基于DSP的电梯能效测量软件开发设计论文.doc

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1、DSP-based software development of elevators energy efficiency measures A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate： Supervisor：Prof. Xiao Bing South China University of Technology Guangzhou, China 华南理工大学硕士学位论文 基于 DSP 的电梯能效测量软件开发 I 摘 要 电梯是与人类日常生活紧密相关的交通工具，并且随着电梯数量的急剧增加，巨 大的电梯能耗已经引起社会和

2、政府职能部门的密切关注。建立合理的电梯能评价方式， 可以为企业了解电梯能效提供方法，为客户选择节能电梯提供依据，为政府进行电梯 能效的审查和监管提供技术支撑，对于促进节能电梯的开发和推广具有重要的指导意 义。 本文所述的由我们自主研发的基于差额质量速度积分法的电梯能效测量仪，是一 种检测电梯能源利用效率的测量方法以及基于该方法的测量电梯能源利用效率的专用 仪器。 定义一种能克服各种影响电梯电能指标干扰因素的电梯能效测量方法，并且能安 全、便捷测量得到电梯能效指标。提出以即差额质量速度积分计算电梯输送有Mvdt 效载荷所作的机械能。是电梯空载与 20%额定载荷的质量差，空载电能与 20%载M 荷

3、电能的差对应了运送载荷所消耗的电能，即以前后两次输送载荷的质量差作为M 计算基础，有别于以电梯额定载荷的不同百分比质量绝对值作为衡量电梯所作机械能 的方法。 采用高速数字信号处理器 TMS320F2808 作为核心处理单元，数字信号处理器以 20kHz 采样频率处理输入的电压、电流信号，并对相关信号进行基于有限冲激响应带 通滤波算法的数字滤波处理，滤除电梯现场对测量信号的低频和高频干扰，保证测量 信号的精度。数字信号处理器根据采集到的数据，实时计算电梯能效指标。 关键词:电梯能效；电能计量；DSP II Abstract Elevator is closely related to the t

4、ransportation of daily life. With the dramatic increase in the number of lifts, lift energy consumption has caused great social and the close attention of the government functions. A reasonable way to evaluate the lift can lift the energy efficiency for businesses to provide ways to understand for c

5、ustomers to choose energy- saving elevators provide the basis for the government to lift the energy efficiency of the review and supervision of technical support. For promoting development and promotion of energy-saving elevator has important significance. Described in this article developed by our

6、own quality speed based on the difference between the integral method of measuring energy efficiency of lift, the lift is a test method to measure the efficiency of energy use and the elevator based on the measurements of energy use efficiency of appliances. Define a power index overcome the interfe

7、rence of various factors affecting the lift elevator energy efficiency measurement, and safe, convenient and energy efficiency indicators measured lift. Proposes that the speed difference between the calculated Mvdt integral lift the quality of delivery by the mechanical payload. is the difference o

8、f lift M load and 20% rated load. No-load power and load power of 20% difference corresponds to the energy consumed by transporting loads. After the previous two transport loads calculated M on the basis of poor quality, different from the rated load to lift the quality of the different percentage o

9、f the absolute value as a measure of the mechanical energy of the methods of the lift. High-speed digital signal processor TMS320F2808 as the core processing unit, digital signal processor to 20kHz sampling frequency processing the input voltage and current singal, and the related signal based on fi

10、nite impulse response band-pass filter algorithm digital filter processing, filter In addition to the lift on-site measurement signal low and high frequency interference, to ensure the accuracy of measured signals. Digital signal processors also achieved according to the collected data, real-time co

11、mputing lift energy efficiency targets. III Keywords: Elevator energy efficiency; Energy measurement; DSP; IV 目 录 摘 要I ABSTRACTII 第一章 绪论1 1.1 课题的研究背景1 1.2 课题的研究意义2 1.3 国内外研究现状3 1.4 课题主要研究和开发内容4 第二章 电梯能效评价方法6 2.1 电梯能效评价方法概述6 2.1.1 电梯能效评价特点6 2.1.2 现有电梯能效评价方法6 2.2 基于差额质量速度积分的电梯能效评价方法11 2.2.1 基于差额质量速度积分

