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电梯钢丝绳受力均衡性检测系统设计

文档作者：陈世泽妮妮文档来源： 1．广州市特种机电设备检测研究院 2．广州机械科学研究院		点击数：	更新时间： 2021年09月08日
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技术
DOI：10．3969／j．issn．1009-9492．2012．06．005
电梯钢丝绳受力均衡性检测系统设计
陈世泽 ，李妮妮
(1．广州市特种机电设备检测研究院， 广东广州 510180；2．广州机械科学研究院， 广东广州 510700)
摘要：针对电梯多条钢丝绳受力不均衡导致的电梯钢丝绳及曳引轮磨损过快的现象，采用基于ARM9的$3C2410A处理器设计
了基于双通道全桥应变检测电路的钢丝绳受力均衡性检测系统，详细分析了系统的检测原理、硬件结构及软件设计方案。实验
证明，该系统检测准确可靠，为电梯维护保养和安装单位和电梯检验部门调节和检测钢丝绳受力均衡性提供了可靠便捷的解决
方案。
关键词：电梯；钢丝绳；应变；ARM
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：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
曳引式驱动电梯通过曳引钢丝绳牵引使轿厢
和对重做相对运动，轿厢在井道中沿导轨上下运
行。为了减小电梯因为钢丝绳断绳造成坠落的可
能性，国标(GB7588—2003~规定钢丝绳最少应
为两根，每根钢丝绳应是独立的， 同时在悬挂钢
丝绳的一端应至少设有一个调节装置用来平衡各
绳的张力。在电梯的安装以及日常维护保养过程
中，如果电梯各钢丝绳受力调节不平衡，就会导
致其中的一根或几根钢丝绳受力过大，从而影响
钢丝绳的使用寿命，加速该曳引轮绳槽的磨损。
同时，在日常的检验过程中发现，对于个别钢丝
绳受力偏大以及绳槽磨损严重的电梯，在进行空
载曳引力实验时，对重装置完全压缩缓冲器之
后，曳引机仍能提升空轿厢，曳引能力过大具有
安全隐患。因此，精确地检测电梯各钢丝绳的受
力状况并将各绳受力调节平衡对电梯的使用寿命
以及使用安全有重要的意义。
目前，国内的检测机构在检测钢丝绳受力平
衡状况时，通常用弹簧秤在水平方向对各条钢丝
绳施加相同的力，再利用钢直尺测量各钢丝绳受
力点的水平位移，最后推算出各钢丝绳受力偏
差。这种方法操作难度大，测量精度低，而且在
不同的点测量得到的结果偏差较大。本文利用应
变检测应力的原理，以基于ARM的嵌入式系统为
平台，设计了电梯钢丝绳受力平衡检测系统，为
电梯钢丝绳受力平衡检测和调节提供了一种精确
有效的方法。
收稿日期：2011～12—30
[二] 至二I
测控
1系统设计
1．1系统检测方法
曳引钢丝绳的两端要与轿厢、对重或机房的
固定结构相连接。这种连接装置通常被称为绳头
组合或者端接装置，如图1所示。钢丝绳通过浇
灌锥套或自锁楔形绳套连接于轿厢或对重架的横
应变片
图1 电梯钢丝绳绳头组合及应变片粘贴位置
梁上，弹簧用于缓冲工作中曳引绳的冲击负荷以
及调节均衡各根钢丝绳的张力川。从该结构可以看
出，如果将应变片粘贴于图1中的连杆上，就可
以通过测量应变来获得每条钢丝绳的受力大小。
测量时，将电梯空载静止于基
站上并切断主电源，按照图1
所示的方式粘贴应变片于连杆
上，再把应变片与应变检测设
备相连接，然后在电梯轿厢中
放置额定载荷的砝码。此时，
由于电梯载重量的变化，钢丝
绳受力增加，粘贴在连杆上的
应变片随着连杆应变的增加电
阻发生变化，只要读取应变检
狈4结果，就可以获得该载重量
产生的力在各条钢丝绳上的分
配结果，从而判断各钢丝绳受
力的均衡性。
1-2系统总体设计
根据应变检测的原理，该系统主要由应变
片、应变检测电路、前置放大滤波电路、嵌入式
信号采集系统构成，如图2所示。
图2 系统结构框图
2应变检测及放大滤波电路
