自動扶梯超速和非操縱逆轉保護裝置檢測技術及儀器研制

戚政武 梁敏健 林曉明

(廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院 珠海 519002)

自動扶梯超速和非操縱逆轉保護裝置檢測技術及儀器研制

戚政武 梁敏健 林曉明

(廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院 珠海 519002)

本文介紹了一種基于變頻技術，采用工況模擬的手段來檢測自動扶梯超速和非操縱逆轉保護裝置的新方法及依賴于該方法研制的綜合檢測儀器。該儀器可以模擬出扶梯意外超速和非操縱逆轉的危險工況，從而實現定性定量檢測。本文著重介紹了該儀器的原理、特點以及操作方法，詳細分析了其與傳統方法在實際檢測中的對比案例。該技術和儀器以其直觀、準確、可定性定量的優點，很好的解決了自動扶梯超速和非操縱逆轉保護裝置的檢測難題，填補了國內外空白，達到了國際先進水平。

自動扶梯 超速保護 非操縱逆轉保護 變頻技術 自動扶梯綜合檢測儀

1 自動扶梯（人行道）超速及非操縱逆轉保護裝置的檢測現狀

近年來自動扶梯事故頻發，其安全性備受人們關注。雖然自動扶梯事故死亡率相對垂直電梯較低，但是其社會影響程度和對受害人的傷害是非常嚴重的，特別是自動扶梯的逆轉事故，通常容易導致群體傷害，社會影響十分惡劣，如2003年上海地鐵自動扶梯逆轉事故；2005年，武漢一購物中心扶梯逆轉事故；2007年，上海地鐵四號線自動扶梯倒行事故；2010年，深圳地鐵扶梯反轉運行事故； 2011年，北京地鐵扶梯逆轉事故。這些事故的頻頻發生，引起了社會和電梯業界對自動扶梯安全行的高度關注。

雖然國標GB16899或者檢規對自動扶梯和人行道的超速、非操縱逆轉保護功能有嚴格的要求，但是在實際檢驗中，常用的幾種傳統檢測方法如人為動作開關法、拆除信號法、盤車法、反接電機法、串接空氣開關法等都存在不同程度的缺陷，總結起來就是不通用、不直觀、不夠準確、無法實現定量檢測，而且該領域還一直處于人工簡單驗證階段，國內外都沒有專業儀器。因此，自動扶梯超速與非操縱逆轉保護功能的檢測一直以來都是行業棘手難題，迫切需要研制一種通用、直觀、可定性定量的檢測方法，以及研制出相關儀器，提高檢測準確率和效率。

2 工況模擬法的檢測原理介紹

基于上述背景，珠海檢測院經過數年的科技攻關，發明了一種通用、直觀、定性定量的檢測方法—“工況模擬法”，基于該方法研制出了國內外首創的檢測儀器—自動扶梯綜合檢測儀，并成功實現了科技成果的轉化；制定了國內首個關于自動扶梯試驗方法標準DB44T1137-2013《自動扶梯和自動人行道的超速與非操縱逆轉保護功能試驗方法》，為檢測人員提供了一種權威性的參考。

自動扶梯之所以能上下運行，都是通過控制柜控制電動機（如圖1所示），再通過各級傳動系統帶動扶梯的梯級鏈條，從而帶動梯級沿導軌運行。因此在扶梯正常運行時，是不可能出現意外超速或者逆轉的現象。是否能找出一種方法能夠模擬一臺故障扶梯，在檢驗人員的控制下既能正常啟動并運行，又能按檢驗人員的意愿隨時發生超速或者逆轉的危險工況，這是解決問題的關鍵。

