摘要：電梯的上行超速保護(hù)裝置是電梯的最重要的安全部件之一。為了確保該裝置動(dòng)作的有效性和可靠性，提出和設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的電梯上行超速保護(hù)裝置的虛擬儀器檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)安全部件進(jìn)行檢測(cè)以方便對(duì)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(hù)；虛擬儀器；LabVIEW；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言
    電梯作為一種載人的起重運(yùn)輸設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)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(yùn)行中有超過(guò)一半的時(shí)間是對(duì)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(yán)重的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(dòng)電梯上必須安裝上行超速保護(hù)裝置。作為電梯最重要的安全部件之一，主要用來(lái)解決電梯上行超速?zèng)_頂事故。因此對(duì)上行超速保護(hù)裝置出廠前的檢測(cè)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(diǎn)提出了將檢測(cè)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到檢測(cè)系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置。該裝置具有準(zhǔn)確性、高效性、可靠性和先進(jìn)性。
    虛擬儀器是在以PC為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶(hù)通過(guò)軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的虛擬儀器面板可以用來(lái)模擬儀器并實(shí)現(xiàn)其測(cè)量功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。它充分利用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能并且在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)等方面突破了傳統(tǒng)儀器的限制，方便了用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)等。
    美國(guó)NI公司的虛擬儀器平臺(tái)——LabVIEW作為一種虛擬儀器檢測(cè)軟件具有高效的圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，它以圖形化的語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)采集檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并且為檢測(cè)系統(tǒng)提供友好的人機(jī)界面，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)裝置的檢測(cè)系統(tǒng)具有操作方便、自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于電梯的安全運(yùn)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(hù)裝置包括鋼絲繩的夾持機(jī)構(gòu)、觸發(fā)機(jī)構(gòu)和復(fù)位機(jī)構(gòu)。通過(guò)圖1可以清楚地看出夾繩器的工作原理和動(dòng)作順序，在電梯超速上行時(shí)，限速器會(huì)首先發(fā)出超速信號(hào)觸發(fā)電磁鐵失電使得機(jī)構(gòu)中的鉤板動(dòng)作脫鉤，滑動(dòng)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(dòng)，同時(shí)通過(guò)拉動(dòng)外側(cè)拉桿和內(nèi)側(cè)的推動(dòng)力促使兩塊制動(dòng)板迅速靠近夾住鋼絲繩。超速運(yùn)行的轎廂通過(guò)鋼絲繩與制動(dòng)片之間產(chǎn)生的摩擦力將鋼絲繩夾持住因此制停。復(fù)位的原理則是制動(dòng)板進(jìn)行與制動(dòng)相反的工作遠(yuǎn)離鋼絲繩，扳動(dòng)復(fù)位扳手手動(dòng)壓縮彈簧將滑動(dòng)主軸滑動(dòng)至弧形槽底端達(dá)到復(fù)位。