本系统采用全桥式双通道检测电路以提高检
测的精度，在传统的单通道检测基础上加入了对
电源供电电压的检测通道。在检测过程中，先对
两个通道上采集的信号进行预处理，再传至处理
模块。由于两个检测通道处于同一工作环境，所
以可以认为外界干扰和器件参数非理想化对检测
电路的影响对两个通道是相同的，利用该性质对
电路进行补偿，最终可以实现检测电路转换函数
的线性化和应变的高精度检测翻。双通道应变检测
电路原理如图3所示。
在图3所示测量电路中，R．和R4为电阻应变
片，分别粘贴于同一根钢丝绳绳头受力连杆的两
侧，因此电阻变化量△R =△R =△R，R：和 为
固定的精密电阻，其中R =R：= = = 。由此通过
图3 双通道全桥应变检测及放大滤波电路
技术
近似可以得 = l + 咖
通过放大得到U =kU．；U =kU ，将两路模拟信
号通过一个模拟除法器3相除，得到F =下2~t／~。
模拟除法器AR3的实现如图4所示，该模
拟除法器主要用到了LM741运放和一个模拟乘
法器BG314。运放的正输入端是一个输入信号
， 另一个信号输入端在模拟乘法器的输出端
3，模拟乘法器的1输入端接收运放的输出信
号，根据运放的虚短和虚断的原理，运放的正
负输入端的电压信号相等，且流过电阻R。，和电
阻R 的电流相等，可以得到模拟除法器的计算
公式：
Rl5
图4 模拟除法器电路
u = ， 其中 和 是输入信
号，K，是模拟乘法器的相乘增益。由此可得
F =2( ) ，再根据应力与应变的关
系，钢丝绳受力：
阱 AR =
， 其
中 为绳头连接杆的杨氏模量，
为应变，K2为应变片常数。双
通道的信号经过除法运算，可以
消除供电电压的波动对应变检测
精度的影响。同时，双通道信号
相同的发大滤波环节，削弱了电
子器件参数非理想化以及外界干
扰等因素对检测精度的影响p 。
3嵌入式信号采集系统
经过应变检测电路的处理，
应变片在电梯轿厢加载额定载荷后的应变量就线
性地转变为电压量F 。 的采集采用基于
$3C2410A的ARM9嵌入式测控系统，ARM具有比
较强的事务管理功能，可以用来支持友好的人机
界面以及运行应用程序等。
3．1采集系统硬件设计
嵌入式应变信号采集系统的设计如图5所
示，它主要包括CPU以及时钟晶振系统、存储系
统、人机交互系统、应变信号A／D采样系统。其
中CPU、时钟晶振以及存储系统组成了最小系统。
为了系统扩展的需要，本系统选择两片型号
为HY57V561620的SDRAM组成32位64M的内存
空间。其中，HY57V561620存储容量为4M×
4bankxl6位(32M字节)，工作电压为3．3V，常见
封装为54脚TSOP，兼容LV1TrL接口，支持自动
刷新(Auto—Refresh)和自刷新(Self-Refresh)，
16位数据宽度。$3C2410内置有SDRAM控制器，
可以和HY57V561620直接连接而无需时序转换装
置。SDRAM在系统掉电时，数据会丢失，所以必
须将系统的软件固化在非易失性的NANDFLASH
存储器上。系统选择型号为K9F1208UDM的
NANDFLASH，存储容量为64M，$3C2410内置
NANDFLASH的控制器，使NANDFLASH与CPU
之间可以方便地直接连接 。
LCD和触摸屏由于其操作便捷的优点已经广
泛应用于各种工业控制场合，在PDA和仪器仪表
领域也有很好的应用。$3C2410内置的LCD控制
器和触摸屏接口，可以方便地实现人机交互系统
的设计。因此，本系统选择5．7寸24位真彩TFT
液晶屏作为人机交互系统，其电源电压VDD典型
值为3．3V／5V，并且LCD数据和控制信号的高电平
l LcD＆触摸屏 —] == A／D}：}—爿应变检测电路
CPU I ● I
SDRAM }=> $3C241OA 、 l ⋯一 l’ --q应变检测电路
M NDFLASH — 时钟晶振
— 1 ／
图5 嵌入式数据采集系统结构
输入电压 在2．3～5．5V范
围内，低电平输入电压 。则
在一0．3V～0．9V范围内，为
