超高层建筑建造体量和难度巨大, 工期紧, 交叉作业多, 给超高层建筑中垂直运输设备带来严峻考验。施工电梯作为超高层建造过程中最常见的垂直运输设备, 承担着人员和材料运输的巨大任务。由于施工电梯结构形式的特殊性, 其运行速度提高的可能性不大, 为满足超高层建筑对垂直运输的巨大需求, 通常高度>400m的超高层需配备8部以上施工电梯, 占用很多施工平面, 相应的超高层建筑外幕墙安装工作也必须在施工电梯拆除后才能进行, 极大地制约了超高层建筑的施工工期^[1,2]。

目前施工电梯大多采用单边直上直下的运行方式, 导轨架越高, 对导轨架的利用率越低。为此, 本文研发了单导轨架多笼循环运行施工电梯^[2] (以下简称“循环电梯”) , 该循环电梯在普通施工电梯导轨架中每隔一定距离布置可以使梯笼变换轨道的旋转节;电梯梯笼行驶到旋转节处, 通过旋转节变换至对面轨道, 所有梯笼可以从一边轨道向上行驶, 在旋转节处变换至另一边轨道后向下行驶, 梯笼运行至底部旋转节处时, 再通过底部旋转节变换至对面轨道重复向上行驶, 实现循环运行。在单个导轨架上安装多台施工电梯, 从而提高单个导轨架的利用效率和运力。

循环电梯作为一种全新运行方式的施工电梯, 在降低施工平面占用面积、大幅度提高垂直运输能力的同时, 也带来一些新的问题, 如如何避免电梯间相撞、如何保证电梯梯笼旋转换轨的安全稳定可靠等。针对应用于武汉绿地中心超高层项目拟投入的含有8部梯笼的单导轨架多笼循环运行施工电梯的综合监控系统进行技术研究。

循环电梯相比传统施工电梯, 结构组成、控制原理及运行方式都有极大创新。传统施工电梯的控制方式、供电方式和调度方式不仅不再适用, 而且还对施工电梯的安全性、动力性和可靠性提出了更高要求。应用于武汉绿地中心项目的循环电梯, 拟投入8部梯笼, 导轨架设计高度范围 -25～575m, 拟投入5部旋转节, 以地平面作为0m标尺, 旋转节的高度分布为-25, 0, 200, 400, 575m。对武汉绿地中心项目循环电梯综合监控系统的研究, 主要解决以下关键技术。

综合监控系统作为整个控制系统的核心, 必须能够对所有控制节点进行控制, 其中也包括每个旋转节控制系统。本系统共有5部旋转节, 高度方向跨越600m, 由于旋转节控制系统安装于楼层楼板上, 属于固定控制对象, 所以, 采用有线通信方式最合理。由于控制节点多, 数据量庞大, 后续还有扩展需求, 首选千兆工业以太网作为控制网络。又因旋转节间最大间距达200m, 超过普通电介质网线的极限传输长度 (100m) , 故采用光纤作为主干网络的通信介质。具体实施方式为:从综合监控系统所在地面主监控站开始, 沿建筑物向上敷设固定的主干路光纤通信网络, 在每个旋转节控制柜所在楼层设置中转接入交换机, 旋转节控制柜通过中转交换机并入主干路光纤通信网络, 这样就可以实现综合监控系统对旋转节控制系统的远程集中控制。网络结构如图1所示。

综合监控系统作为整个控制系统的核心, 必须了解当前所有电梯梯笼的详细状态, 梯笼状态由梯笼自身实时发送给综合控制系统。电梯梯笼在循环移动时, 周围环境复杂恶劣, 不仅有高空坠物、强灰尘和油污污染、钢结构遮挡、建筑垃圾杂物等物理不利因素, 更有大功率变压器、电焊机作业等强电场和强磁场的干扰。加之施工电梯运行环境完全开放, 使用人员专业素质参差不齐等不利因素, 基本无法采取有线通信的方式, 只能考虑无线通信, 而现有的几种无线通信方式都无法很好地满足要求, 其优缺点如下。