圖1 扶梯驅動原理簡化圖

工況模擬法原理如圖2所示，在扶梯電動機與扶梯控制柜之間串接入一個裝置（該裝置是一個無源裝置，它的輸入端接控制柜原本到電動機的三相電輸出，它的輸出端接電動機的三根或者六根電線。該裝置的引入沒有改變扶梯的控制系統，可以把該裝置與電機看成一臺隨時可能發生故障的電機，）在扶梯進入正常運行后，不需要對扶梯進行任何操作，只需要操作該裝置（等效為電機出故障），便可以使扶梯進入意外的加速(如圖3所示)或者減速逆轉（如圖4所示）危險工況，在此工況下驗證其對應的保護裝置是否能有效動作而切斷扶梯的電源使扶梯停止運行，并通過安裝在梯級上實時測速傳感器來捕獲保護裝置動作時的扶梯速度，從而達到準確的定性定量檢測目的。

圖2 檢測原理示意圖

圖3 扶梯意外超速運行狀態圖

圖4 扶梯意外逆轉運行狀態圖

如圖5所示，利用該儀器驅動一臺名義速度為0.5m/s的扶梯進入了意外超速運行，在扶梯加速到0.58m/s（116%名義速度）時超速保護裝置動作，切斷電機電源和制動器電源，扶梯開始制動，最后停止運行。如圖6所示，利用該儀器驅動一臺名義速度為0.5m/s的扶梯進入了減速狀態，在減速至0后剛開始逆轉反向運行是，逆轉保護裝置動作，切斷電機電源和制動器電源，扶梯開始制動最后停止運行。因此，只要設計出這樣的裝置，便可以實現該檢測方法。

圖5 扶梯發生超速時運行曲線圖

圖6 扶梯發生減速逆轉時運行曲線圖

該儀器利用變頻技術來實現，可以使得扶梯在正常運行時突發性的加速或者減速并發生逆轉，實現了對自動扶梯的意外超速和非操縱逆轉工況的安全模擬，以及相應安全保護裝置的定量檢測。

3 自動扶梯綜合檢測儀的研制

3.1 儀器的組成及原理

該檢測儀是由驅動器、手持操作器、高精度傳感器、觸發器四部分組成（如圖7所示）。驅動器用于驅動電機的運行，在手持操作器的控制下按照既定程

序驅動電梯（扶梯）啟動、意外加速、意外減速甚至逆轉運行；手持操作器又稱為控制器，主要有三個功能，一是負責對驅動裝置進行控制，以產生一定頻率、電壓、相位的電源；二是對傳感器采集信號進行處理、計算；三是接受操作人員的指令，和把信息顯示給操作人員，即人機交換功能。高精度傳感器以旋轉編碼器為核心，安裝在扶梯入口的水平段梯級上（如圖8所示），當扶梯運行時，水平梯級的運動帶動一個標準周長的滾輪旋轉，從而帶動旋轉編碼器軸心旋轉，產生高精度脈沖信號，傳輸到手持操作器上，用于精確采集扶梯梯級或者扶手帶的運行速度、減速度、制動距離等信息。觸發器用于觸發扶梯急停按鈕，并把觸發信號傳輸到操作器上，從而開始計算制停距離。

圖7 自動扶梯綜合檢測儀組成部件圖

圖8 高精度傳感器測速示意圖

3.2 儀器的功能

該自動扶梯綜合檢測儀具有以下檢測功能：超速保護試驗、非操縱逆轉保護試驗、制動距離和最大制動減速度檢測、梯級速度偏差檢測、扶手帶同步偏差檢測（功能選擇界面如圖9所示）。該儀器涵蓋了多種法定檢測項目，可以用于技術機構的自動扶梯和人行道型式試驗、監督檢測、定期檢驗；也可以用于扶梯制造廠的產品出廠檢測；安裝維保單位的安裝調試、超速保護裝置的校驗、以及事故調查部門用于扶梯超速和逆轉事故現場模擬和分析調查、鑒定。

圖9 儀器功能試驗選擇界面

3.3 儀器的優點

該檢測方法與儀器具有以下特點：

1）通用性好，“工況模擬法”本質上是一種從標準GB16899條款要求出發，驗證保護裝置的有效性與否的檢測方法，原理上適用于所有類型的自動扶梯和人行道（無論其是工頻還是變頻扶梯），而且實現了檢測方法與保護裝置的原理無關（以往傳統的檢測手段要視保護裝置原理的不同而采用不同的檢測方法，檢測人員難以一一掌握）；

