基于可靠性的电梯故障分析及诊断
天津科技大学 阎 明
【摘要】本文探讨了电梯故障诊断与预防性维修问题，从电梯的可靠性运行的概念及可靠性指标分析，介绍了电梯的典型故障分类，同时，运用故障树方法对电梯故障进行分析，给出相应的诊断流程，为专家系统的实现奠定了基础。【关键词】故障树；诊断；预防性
电梯的安全可靠性，是一个系统工程，由设计、制造、安装、维护各个环节和元器件的可靠性等来保证，电梯运行的可靠性关系到乘客的生命安全。目前，已有的电梯监控与故障诊断系统主要功能集中在电梯运行状态的在线监视、自动报警与应急处理以及运行时运行信息的记录与统计，注重数据记录与统计。而对电梯发生故障情况下的诊断与排除研究较少，在电梯故障发生情况下，不能对电梯故障的及时、快速诊断提供指导意义，对于现场故障的排除无法进行。在我国，电梯用户普遍把降低电梯的故障率、减少故障停梯时间、快速判断和排除故障作为对电梯的首要要求。
1.可靠性的概念
从广义上讲，“可靠性”是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度，从狭义来讲，可以分为环境可靠性、产品可靠性等，一般产品或其他在使用期间没有发生故障的性质。因此，可靠性可以定义为：产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力，一般包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素[1]。
在电梯故障分析中，电梯的可靠性运行可以定性为电梯设备在规定的条件和时间内完成所规定功能的能力。也就是说特定的条件、时间、完成某个任务是保证电梯安全可靠运行的核心条件。这其中“特定的条件”包括电梯使用时的环境以频率显示辅助电路具有一定的实用性，在调试过程中，须将标准信号源接入，SA在“外接”位，信号源频率调节为5000HZ，然后调节定时器电路阻容网络（调节RP1），使Q端输出为T=2S，即为正电平1S，使闸门打开时间为1S，操作时为调节RP1使数码管显示5000。SA放到“校准”位时，调节RP2到中间位，再调节RP3使数
及工作条件，同一台电梯在不同条件下工作表现出不同的可靠性水平[2]。
2.可靠性指标分析
电梯正常运行的条件还包括了电梯的规范使用以及良好的维护保养。“时间”和电梯设备的可靠性关系极为密切。在某个特定的时间完成一项任务响应，自然需要极高的可靠性。但是随着电梯设备使用时长的增加，电梯的工作时间增大，自然其可靠性水平就会有所降低，电梯设备的可靠性和时间在数学角度存在一定的对应函数关系。“完成某个任务”是电梯设备功能表中给出的正常工作的性能指标，电梯的作用就是需要在某个环节成功完成运载环节。这其中还包括载重量、运行速度、安全保护功能、控制功能、平层准确度、噪声、舒适感等。
电梯的安全可靠性一般我们可以把它分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是电梯在设计、制造中赋予的，是电梯设备固有的一种特性，也是产品的开发设计者可以控制的。而使用可靠性则是电梯在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素外，还要考虑电梯在安装、操作使用和维修保养等方面因素的影响[3]。
3.基于电梯可靠性故障诊断及分析常用的安全可靠性分析有典型故障模式和故障树分析两种，典型故障模式是对电梯设备所有可能的故障，并根据对故障模式的分析，确定每种故障模式对电梯码管显示5000即完成。
参考文献
[1]杨帆.数字频率计的设计与实现[J].科技广场,2011(9).[2]武卫华.基于SoPC的嵌入式数字频率计设计与实现[J].电子测量与仪器学报,2010(2).
[3]沈亚钧.基于单片机的数字频率计设计[J].山西电子技术,2012(10).
