自动扶梯超速和非操纵逆转保护装置检测技术及仪器研制

戚政武 梁敏健 林晓明

(广东省特种设备检测研究院珠海检测院 珠海 519002)

自动扶梯超速和非操纵逆转保护装置检测技术及仪器研制

戚政武 梁敏健 林晓明

(广东省特种设备检测研究院珠海检测院 珠海 519002)

本文介绍了一种基于变频技术，采用工况模拟的手段来检测自动扶梯超速和非操纵逆转保护装置的新方法及依赖于该方法研制的综合检测仪器。该仪器可以模拟出扶梯意外超速和非操纵逆转的危险工况，从而实现定性定量检测。本文着重介绍了该仪器的原理、特点以及操作方法，详细分析了其与传统方法在实际检测中的对比案例。该技术和仪器以其直观、准确、可定性定量的优点，很好的解决了自动扶梯超速和非操纵逆转保护装置的检测难题，填补了国内外空白，达到了国际先进水平。

自动扶梯 超速保护 非操纵逆转保护 变频技术 自动扶梯综合检测仪

1 自动扶梯（人行道）超速及非操纵逆转保护装置的检测现状

近年来自动扶梯事故频发，其安全性备受人们关注。虽然自动扶梯事故死亡率相对垂直电梯较低，但是其社会影响程度和对受害人的伤害是非常严重的，特别是自动扶梯的逆转事故，通常容易导致群体伤害，社会影响十分恶劣，如2003年上海地铁自动扶梯逆转事故；2005年，武汉一购物中心扶梯逆转事故；2007年，上海地铁四号线自动扶梯倒行事故；2010年，深圳地铁扶梯反转运行事故； 2011年，北京地铁扶梯逆转事故。这些事故的频频发生，引起了社会和电梯业界对自动扶梯安全行的高度关注。

虽然国标GB16899或者检规对自动扶梯和人行道的超速、非操纵逆转保护功能有严格的要求，但是在实际检验中，常用的几种传统检测方法如人为动作开关法、拆除信号法、盘车法、反接电机法、串接空气开关法等都存在不同程度的缺陷，总结起来就是不通用、不直观、不够准确、无法实现定量检测，而且该领域还一直处于人工简单验证阶段，国内外都没有专业仪器。因此，自动扶梯超速与非操纵逆转保护功能的检测一直以来都是行业棘手难题，迫切需要研制一种通用、直观、可定性定量的检测方法，以及研制出相关仪器，提高检测准确率和效率。

2 工况模拟法的检测原理介绍

基于上述背景，珠海检测院经过数年的科技攻关，发明了一种通用、直观、定性定量的检测方法—“工况模拟法”，基于该方法研制出了国内外首创的检测仪器—自动扶梯综合检测仪，并成功实现了科技成果的转化；制定了国内首个关于自动扶梯试验方法标准DB44T1137-2013《自动扶梯和自动人行道的超速与非操纵逆转保护功能试验方法》，为检测人员提供了一种权威性的参考。

自动扶梯之所以能上下运行，都是通过控制柜控制电动机（如图1所示），再通过各级传动系统带动扶梯的梯级链条，从而带动梯级沿导轨运行。因此在扶梯正常运行时，是不可能出现意外超速或者逆转的现象。是否能找出一种方法能够模拟一台故障扶梯，在检验人员的控制下既能正常启动并运行，又能按检验人员的意愿随时发生超速或者逆转的危险工况，这是解决问题的关键。

图1 扶梯驱动原理简化图

工况模拟法原理如图2所示，在扶梯电动机与扶梯控制柜之间串接入一个装置（该装置是一个无源装置，它的输入端接控制柜原本到电动机的三相电输出，它的输出端接电动机的三根或者六根电线。该装置的引入没有改变扶梯的控制系统，可以把该装置与电机看成一台随时可能发生故障的电机，）在扶梯进入正常运行后，不需要对扶梯进行任何操作，只需要操作该装置（等效为电机出故障），便可以使扶梯进入意外的加速(如图3所示)或者减速逆转（如图4所示）危险工况，在此工况下验证其对应的保护装置是否能有效动作而切断扶梯的电源使扶梯停止运行，并通过安装在梯级上实时测速传感器来捕获保护装置动作时的扶梯速度，从而达到准确的定性定量检测目的。

图2 检测原理示意图

图3 扶梯意外超速运行状态图

图4 扶梯意外逆转运行状态图

如图5所示，利用该仪器驱动一台名义速度为0.5m/s的扶梯进入了意外超速运行，在扶梯加速到0.58m/s（116%名义速度）时超速保护装置动作，切断电机电源和制动器电源，扶梯开始制动，最后停止运行。如图6所示，利用该仪器驱动一台名义速度为0.5m/s的扶梯进入了减速状态，在减速至0后刚开始逆转反向运行是，逆转保护装置动作，切断电机电源和制动器电源，扶梯开始制动最后停止运行。因此，只要设计出这样的装置，便可以实现该检测方法。