12、的电梯能效测量方法11 2.2.2 基于差额质量速度积分的电梯能效测量方法的特点14 2.3 本章小结15 第三章 电梯循环周期内的电能测量16 3.1 电梯循环运行模式定义16 3.1.1 全程空载标准工作图谱循环运行模式16 3.1.2 标准增量载荷标准工作图谱循环运行模式16 3.1.3 电梯循环周期工作图谱16 3.2 循环周期内的电能测量17 3.2.1 正弦系统的电能测量17 3.2.2 非正弦系统的电能测量18 3.3 本章小结24 第四章 电梯能效测量仪系统结构25 4.1 系统结构框架25 4.2 浮动中性点法三相电压信号处理27 V 4.3 三相电流信号处理28 4.4 转

13、速测量29 4.5 通讯模块31 4.5.1 系统内通信31 4.5.2 系统对外通信32 4.6 本章小结34 第五章 DSP 软件设计及实现35 5.1 TMS320F2808 特性35 5.2 Q 格式37 5.2.1 Q 格式定义38 5.2.2 Q 格式定点运算40 5.3 电梯能效检测仪 DSP 软件架构设计41 5.3.1 DSP 硬件外设驱动层42 5.3.2 功能模块层48 5.4 电梯能效测量仪源代码总体分析48 5.4.1 主程序流程图48 5.4.2 主定时中断函数程序流程图49 5.4.3 A/D 转换中断服务程序流程图50 5.4.4 通信接收中断服务程序流程图51

14、 5.5 本章小结51 第六章 现场测试数据和分析52 6.1 现场测试实验52 6.2 测试数据分析54 6.2.1 电能测量数据分析54 6.2.2 电梯能效数据分析55 6.3 提高电梯能效的途径59 6.4 本章小结59 结 论60 参考文献61 VI 附 录63 攻读硕士学位期间取得的研究成果72 致 谢73 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景 能源是人类赖以生存和发展的基本条件，随着我国社会经济的快速发展，能源需 求与供给的矛盾日益突出。我国能源资源偏少，与人口比例不相称，我国人口占世界 人口的 21%，而煤炭储量占世界 11%，石油储量占世界的 2.4%，天然

15、气储量仅占世界 的 1.2%。人均能源资源远远低于世界平均水平1。与此同时，我国已经成为世界上第 二大能源消费国，对国外能源的依赖程度不断上升。 社会对电能的需求，随着国民生产总值（GDP）的增长而快速地增加。 “电荒”近年 来已经重新成为人们熟悉的一个字眼2。2002 年全国有 12 个省（市、自治区）拉闸限 电，电力缺口 2035 万 kW；2003 年全国发展到 22 个省市拉闸限电，电力缺口 4485kW，比上年翻了一番多；2004 年全年拉闸限电的省市扩大到了 26 个，全国仅东 北三省和新疆、西藏没有出现“电荒”3。2008 年北京奥运会期间，全国缺电情况更为 严重，很多企业为了避

16、开用电高峰期，缩短或者调整生产作业的时间。电力短缺对人 们的生产和生活的影响日益严重。 针对能源需求和供应的情况，国家加大国内外石油的勘探、开发的力度，进行适 当的石油战略储备，并增加国内各类发电站建设。 国家中长期科学和技术发展规划纲 要（2006-2020 年） 中明确指出“能源在国民经济中具有特别重要的战略地位”，同时 确定能源重点领域的发展思路之一为“坚持节能优先，降低能耗。攻克主要能耗领域的 节能关键技术，积极发展建筑节能技术，大力提高一次能源利用效率和终端用能效率” 4。 随着中国经济的蓬勃发展和城市化进程的加速，国内建筑能耗的总量逐年上升， 在所有能源消耗中所占的比例已从上世纪