安全、正常运行的影响，找出单点故障，并按故障模式的严重程度及其发生的概率确定其危害性[4]。“故障树”诊断方法通过对可能造成系统故障的各种原因进行分析，从而建立故障诊断系统的故障树，并确定设备系统故障原因的组合方式及其发生概率，推理出设备系统发生各种故障的可能性，技术专家依据该诊断结果采取相应的措施进行调整设备[5]。
3.1 电梯故障分类3.1.1 曳引式电梯1）门机构引起故障
电梯门系统故障是各类电梯故障产生的最主要因素，约占所有故障比例的61%。门系统包括层门和轿门，是电梯的重要安全保护设施，据国家不完全统计，电梯发生的人身伤亡事故中约70%是由于层门引起的。门系统出现故障主要是运作相对频繁、电气联锁接触不良、开关门受阻、人为撞击层门和轿门等原因。
2）控制屏引起故障
电梯控制屏引起的故障在所属上主要是电气设备引起的故障，大约在设备原因中15%。主要包括：电梯的制动器无法正常工作、控制电路的芯片等线路板部分引起的故障、电路控制系统中中间继电器以及接触器引起的故障。
3）井道设备引起故障
井道设备主要存在于曳引电梯的钢丝绳问题，约占8%，钢丝绳问题一直是电梯发展的重要难题之一。
[4]徐秀妮.基于VHDL语言的全同步数字频率计的设计与研究[C].长安大学,2011-05-25.
作者简介：王伟明，实验师，现供职于苏州大学，研究方向：电子电路。
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3.1.2 自动扶梯1）梳齿与梳齿引起
在自动扶梯和自动人行道出现的主要故障中，梯级和梳齿板故障占31%。自动扶梯和自动人行道的梳齿板位于运行的梯级或踏板出入口，是与梯级或踏板相啮合的部件，也是电梯的安全保护装置，如有异物卡入可以使电梯停止运行。由于自动扶梯和自动人行道是敞开式的，如果乘客在使用扶梯时把杂物丢在梯级上，很容易使梳齿板卡入异物，导致故障停止运行。
2）扶手带装置引起
扶手带装置的故障率也相对较高，扶手带是乘客使用自动扶梯时必须抓紧的部件，它必须与梯级同步运行，但由于制造材料和维修保养不当的原因，使用一段时间后扶手带运行不畅或滞后，极易引起乘客后倾跌倒。
3.2 故障树诊断方法
故障树是一种将故障诊断系统故障形成的原因从整体到部分逐渐细化，对故障诊断系统的安全性和可靠性进行评价的分析方法。
3.2.1 故障树的层次故障诊断模型
故障树模型是一个基于研究对象、功能特征的行为模型，它是一种定性故障因果模型。首先以对象最不希望发生的事件为顶端事件，逐级向下追溯各级事件的必需且充分的直接原因，直到不可分事件（底事件）为止。
图1是一颗与或门相连的二叉树，其中a为树根（顶事件），b、c、d为中间节点（中间事件），e、f、g、h、i为叶节点（底事件）。
图1中故障树的故障传播方向见图2。每条路径都有故障传播的权值，可见基于故障树的传播的有向故障树图为带权有向故障树图。因为基于故障树模型诊断的故障源处是故障树的最低层，因此故障树传播方向为从顶事件——中间事中件——底事件。
故障树模型是一个反映诊断对象结构、功能和行为的定性因果关系模型，它体现故障传播的层次和子、父节点间关系的因果性。故障树上某一节点和其父节点间构成一个正向因果链，就故障诊断而言，子节点是父节点的故障源。故障树上某一子节点与其父节点之间存在着确定性的因果关系，即如果子事件发生，那么父事件一定发生表示为：IF子事件THEN父事件，因此可借鉴经验规则的IF—THEN表示
由此解释，依照故障树的层次结构将规则库分解为一层一层的规则子库，如图3，每一层规则子库用来诊断故障树相应层的故障。这样，规则库诊断系统在获得用户提供的故障征兆后，只需要一次推理便可确定所有故障原因，诊断效率大大提高。
本系统考虑到电梯系统故障中以电梯运行中震动大的故障为最多，所以对电梯运行中震动大的故障识别和诊断技术的要求越来越高。把专家系统理论和知识处理方法应用于故障诊断，建立完善的智能诊断系统，对电梯运行的稳定性和安全性有着相当重要的意义。
以图4以电梯无法运行的典型故障树为例，系统推理以故障现象、规则号、规则条件内容为诊断流程形式，逐层往下推理，最终得出故障结论。
本系统采用反向推理方式，在进行故障诊断的推理过程中，首先从事实及相关规则出发，层层往下推导.