图5 扶梯发生超速时运行曲线图

图6 扶梯发生减速逆转时运行曲线图

该仪器利用变频技术来实现，可以使得扶梯在正常运行时突发性的加速或者减速并发生逆转，实现了对自动扶梯的意外超速和非操纵逆转工况的安全模拟，以及相应安全保护装置的定量检测。

3 自动扶梯综合检测仪的研制

3.1 仪器的组成及原理

该检测仪是由驱动器、手持操作器、高精度传感器、触发器四部分组成（如图7所示）。驱动器用于驱动电机的运行，在手持操作器的控制下按照既定程

序驱动电梯（扶梯）启动、意外加速、意外减速甚至逆转运行；手持操作器又称为控制器，主要有三个功能，一是负责对驱动装置进行控制，以产生一定频率、电压、相位的电源；二是对传感器采集信号进行处理、计算；三是接受操作人员的指令，和把信息显示给操作人员，即人机交换功能。高精度传感器以旋转编码器为核心，安装在扶梯入口的水平段梯级上（如图8所示），当扶梯运行时，水平梯级的运动带动一个标准周长的滚轮旋转，从而带动旋转编码器轴心旋转，产生高精度脉冲信号，传输到手持操作器上，用于精确采集扶梯梯级或者扶手带的运行速度、减速度、制动距离等信息。触发器用于触发扶梯急停按钮，并把触发信号传输到操作器上，从而开始计算制停距离。

图7 自动扶梯综合检测仪组成部件图

图8 高精度传感器测速示意图

3.2 仪器的功能

该自动扶梯综合检测仪具有以下检测功能：超速保护试验、非操纵逆转保护试验、制动距离和最大制动减速度检测、梯级速度偏差检测、扶手带同步偏差检测（功能选择界面如图9所示）。该仪器涵盖了多种法定检测项目，可以用于技术机构的自动扶梯和人行道型式试验、监督检测、定期检验；也可以用于扶梯制造厂的产品出厂检测；安装维保单位的安装调试、超速保护装置的校验、以及事故调查部门用于扶梯超速和逆转事故现场模拟和分析调查、鉴定。

图9 仪器功能试验选择界面

3.3 仪器的优点

该检测方法与仪器具有以下特点：

1）通用性好，“工况模拟法”本质上是一种从标准GB16899条款要求出发，验证保护装置的有效性与否的检测方法，原理上适用于所有类型的自动扶梯和人行道（无论其是工频还是变频扶梯），而且实现了检测方法与保护装置的原理无关（以往传统的检测手段要视保护装置原理的不同而采用不同的检测方法，检测人员难以一一掌握）；

2）检测过程很直观，检测人员在现场检测过程中可以直观看见扶梯由正常运行状态进入意外超速或者逆转的危险工况，并可以观察扶梯的保护装置的动作细节，整个过程一目了然，容易理解和掌握；

3）定量检测，该仪器通过对扶梯运行速度的实时采集和保护装置的动作捕获，可以实现以保护装置的动作速度的定量检测。对于超保护装置的动作速度要求，国标和检规都有要求，但是传统的检测方法一直无法定量检测；

4）准确性高，由于该仪器的检测结果是在扶梯进入实际超速和逆转工况下定性定量检测的，因此其结果能反映保护装置的真实状态，具有很高的准确性和可靠性；

5）仪器集成了超速保护、逆转保护、梯级速度偏差、扶手带同步偏差、制动距离等多种检测功能，能大大提高现场检测效率；

6）检测精度高，采用了高精度旋转编码器和先进的数字信号滤波技术，大大提高检测精度；

7）仪器集成度高、体积小、采用触摸屏操作、方便快捷、人机界面友好，适合外出检验检测使用。

4 工况模拟法的检测优势

如前文所述，相比传统检测方法，该检测方法具有通用、准确、定性定量的优点，在项目研究阶段已经表现出其优势，发现了大量用传统方法难以发现的隐患（如图10所示）：2011至2013年，该检测技术被应用于某城市的自动扶梯（人行道）的检验，共检测了39个品牌56类型号487台扶梯，发现超速保护失效97台，含4个品牌、13类型号，不合格率19.9%；逆转保护失效18台，含4个品牌、6类型号，不合格率3.7%；多个品牌型号(涉及浙江、沈阳、广州、江西、江苏等多个地区厂家)的扶梯存在出厂缺陷(产品批量存在缺陷，系统性风险)。同样，2013年在某地区的电梯抽查中，使用了该检测方法和仪器，对十个城市的共725台自动扶梯（含人行道）进行了检测，发现超速保护失效262台（36.1%），逆转保护失效45台（6.2%）。