优点:成本低, 网络延迟小;缺点:传输距离太近, 可靠性较差, 带宽不够高, 通用性和扩展性差。

优点:带宽高, 成本低, 传输距离远;缺点:高空信号弱, 网络延迟大, 可靠性较差。

优点:带宽高, 网络延迟小, 通用性和扩展性好;缺点:传输距离不能太远, 可靠性有待进一步提高。

在进行技术调研后, 综合以上无线通信方式的优缺点, 结合现场施工环境的实际需求, 综合考虑通用性和扩展性, 本项目最终决定使用工业级无线局域网 (IWLAN) 实现电梯梯笼和综合监控系统之间的通信。工业无线局域网是IEEE802.11标准的扩展, 是一种高可靠性的WiFi网络, 尤其适合在实时与冗余性方面具有严苛要求的工业应用中使用。本项目使用德国西门子工业无线局域网的SCALANCE W产品, 配合西门子专用于有轨运动控制系统的定向发射天线——RCoax天线 (漏波电缆) 。该天线可将无线信号扩展为沿天线敷设方向的、可靠的圆锥形无线电场, 适合有复杂无线覆盖区域的固定轨道运动控制对象^[3]。RCoax特殊定向天线在固定轨道运动控制对象的典型应用场景如图2所示。

另外, 由于单个无线网络接入点 (Access Point, 简称AP) 的覆盖范围有限, 所以必须使用多个AP对无线控制网络进行中继, 基于RCoax特殊定向天线的无线控制网络, 其网络带宽与RCoax天线的敷设长度l、 RCoax天线的覆盖半径d具有如图3所示的特定线性关系。

对于现场施工布置条件, 一般位于梯笼的接收天线距离RCoax发射天线1m左右, 即d=1m, 由图3可以看出, RCoax天线在半径为1m的辐射范围内, 最大允许传输距离约为125m, 此时无线网络带宽仅有6Mbit/s (见图3中点3) , 可能无法满足控制系统的要求。为充分考虑施工敷设的方便性, 选择RCoax天线的敷设长度为50m, 此时RCoax天线的网络带宽为36Mbit/s (见图3中点1) , 能较好地满足控制系统的要求。

每隔100m布置1台AP, 就近接入最近的主干网络交换机, 每台AP的信号覆盖以其为中心的上下50m范围, 理论上这种级联方式可以无限扩展, 所以此种无线控制网络的方案具有很高的适用性和实用性。梯笼在导轨架上循环运行时, 在不同AP间实现自动漫游切换, 保证无线控制信号畅通^[4]。

循环电梯的操作人员通过综合监控系统控制电梯的上下运行和旋转换轨, 涉及多种控制模式和控制动作的组合;同时, 所有梯笼控制系统和旋转节控制系统的状态都会实时显示在综合监控系统上, 如果采用传统的按键和灯面板控制界面, 整个控制系统的体积将十分庞大, 也不利于对显示信息的实时解读;并且, 综合监控系统的主要控制对象只有2大类——梯笼和旋转节, 如果对控制对象进行分类管理和控制, 将大大优化控制结构的复杂程度, 另外, 采用GUI动态界面, 可以更直观地显示电梯梯笼和旋转节控制系统的状态信息^[5,6]。

相比常规施工电梯, 循环电梯在单根轨道上同时运行多部梯笼, 综合监控系统负责对所有梯笼进行集中调度, 保证多梯笼循环运行的安全和高效, 特别是要保证梯笼不会发生相互碰撞, 这就对综合监控系统的可靠性提出了极高要求。为保证综合监控系统和旋转节、梯笼之间的通信时刻保持联通, 就必须设置一个通信安全保障机制, 该机制可自动实时监测系统的通信状态, 一旦发生通信中断, 各系统就会自动报警, 并执行特定的安全保护程序, 如终止自动运行、停机等待等。

为确保循环电梯的安全运行, 综合监控系统采用多种方法保证梯笼间、梯笼和旋转节之间的安全, 保证不会发生相互碰撞的现象。

1) 梯笼作为被控制对象, 各种状态会实时传送给综合监控系统以便计算出正确的控制指令。梯笼各项状态信息是否正确将对综合监控系统的控制有非常大的影响。在梯笼所有状态信息中, 梯笼高度和速度信息最重要。为保证梯笼高度和速度信息的绝对准确, 系统采取了一系列措施:①每部梯笼采用3个独立的绝对值编码器, 分别测量计算梯笼高度和速度信息, 并且实时相互校验3种测量值的误差, 一旦监测到相互误差超过设定阈值后, 系统立即报警, 并且限制梯笼只能以最低速度运行至维修区域检测维修;②为保证梯笼绝对高度不偏移, 系统还在导轨架的固定高度位置设置绝对高度校验装置, 梯笼每次经过此固定位置的高度校验装置时, 会自动重新标定一次绝对高度信息^[5,6], 如图4所示。

