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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:徐世文
研究生(外文):Hsu, Shih-Wen
論文名稱:導入震動感測之升降機安全控制系統研究
論文名稱(外文):Study on Elevator Safety Control System Embedded by Shock Sensing
指導教授:王修平王修平引用關係
指導教授(外文):Wang, Hsiu-Ping
口試委員:蘇仲清陳詩豐王修平
口試委員(外文):Su, Chung-ChingChen, Shih-FengWang, Hsiu-Ping
口試日期:2019-01-11
學位類別:碩士
校院名稱:龍華科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:升降機慣性測量微控制器震動感測邏輯控制安全控制
外文關鍵詞:ElevatorsInertial MeasurementMicroprocessorsShock SensingLogic ControlSafety Control
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  升降機震動感測長久以來皆倚賴價格昂貴之專用儀器量測,因價格考量非常難以導入成為升降機隨機附屬配備,故專用儀器皆以可攜帶性為主要訴求,且機能擴充與訊號輸出入控制皆受限於製造商之開發設計理念,無法彈性應用於升降機安全控制上。
  是以本研究將慣性測量單元 (Inertial Measurement Unit, IMU) 導入於升降機控制系統中,利用價格低廉之零組件,打造可附屬於升降機隨機設備之震動感測系統,依據設置場所與用途可彈性靈活應用,用以改善現今升降機控制系統在安全檢測及異常回饋上未臻完善之處。
  研究將 IMU 設置於升降機車廂,用以量測乘客進出車廂或運行搭乘中所引發之垂直Z軸向加速度震動 (Shock) 變化為感測訊號來源,利用微控制器將變化之震動加速度波動訊號先加以數位濾波處理,屏除雜訊干擾所造成之量值誤差,以得到精準Z軸向震動加速度量值,經分析實驗所得震動感測量值,歸納出數種運行模式之安全震動限值,將之嵌入微控制器邏輯程式中,以供升降機安全控制需求靈活彈性選擇應用,直接輸出相對應邏輯訊號。所以,本研究提供了升降機控制系統採取安全正確之運行模式,以利升降機安全搭乘環境之確保。

In the current, the shock sensing measurement of Elevator is special and expensive equipment. For the cost, it is hard to be fixed on elevators as optional or standard equipment. So the equipment is mainly focused on the portability. Because restriction of the functional expansion and I/O control, limits the flexibility to implement the shock factor into the current elevator safety controlling system.
The study is to implement the Inertial Measurement Unit (IMU) to elevator controlling system. By using the low-cost components and microchip, the elevators can be equipped with a shock sensing system that is flexible for different application and deployment to improve the weakness of safety detection and abnormality feedback of existing elevator controlling system.
The study set up the IMU in the elevator cabin to measure the variation of vertical Z-axis acceleration shock, when passengers enter or leave the cabins. Then, through microcontroller, filters variation signals to get a more accurate Z-axis shock acceleration value. Experiment results are summarized the safety shock value of different operation modes. Input these safety values to the microcontroller for flexible selection of elevator safety control requirements, and directly outputs the corresponding logic signal. So, the study provides the safe and correct operation mode of the elevator control system to ensure the safe riding environment of the elevator.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 3
1.3.1 專利技術(一):電梯吊籠用振動抑制裝置 6
1.3.2 專利技術(二):升降機車廂制振設備 7
1.3.3 專利技術(三):升降機制振裝置 8
1.3.4 專利技術(四):附有垂直振動補償的升降機 9
1.4 研究架構 10
第二章 升降機概述 11
2.1 升降機驅動方式分類 11
2.1.1 鋼索捲揚式升降機 11
2.1.2 油壓式升降機 13
2.2 升降機使用用途分類 15
2.2.1 乘客用升降機 15
2.2.2 貨物用升降機 17
2.2.3 客貨兩用升降機 18
2.2.4 病床用升降機 18
2.2.5 其他特殊用升降機 19
2.3 升降機構造分類 19
2.3.1 有機房升降機 19
2.3.2 無機房升降機 20
2.4 升降機掛索比分類 21
2.4.1 掛索比 1:1 升降機 22
2.4.2 掛索比 2:1 升降機 23
2.5 升降機運行速度分類 24
2.5.1 低速升降機 24
2.5.2 中速升降機 24
2.5.3 高速升降機 25
2.5.4 超高速升降機 25
2.5.5 超超高速升降機 26
2.6 升降機主要構成 26
2.6.1 驅動系統 26
2.6.2 控制系統 27
2.6.3 叫車系統 28
2.6.4 電氣類安全裝置 28
2.6.5 機械類安全裝置 28
2.7 升降機安全規範標準 29
2.7.1 升降機相關 EN 規範概述 29
2.7.2 EN81-20規範之主要編修差異 30
2.7.3 國內法規編修現狀 31
第三章 研究方法與主要設備 34
3.1 慣性測量單元 34
3.1.1 加速度感測器 ADI ADXL系列 35
3.1.2 慣性感測器 TDK InvenSense MPU-6050 37
3.2 微控制器開發板 Arduino Mega2560 38
3.3 日置 (HIOKI) MR8880-20 高速波形記錄器 41
3.4 移動平均數位濾波器 43
3.5 瞬間震動變化量逆向差分絕對值方程式 44
3.6 實驗研究設備零組件架構關係 45
第四章 研究結果 47
4.1 實驗流程與濾波權重值確認 47
4.2 標的升降機 #1 量測數值及波形紀錄 56
4.2.1 最低階感測值 58
4.2.2 中間階感測值 62
4.2.3 最高階感測值 66
4.2.4 標的升降機 #1乘客出入感測數據分析 70
4.3 標的升降機 #2 量測數值及波形紀錄 73
4.3.1 最低階感測波形 75
4.3.2 中間階感測波形 77
4.3.3 最高階感測波形 79
4.3.4 標的升降機 #2震動感測波形不合理探討 81
4.3.5 利用標的升降機 #3進行震動感測波形不合理驗證 82
4.3.6 利用標的升降機 #2進行震動感測位置波形對照 85
4.4 運行中異常跳動影響分析 88
4.5 震動感測最佳應用方式分析 91
4.5.1 應用於升降機剎車釋放之安全控制檢測流程 92
4.5.2 應用於升降機運行中之安全控制檢測流程 93
4.5.3 應用於升降機地震 S 波檢知安全控制保護流程 95
4.5.4 應用於升降機地震檢知後之自我檢測流程 97
第五章 研究貢獻與未來展望 98
第六章 結論 99
參考文獻 100
附錄 102
A 電梯資料網同意圖文資料引用函 103
B 唐和股份有限公司同意圖文資料引用函 104


