引言

目前我国许多电梯正处于老龄化阶段，较老的电梯又缺少安全保障措施，没有专门设备去记录故障，而解决电梯故障大部分是依赖技术员不断积累的经验。当电梯故障时，维修人员往往不能第一时间赶到事故现场，很有可能造成救助不及时从而出现二次伤害;同时，乘梯人员对故障描述不清楚，也会延误有效抢修时间。所以当前状况急需对旧电梯进行故障识别和记录。故提出电梯故障记录仪，以检测和记录电梯各种故障，同时提示维保人员有效地对电梯进行维护，保障人员安全。

电梯故障记录仪俗称电梯黑匣子，主设备安装于电梯机房内，信号采集装置安放在电梯各个关键信号输出位置，是一种能够对电梯故障的时间、速度、楼层数、故障点以及其他状态信息进行采集记录的装置。为了提高监控电梯故障的准确性和实时性，故障记录系统通过获取电梯中各关键终端的输出信号，将信号传递至电梯“黑匣子”，迅速判断并定位出故障位置，为检测人员迅速找到故障部位，及时处理、排除故障提供了有效依据，对电梯故障进行自动判断就显得十分重要。

1 主要故障分析

通过调查电梯故障及总结得出，电梯故障主要分四类：门机构故障、控制屏故障、电梯供电电源故障和井道设备故障。所有电梯故障的产生最主要是由电梯门系统故障引起的。电梯门包括轿门和层门，是重要的安全防护设施。门系统故障的主要原因是电气联锁接触不良、开关门受阻、门开关运行频繁、人为撞击等。控制屏故障主要由电气设备引起。主要包括：制动器非正常工作、线路板故障、中间继电器和接触器故障。电梯供电电源故障是因为电梯主机启动电流为正常工作电流的3倍以上，启动时会引起供电电压的波动，极易导致电梯故障。井道设备故障主要是曳引钢丝绳损坏的问题，这一直是制约电梯发展的关键因素[1]。

针对上述电梯故障，设计了电梯故障记录系统，实时记录电梯信号。当电梯出现即使是轻微或短暂的故障时，都能提示出预警信号，告之乘客该梯为危梯，以保障人员安全。

2 系统总体方案设计

为了提高电梯信号传输速度，本文设计的电梯黑匣子系统中MCU选用基于ARM920T内核的16/32位的RISC嵌入式微处理器S3C2440A芯片。同时为了信号传输的稳定性，选择与该MCU相匹配的无线发射芯片nRF2401进行通信。系统其他模块为故障信号采集模块、数据存储、通信接口电路、LCD显示、键盘操作等。系统的硬件设计框图如图1所示。

系统通过各终端获取输出信号，对门系统信号、控制屏信号、井道设备控制信号等进行采集，该信号所在的模块都设有相应的无线发射模块，主控芯片模块也有相应的无线接收模块，经过无线收发把采集到的电梯状态信号传递至MCU对信号进行分析处理。通过处理后的数据存储于外部FLASH中。同时，实时信号如停止楼层数、上下行方向、有无召唤等可通过LCD显示。

3 硬件系统设计

3.1 门系统信号获取

电梯门信号通过电梯整梯控制系统和门机机械系统发出开关门信号、平层信号、门极限信号和安全输出信号至门控制系统，来控制电梯门的运行。其中平层信号是指电梯到达该层楼平面位置时产生的信号;开关门极限信号指轿门运动到门两端极限位置时，由极限开关产生的信号;电梯光幕和安全触板是检测障碍的装置，其只在关门过程中有效，当关门时遇到障碍物，会产生触板阻挡信号或电梯光幕输出信号，控制电梯门重新开启，防止障碍物被夹。

同时门控制系统将获取到的电梯门相关数据通过无线模块传递至MCU的无线接收模块。通过比较第N次与第N+1次信号，来确定动作是否正常完成，同时将错误动作记录至存储器中。比如，第N次信号判断为开门到达极限，那么收到第N+1次信号后应该判断为关门到达极限，假设其他信号正常，说明这此次动作无误。若第N+1次信号判断不为关门到达极限，说明电梯门系统中门极限开关故障，门很有可能发生事故，那么此次信号就被完整地记录到黑匣子中，同时屏蔽内外召唤板，禁止电梯工作，并在屏幕上显示故障说明，供给维修人员参考。如图2所示。

3.2 控制屏信号获取

控制屏系统分电梯内、外楼层召唤系统，其获得相应信号后，通过电梯控制系统的判断对电梯制动器进行控制，使电梯上行、下行或停止。同时，控制板系统将同样的信号传递给黑匣子的MCU，当黑匣子获得两相邻信号，就能判断出此次系统有无正确动作。如图3所示。

3.3 无线主从式收发设计

本文中硬件系统采用的中心拓扑结构为星型网络，建立主从式通信链路，一个节点损坏不至于拖累其他任何节点，主从节点之间无其他节点，信号传输能直接到达主节点，缩短了传输时间，增加了网络的安全性。其中主节点负责整个网络信号的接收，从节点只与主节点进行通信，从节点相互之间无通信，从而有效避免了从节点间信号串扰的问题。主从节点之间是利用nRF2401无线收发模块进行通信，它的有效距离可以达到几十米至几百米，最大速率可以达到1Mbps，在一般的井道环境中能够满足速度与距离的要求。图4是主从式网络结构示意图。

4 系统软件设计

软件设计的主程序框图如图5所示。根据系统的实际设计和需求，工作流程如下：

(1)上电自检

电梯系统上电后，先对系统初始化，然后进行自检。自检内容主要包括I/O口、时钟、存储器等。若检测到系统工作不正常，先将故障数据存储于FLASH中，同时显示屏则显示错误信息，并提示检修;若检测正常，显示屏将显示“系统工作正常”。

(2)数据采集、处理和保存

电梯运行后，记录仪获取到初始数据，根据其记录时间、速度、运行状态等能够计算出电梯总运行时间、每周故障、每月故障等，当达到一定数量微小故障时，提示危险信号，此时需要维修人员来检修。当有事故发生，事故前一段时间的数据将不被系统覆盖，自动记录数据，便于数据比对，同时显示在显示屏上;如果没有事故发生，则以一定的容量进行数据存储。

5 结束语

本文具体分析研究了电梯黑匣子系统，主要包括其软硬件的总体设计。设计的重点和关键包括电路设计、信号采集、数据存储和故障处理等部分。该系统基本能实现现有大部分电梯信号的故障采集存储。在实际应用系统前，还需要对所在环境进行相应的测试和事故模拟测试，用以确保系统的可靠。