改进小波阈值算法在电梯电气故障诊断中应用研究

    王燕

    

    

    

    摘 要：针对电梯中电气故障易发，排除难度大，且线路长，干扰因素大等特点。提出了一种改进小波阈值的电梯电气故障检测方法，并运用于实际检测中。结果表明，该检测方法能很好的滤除电气故障信号的各种干扰，实现电气故障的智能监测，将人们从繁杂危险的电梯故障中解放出来，保证电梯平稳运行，也保证维修人员生命安全。

    关键词：小波阈值;电梯;故障诊断

    文章编号：2095-4085（2020）04-0091-04

    引言

    随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，人们对住宅的设备质量问题越来越重视。随着旧楼改造和加装电梯工程的实施，电梯的使用数量愈发增多，为人民群众的生活带来了极大的便捷。但在电梯系统运行过程中，其附属的电气控制系统时常受到各类因素干扰而出现运行故障问题，并引发电梯异常制动、滑梯等运行问题的出现，造成严重的经济损失、人员伤亡与消极影响。同时，随着电梯数量，电梯维修数量也逐渐增多，导致电梯行业维修及排故人员严重不足。针对这一情况，有关部门迫切希望运用新型的智能方法监测电梯故障，减少人工数量。针对于此，本文对小波阈值诊断方法进行了深度研究，提出了电梯故障诊断的信息方法。结果表明，该方法能智能监测出电梯电气故障。

    1 电梯常见电气故障及排除方法

    1.1 变频器故障

    变频器主要用于控制电机的转向和速度，电梯的上行与下降，电梯运行过程中的速度都由变频器完成。变频器输入接三相电源，输出接三相异步电动机，即电梯中的曳引机。若电梯中出现噪声较大，加速、减速不稳定，电梯不平层等现象，多半是变频器出现了故障。针对此种现象，首先，检查变频器参数，其次，对变频器硬件电路进行检查，最后，检查变频器。

    1.2 曳引机故障

    曳引机实质是电机，主要作为电梯的动力装置，输出和传递动力。从硬件构造上来看，它包括了制动器，减速箱，电动机，联轴器等。如果电梯出现如下几种现象：大幅的震动、制动器噪音明显、电机或制动体线圈温度异常过高等，就要考虑是否为曳引机故障。针对这种故障现象，首先检查曳引机的机械传动结构，其次检查曳引机的硬件电路，最后检查电机的内部结构。

    1.3 安全回路故障

    安全回路在电梯安全运行中起着至关紧要的作用，其中，上、下限位开关和上、下极限开关的主要作用是确保电梯在特定的距离内运行，不会超过安全范围。当发电梯蹲底或则冲顶时，通过几种开关给出的信号，运用一定的安全回路，程序或者控制算法将其断开。为了安全起见，这些开关通常是接近开关，通过触碰轿厢挡板来实现开关闭合和信号的传送，安全回路故障现象有门开关异常、上下极限失效、急停开关失效、主接触器故障等。

    1.4 门机故障

    此类故障主要有：电梯门无法自动开启或关闭、基站钥匙开关无法开启、关门夹人、电梯门打开程度不够、轿厢开关噪声明显、电梯门无法彻底关闭等。针对门机故障，首先检查门机光幕是否正常，其次检查门机的电路是否正常，最后检查门机的安装是否正常。

    1.5 控制主板故障

    电梯控制主板相当于人的大脑，当其异常的时候，会导致运行过程出现异常，逻辑混乱，未能实现正常的控制要求，甚至电梯停止运行或者出现更大的安全事故。经验表明，电梯的主板故障大多数是硬件故障，主要表现为接口接触不良，接口老化，抗干扰能力降低以及器件功能损坏。针对这种情况，主要通过检查线路硬件电路来排除。

    1.6 电源故障

    电梯的动力源主要是电能，电梯中提供的电源形式主要有三种，220V交流电，110V交流电和24V直流电。若电源出现过电流，过电压，欠电压等故障，就会引起电动机温度过高、制动器线圈温度过高等现象，若整流电路出现故障，就会出现无直流源输出，控制信号无法输出，电梯瘫痪等现象。