17、70 年代末的 10%，上升到近年的 27.8%，同 时，通过在北京、上海和广州的调查数据显示，面积仅为 5%的大型公共建筑的用电量 已经解决全部住宅的用电量5。而建筑中的电梯和空调一直被认为是大型建筑的两个耗 电大户。据统计，电梯在使用过程中所消耗的能量一般占整个建筑总能耗的 515%6。 由此可见，国内电梯的能耗在整个社会能耗中占有相当大的比例。 根据中国电梯协会的数据显示，近年来我国备案在册的电梯数量正在以每年高于 20%的速度增长，2008 年已超过 100 万台，我国已经成为全球电梯保有量最大的国家。 华南理工大学硕士学位论文 2 作为全球最大的电梯市场，2009 年，我国电梯产量保

18、持继续增长，全年电梯产量达到 26.2 万台，同比增长约 5%。而随着房地产和城市公共建设市场的发展，我国电梯行业 市场容量将不断扩大。 电梯作为建筑耗能的一部分，其耗能问题已被广泛关注，电梯已成为重要的节能 减排对象。为此我国 2007 年 10 月 28 日颁布实施的中华人民共和国节约能源法中 也明确提出了“对高耗能的特种设备，按照国务院的规定实行节能审查和监管”的要求。 电梯是能耗较高的特种设备，国家质检总局质检特函200729 号文件提出：要对锅 炉、换热压力容器、电梯等高耗能特种设备实行能效测试，加强特种设备使用环节的 节能监管。香港特别行政区政府机电工程署（EMSD）颁布实施的电梯

19、和自动扶梯装 置的能效实施规定（2007 版） 7和电梯和自动扶梯装置的能效指导方针（2007 版） 8对电梯和自动扶梯的最高许可电功率、电梯能源管理、电机驱动系统总谐波失真、电 动机驱动系统总功率因素等提出了配备要求，主要目的是对电梯和自动扶梯的最高能 耗水平进行限制，提出若干减少能耗的措施。2005 年，美国能源效率经济委员会 （ACEEE）组织了包括工业电梯、能源咨询、自然资源管理和建筑工程的专家研究起 草了一篇提高电梯能耗效率的途径的文章，载入了 ACEEE 的白皮书系列中，为美 国电梯工业的节能研究提供了指导性意见9。 1.2 课题的研究意义 中国电梯协会提供的信息显示，2008 年

20、全国在用电梯总保有量已达到 100 万台， 位居世界首位，并以每年 10 万台左右装机量高速增长。若按每台功率为 15 千瓦，若 按每台每日实际工作 3 小时计算，至今全国约 100 万台电梯一天的耗电量约为 4500 万 度，全年耗电 164 亿度，相当于一个中等规模城市一年的总用电量。如果应用现在的 变频变压、永磁同步、能量反馈等节能技术，可节电 30%，每年可为全国节约 39 亿度 电量，按照 1 度电消耗 370 克标准煤计算，每年可节省标准煤约 145 万吨。广东省在 用电梯拥有量占据全国首位，如按 2007 年底广东电梯统计 20.4 万台计算，2007 年耗 电量约为 60 亿千

21、瓦时，应用现在的电梯节能技术就将节电约 20 亿千瓦时，而且广东 每年新增电梯一般超过 2 万台，在我省实行电梯能耗测试与监管，大有可为。 因此，电梯节能技术的广泛应用是开展电梯节能降耗工作的前提。但是，据截至 2007 年年底，我国节能型电梯还占不到总量的 5%，我国节能电梯的市场接受度仍然 不高，电梯节能技术的推广应用进展缓慢。这主要原因有电梯相关标准的缺位。据了 第一章 绪论 3 解，目前国家强制执行的电梯质量标准是电梯安全标准，并没有对电梯节能项目进行 强制性规定。目前对电梯的检验主要是对其安全性能的检验，不针对电梯本身的质量 与节能情况。对电梯的全面检测多达 90 多项，定期检查也有