2) 综合监控系统接收到所有梯笼的状态信息时, 会自动计算梯笼间的相对距离, 综合监控系统据此自动控制各梯笼的最高行驶速度, 保证梯笼不发生碰撞。如当相邻梯笼的距离>40m时, 允许追赶的梯笼以高速行驶;当相邻梯笼的距离<40m, 但>25m 时, 允许追赶的梯笼以中速行驶;当相邻梯笼的距离<25m, 但>15m时, 允许追赶的梯笼以低速行驶;当相邻梯笼的距离<15m时, 限制追赶的梯笼停车等待^[5,6]。

3) 综合监控系统根据梯笼的位置和速度状态信息, 也会自动计算梯笼和正在旋转的旋转节间的距离, 根据距离, 综合监控系统自动控制相应梯笼的最高行驶速度, 保证梯笼不和旋转节发生相撞。如当相对距离>40m时, 允许靠近的梯笼以高速行驶;当相对距离<40m, 但>25m时, 允许靠近的梯笼以中速行驶;当相对距离<25m, 但>15m时, 允许靠近的梯笼以低速行驶;当相对的距离<15m时, 限制靠近的梯笼停车等待^[5,6]。

4) 若旋转节区域上下一定范围内 (如25m) 有梯笼正在靠近行驶, 不允许旋转节启动旋转定位程序, 等待靠近的梯笼停止或远离后, 方可重新启动旋转定位程序。作为额外的保护措施, 旋转节在旋转时, 系统会切断旋转节及其上下9m范围内的动力电源, 防止梯笼强行闯入旋转节区域^[5,6], 如图5所示。

5) 梯笼自身控制系统作为综合监控系统的一部分, 也具备多级安全保证措施:①梯笼控制系统具备通信断网保护机制, 即使在空闲时段, 梯笼也与综合监控系统时刻保持“心跳”通信, 一旦监测到“心跳”信号没有更新, 梯笼控制系统会立即报警并自动减速停车, 如图6所示;②梯笼控制系统还具备完全独立的自动识别及紧急制动功能, 此功能通过在梯笼顶部和底部安装测距仪, 实时测量梯笼上下障碍物的距离, 一旦监测到障碍物的距离低于设定的阈值时, 控制系统会立即停车制动, 避免撞上障碍物^[5,6], 如图7所示。

综合监控系统的人机交互控制界面设计采用分层分级设计理念, 主界面包含关键信息、全局概览信息等;也可对各系统的正常使用功能进行操作, 如导轨架的全高度概览、梯笼分布图、各梯笼的状态 (使用颜色区分) 等;也可对梯笼进行平层运行操作, 如在旋转节旋转换轨等^[5,6], 如图8所示。

如果需要操作查看某一个梯笼或旋转节的高级控制信息, 只需点击主界面对应的选项卡, 进入详细控制界面, 就可对相应控制对象进行全功能控制^[5,6]。

应用于超高层建筑施工的循环电梯综合监控系统解决了多梯笼循环运行的追赶碰撞问题, 安全高效, 并通过简洁方便的人机交互界面, 快速定位系统的各状态参数。采用施工电梯综合监控系统, 不仅有利于提高施工电梯的安全和运行效率, 也有利于提高施工电梯行业工业自动化水平, 最大限度地提高单位电梯的利用效率, 节能减排。

随着超高层建筑高度不断刷新纪录, 循环电梯的优势更加凸显, 其综合监控系统也将朝着智能化、标准化、集成化的方向发展, 各子控制对象在综合监控系统的统一调配下, 互相协调, 从而达到安全高效、循环运行的目的。

目前, 武汉绿地中心项目循环电梯安装高度已达400m, 已经配备6部梯笼、4部旋转节, 各项控制系统运行指标正常, 后期根据项目需求, 将继续加高, 同时也会增加投入运行的梯笼和旋转节数量, 为项目的生产建设服务。