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

    系統(tǒng)通過(guò)傳感器直接從被測(cè)對(duì)象中取得被測(cè)量的信息，通過(guò)信號(hào)調(diào)理器這個(gè)中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將由傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換等操作，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以顯示、記錄的參量，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印。
    該系統(tǒng)用于檢測(cè)電梯上行超速保護(hù)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(yīng)時(shí)間，檢測(cè)電磁 鐵斷電響應(yīng)時(shí)間就是系統(tǒng)檢測(cè)的關(guān)鍵，但是無(wú)法直接測(cè)量得到，這里通過(guò)從電磁鐵在斷電瞬間到拉力為吸合后彈簧的彈力設(shè)計(jì)值所用的時(shí)間得到；彈簧的性能即對(duì)于彈簧主要是對(duì)自由高度、抗壓性和彈性剛度的檢測(cè)；整機(jī)的性能即制動(dòng)摩擦力和響應(yīng)速度。由以上分析可知在該系統(tǒng)中需要檢測(cè)6個(gè)模擬量和2個(gè)開(kāi)關(guān)量，屬于多參數(shù)、多任務(wù)測(cè)量。
    虛擬儀器系統(tǒng)是由儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成的。硬件平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)和I／O接口設(shè)備兩部分。應(yīng)用軟件由應(yīng)用程序和I／O接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成。在整個(gè)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)四大技術(shù)。虛擬儀器通過(guò)硬件來(lái)獲取被測(cè)信號(hào)，而軟件則是用來(lái)實(shí)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(yùn)行的命令環(huán)境。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    虛擬儀器的硬件主要是獲取被測(cè)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、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(guò)計(jì)算機(jī)這個(gè)核心來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集是通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)變量獲得對(duì)象信息的過(guò)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(guò)配套的硬件鏈接到宿主計(jì)算機(jī)上，并且通過(guò)正確的軟件從傳感器獲取數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳送給宿主計(jì)算機(jī)。
    該虛擬儀器系統(tǒng)的硬件主要包括計(jì)算機(jī)和負(fù)責(zé)完成被測(cè)信號(hào)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(kāi)關(guān)、采樣／保持器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器及計(jì)算機(jī)等組成。由傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣過(guò)程將連續(xù)的信號(hào)離散化，然后將離散后的信號(hào)的幅值量化處理再進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)化輸入到計(jì)算機(jī)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(cè)的參數(shù)包括6個(gè)模擬信號(hào)量和2個(gè)數(shù)字開(kāi)關(guān)量，6個(gè)模擬信號(hào)量中有5個(gè)是瞬態(tài)量?？紤]到系統(tǒng)待測(cè)信號(hào)多樣性的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)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(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    在虛擬儀器檢測(cè)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(tái)選擇了圖形化編程軟件LabVIEW，它是一個(gè)完全的、開(kāi)放的虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，并且具有編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
    該檢測(cè)系統(tǒng)軟件的主要作用是實(shí)現(xiàn)：連續(xù)可靠信號(hào)的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至硬盤(pán)；保證信號(hào)采集的成功判別；數(shù)據(jù)的同時(shí)采集和顯示；歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、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(gè)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(kāi)始分別流向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊的判斷，在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如果用戶(hù)需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)時(shí)，則啟動(dòng)歷史查詢(xún)模塊即可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線和數(shù)據(jù)的顯示。
    程序設(shè)計(jì)最重要的部分是數(shù)據(jù)采集模塊，主要任務(wù)是完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、波形的顯示及回放和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
    數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)如下：
    先將初始化函數(shù)、啟動(dòng)板卡函數(shù)和讀取數(shù)據(jù)等對(duì)儀器進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)讀取的函數(shù)做成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。然后通過(guò)主程序調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作，一般調(diào)用過(guò)程如下：加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，再獲取函數(shù)的指針，之后利用指針來(lái)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用是通過(guò)CLF(Call Library Function)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并進(jìn)行采集模塊的編程。其中初始化時(shí)為了使驅(qū)動(dòng)程序能夠?qū)Φ讓拥挠布M(jìn)行初始化，應(yīng)設(shè)置中斷號(hào)、內(nèi)存分配、I／O地址等打通驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的通道。通過(guò)CLF節(jié)點(diǎn)調(diào)用函數(shù)DllInitial來(lái)實(shí)現(xiàn)采集程序的初始化，并選擇采集卡的中斷號(hào)和口地址。此時(shí)為了順利啟動(dòng)采集，采集卡上的中斷號(hào)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(lái)確定外部存儲(chǔ)的開(kāi)始地址，參數(shù)IRQNum用來(lái)確定板卡的中斷號(hào)，參數(shù)DMAChn用來(lái)確定板卡的DMA通道，參數(shù)IOBase用來(lái)確定板卡的基地址。該例中其相應(yīng)值為0，5，0，320。
    啟動(dòng)采集的過(guò)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(dòng)采集。接下來(lái)程序可自行驅(qū)動(dòng)硬件實(shí)現(xiàn)采集，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的緩沖區(qū)。
    讀取結(jié)果：讀取結(jié)果是為了方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把驅(qū)動(dòng)程序緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取到應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中去。要實(shí)現(xiàn)再次采集數(shù)據(jù)量，需定義一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(或用戶(hù))函數(shù)ADBuf(NumSamp*NumChn+1)和一個(gè)內(nèi)存保存數(shù)據(jù)函數(shù)RecordBuf(NumSamp*NumChn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
     數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)主要是調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的各個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)開(kāi)始采集功能，函數(shù)ADResult()或函數(shù)ADResuitRecent()實(shí)現(xiàn)獲得數(shù)據(jù)功能，函數(shù)QueryBuf()實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的查詢(xún)功能，函數(shù)StopIntr()實(shí)現(xiàn)中斷采集功能。同時(shí)可以調(diào)用其他函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊的功能，如調(diào)用函數(shù)ChannelFrq()來(lái)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(mǎn)時(shí)發(fā)出消息、調(diào)用函數(shù)IOCtrl()來(lái)實(shí)現(xiàn)A／D卡的其他功能等。
    其他模塊的設(shè)計(jì)由于篇幅關(guān)系，這里不再贅述。

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