22、 50 多项，但其中没有一 项与电梯节能有关。由于缺乏统一的电梯能耗测量方法和能效等级评定指标，一些电 梯企业提供的产品效率和节能数据没有可比性，国家也无法出台权威的节能指标。 另外，由于节能型电梯成本较普通电梯高，其售价较普通电梯贵，用户增加投资 回收期较长，民众对执行电梯节能积极性不高。因国家没有对电梯能耗出台相关规定， 民众在采购电梯时，主要考虑产品的安全和价格因素，不愿意选择节能产品；因此， 节能电梯的市场接受度不高，导致电梯节能技术推广应用受阻。 综上所述，建立起统一的电梯能耗测量方法和能效等级指标，有利于电梯节能技 术的推广应用，降低电梯能耗；建立起统一的电梯能耗测量方法，是政府推

23、行电梯能 耗测试与监管的必要条件。 本项目是在制订电梯能效测量方法标准的基础上，基于标准进行电梯能效监测装 置的研制，为国家实行电梯能效测试与监管提供技术支持。本项目的完成，对政府实 行电梯能效管制，推广电梯节能技术，降低电梯能耗、节约能源具有重要的意义。 1.3 国内外研究现状 电梯能效的评价是指对不同类型的电梯能源效率进行合理的比较分析，设置能效 评价参数是电梯能效评价的主要方法和途径。电梯能效评价参数是判断电梯能耗性能 优劣的依据。目前主要存在的评价参数有：固定行程和速度下的电梯能耗 （Schroeder10，1980） 、电梯平均每次运行的能耗（Donald Cooper11，1987

24、；Ashok B.Kulkarni12，2000） 、电梯能耗与质量和行程之积的比值（Doolaard13，1992；香港 城市大学14，2007） 、建筑内每年平均每平方米的电梯能耗（Schroeder15，1986） 、固 定时间内的电梯能耗（L.E.White16，1984；Al-Sharif17，2004；Max Schalcher18， 2005） 。但是，这些评价参数不能很好的反映出电梯能源效率。 2007QK350 课题组提出的电梯能效测量的模拟工况法19，以每吨千米的耗电量 （kWh/tKm）作为电梯能源利用效率指标，该指标可以很好的反映出电梯能源利用效 率。但是，该测量方法需

25、要分别往电梯轿厢搬入与 25%、50%、75%、100%额定载荷 相当的砝码，在电梯现场实施起来费时耗力。 影响电梯能效的因素是多方面的，电梯运行速度、运行载荷不同，其能效也不同， 华南理工大学硕士学位论文 4 即电梯能效本质是随电梯运行条件而变化的。电梯能效的定义和测量目的是建立一个 公认尺度来衡量标识不同电梯的电能利用效率，所以测量电梯能效的关键是定义一个 合理的测量方法，排除各种影响电梯能效的因素对测量结果所造成的干扰，使测量结 果具有可比性。目前已提出的电梯能效测量方法要么过于简单不被业界认可，要么测 试繁琐成本高昂而无法大面积推广使用。 电梯能效测量仪与现有电能计量工具对比： (1)

26、 普通电能表 由于现在普通的电能计量表的精度为 0.1 度，而在我们采用的电梯能效测量方法中， 由于测量方法简便，测量时间较短，电梯消耗的电能在测量流程中平均消耗电能不到 0.1 度电，并且，普通的电能计量表在电梯采用电能回馈单元时无法计量，因此，普通电 能表无法满足我们项目需求，我们有必要开发一种能够满足测量电梯能效的电能计量 软件和仪器。 (2) FLUKE 电能分析仪 由于 FLUKE 电能分析仪主要是用于分析电能谐波频谱，适用于检修可变负载的电 力质量故障，而且，FLUKE 电能质量分析仪价格较为昂贵，因此，不适合于推广使用。 另外，这些电能计量工具不具备测量机械能的功能，而我们项目中

