基于速度監(jiān)測(cè)原理的扶梯超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置失效原因探討

梁敏健 林曉明

基于速度監(jiān)測(cè)原理的扶梯超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置在自動(dòng)扶梯和人行道中使用越來越廣泛，但是設(shè)計(jì)不合理的保護(hù)裝置會(huì)導(dǎo)致失效。本文通過詳細(xì)分析基于速度監(jiān)測(cè)原理的扶梯超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置失效情況，給出了設(shè)計(jì)失敗的原因，并提出了改進(jìn)方法。

速度監(jiān)測(cè)原理；乃奎斯特采樣定理；采樣頻率欠速保護(hù)閾值

自動(dòng)扶梯(人行道)的防逆轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)原理一般分為兩種：機(jī)械原理式和速度監(jiān)測(cè)原理式。而基于速度監(jiān)測(cè)原理的保護(hù)裝置除了可以實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)保護(hù)之外，還可以進(jìn)行超速保護(hù)，同一套裝置可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，因此基于速度監(jiān)測(cè)原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的應(yīng)用越來越普及。目前和近幾年出廠的扶梯(人行道)都采用了基于速度監(jiān)測(cè)原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置。然而，筆者在日常檢驗(yàn)時(shí)候發(fā)現(xiàn)某些廠家設(shè)計(jì)的基于速度監(jiān)測(cè)原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置存在設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致扶梯超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置失效。

基于速度監(jiān)測(cè)原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)裝置的工作原理是：利用傳感器（如接近傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、光電開關(guān)、霍爾傳感器等）對(duì)自動(dòng)扶梯（人行道）進(jìn)行速度采集，當(dāng)被監(jiān)測(cè)的扶梯速度高于某一值（如120%名義速度）系統(tǒng)就認(rèn)為扶梯發(fā)生了超速，會(huì)立刻切斷電源，制停扶梯；當(dāng)監(jiān)測(cè)的扶梯速度低于某一值或者為零，就認(rèn)為扶梯將要發(fā)生逆轉(zhuǎn)危險(xiǎn)，會(huì)會(huì)立刻切斷電源，制停扶梯。從原理上看，并沒有錯(cuò)誤或者缺陷，問題是出在扶梯的速度監(jiān)測(cè)和采集上，也就是電氣系統(tǒng)把扶梯的速度信號(hào)（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的過程中出問題。筆者通過檢測(cè)和咨詢廠家發(fā)現(xiàn)，某些扶梯的電氣系統(tǒng)對(duì)扶梯速度的采樣（采集）頻率，不滿足奈奎斯特采樣定理，從而導(dǎo)致采樣出來的速度數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映扶梯的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致扶梯的超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)失效。

在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)中最高頻率fmax的2倍時(shí)(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)才能完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5~10倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。某些扶梯電氣系統(tǒng)的采樣頻率太低，不滿足采樣定理，電氣系統(tǒng)不能及時(shí)監(jiān)測(cè)到扶梯速度的變化，從而導(dǎo)致保護(hù)功能是失效。下面具體分析某類扶梯是超速和逆轉(zhuǎn)保護(hù)功能是如果失效的，為何失效。

圖1扶梯超速時(shí)采樣頻率低圖2扶梯超速時(shí)采樣頻率高

的情況 的情況

1.超速保護(hù)失效的情況

圖1所示，曲線ABC是某扶梯的運(yùn)行曲線，扶梯從時(shí)刻0開始以名義速度運(yùn)行，在A點(diǎn)開始發(fā)生異常加速，直到C點(diǎn)扶梯速度已經(jīng)超過名義速度40%。根據(jù)16899-2011，扶梯應(yīng)該在速度到達(dá)名義速度120%前制停，但是，從圖上可知，直到扶梯速度在到C點(diǎn)才被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到，也就是說，扶梯要運(yùn)行到140%名義速度才會(huì)被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，并制停，明顯該扶梯的超速保護(hù)失效，原因是扶梯電氣系統(tǒng)的采樣頻率太低。

如果該扶梯的電氣系統(tǒng)采樣頻率提升為原來的2倍，如圖所示，扶梯的監(jiān)控系統(tǒng)就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)扶梯超速，并在120%速度時(shí)切斷電源并制停扶梯。

2.逆轉(zhuǎn)保護(hù)失效的情況

同理，采樣頻率過低，也會(huì)導(dǎo)致扶梯逆轉(zhuǎn)保護(hù)失效。如圖3所示，扶梯按速度曲線ABC運(yùn)行。如果該扶梯的逆轉(zhuǎn)保護(hù)是通過監(jiān)測(cè)低速（或者閾值設(shè)定很低，接近零），而采樣頻率又比較低，那么如圖3所示，在扶梯發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)，電氣系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)所恢復(fù)的曲線原本應(yīng)該是圖3，但是因?yàn)椴蓸宇l率過低，恢復(fù)出的曲線發(fā)生失真，如圖4所示，也就是說，扶梯逆轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)被采集到的數(shù)據(jù)曲線4所欺騙了，自然，電氣系統(tǒng)并不能監(jiān)測(cè)出零速度或者低速，逆轉(zhuǎn)保護(hù)就是失效了。

通過上述的分析可知，如果扶梯電氣系統(tǒng)的采樣頻率過低，或者欠速保護(hù)的閾值設(shè)定過低（接近零），很容易導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)所恢復(fù)出的曲線失真，導(dǎo)致保護(hù)裝置判斷錯(cuò)誤，從而失效。因此，在設(shè)計(jì)扶梯速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)要注意兩點(diǎn)，第一，提高采樣速率，滿足采樣定理，一般為扶梯發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)最高加速度（減速度）的5~10倍以上，也就是說每秒5~10次以上；此外，在逆轉(zhuǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，低速閾值盡量不要設(shè)定得太低，一般為40%名義速度為宜。

圖3扶梯逆轉(zhuǎn)時(shí)采樣頻 圖4扶梯超速時(shí)采樣頻率低恢復(fù)

率低的情況 出的失真曲線