李云波，季宇飞

（苏州莱茵电梯股份有限公司，江苏苏州 215500）

1 斜行电梯

自从1853 年，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯（Elisha Graves Otis）在纽约世界博览会展示了其电梯安全系统后，真正意义上的电梯就诞生了。人们开始通过具有安全保障的垂直升降设备来解决生活中的上下提升难题。随着驱动技术和控制技术的不断发展，电梯也不断在创新。而斜行电梯的历史要追溯到1889 年埃菲尔铁塔建成，为了解决登高代步，在埃菲尔铁塔上设置了斜行电梯，这是斜行电梯的雏形。随着社会的不断发展和进步，人们对代步提升方面的不断追求，斜行电梯作为电梯的一个比较小的分支，有了长足的发展。到21 世纪初，欧洲开始推出斜行电梯制造标准的试用版本。到2012 年，中国国家标准化委员会电梯委员会开始启动斜行电梯的制造标准的转化和制定工作。2018 年发布的GB/T 35857—2018《斜行电梯制造与安装安全规范》给出了斜行电梯明确的定义：斜行电梯是指服务于指定的层站，其运载装置用于运载乘客或货物，通过钢丝绳或链条悬挂，并沿与水平夹角≥15°且＜75°的导轨运行于限定路径内的提升设备，斜行电梯的运行路径仅限于同一铅垂面（图1）。斜行电梯主要是用来解决三大类难题。

图1 斜行电梯原理

（1）解决公共交通的无障碍出行难题，如高铁站、地铁站、火车站等。随着社会发展，社会越来越重视对残障人士的关爱，现代大型的交通枢纽都设有无障碍设施，但是有时候还是不方便。假如坐轮椅的乘客去乘坐地铁，因轮椅是无法乘坐自动扶梯的，就要去寻找垂直乘客电梯，而垂直乘客电梯通常和自动扶梯不能设置在同一位置，这就给有无障碍出行需求的乘客带来很大不便。如果采用斜行电梯作为无障碍出行方案，斜行电梯可以直接和自动扶梯并排设置，为无障碍出行的乘客带来更便捷的出行体验。

（2）解决特殊建筑内的斜行提升难题。设计师为了呈现建筑的美，很多建筑物都不是垂直设计的，会有倾斜、曲线等各种造型，建筑的特殊设计对其内部提升就会有不同的需求，很多场合无法设计垂直乘客电梯，斜行电梯也就在这类建筑中有用武之地。斜行电梯的出现，给了很多规划建筑师发挥建筑创意的空间，斜行电梯可以解决设计师设计的各种建筑中的斜面提升难题。

（3）解决山地、斜坡的斜行提升难题。很多景区为了解决提升代步，通常采用客运架空索道，但是客运架空索道更适合中长距离的人员运送，而斜行电梯弥补了中短距离运输提升的空白，因此很多景区已经开始将斜行电梯作为客运架空索道的补充设备进行设置。

2 变角度斜行电梯关键结构的设计

GB/T 35857—2018《斜行电梯制造与安装安全规范》将斜行电梯运行路径限定在同一铅垂面内，也就是限定了斜行电梯的轨迹只能在二维空间中运行。在这个铅锤面内，斜行电梯按运行路径可以划分为两大类：①直线轨迹运行；②变角度轨迹运行。直线轨迹运行斜行电梯是从斜行电梯运行的起点至终点，从技术角度讲，直线型斜行电梯比较容易设计。但是在很多时候，在电梯路径中的基础会有较高的落差，同时较高落差的部位跨度又比较大，这个时候，如果还是采用直线轨迹运行的斜行电梯，对基础的造价就会急剧增加，同时外观上也不美观。如果采用回填或开挖的方式，将整个路径调整到接近直线的电梯基础，工程量和造价会急剧增加。最好的选择就是采用变角度轨迹运行的方式进行斜行电梯的设置。变角度运行轨迹斜行电梯可以贴合现场基础结构设置，与基础浑然一体，看上去比较美观（图2）。变角度轨迹运行的轨道形式主要有3 种形状：上凸形，下凹形，波浪形（图3）。不同的轨道形状，适应不同的现场需要，更好地贴合基础，设计才更符合实际，才更具有可操作性。

