基于信號頻率增減的扶梯速度檢測系統(tǒng)研制

周張森 姜竹語

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院 南通 226002)

在機電類特種設(shè)備（尤其是自動扶梯與自動人行道）中常需要對設(shè)備超速或欠速進行檢驗檢測，如TSG T7005—2012《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——自動扶梯與自動人行道》(以下簡稱扶梯檢規(guī)）的6.3項與6.9 項的要求[1]。但是由于被檢設(shè)備本身的限制或得檢驗儀器的限制，實際檢驗中很難做到模擬設(shè)備實際超速或欠速的情況，即使部分設(shè)備可以模擬超速或得欠速的情況，但一則很難模擬具體超速到什么程度保護裝置才動作，二則檢驗檢測人員也無法確定被檢測設(shè)備本身給定的參數(shù)是否可以采信，造成該類檢驗項目的檢驗檢測與檢驗規(guī)范或得標準存在一定的偏差，而該偏差恰恰可能給設(shè)備埋下事故隱患，也給檢驗檢測工作留下風(fēng)險，因此解決此問題顯得尤為迫切。

1 規(guī)范條款的理解

扶梯檢規(guī)附錄A 條款6.3（1）要求：“自動扶梯或得自動人行道應(yīng)當(dāng)在速度超過名義速度的1.2 倍之前自動停止運行。如果采用速度限制裝置，該裝置應(yīng)當(dāng)在速度超過名義速度的1.2 倍之前切斷自動扶梯或得自動人行道的電源。如果自動扶梯或自動人行道的設(shè)計能防止超速，則可以不考慮上述要求?！盵1]筆得認為，該條款并沒有強制要求所有扶梯或自動人行道必須設(shè)置超速保護，對于設(shè)計上能防止超速的（主要是指受電動機轉(zhuǎn)差率的限制，扶梯超速不可能達到1.2倍的額定速度），可以不設(shè)置超速保護。這也能很好地解釋一部分老舊的自動扶梯或自動人行道沒有超速保護功能的原因。另外，該超度保護并未考慮因傳動系統(tǒng)失效（軸、齒輪、鏈條、鍵等）而引起的扶梯或自動人行道的超速，因為標準假設(shè)或要求了這些部件是基于本質(zhì)安全設(shè)計的。

扶梯檢規(guī)附錄A 條款6.9 要求：“應(yīng)當(dāng)設(shè)置扶手帶速度監(jiān)測裝置，當(dāng)扶手帶速度與梯級(踏板、膠帶)實際速度偏差最大超過15%，并且持續(xù)時間達到5～15 s 時，使自動扶梯或得自動人行道停止運行?！盵1]筆得認為，扶手帶速度相對梯級速度的少量正偏差是可以被接受的（一般也是這么設(shè)計的），但是如果偏差過大就容易引起人員（尤其是行動不便的人員）的跌倒，這是不可接受的。另外，從扶梯檢規(guī)的描述來看，偶發(fā)性的短時間的速度偏差也是可以被接受的，但并不表示不需要維修調(diào)整。一方面，是因為偶發(fā)性的短時間的速度偏差引起人員跌倒的概率較小；另一方面，如果因為偶發(fā)性的短時間的速度偏差而貿(mào)然制停扶梯，反而容易引發(fā)正在乘坐扶梯或自動人行道的乘客的跌倒，對于人流量較大的扶梯或自動人行道還容易引起群體性傷害事故。

2 自動扶梯的測速方式的介紹

標準或規(guī)范并未要求自動扶梯（或自動人行道）的測速一定是電氣安全裝置動作實現(xiàn)，且由于扶梯還需要防止逆轉(zhuǎn)的發(fā)生，故簡單的機械方式的測速裝置不適用于自動扶梯，即使機械式的測速裝置得以使用，也需要另外的裝置用于檢測扶梯逆轉(zhuǎn)的發(fā)生，故扶梯的測速通常都使用接近開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號的方式進行測速包括逆轉(zhuǎn)檢測的實現(xiàn)，其接近開關(guān)常見的有電感式接近開關(guān)、霍爾式接近開關(guān)以及透過型和槽型光電開關(guān)[2]等。有部分自動扶梯或自動人行道使用編碼器進行測速，但由于編碼器成本相對較高，目前使用感應(yīng)開關(guān)作為測速原件的自動扶梯和自動人行道占了絕大部分。自動扶梯的測速方式也決定了這些功能的檢驗檢測方式是區(qū)別于垂直類電梯的限速裝置的檢驗檢測。