    2 电梯故障常见的诊断方法及注意事项

    电阻测量诊断法。在电梯工作时，整个系统所需的内能，来自电阻，它能够将电流转化为内能。如果电阻因为外部因素而受损，或者是无法正常的运行，就会导致整个电气控制线路出现故障，进而导致多种问题。显然，这一系列故障的根源在于電阻的异常，所以需要对电阻元件进行测量和诊断。具体的操作方法是，切断电气控制系统的电源，然后测量电阻值，若测量结果和预计数值明显不一致，证明电阻元件产生了故障，采取有效的措施予以维修，或者是更换电阻后，故障消失。

    系统全面诊断法。随着经济的发展和房地产行业的兴盛，电梯产品需求日益旺盛，电梯产量不断攀升。电梯是一种特殊的商品，其规格型号、结构多种多样，通常需要结合建筑的结构、运载需求等进行设计。在出现故障事件后，维修人员首先应该对整个电气控制系统予以全方位的检查和分析， 兼顾发生故障后出现的外部事件，将故障源限定在一定的范围内，再进行进一步的分析和检测，这样就能够快速定位故障源。

    程序故障诊断法。统计数据表明，在现实中，大部分的电梯故障都属于停运故障。导致此类故障的原因在于：电气控制系统软件在运行过程中崩溃，或者是运算逻辑出现错乱等。如果发生此类问题，维修人员应该对控制系统软件部分予以检测和诊断，以更快的找到故障位置并予以修复。

    元件故障排查诊断法。有些电气控制系统故障不会表现出任何的外部症状，导致上述几种诊断方法全部失效。在这种情况下应该应用元件故障排查诊断法，具体的操作原理是：更换每个系统包含的电子元件，每次更换后，检查故障是否被解决，如果故障消失，证明刚更换的元件即为故障源。为了提高该方法的诊断效率，可以结合之前的经验，确定各个元件的故障率，然后按照故障率从高到低的顺序进行更换和诊断。

    电势测量诊断法。在电梯电气控制系统处于通电运行状态时，运用复用表设备，测量电气控制系统包含的各个电子元件的电势，如果检测结果和正常情况下的电势明显不一致，则表明这一元件出现运行故障。这一故障诊断法与上述元件故障排查诊断法同理。维修人员均需要构建优先级机制，优先对故障率较高的电子元件开展电势测量作业。

    在电梯系统运行时，为了在最大程度上保障其安全，需要安装各种安全部件，利用安全回路，对安全部件的开关进行统一的控制，确保其能够正常的运行，为整个电梯系统的安全提供有力的保障。如果安全回路装置本身异常、电梯无法得电，就必须对安全回路和安全继电器进行维修。当然，在维修之前必须对相关的电路、部件和元件进行诊断，找到故障源。

    如果通过初步诊断将故障限定为门系统连锁回路，此时应将电气控制系统切换到停运模式下，然后再进行诊断和检查，防止在工作时因外部因素的存在而导致电梯门不受控的开启或关闭。在系统停运的情况下，还需对机械和电气进行全面的检查，以更快的找到故障之所在。

    如果在电气控制系统工作时，因电磁干扰等因素导致异常状况。此时，维修人员应该根据具体的情况，采取有效的措施，去除系统中存在的电磁能干扰源。一般情况下，缩减控制板线路就能够有效的消除电磁干扰，维修人员根据具体情况，选择适配性最高的方法，就能够有效的排除故障。

    若经过初步的诊断确定故障出现在接触器、继电器上，通常情况下导致此类故障的原因是短路。所以，维修人员首先应该检查两种设备是否出现了短路故障，如果是，再采取针对性的措施予以解决。成功的消除故障后，对两种设备的属性、运行模式进行分析是何有必要的，然后据此合理的设定设备检查维修作业的频率，以便尽早的发现故障隐患。