4.小结
电梯产品集机械、电子、信息等多领域技术于一体，其构造的复杂性使上述前三种故障诊断技术难以在实际操作中得以应用。而在理论上对电梯故障作出了较深入的分析，基于案例推理的故障诊断和电梯的故障树诊断方法的运用和对电梯故障进行分析，展开了较深入的理论分析，下一步的工作即是用理论计算的更换时间去现场操作，来进一步验证理论分析的有效性。
参考文献
[1]史慧,王伟,高戈.智能故障诊断专家系统开发平台[J].计算机测量与控,2005,13(11):1167-1169.
[2]Liao S H,Expert system methodologies and applications-a decade review from 1995 to2004,Expert Systems with Applications,2005,28(1):93-103.
[3]吴明强,李霁红,曹爱东,史慧.故障诊断专家系统综合智能推理技术研究[J].计算机测量与控制,2004,12 (10):932-934.
[4]Kolodner J.L.An introduction to case based reasoning[J].Arti fi cial Intelligence Review,1992,6(1):3-34.
形式来表示故障树的正向因果关系。但尽管表示形式相同，实质上两者是有差别的，经验知识中的lF—THEN表示的是浅知
图1 故障树抽象树
识，而故障树模型中的IF—THEN表示的是深知识。因此系统把故障树模型中的IF—THEN表示为广义规则。
考虑到面向对象的思想与故障树的结合，系统提供如下的知识表示形式：面向故障树的基于框架和广义规则的混合知识表示。所谓面向故障树，就是把每个故障树作为一个对象，有关该树的信息装在一个独立的框架中，而框架对应广义规则。
图2 故障树抽象传播图
3.2.2 故障树模型的推理
因为故障树中下一层子故障是上一层父结点故障按照对诊断对象的某一分解原则（结构分解原则、功能分解原则、故
图3 规则库分层原理图
障分解原则）分解得到的。所以故障树中同一层的故障之间在结构、功能或故障传播上是相互联系的；当诊断出故障树某一层中的一个故障时，通过结构、功能或故障传播上的联系一般便可以确定同层的其他故障。
图4 电梯运行中震动大的故障树
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基于可靠性的电梯故障分析及诊断
天津科技大学 阎 明
【摘要】本文探讨了电梯故障诊断与预防性维修问题，从电梯的可靠性运行的概念及可靠性指标分析，介绍了电梯的典型故障分类，同时，运用故障树方法对电梯故障进行分析，给出相应的诊断流程，为专家系统的实现奠定了基础。【关键词】故障树；诊断；预防性
电梯的安全可靠性，是一个系统工程，由设计、制造、安装、维护各个环节和元器件的可靠性等来保证，电梯运行的可靠性关系到乘客的生命安全。目前，已有的电梯监控与故障诊断系统主要功能集中在电梯运行状态的在线监视、自动报警与应急处理以及运行时运行信息的记录与统计，注重数据记录与统计。而对电梯发生故障情况下的诊断与排除研究较少，在电梯故障发生情况下，不能对电梯故障的及时、快速诊断提供指导意义，对于现场故障的排除无法进行。在我国，电梯用户普遍把降低电梯的故障率、减少故障停梯时间、快速判断和排除故障作为对电梯的首要要求。
1.可靠性的概念
从广义上讲，“可靠性”是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度，从狭义来讲，可以分为环境可靠性、产品可靠性等，一般产品或其他在使用期间没有发生故障的性质。因此，可靠性可以定义为：产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力，一般包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素[1]。