图2 变角度运行轨迹斜行电梯

图3 变角度轨迹类型

2.1 自整角系统的设计

斜行电梯运行过程中，要始终保持轿厢地坪的水平，确保乘客在电梯轿厢中始终竖直站立，而在运行过程中运行轨道是有角度变化的，需要一套准确可靠的自整角系统来解决这个问题。研发的斜行电梯轿厢自整角平衡智能控制系统，能根据斜行电梯运行位置的变化，进行斜行电梯轿厢自平衡调整，使电梯轿厢地坪保持水平，提高了变角度斜行电梯运行过程中的安全性和平稳性，给乘客以更加舒适的体验感受。斜行电梯启动、运行、停止过程中，存在着加速、减速、乘坐人员的变化和变轨带来的加速度变化等。

斜行电梯是一个时变系统，特别是在高速状态下，斜行电梯运动控制十分复杂，对系统自整角控制精度更高，但是系统的时变特性，如果自整角控制调整，频响滞后势必给乘坐人员带来更不舒适的顿挫感觉。本技术利用可拓控制技术，适合快时变，自整角控制精度高的特点，结合斜行电梯具体结构参数，对斜行电梯运行进行自整角可拓控制。自整角可拓控制系统由5 个部分组成：特征量的抽取，特征模式识别，关联度计算，测量模式识别，控制输出计算（图4）。

图4 斜行电梯运行进行自整角可拓控制框图

斜行电梯轿厢运动自整角可拓控制数学模型：

控制条件为r=r∧r2∧r3

控制问题P 就是要在特定条件下，实现目标R，记为：

斜行电梯轿厢运动自整角可拓控制电路如图5 所示。

图5 斜行电梯轿厢运动自整角可拓控制电路

斜行电梯轿厢自整角可拓控制系统由控制模块单元、检测模块单元、执行模块单元、验证模块单元、安全保障模块单元所组成。控制模块单元由除电梯主控制系统以外的控制模块，对轿厢自整角系统的其他模块单元进行控制指令的输入与输出。检测模块单元采用非接触式绝对值编码器，对斜行电梯轿厢随运行轨迹变化进行在线坐标检测，将检测数据连续传输给轿厢自整角控制模块单元，控制单元发出相关自整角命令，给到执行模块单元。执行模块单元可采用多种方式实现轿厢地坪不受电梯运行轨迹变化的影响，始终保持水平状态。执行模块单元可以采用链条驱动方式、电缸顶升方式、液压缸顶升的方式、螺杆顶升方式等。验证模块单元由位置监测传感器对执行模块单元在整个顶升过程中全程进行位置监测，将即时位置信号实时传给轿厢自整角系统的控制模块单元，由控制模块单元将相关数据与检测模块单元反馈回来的数据进行比对，两者数据偏差在系统设定范围内，轿厢自整角系统工作有效。否则，轿厢自整角系统控制模块单元向电梯主控制系统传输故障信号，电梯主控制系统报警，电梯即时停止。安全保障模块单元是在检测自整角与预设角度有偏差时，用电控制动器的方式将翻转机构止停，防止轿厢出现明显的不水平，造成人员因倾斜而受到伤害（图6）。

图6 变角度运行斜行电梯

2.2 电源、控制信号、安全信号的传输方式

对于直线运行的斜行电梯，轿厢与电梯机房控制系统之间的电力传输和信号传输，是通过固定在轿厢和机房之间的随行电缆完成的。由于倾斜运行，随行电缆受重力不能单独自然悬挂，于是通过将随行电缆固定在工业拖链内腔，工业拖链一端固定在井道内，另一端固定在轿厢尾部，保证了随行电缆作为斜行电梯的电源和信号传输的安全可靠性。但是对于变角度运行斜行电梯而言，工业拖链只能顺向折弯，即使是下凹型运行轨迹，工业拖链也有局部鼓起的风险。因此，引入了安全滑触线加无线通信的方案，解决变角度斜行电梯轿厢和机房控制系统之间电源和信号的传输难题。