27、需要测量机械 能这一重要指标。通过对比现有的计量工具，现有的电能计量工具无法满足我们的项 目需求，因此我们需要开发一套具备电梯能效计量功能的软件和电梯能效测量仪。 1.4 课题主要研究和开发内容 曳引式电梯是目前我国主要的电梯，也是电梯能耗的主要部分，因此，在对电梯 能效测试进行研究时，作为研究的第一步，我们选择最常用的曳引式电梯作为研究对 象，进行深入研究，先争取在该范围内取得一些成果，建立起评价指标、测试方法等 一套完整的体系，再以此为基础，在以后下一步中再推广到其他电梯上。 本课题所述的基于差额质量速度积分法的电梯能效测量仪，定义一种能克服各种 影响电梯电能指标干扰因素的电梯能效测量方法

28、，并且能安全、便捷测量得到电梯能 效指标。提出以即差额质量速度积分计算电梯输送有效载荷所作的机械能。Mvdt 是电梯空载与 20%额定载荷的质量差，空载电能与 20%载荷电能的差对应了运送M 第一章 绪论 5 载荷所消耗的电能，即以前后两次输送载荷的质量差作为计算基础，有别于以电M 梯额定载荷的不同百分比质量绝对值作为衡量电梯所作机械能的方法。 课题主要包括以下几个方面： 1电梯能效指标的确定； 2电梯单次循环周期内电能的测量； 3电能数字信号处理算法 4电梯机械能的测量； 5基于 DSP 的软件实现 华南理工大学硕士学位论文 6 第二章 电梯能效评价方法 2.1 电梯能效评价方法概述 2.1

29、.1 电梯能效评价特点 电梯作为建筑耗能中最重要的一部分，其耗能问题已被广泛关注。在电梯行业要 实行节能审查和监管的背景下，急需建立客观公正，为大多数人认可的电梯能源利用 效率评价方法及仪器，能够客观、公正、真实地衡量各种规格、型号的电梯在能源利 用效率方面的性能指标。 影响电梯能效的因素是多方面的，电梯运行速度、运行载荷不同，其能效也不同， 即电梯能效本质是随电梯运行条件而变化的。电梯能效的定义和测量目的是建立一个 公认尺度来衡量标识不同电梯的电能利用效率，所以测量电梯能效的关键是定义一个 合理的测量方法，排除各种影响电梯能效的因素对测量结果所造成的干扰，使测量结 果具有可比性。 电梯是特种

30、设备，对电梯能效的测量必须不损害电梯的安全性，所以测量方法最 好是非接触式的，不要涉及电梯控制柜内部的信号及更改机械装置，这样才能保证测 量方法的本质安全性。 电梯能效测量对测量仪器的分辨率和精度提出了较高要求，如果让电梯按测试运 行工作图谱往返多次运行，必然加长了测试时间、增加了测试成本，对在用电梯的业 主造成不必要的经济损失，所以测试时最好减少电梯运行次数，减少运行次数的前提 是必须有测量精度作保证。 所以，电梯能效测量的基础是科学合理的测量方法，并同时满足安全性、低成本、 便捷性三方面的要求。 2.1.2 现有电梯能效评价方法 现有的评价方法主要有：固定行程和速度下的电梯能耗；电梯平均每次运行的能 耗；建筑内每年平均每平方米的电梯能耗；固定时间内的电梯能耗、电梯能耗与质量 和行程之积的比值、电梯平均每次运行的能耗、固定时间内的电梯能耗、建筑内每年 平均每平方米的电梯能耗以及电梯能效系数和每吨千米的耗电量等。 第二章 电梯能效评价方法 7 (1) 固定行程和速度下的电梯能耗 Schroeder 以固定行程(10m)和速度(1.6m/s)下的电梯能耗作为电梯能效的评价参数 10。通过对在特定条件下（指负载、速度等）下，由特定系统完成任一个确定的单程 运行的能量流通和