图10 （a） 某地区扶梯超速保护功能检测情况

图10 （b） 某地区扶梯非操纵逆转保护功能检测情况

上述检测数据至少能说明三个问题：

1）自动扶梯的超速和非操纵逆转保护装置的安全状况令人堪忧；

2）传统的检测方法存在很大的漏洞，至使很多安全隐患难以被检测出来；

3）“工况模拟法”以及基于该方法而研制的仪器能够很好的弥补传统方法的缺陷，解决这一行业难题。

以下通过在实际检测中笔者经常遇到的两个例子来说明“工况模拟法”相对传统检测方法的优势。

案例一：针对利用离心力原理的机械式超速保护装置，检测其超速保护功能。

利用离心力原理的机械式超速保护装置，原理如图11所示，该类装置有一个甩块，当扶梯超速时，甩块在离心力的作用下撞击电气开关，从而切断扶梯安全回路，达到超速保护的目的。对于该类保护装置的检测，传统的检测方法是采用人为动作开关，试验电气开关是否能切断电源。经传统检测方法检测，该类装置几乎都是合格的。然而，用“工况模拟法”，使用仪器检测，结果却是扶梯在超速超过120%名义速度时，保护装置仍不能动作（如图12所示）。显然，传统方法和“工况模拟法”的检测结果是矛盾的。其实仔细分析两种检测方法的原理就不难得出：传统的测方法由于只验证了电气开关的有效性，却无法验证机械离心装置在何时能触发电气开关，无法定量检测，因此具有很大的漏洞；而“工况模拟法”采用装置使得扶梯进入超速状态，从而验证保护装置是否有效，这种验证是包含整个超速保护装置（保护机械和电气部分），因此这种检测方法得出的结果才是正确的。笔者在大量的实际检测中发现，机械式超速保护装置失效往往是因为离心装置安装或者调整不当引起的，借助本仪器的定量检测功能，可以对该类装置进行调试和校验。

图11 机械式超速保护装置原理示意图

图12 扶梯超速（保护失效）运行曲线图

案例二：针对传感器式的逆转保护装置的检测

市场上多数自动扶梯都采用速度监控，利用传感器进行采集自动扶梯的运行速度，当扶梯运行速度低于某一值时，认为自动扶梯可能要发生逆转（根据惯性定律，自动扶梯在发生意外逆转前要都要经历减速过程），切断电源，从而达到非操纵逆转保护的功能。传统检测方法是拆除传感器的信号线，观察扶梯不能启动，则认为其保护功能有效。但是利用“工况模拟法”检测，采用仪器使得扶梯由正常往上运行，突然减速至零并发生逆转往下运行，扶梯不能停止运行，控制柜没有切断电机电源，检测结果为不合格。

显然，两种方法的检测结果是矛盾的。经分析发现，是由于欠速保护阈值设置过低（接近零），同时传感器的采样频率也低，导致自动扶梯的控制系统不能及时发现扶梯突然进入低速运行，从而导致逆转保护功能失效。对于传感器式的速度监控保护装置，其软件程序缺陷或其阈值设置不当引起的功能失效，采用传统的检测方法是很难发现的，而根据实际检测经验，“工况模拟法”很容易发现该类隐患，而该类隐患很多属于出厂设计缺陷，往往是同一个型号或批次的扶梯都具有同样隐患。

5 趋势与展望

工况模拟法以及基于该方法而研制的自动扶梯检测仪解决了该领域无通用方法、不能定量检测、没有检测仪器的行业棘手难题，为扶梯的制造商、安装维保公司、检测机构、事故鉴定部门等提供了一套完整的检测方案（包括检测方法、专业仪器、执行标准），可提高扶梯出厂质量、维保质量、和检测准确率，从各环节消除事故隐患，对整个扶梯行业的健康发展和公共安全都有积极作用。

1 梁敏健,林晓明.一种用于自动扶梯超速和非操纵逆转保护功能检测的仪器[J].中国电梯，2012.23（23）：51～57.

2 梁敏健,林晓明.针对常用几种检测扶梯超速、逆转保护功能方法缺点和误判现象的剖[J].环球市场信息导报,2012,453:50～51.

3 梁敏健，林晓明.基于速度检测原理的扶梯超速和逆转保护装置失效原因探讨[J].环球市场信息导报.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,高级工程师,广东省特种设备检测研究院珠海检测院院长。从事特种设备检验与管理及检验仪器开发与利用工作。

2014-07-23）