（1）安全滑触线在斜行电梯中的应用。斜行电梯轿厢中有电气设备需要电源供电，如动力门机系统、照明、风机等。依照目前的技术造价，还不方便采用无线输送强电的方式，因此引用了其他行业的安全滑触线输电方式给电梯轿厢供电。电源通过机房引线接到安全滑触线顶端，使滑触线带电，再通过固定在轿厢上的集线器与安装在贯穿井道的安全滑触线接触，通过集线器在滑触线上沿着运行路径滑动，将电源导入到轿厢的配电箱中，分配给各用电设备使用，可靠解决了变角度斜行电梯给轿厢上设备输电的难题。也可以在轿厢上采用蓄电池储电，但是要同时考虑蓄电池储电量和安全风险，因此采用全程安全滑触线，不考虑使用蓄电池。

（2）通过无线通信进行轿厢和机房之间的CAN 总线通信。随着这些年的科技进步，电梯控制技术也有了很大进步，由过去几十年的并行通信、RS485 通信发展到目前大量使用CAN 总线通信。目前CAN 总线在电梯上主要应用在3 个部分：①单台电梯轿厢控制和显示模块与机房控制系统之间的通信；②各个层站显示模块和机房控制系统之间的通信；③不同电梯之间的并联控制或群控通信。通过无线传输的方式替代斜行电梯轿厢与机房控制系统之间的CAN 总线通信，解决了变角度斜行电梯随行电缆不方便设置的难题。斜行电梯的轿厢和机房控制系统之间的通信采用定向无线发射和接收技术，让斜行电梯的设计结构更简单，对于运行行程比较大的斜行电梯，也降低了一定的部件成本和维护成本。无线通信的种类很多种，如Zigbee、蓝牙、Wi-Fi、移动通信、传统数传电台等。本文所述采用了LCWLAN-622 智能适配器完成斜行电梯机房控制系统与轿厢控制板之间的无线通信，LCWLAN-622 是专为CAN 总线网络与无线IP 网络（WLAN 或Wi-Fi）之间或多个CAN 总线网络之间通过无线IP 网络（WLAN 或Wi-Fi）传输CAN 总线数据而设计CAN/WLAN 适配器，具有优秀的EMC 性能，无线IP 网络（WLAN或Wi-Fi）符合IEEE802.11b/g/n 标准。将一个LCWLAN-622 模块设置成AP 工作模式，另一个LCWLAN-622 模块设置成Station 工作模式，将CAN 总线的信息通过无线发包方式进行双向传输。同时采用了定向天线，在机房和轿厢相对应的方向上，实现前向增益，确保信号传输更加稳定，对后向或周围其他设备降低潜在干扰的可能。无线通信的应用，既解决了变角度斜行电梯不方便设置随行电缆的困难，也使得斜行电梯外部结构看起来更加简洁大方。斜行电梯无线通信系统电气图，如图7～图9 所示。

图7 机房控制系统电气图

图8 无线通信回路电气图

图9 轿厢控制板电气图

（3）安全信号的传输。电梯轿厢处有轿厢门锁触点，常规做法是串接在电梯门锁回路内；另有安全钳的安全开关，常规做法是串接在电梯安全回路内。对于无法进行随行电缆布置的变角度斜行电梯，门锁回路和安全回路中的信号是安全信号，传输方式同样有2种：①采用安全滑触线的方式，将门锁信号和安全钳开关信号通过增加安全滑触线的根数来传输，此种传输方式增加了滑触线的数量，成本增加比较明显；②采用无线传输方式，但是无线传输安全信号要符合相关国家标准对安全可靠性的要求。在GB/T 35857—2018《斜行电梯制造与安装安全规范》附录A 电气安全装置表中有如下规定：“5.5.9.2 检查轿门的关闭位置，安全完整性等级为SIL3……5.6.8.8检查安全钳的动作，安全完整性等级为SIL1。”无线通信方式，是不能直接反应通信传输的安全完整性等级，是否能够满足上述两项中的等级要求，如果采用无线通信的方式进行安全信号的传输，就要对无线信号传输系统进行“斜行电梯安全相关的可编程电子系统（PESSRAL）”的相关认证，验证所应用的无线通信系统能够满足标准中的安全完整性等级的要求和相关可靠性要求。

3 结语

阐述变角度斜行电梯的两个关键技术和实现方式，即自整角技术，安全滑触线与无线通信方式相结合的应用，希望本文能够给在斜行电梯应用方面的需求者一些指导和帮助。