[1] “Elisha Otis's Elevator Patent Drawing,” National Archives at College Park.
[2] 魏郁霖,運用三軸加速度感測器於電扶梯踏板安全裝置之研究,碩士論文,高雄應用科技大學電機工程系,高雄 (2017)。
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[5] 日本東芝エレベータ株式会社,「電梯吊籠用振動抑制裝置」,中華民國專利,經濟部智慧財產局 證書號:I531521 (2016)。
[6] 瑞士Inventio AG,「升降機車廂制震設備」,中華民國專利,經濟部智慧財產局 證書號:I335302 (2011)。
[7] 日本東芝エレベータ株式会社,「升降機制振裝置」,中華民國專利,經濟部智慧財產局 證書號:I290532 (2007)。
[8] 瑞士Inventio AG,「附有垂直振動補償的升降機」,中華民國專利,經濟部智慧財產局 公開號:200702274 (2007)。
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[10] KONE Corporation Finland, “Brochure-Kone-N-MonoSpace_tcm85-18497”https://seychelles.kone.com/.
[11] 中華民國國家標準,「CNS 10594:升降機構造標準」。
[12] 中華民國勞動部,「升降機安全檢查構造標準」。
[13] 中華民國國家標準,「CNS 15827-20升降機結構及安裝之安全總則-人員及貨物運輸用升降機-第20部:載人及運貨用升降機」。
[14] 電梯資料網,「升降機技術資料」,http://www.hkelev.com。
[15] 標準檢驗局,「標準組織介紹:歐洲標準委員會/CEN」,標準資料電子報,第16期 (2015)。
[16] CEN, European Committee for Standardization, https://standards.cen.eu.[17] 經濟部標準檢驗局,「國家標準 (CNS) 網路服務系統」,http://www.cnsonline.com.tw。
[18] 中川淳一,中野貴広,「エレベーターのロープの振れ抑制装置」,日本エレベーター協会,Elevator Journal,No.13,第14-15頁 (2017. 1)。
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[21] Analog Devices, “ADXL335” Data-Sheets, http://www.analog.com.
[22] Analog Devices, “ADXL345” Data-Sheets, http://www.analog.com.
[23] TDK InvenSense, “MPU-6000/MPU-6050 Product Specification”Data-Sheets, https://www.invensense.com.
[24] TDK InvenSense, “MPU-6000/MPU-6050 Register Map and Descriptions” Data-Sheets, https://www.invensense.com.
[25] Arduino, http://www.arduino.cc.
[26] ArduinoBoardMega2560, http://www.arduino.cc.
[27] Hioki MR8880 Memory HiCorder 攜帶式高速記錄器,唐和股份有限公司, https://www.donho.com.tw。
[28] 王修平,徐世文,陳芳琦,「具有可攜性與固定裝設式之多模式升降機震動檢測裝置」,中華民國新型專利,經濟部智慧財產局 證書號:M569424(2018)。
[29] ISO 18738-1:2012, 「Measurement of ride quality - Part1:Lifts(elevators)」,https://www.iso.org.
[30] TS A 0028-1:2011,「昇降機の安全要求事項 第一部:ロープ式エレベーター」,エレベータ界,第一八四期 (2011.10)。
[31] 張文瑞,張丕狀,翟子雄,「一種基於六姿態模型的加速度計校準方法研究」,感測器與微系統,第三十五卷,第三期,第37-48頁 (2016)。
[32] 陳亞峰,王直傑,「基於 MPU6050 加速度信號的匹配小波設計及去噪」,電子設計工程,第二十五卷,第六期,第114-122頁 (2017)。

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