在电梯故障分析中，电梯的可靠性运行可以定性为电梯设备在规定的条件和时间内完成所规定功能的能力。也就是说特定的条件、时间、完成某个任务是保证电梯安全可靠运行的核心条件。这其中“特定的条件”包括电梯使用时的环境以频率显示辅助电路具有一定的实用性，在调试过程中，须将标准信号源接入，SA在“外接”位，信号源频率调节为5000HZ，然后调节定时器电路阻容网络（调节RP1），使Q端输出为T=2S，即为正电平1S，使闸门打开时间为1S，操作时为调节RP1使数码管显示5000。SA放到“校准”位时，调节RP2到中间位，再调节RP3使数
及工作条件，同一台电梯在不同条件下工作表现出不同的可靠性水平[2]。
2.可靠性指标分析
电梯正常运行的条件还包括了电梯的规范使用以及良好的维护保养。“时间”和电梯设备的可靠性关系极为密切。在某个特定的时间完成一项任务响应，自然需要极高的可靠性。但是随着电梯设备使用时长的增加，电梯的工作时间增大，自然其可靠性水平就会有所降低，电梯设备的可靠性和时间在数学角度存在一定的对应函数关系。“完成某个任务”是电梯设备功能表中给出的正常工作的性能指标，电梯的作用就是需要在某个环节成功完成运载环节。这其中还包括载重量、运行速度、安全保护功能、控制功能、平层准确度、噪声、舒适感等。
电梯的安全可靠性一般我们可以把它分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是电梯在设计、制造中赋予的，是电梯设备固有的一种特性，也是产品的开发设计者可以控制的。而使用可靠性则是电梯在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素外，还要考虑电梯在安装、操作使用和维修保养等方面因素的影响[3]。
3.基于电梯可靠性故障诊断及分析常用的安全可靠性分析有典型故障模式和故障树分析两种，典型故障模式是对电梯设备所有可能的故障，并根据对故障模式的分析，确定每种故障模式对电梯码管显示5000即完成。
参考文献
[1]杨帆.数字频率计的设计与实现[J].科技广场,2011(9).[2]武卫华.基于SoPC的嵌入式数字频率计设计与实现[J].电子测量与仪器学报,2010(2).
[3]沈亚钧.基于单片机的数字频率计设计[J].山西电子技术,2012(10).
安全、正常运行的影响，找出单点故障，并按故障模式的严重程度及其发生的概率确定其危害性[4]。“故障树”诊断方法通过对可能造成系统故障的各种原因进行分析，从而建立故障诊断系统的故障树，并确定设备系统故障原因的组合方式及其发生概率，推理出设备系统发生各种故障的可能性，技术专家依据该诊断结果采取相应的措施进行调整设备[5]。
3.1 电梯故障分类3.1.1 曳引式电梯1）门机构引起故障
电梯门系统故障是各类电梯故障产生的最主要因素，约占所有故障比例的61%。门系统包括层门和轿门，是电梯的重要安全保护设施，据国家不完全统计，电梯发生的人身伤亡事故中约70%是由于层门引起的。门系统出现故障主要是运作相对频繁、电气联锁接触不良、开关门受阻、人为撞击层门和轿门等原因。
2）控制屏引起故障
电梯控制屏引起的故障在所属上主要是电气设备引起的故障，大约在设备原因中15%。主要包括：电梯的制动器无法正常工作、控制电路的芯片等线路板部分引起的故障、电路控制系统中中间继电器以及接触器引起的故障。
3）井道设备引起故障
井道设备主要存在于曳引电梯的钢丝绳问题，约占8%，钢丝绳问题一直是电梯发展的重要难题之一。
[4]徐秀妮.基于VHDL语言的全同步数字频率计的设计与研究[C].长安大学,2011-05-25.
