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

梁敏健 林曉明

基于速度監(jiān)測原理的扶梯超速和逆轉(zhuǎn)保護裝置在自動扶梯和人行道中使用越來越廣泛，但是設(shè)計不合理的保護裝置會導(dǎo)致失效。本文通過詳細分析基于速度監(jiān)測原理的扶梯超速和逆轉(zhuǎn)保護裝置失效情況，給出了設(shè)計失敗的原因，并提出了改進方法。

速度監(jiān)測原理；乃奎斯特采樣定理；采樣頻率欠速保護閾值

自動扶梯(人行道)的防逆轉(zhuǎn)設(shè)計原理一般分為兩種：機械原理式和速度監(jiān)測原理式。而基于速度監(jiān)測原理的保護裝置除了可以實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)保護之外，還可以進行超速保護，同一套裝置可以實現(xiàn)兩個功能，因此基于速度監(jiān)測原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護裝置的應(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)測原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護裝置。然而，筆者在日常檢驗時候發(fā)現(xiàn)某些廠家設(shè)計的基于速度監(jiān)測原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護裝置存在設(shè)計缺陷，導(dǎo)致扶梯超速和逆轉(zhuǎn)保護裝置失效。

基于速度監(jiān)測原理的超速和逆轉(zhuǎn)保護裝置的工作原理是：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）對自動扶梯（人行道）進行速度采集，當被監(jiān)測的扶梯速度高于某一值（如120%名義速度）系統(tǒng)就認為扶梯發(fā)生了超速，會立刻切斷電源，制停扶梯；當監(jiān)測的扶梯速度低于某一值或者為零，就認為扶梯將要發(fā)生逆轉(zhuǎn)危險，會會立刻切斷電源，制停扶梯。從原理上看，并沒有錯誤或者缺陷，問題是出在扶梯的速度監(jiān)測和采集上，也就是電氣系統(tǒng)把扶梯的速度信號（模擬信號）轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的過程中出問題。筆者通過檢測和咨詢廠家發(fā)現(xiàn)，某些扶梯的電氣系統(tǒng)對扶梯速度的采樣（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)不能真實反映扶梯的運行狀態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致扶梯的超速和逆轉(zhuǎn)保護失效。

在進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號才能完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的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)不能及時監(jiān)測到扶梯速度的變化，從而導(dǎo)致保護功能是失效。下面具體分析某類扶梯是超速和逆轉(zhuǎn)保護功能是如果失效的，為何失效。

圖1扶梯超速時采樣頻率低圖2扶梯超速時采樣頻率高

的情況 的情況

1.超速保護失效的情況

圖1所示，曲線ABC是某扶梯的運行曲線，扶梯從時刻0開始以名義速度運行，在A點開始發(fā)生異常加速，直到C點扶梯速度已經(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點才被監(jiān)測系統(tǒng)采集到，也就是說，扶梯要運行到140%名義速度才會被監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，并制停，明顯該扶梯的超速保護失效，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)就能及時發(fā)現(xiàn)扶梯超速，并在120%速度時切斷電源并制停扶梯。

2.逆轉(zhuǎn)保護失效的情況

同理，采樣頻率過低，也會導(dǎo)致扶梯逆轉(zhuǎn)保護失效。如圖3所示，扶梯按速度曲線ABC運行。如果該扶梯的逆轉(zhuǎn)保護是通過監(jiān)測低速（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，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，但是因為采樣頻率過低，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)測出零速度或者低速，逆轉(zhuǎn)保護就是失效了。

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)致保護裝置判斷錯誤，從而失效。因此，在設(shè)計扶梯速度監(jiān)測系統(tǒng)時要注意兩點，第一，提高采樣速率，滿足采樣定理，一般為扶梯發(fā)生危險時最高加速度（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)保護設(shè)計時，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)時采樣頻 圖4扶梯超速時采樣頻率低恢復(fù)

率低的情況 出的失真曲線