3 目前已有的檢驗檢測方法的不足

目前針對扶梯速度項目的檢測有以下3 種常見的檢驗檢測方法，但有一些明顯的不足之處。

3.1 信號切除法

信號切除法[3]通常是指切除測速裝置送入扶梯控制系統(tǒng)的信號，也可以在測速端移除測速裝置。一方面，由于扶梯或自動人行道的操作空間比較狹小，對于移除測速裝置的方法常存在移除和復(fù)位比較困難，即使復(fù)位后也容易出現(xiàn)檢測不到信號等故障的現(xiàn)象，對于配合檢驗檢測的維保人員要求比較高；另一方面，該方法只能證實在相關(guān)信號切除后，扶梯控制系統(tǒng)會產(chǎn)生反饋使扶梯停止運轉(zhuǎn)，并不能確定扶手帶速度欠速多大比例后控制系統(tǒng)能產(chǎn)生反饋使自動扶梯停止運轉(zhuǎn)，對于自動扶梯超速保護的檢驗檢測，該方法顯然是不太適合。因此，信號切除法存在比較明顯的弊端，無法很好地用于自動扶梯梯級和扶手帶速度項目的檢驗檢測。

3.2 工況模擬法

工況模擬法[3-4]又被稱為“外接變頻驅(qū)動試驗方法”[5]，一般是在控制系統(tǒng)與電動機之間串入一個額外的帶有變頻功能的裝置，在測試狀態(tài)下通過改變電動機的實際轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)扶梯超速或逆轉(zhuǎn)，進而檢測扶梯超速保護功能、逆轉(zhuǎn)保護功能是否有效。該方法對于自動扶梯超速保護功能和逆轉(zhuǎn)保護功能的檢驗檢測比較貼近實際工況，但是其涉及強電的接線，對配合人員要求比較高，一旦接線不好（如虛接）或得與自動扶梯系統(tǒng)匹配不好，容易造成被測自動扶梯的線路損壞。另外，由于相當(dāng)于給扶梯系統(tǒng)額外加裝了一個變頻系統(tǒng)，所以檢測裝置自身體積與重量比較大，不便于檢驗檢測人員的攜帶，也不利于廣泛的推廣使用。再得，如果額外加裝的部分與扶梯控制系統(tǒng)不兼容時，扶梯也無法正常運行，不能順利完成檢驗檢測工作。此外，該裝置也無法實現(xiàn)扶手帶欠速功能的檢驗檢測。

3.3 修改預(yù)設(shè)比較值法

修改預(yù)設(shè)比較值法是指在檢驗檢測時由有系統(tǒng)權(quán)限的人，通過改變系統(tǒng)內(nèi)置的比較值（如將系統(tǒng)內(nèi)置的比較值0.5 m/s 修改為0.4 m/s，即名義速度超比較值25%），來檢測自動扶梯按正常速度運行時超速保護功能是否觸發(fā)來判定超速保護功能的有效性。該方法存在2個問題：一方面，有系統(tǒng)權(quán)限的人是有限的（通常為電梯調(diào)試員），在實際檢驗檢測時可能很難及時獲得有系統(tǒng)權(quán)限的人的支持，尤其對于一些由非原電梯制造單位保養(yǎng)的自動扶梯；另一方面，對于檢驗檢測人員來說制造單位的控制系統(tǒng)是一個黑盒，檢驗檢測人員很難透析其工作原理，故存在電梯制造單位可能只是通過一些特定的指令來實現(xiàn)自動扶梯的故障停止（即可能修改的比較值只是一個觸發(fā)故障停止的指令，與實際扶梯超速保護功能沒有實際關(guān)聯(lián)）。因此，該方法適用于電梯制造單位的內(nèi)部檢驗檢測，但不適用于不了解系統(tǒng)工作原理的外部檢驗檢測。