2）檢測過程很直觀，檢測人員在現場檢測過程中可以直觀看見扶梯由正常運行狀態進入意外超速或者逆轉的危險工況，并可以觀察扶梯的保護裝置的動作細節，整個過程一目了然，容易理解和掌握；

3）定量檢測，該儀器通過對扶梯運行速度的實時采集和保護裝置的動作捕獲，可以實現以保護裝置的動作速度的定量檢測。對于超保護裝置的動作速度要求，國標和檢規都有要求，但是傳統的檢測方法一直無法定量檢測；

4）準確性高，由于該儀器的檢測結果是在扶梯進入實際超速和逆轉工況下定性定量檢測的，因此其結果能反映保護裝置的真實狀態，具有很高的準確性和可靠性；

5）儀器集成了超速保護、逆轉保護、梯級速度偏差、扶手帶同步偏差、制動距離等多種檢測功能，能大大提高現場檢測效率；

6）檢測精度高，采用了高精度旋轉編碼器和先進的數字信號濾波技術，大大提高檢測精度；

7）儀器集成度高、體積小、采用觸摸屏操作、方便快捷、人機界面友好，適合外出檢驗檢測使用。

4 工況模擬法的檢測優勢

如前文所述，相比傳統檢測方法，該檢測方法具有通用、準確、定性定量的優點，在項目研究階段已經表現出其優勢，發現了大量用傳統方法難以發現的隱患（如圖10所示）：2011至2013年，該檢測技術被應用于某城市的自動扶梯（人行道）的檢驗，共檢測了39個品牌56類型號487臺扶梯，發現超速保護失效97臺，含4個品牌、13類型號，不合格率19.9%；逆轉保護失效18臺，含4個品牌、6類型號，不合格率3.7%；多個品牌型號(涉及浙江、沈陽、廣州、江西、江蘇等多個地區廠家)的扶梯存在出廠缺陷(產品批量存在缺陷，系統性風險)。同樣，2013年在某地區的電梯抽查中，使用了該檢測方法和儀器，對十個城市的共725臺自動扶梯（含人行道）進行了檢測，發現超速保護失效262臺（36.1%），逆轉保護失效45臺（6.2%）。

圖10 （a） 某地區扶梯超速保護功能檢測情況

圖10 （b） 某地區扶梯非操縱逆轉保護功能檢測情況

上述檢測數據至少能說明三個問題：

1）自動扶梯的超速和非操縱逆轉保護裝置的安全狀況令人堪憂；

2）傳統的檢測方法存在很大的漏洞，至使很多安全隱患難以被檢測出來；

3）“工況模擬法”以及基于該方法而研制的儀器能夠很好的彌補傳統方法的缺陷，解決這一行業難題。

以下通過在實際檢測中筆者經常遇到的兩個例子來說明“工況模擬法”相對傳統檢測方法的優勢。

案例一：針對利用離心力原理的機械式超速保護裝置，檢測其超速保護功能。

利用離心力原理的機械式超速保護裝置，原理如圖11所示，該類裝置有一個甩塊，當扶梯超速時，甩塊在離心力的作用下撞擊電氣開關，從而切斷扶梯安全回路，達到超速保護的目的。對于該類保護裝置的檢測，傳統的檢測方法是采用人為動作開關，試驗電氣開關是否能切斷電源。經傳統檢測方法檢測，該類裝置幾乎都是合格的。然而，用“工況模擬法”，使用儀器檢測，結果卻是扶梯在超速超過120%名義速度時，保護裝置仍不能動作（如圖12所示）。顯然，傳統方法和“工況模擬法”的檢測結果是矛盾的。其實仔細分析兩種檢測方法的原理就不難得出：傳統的測方法由于只驗證了電氣開關的有效性，卻無法驗證機械離心裝置在何時能觸發電氣開關，無法定量檢測，因此具有很大的漏洞；而“工況模擬法”采用裝置使得扶梯進入超速狀態，從而驗證保護裝置是否有效，這種驗證是包含整個超速保護裝置（保護機械和電氣部分），因此這種檢測方法得出的結果才是正確的。筆者在大量的實際檢測中發現，機械式超速保護裝置失效往往是因為離心裝置安裝或者調整不當引起的，借助本儀器的定量檢測功能，可以對該類裝置進行調試和校驗。