    3 小波变换在故障诊断中应用

    3.1 电梯故障现象的归一化建模

    对于故障诊断系统中，不同采集参数有着明显的差距，且其量纲往往是不统一的，这意味着参数的统一操作是不可行的。针对这一问题，有必要对其予以规范化处理，然后输入到神经网络中完成后续的诊断工作，在实现更高网络效率的同时，大幅缩短训练时间。“规范化”的本质，是对各项参数予以无量纲处理，为了实现最佳的效果，通常是利用特定的函数，把参数转化到[-1，1]区间内。在这里，笔者通过模糊化的方式对数据进行预处理，将作为输入量的特征分量 1 2 3 14X x ， x ， x ...， x映射成论域上各模糊子集的各模糊子集的隶属度。 如此一来，能够实现两方面的效果：其一，神经网络的输入数据实现了规范化;其二，电梯控制系统数据采集并非同时进行的，各项参数的采集周期也并不一致，所以是做不到数据的实时采集的。对神经网络输入数据予以模糊化处理，能够在最大程度上降低非实时采集数据造成的负面影响。

    所以，在仿真模拟的过程中，用脉冲波替代，其正负方向是随机变化的，幅值同样随机分布，但不超过-1.0V～+1.0V范围。脉冲信号详见图1。

    3.2 小波变换的故障诊断

    在电气设备无异常的情况下，其电磁信号非常平稳，一旦发生故障，就会出现奇异点。 按照小波变换理论，对奇异信号予以多辨率分析，基于各种尺度分解信号，揭示出原始信号的组成。经过分析确定故障信号，进行动态监视，最终识别出故障。在信号突变的情况下，小波变换后系数为其模的极大值，所以只需检测小波系数的极大值，就能够找到信号的间断点，在此基础上完成故障信息的分析。如果原信号中包含了噪声，此时应用小波变换方法，除了能够确定存在间断点，还可以找到其具体的位置，主要分为以下几步。

    （1）消除噪声

    不同尺寸的小波变化

    （1）小波分析

    （2）故障诊断

    3.3 小波阈值去噪的实现

    根据前文的分析，对于分解后的各层信号，笔者充分的结合其特点，基于差异性的阈值予以处理，以争取在最大程度上消除噪声。详细的处理流程为[1，3]：结合具体情况确定一个分解层数j，对j+1以及更高层，所有系数保留;（2）对第i层（1≤i≤j），保留绝对值最大的ni个系数，ni的计算公式如下。

    ni= M（j+2-i）a。（1）

    这里面，M和a为经验系数，在默认情况下有M= L（1），即第一层分解后系数的长度。一般而言，M符合L（1）≤M≤2L（1）这一条件，在降噪时，通常取a=3。

    （2） 小波基的选取[4-7]，在这一环节，必须将小波函数的正交性，紧支性与衰减性，对称性，正则性，消失矩等因素纳入到考虑范围中来。基于此，笔者决定以Daubechies（dbN）小波系作为小波基。dbN是非对称的，且不存在明确的表达式，但转换函数h的平方模是很明确的。db小波族的支集长度和滤波器长度将近为2N，消失矩为N，充分证明，该序列的小波在扩展性方面表现良好，能够在一定程度上缓解增加支集长度所导致的边界问题。

    （3）如果是杂散电流，分解层数太高会造成边缘信息丢失的结果，层数太少会影响到去噪效果，经过多次的仿真实验后，最后决定采用5层。

    （4） 小波阈值去噪方案的MATLAB验证[8-10]如下。

    基于电梯运行环境，笔者采用-5V～+5V范围内的高频噪声信号，对现实中的各种噪声进行模拟。

    对图2进行分析可知，杂散電流信号被噪声信号彻底覆盖。此时需要进行小波阈值处理，以消除噪声信号。利用MATLAB仿真过程详见图4。

    对比图2，3可知，运用小波阈值方法后，大多数噪声成分被消除，从而完整的呈现出电气电流信号。

    4 结 论

    运用db5小波进行分解，最小值设置为10，步长设置为200，最大值设置为600。对通过MATLAB的仿真实验结果如图4所示我们可以看出，在分解后的细节系数中存在比较窄的区域，也就是涉及到一个模的极大值很高的系数，按照其检测原理能够确定， 信号在这一区域中出现了间断点。结果表明，小波阈值方法能够很好的检测出电梯电气故障并在去噪方面有很好的效果，为电梯的电气故障的准确检测提供了保障，为为电梯电气故障远程监控打下基础。

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