4 擬研制系統(tǒng)的原理和實現(xiàn)方法

基于自動扶梯和自動人行道的測速原理，擬研制設(shè)備將以測速信號頻率為基礎(chǔ)，通過測試設(shè)備按照檢驗檢測需求進行一定的頻率變化來模擬自動扶梯（或自動人行道）的超速或扶手帶欠速狀態(tài)，變換后的信號輸入扶梯控制系統(tǒng)的原測速信號接收端，依據(jù)是否能觸發(fā)自動扶梯（或自動人行道）控制系統(tǒng)的保護功能來判斷相應(yīng)項目是否符合規(guī)范的要求。

按照設(shè)計思路，筆得擬定了研制設(shè)備的原理框架圖，如圖1所示，并制作了對應(yīng)的實物電路板，見圖2。

圖1 設(shè)備設(shè)計原理框架圖

圖2 設(shè)備設(shè)計電路板實物圖

基于設(shè)備的設(shè)計原理，本設(shè)備的研制需要確定和解決一些技術(shù)問題。

4.1 信號類型與兼容性

經(jīng)過筆得及團隊的調(diào)研，目前自動扶梯（或自動人行道）的信號類型常見的為DC24V，為了避免因調(diào)研覆蓋的不全面，基于信號的電壓的常見類型，研制設(shè)備將考慮兼容DC12V 與DC5V，以滿足不同型號自動扶梯（或自動人行道）的檢驗檢測要求。

基于上述功能要求，擬研制的設(shè)備在輸入端輸入信號進入本設(shè)備后，設(shè)備首先對輸入信號進行預(yù)處理[6]，處理后的信號進入STM8 單片機，單片機對該信號進行AD 轉(zhuǎn)換獲取信號電壓值，實現(xiàn)輸入端信號電壓的自動識別。

在輸出端，設(shè)備帶有5 V、12 V、24 V 三路不同幅值的電源芯片，當(dāng)單片機檢測到輸入信號的電壓幅值后，打開相應(yīng)的電源芯片，并通過單片機的PWM（脈沖寬度調(diào)制）功能，實現(xiàn)不同電壓信號的輸出要求。

4.2 輸出信號的可識別性

由于輸出信號是通過對輸入信號的轉(zhuǎn)換或得是基于輸入信號類型特征進行模擬后輸出的，可能存在輸出信號與輸入信號類型的差異，但是該差異應(yīng)不影響自動扶梯（或自動人行道）控制系統(tǒng)對其接收與判斷，因此輸入信號的準確測量也非常重要。

基于此，筆得將輸入信號經(jīng)過繼電器切換后，通過電阻分壓，進入后續(xù)放大器，再進入單片機的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器），實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，得到信號的電壓值。同時輸入信號通過單片機的輸入捕獲功能，實現(xiàn)信號周期和占空比的測量。在準確測量輸入信號的基礎(chǔ)上，筆得通過單片機的PWM 功能，實現(xiàn)對輸出信號相應(yīng)周期和占空比信號的控制[7]，以滿足輸出信號與輸入信號類型一致的要求，也滿足輸出信號能被控制系統(tǒng)識別的要求。

4.3 測試前后的信號控制

一方面，自動扶梯（或自動人行道）啟動時有一段從零速至額定轉(zhuǎn)速的加速過程的運行特點，通?？刂葡到y(tǒng)并非在啟動階段就進行速度信號的檢測和判斷；另一方面，從測試角度來講測試設(shè)備也無法瞬間接入傳感器與控制系統(tǒng)之間并直接工作。因此，需要滿足當(dāng)測試設(shè)備接入后，在未進入測試階段時，應(yīng)該不影響自動扶梯（或自動人行道）的正常運行。

基于上述功能要求，筆得設(shè)計了通過按鍵和單片機控制繼電器的開關(guān)，實現(xiàn)兩路信號的開關(guān)切換。繼電器默認狀態(tài)下，系統(tǒng)直接將輸入信號輸出至控制系統(tǒng)，即輸入端與輸出端通過繼電器開關(guān)短路；進入測試狀態(tài)后（如按下“開始測試”按鍵），繼電器切換狀態(tài)，將輸入端與輸出端的直接連接斷開，將滿足測試要求的模擬信號輸出至自動扶梯（或自動人行道）的控制系統(tǒng)。