了对CPU起到保护作用，同
时提高LCD输入电压，LCD
与CPU之间通过3．3V转5V
的电平转换器SN74AL—
VC164245连接 l。
A／D采样电路是本系统
设计的重点，由于电梯钢丝
绳的数量通常在3到8之
间，因此本系统选择2片高
精度、宽动态范围、△ 一Σ
型8通道24位的ADC芯片
ADS1216实现8路的应变电
压采样芯片。ADS1216主要
包括模拟多路开关(Mux)、输入缓冲器
(BUF)、可编程增益放大器(PGA)、两阶△ 一Σ
调制器、可编程数字滤波器、微控制器、l6个状
态控制寄存器、128字节RAM、串行SPI接口、连
个8位DAC、两路可编程恒流源(IDAC)、内部参
考电压产生器以及时钟发生器等工作模块[61。它通
过SPI接口与外界进行信息交换，因此可以方便
地与$3C2410的SPI接口连接进行控制。图6为
ADSI216与CPU连接电路图。
3．2采集系统软件设计
系统程序是在ARM单片机开发调试工具即
Embest IDE开发环境中编写完成的，主要包括启
动程序bootloader、主程序、初始化子程序、LCD
界面显示子程序、触摸屏中断处理程序以及参数
设置及数据滤波运算程序。主程序框图如图7所
示。启动程序bootloader涉及到对系统主要模块的
配置、运行环境的建立、系统时钟、MMU等模块
的配置。程序的初始化主要包括以下几个部分：
Cache使能初始化、时钟管理初始化、端口的初始
化、A／D采样芯片的初始化设置 。
触摸屏中断触发的三个子程序是钢丝绳受力
采样的核心内容。参数子程序主要针对不同的电
梯设置电梯的额定载荷、钢丝绳根数、电梯的钢
丝绳悬挂比，程序根据现场的参数自动计算出电
梯各钢丝绳的大概的受力状况，进而改变A／D采
图6 A／D转换部分连接电路
样芯片的电压采样范围，从而提高采样的精度。
采样子程序就是控制A／D采样芯片进行采样，并
读取采样结果，在采样数据稳定后，可以通过计
算子程序判断各钢丝绳受力的均衡性，从而有针
对性地调整钢丝绳的张紧程度。
图7 主程序流程图
技术
4检测测试
测试实验选择一台运行时间为10年左右的日
立YPVF型号电梯，速度为1．75rrds，额定载重量
为1000kg，该电梯使用5条公称直径为12mm的钢
丝绳以1：1的悬挂比悬挂电梯轿厢和对重。根据
电梯结构，测量位置选择在轿顶的钢丝绳绳头组
合处，在电梯装满1000kg的额定载荷后，经过电
梯轿顶绳头组合部位的应变检测后，得出5条钢
丝绳的受力值。同时对该电梯曳引轮各个轮槽的
磨损程度也进行了测量，由于曳引轮的绳槽采用
半圆形带切口槽，如图8所示，因此测量切口的
深度h作为磨损量的判断依据，h值越小磨损程度
越严重。
图8 半圆形带切口绳槽
检测的结果如表i所示。从检测结果可以看
出，受力值较大的钢丝绳对应的绳槽磨损程度
较大，这与理论分析的结果是一致的。以该实
验电梯为例，只要在绳头组合上调节各绳的张
紧程度，使各绳槽分担的力趋于一致，就可以
降低个别绳槽的磨损速度，从而可以提高曳引
轮的使用寿命。
表1 检测数据
5结语
本文提出了基于ARM和应变测力的电梯钢丝
绳受力平衡检测系统，应变检测部分采用了双通
道的全桥检测电路，有效地减小电源电压波动、
元器件参数不确定以及周围环境的干扰，电压采
样部分采用基于ARM9的$3C2410A为核心的嵌入
式采样系统，可以同时对8条钢丝绳进行数据采
样。本文阐述了检测的原理以及硬件和软件的实
现方法，同时通过实验验证了系统设计的可行
性，为电梯维护保养和安装单位进行电梯钢丝绳
张紧度调节，以及电梯检测部门进行钢丝绳受力
均衡性检测提供了一种可靠而方便的解决方案。
参考文献：
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第一作者简介：陈世泽，男，1985年生，福建人，硕士。
研究领域：仪器仪表。已发表论文l篇。
(编辑：阮毅)

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