電梯控制系統中增加速度相關的故障條件，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用場合，采用雙通道數據比較機制，雙通道數據誤差不超過設定值，通過5ms任務周期性執行，連續誤差超過4次則記錄數據誤差。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；在電梯控制系統和絕對值編碼器通訊中設置心跳監測機制，絕對值編碼器與電梯控制系統周期心跳交互，若失聯時間超過設定值，則進入故障保護狀態。

3.3安全功能實現原理

    國標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。傳統井道開關定位系統實現這一要求通過在平層開關中間加裝一對門區開關，并配置提前開門板實現UCMP功能，而絕對值編碼器采用絕對定位方式取代開關定位，因此需在不加裝門區開關的前提下實現UCMP功能，需要絕對值編碼器輸出門區信號，并實現在電梯意外脫離門區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，配合滿足A3要求的制動器實現完整的UCMP功能。

4  結束語

    安裝簡便化、系統智能化、使用安全化是電梯未來發展的方向，相比開關式井道定位系統，絕對值編碼器在安裝簡便、井道干凈、調試方便、永不錯層、安全性更高等方面優勢明顯，近年來在電梯高速梯（>4.0m/s）領域，絕對值編碼器已經初露鋒芒，未來在低速梯領域，隨著行業競爭、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。

參考文獻：

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