4.4 誤差的調(diào)整

本測試設(shè)備在初期并未考慮自動扶梯（或自動人行道）梯級實際速度與名義速度之間的偏差。筆得認為實際情況下，空載運行時梯級的實際速度與名義速度的偏差較小，相對于20%的超速可以忽略不計，但是為了更好地提高檢驗檢測的精準度，還是有必要為此提供解決方案。在需要考慮梯級實際速度與名義速度偏差的情況下，檢驗檢測人員可以預(yù)先使用轉(zhuǎn)速表對梯級實際速度進行檢驗，并計算其與名義速度的偏差百分比，在超速功能檢測時將“擬預(yù)設(shè)超速百分比+偏差百分比”設(shè)置為“預(yù)設(shè)超速百分比”，即可以補償實際速度與名義速度之間的偏差（注：可提供一單獨誤差補償設(shè)置功能，由測試設(shè)備自動補償）。

4.5 測試設(shè)備的便攜性和易用性

測試設(shè)備是否便于攜帶是影響檢驗檢測人員是否愿意選用的重要因素之一，因此就要求測試設(shè)備具有較好的集成度，即有較小的體積與重量，可放置于常規(guī)的檢驗工具箱中予以攜帶?；诖艘螅P得選用了STM8S20xxx 系列高性能單片機、18650 電池供電、BQ24703 電源管理芯片及自研高集成電路板，進行了樣機的開發(fā)，已制成的樣機（見圖3）符合體積小、重量輕的預(yù)期（長×寬×高：130 mm×86 mm×50 mm，重量：0.48 kg），相比工況模擬法的設(shè)備[4]，在攜帶性上具有明顯的優(yōu)勢。

圖3 測試設(shè)備樣機

接線上，僅需要將扶梯感應(yīng)器的輸出端從扶梯控制系統(tǒng)中取出接入儀器的輸入端，儀器輸出端接入自動扶梯控制系統(tǒng)的輸入端，將扶梯控制系統(tǒng)的直流公共端接入儀器公共端即可（具體接線方法如圖4所示）。由于是低壓信號，接線相對容易且安全性較高，便于檢驗檢測人員和維護保養(yǎng)人員的使用。

圖4 測試儀器接線方法

5 樣機測試

筆得使用制作的樣機對部分扶梯設(shè)備進行了測試，檢測樣機進入測試前，扶梯的扶手帶測速信號直接進入扶梯自身檢測系統(tǒng)，檢測樣機不對其形成干擾。當(dāng)檢測樣機進入測試狀態(tài)，但不改變原信號的信號特征（包括頻率、電壓、占空比）時，扶梯能正常持續(xù)運行，表明檢測樣機模擬發(fā)生的信號可以被自動扶梯接受，不影響其正常運行。當(dāng)通過檢測樣機按比例改變其模擬頻率至一定值時，自動扶梯則停止運行，并報相應(yīng)的故障，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 樣機測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，檢測樣機基本能夠適應(yīng)自動扶梯或自動人行道扶手帶測速和梯級測速項目的檢驗。另外，測試結(jié)果還表明，部分扶梯設(shè)備的扶手帶在欠速情況下，需要達到時間上限才能觸發(fā)設(shè)備停梯，雖然具有較好的容錯率，但積累了一定的事故風(fēng)險；而在梯級測速方面，自動扶梯或自動人行道的系統(tǒng)均在檢測到超速的情況下第一時間觸發(fā)設(shè)備停梯，只是超速比例有少量差異，這可能是由于誤差造成的。

6 結(jié)束語

綜上，筆得介紹了一種基于信號頻率增減的扶梯速度相關(guān)項目（包括梯級超速、扶手帶欠速）檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)原理和方法。該方法下的扶梯速度相關(guān)項目檢測系統(tǒng)很好地克服了信號切除法精度不足、工況模擬法設(shè)備較大接線復(fù)雜及修改預(yù)設(shè)值比較法的黑盒等問題，且該檢測系統(tǒng)也具備較為廣闊的適應(yīng)性。雖然在檢測精度上可能還存在一定的不足，但是這種檢測精度的不足對于自動扶梯（或自動人行道）的安全運行沒有本質(zhì)性的影響，但在便攜性、精準度及直觀性等方面有了很好的兼顧，能夠滿足自動扶梯（或自動人行道）相關(guān)項目的檢驗檢測要求。此外，基于該儀器的實現(xiàn)原理，其還適用于其他基于脈沖信號原理測速的設(shè)備的檢驗檢測，具有較廣泛的適用性。