作者简介：王伟明，实验师，现供职于苏州大学，研究方向：电子电路。
/2013.02/
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3.1.2 自动扶梯1）梳齿与梳齿引起
在自动扶梯和自动人行道出现的主要故障中，梯级和梳齿板故障占31%。自动扶梯和自动人行道的梳齿板位于运行的梯级或踏板出入口，是与梯级或踏板相啮合的部件，也是电梯的安全保护装置，如有异物卡入可以使电梯停止运行。由于自动扶梯和自动人行道是敞开式的，如果乘客在使用扶梯时把杂物丢在梯级上，很容易使梳齿板卡入异物，导致故障停止运行。
2）扶手带装置引起
扶手带装置的故障率也相对较高，扶手带是乘客使用自动扶梯时必须抓紧的部件，它必须与梯级同步运行，但由于制造材料和维修保养不当的原因，使用一段时间后扶手带运行不畅或滞后，极易引起乘客后倾跌倒。
3.2 故障树诊断方法
故障树是一种将故障诊断系统故障形成的原因从整体到部分逐渐细化，对故障诊断系统的安全性和可靠性进行评价的分析方法。
3.2.1 故障树的层次故障诊断模型
故障树模型是一个基于研究对象、功能特征的行为模型，它是一种定性故障因果模型。首先以对象最不希望发生的事件为顶端事件，逐级向下追溯各级事件的必需且充分的直接原因，直到不可分事件（底事件）为止。
图1是一颗与或门相连的二叉树，其中a为树根（顶事件），b、c、d为中间节点（中间事件），e、f、g、h、i为叶节点（底事件）。
图1中故障树的故障传播方向见图2。每条路径都有故障传播的权值，可见基于故障树的传播的有向故障树图为带权有向故障树图。因为基于故障树模型诊断的故障源处是故障树的最低层，因此故障树传播方向为从顶事件——中间事中件——底事件。
故障树模型是一个反映诊断对象结构、功能和行为的定性因果关系模型，它体现故障传播的层次和子、父节点间关系的因果性。故障树上某一节点和其父节点间构成一个正向因果链，就故障诊断而言，子节点是父节点的故障源。故障树上某一子节点与其父节点之间存在着确定性的因果关系，即如果子事件发生，那么父事件一定发生表示为：IF子事件THEN父事件，因此可借鉴经验规则的IF—THEN表示
由此解释，依照故障树的层次结构将规则库分解为一层一层的规则子库，如图3，每一层规则子库用来诊断故障树相应层的故障。这样，规则库诊断系统在获得用户提供的故障征兆后，只需要一次推理便可确定所有故障原因，诊断效率大大提高。
本系统考虑到电梯系统故障中以电梯运行中震动大的故障为最多，所以对电梯运行中震动大的故障识别和诊断技术的要求越来越高。把专家系统理论和知识处理方法应用于故障诊断，建立完善的智能诊断系统，对电梯运行的稳定性和安全性有着相当重要的意义。
以图4以电梯无法运行的典型故障树为例，系统推理以故障现象、规则号、规则条件内容为诊断流程形式，逐层往下推理，最终得出故障结论。
本系统采用反向推理方式，在进行故障诊断的推理过程中，首先从事实及相关规则出发，层层往下推导.
4.小结
电梯产品集机械、电子、信息等多领域技术于一体，其构造的复杂性使上述前三种故障诊断技术难以在实际操作中得以应用。而在理论上对电梯故障作出了较深入的分析，基于案例推理的故障诊断和电梯的故障树诊断方法的运用和对电梯故障进行分析，展开了较深入的理论分析，下一步的工作即是用理论计算的更换时间去现场操作，来进一步验证理论分析的有效性。
参考文献
[1]史慧,王伟,高戈.智能故障诊断专家系统开发平台[J].计算机测量与控,2005,13(11):1167-1169.
[2]Liao S H,Expert system methodologies and applications-a decade review from 1995 to2004,Expert Systems with Applications,2005,28(1):93-103.
[3]吴明强,李霁红,曹爱东,史慧.故障诊断专家系统综合智能推理技术研究[J].计算机测量与控制,2004,12 (10):932-934.
[4]Kolodner J.L.An introduction to case based reasoning[J].Arti fi cial Intelligence Review,1992,6(1):3-34.
形式来表示故障树的正向因果关系。但尽管表示形式相同，实质上两者是有差别的，经验知识中的lF—THEN表示的是浅知
图1 故障树抽象树
识，而故障树模型中的IF—THEN表示的是深知识。因此系统把故障树模型中的IF—THEN表示为广义规则。
考虑到面向对象的思想与故障树的结合，系统提供如下的知识表示形式：面向故障树的基于框架和广义规则的混合知识表示。所谓面向故障树，就是把每个故障树作为一个对象，有关该树的信息装在一个独立的框架中，而框架对应广义规则。
图2 故障树抽象传播图
3.2.2 故障树模型的推理
因为故障树中下一层子故障是上一层父结点故障按照对诊断对象的某一分解原则（结构分解原则、功能分解原则、故
图3 规则库分层原理图
障分解原则）分解得到的。所以故障树中同一层的故障之间在结构、功能或故障传播上是相互联系的；当诊断出故障树某一层中的一个故障时，通过结构、功能或故障传播上的联系一般便可以确定同层的其他故障。
图4 电梯运行中震动大的故障树
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