圖11 機械式超速保護裝置原理示意圖

圖12 扶梯超速（保護失效）運行曲線圖

案例二：針對傳感器式的逆轉保護裝置的檢測

市場上多數自動扶梯都采用速度監控，利用傳感器進行采集自動扶梯的運行速度，當扶梯運行速度低于某一值時，認為自動扶梯可能要發生逆轉（根據慣性定律，自動扶梯在發生意外逆轉前要都要經歷減速過程），切斷電源，從而達到非操縱逆轉保護的功能。傳統檢測方法是拆除傳感器的信號線，觀察扶梯不能啟動，則認為其保護功能有效。但是利用“工況模擬法”檢測，采用儀器使得扶梯由正常往上運行，突然減速至零并發生逆轉往下運行，扶梯不能停止運行，控制柜沒有切斷電機電源，檢測結果為不合格。

顯然，兩種方法的檢測結果是矛盾的。經分析發現，是由于欠速保護閾值設置過低（接近零），同時傳感器的采樣頻率也低，導致自動扶梯的控制系統不能及時發現扶梯突然進入低速運行，從而導致逆轉保護功能失效。對于傳感器式的速度監控保護裝置，其軟件程序缺陷或其閾值設置不當引起的功能失效，采用傳統的檢測方法是很難發現的，而根據實際檢測經驗，“工況模擬法”很容易發現該類隱患，而該類隱患很多屬于出廠設計缺陷，往往是同一個型號或批次的扶梯都具有同樣隱患。

5 趨勢與展望

工況模擬法以及基于該方法而研制的自動扶梯檢測儀解決了該領域無通用方法、不能定量檢測、沒有檢測儀器的行業棘手難題，為扶梯的制造商、安裝維保公司、檢測機構、事故鑒定部門等提供了一套完整的檢測方案（包括檢測方法、專業儀器、執行標準），可提高扶梯出廠質量、維保質量、和檢測準確率，從各環節消除事故隱患，對整個扶梯行業的健康發展和公共安全都有積極作用。

1 梁敏健,林曉明.一種用于自動扶梯超速和非操縱逆轉保護功能檢測的儀器[J].中國電梯，2012.23（23）：51～57.

2 梁敏健,林曉明.針對常用幾種檢測扶梯超速、逆轉保護功能方法缺點和誤判現象的剖[J].環球市場信息導報,2012,453:50～51.

3 梁敏健，林曉明.基于速度檢測原理的扶梯超速和逆轉保護裝置失效原因探討[J].環球市場信息導報.2012.453.50.

An Inspection Technique Research and Instrument Development for Protection against Overspeed and Unintentional Reversal of the Travel Direction of Escalators

Qi Zhengwu Liang Minjian Lin Xiaoming
(Zhuhai Branch，Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research Zhuhai 519002)

This paper introduces a new method and a multi-functional instrument which both based on the inverter technology.The simulating method is used for inspect the device for protection from overspeed and unintentional reversal of the travel direction of escalators. The instrument can simulate the dangerous working conditions of the escalator's accidental overspeed and unintentional reversal, in order to achieve the qualitative and quantitative inspection. This paper focuses on the principles, features and operating methodes of the instrument.It also analyses the contrastive cases practically comparised with the traditional methodes in detail. For the advantages of intuition, accuracy, qualitative and quantitative inspection, the instrument has a good solution to the problem of inspecting the protection against overspeed and unintentional reversal of the travel direction of escalators. This instrument fills a vacancy in the area at home and abroad, and reaches the international advanced level.

Escalator Overspeed protection Non reversal protection Frequency conversion technology Escalator comprehensive tester

X941

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－0 1－05 D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.001

戚政武 (1964～),男,高級工程師,廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院院長。從事特種設備檢驗與管理及檢驗儀器開發與利用工作。

2014-07-23）