基于信号频率增减的扶梯速度检测系统研制

周张森 姜竹语

(江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 南通 226002)

在机电类特种设备（尤其是自动扶梯与自动人行道）中常需要对设备超速或欠速进行检验检测，如TSG T7005—2012《电梯监督检验和定期检验规则——自动扶梯与自动人行道》(以下简称扶梯检规）的6.3项与6.9 项的要求[1]。但是由于被检设备本身的限制或得检验仪器的限制，实际检验中很难做到模拟设备实际超速或欠速的情况，即使部分设备可以模拟超速或得欠速的情况，但一则很难模拟具体超速到什么程度保护装置才动作，二则检验检测人员也无法确定被检测设备本身给定的参数是否可以采信，造成该类检验项目的检验检测与检验规范或得标准存在一定的偏差，而该偏差恰恰可能给设备埋下事故隐患，也给检验检测工作留下风险，因此解决此问题显得尤为迫切。

1 规范条款的理解

扶梯检规附录A 条款6.3（1）要求：“自动扶梯或得自动人行道应当在速度超过名义速度的1.2 倍之前自动停止运行。如果采用速度限制装置，该装置应当在速度超过名义速度的1.2 倍之前切断自动扶梯或得自动人行道的电源。如果自动扶梯或自动人行道的设计能防止超速，则可以不考虑上述要求。”[1]笔得认为，该条款并没有强制要求所有扶梯或自动人行道必须设置超速保护，对于设计上能防止超速的（主要是指受电动机转差率的限制，扶梯超速不可能达到1.2倍的额定速度），可以不设置超速保护。这也能很好地解释一部分老旧的自动扶梯或自动人行道没有超速保护功能的原因。另外，该超度保护并未考虑因传动系统失效（轴、齿轮、链条、键等）而引起的扶梯或自动人行道的超速，因为标准假设或要求了这些部件是基于本质安全设计的。

扶梯检规附录A 条款6.9 要求：“应当设置扶手带速度监测装置，当扶手带速度与梯级(踏板、胶带)实际速度偏差最大超过15%，并且持续时间达到5～15 s 时，使自动扶梯或得自动人行道停止运行。”[1]笔得认为，扶手带速度相对梯级速度的少量正偏差是可以被接受的（一般也是这么设计的），但是如果偏差过大就容易引起人员（尤其是行动不便的人员）的跌倒，这是不可接受的。另外，从扶梯检规的描述来看，偶发性的短时间的速度偏差也是可以被接受的，但并不表示不需要维修调整。一方面，是因为偶发性的短时间的速度偏差引起人员跌倒的概率较小；另一方面，如果因为偶发性的短时间的速度偏差而贸然制停扶梯，反而容易引发正在乘坐扶梯或自动人行道的乘客的跌倒，对于人流量较大的扶梯或自动人行道还容易引起群体性伤害事故。

2 自动扶梯的测速方式的介绍

标准或规范并未要求自动扶梯（或自动人行道）的测速一定是电气安全装置动作实现，且由于扶梯还需要防止逆转的发生，故简单的机械方式的测速装置不适用于自动扶梯，即使机械式的测速装置得以使用，也需要另外的装置用于检测扶梯逆转的发生，故扶梯的测速通常都使用接近开关产生脉冲信号的方式进行测速包括逆转检测的实现，其接近开关常见的有电感式接近开关、霍尔式接近开关以及透过型和槽型光电开关[2]等。有部分自动扶梯或自动人行道使用编码器进行测速，但由于编码器成本相对较高，目前使用感应开关作为测速原件的自动扶梯和自动人行道占了绝大部分。自动扶梯的测速方式也决定了这些功能的检验检测方式是区别于垂直类电梯的限速装置的检验检测。

3 目前已有的检验检测方法的不足

目前针对扶梯速度项目的检测有以下3 种常见的检验检测方法，但有一些明显的不足之处。

3.1 信号切除法

信号切除法[3]通常是指切除测速装置送入扶梯控制系统的信号，也可以在测速端移除测速装置。一方面，由于扶梯或自动人行道的操作空间比较狭小，对于移除测速装置的方法常存在移除和复位比较困难，即使复位后也容易出现检测不到信号等故障的现象，对于配合检验检测的维保人员要求比较高；另一方面，该方法只能证实在相关信号切除后，扶梯控制系统会产生反馈使扶梯停止运转，并不能确定扶手带速度欠速多大比例后控制系统能产生反馈使自动扶梯停止运转，对于自动扶梯超速保护的检验检测，该方法显然是不太适合。因此，信号切除法存在比较明显的弊端，无法很好地用于自动扶梯梯级和扶手带速度项目的检验检测。

3.2 工况模拟法

工况模拟法[3-4]又被称为“外接变频驱动试验方法”[5]，一般是在控制系统与电动机之间串入一个额外的带有变频功能的装置，在测试状态下通过改变电动机的实际转速来实现扶梯超速或逆转，进而检测扶梯超速保护功能、逆转保护功能是否有效。该方法对于自动扶梯超速保护功能和逆转保护功能的检验检测比较贴近实际工况，但是其涉及强电的接线，对配合人员要求比较高，一旦接线不好（如虚接）或得与自动扶梯系统匹配不好，容易造成被测自动扶梯的线路损坏。另外，由于相当于给扶梯系统额外加装了一个变频系统，所以检测装置自身体积与重量比较大，不便于检验检测人员的携带，也不利于广泛的推广使用。再得，如果额外加装的部分与扶梯控制系统不兼容时，扶梯也无法正常运行，不能顺利完成检验检测工作。此外，该装置也无法实现扶手带欠速功能的检验检测。

3.3 修改预设比较值法

修改预设比较值法是指在检验检测时由有系统权限的人，通过改变系统内置的比较值（如将系统内置的比较值0.5 m/s 修改为0.4 m/s，即名义速度超比较值25%），来检测自动扶梯按正常速度运行时超速保护功能是否触发来判定超速保护功能的有效性。该方法存在2个问题：一方面，有系统权限的人是有限的（通常为电梯调试员），在实际检验检测时可能很难及时获得有系统权限的人的支持，尤其对于一些由非原电梯制造单位保养的自动扶梯；另一方面，对于检验检测人员来说制造单位的控制系统是一个黑盒，检验检测人员很难透析其工作原理，故存在电梯制造单位可能只是通过一些特定的指令来实现自动扶梯的故障停止（即可能修改的比较值只是一个触发故障停止的指令，与实际扶梯超速保护功能没有实际关联）。因此，该方法适用于电梯制造单位的内部检验检测，但不适用于不了解系统工作原理的外部检验检测。

4 拟研制系统的原理和实现方法

基于自动扶梯和自动人行道的测速原理，拟研制设备将以测速信号频率为基础，通过测试设备按照检验检测需求进行一定的频率变化来模拟自动扶梯（或自动人行道）的超速或扶手带欠速状态，变换后的信号输入扶梯控制系统的原测速信号接收端，依据是否能触发自动扶梯（或自动人行道）控制系统的保护功能来判断相应项目是否符合规范的要求。

按照设计思路，笔得拟定了研制设备的原理框架图，如图1所示，并制作了对应的实物电路板，见图2。

图1 设备设计原理框架图

图2 设备设计电路板实物图

基于设备的设计原理，本设备的研制需要确定和解决一些技术问题。

4.1 信号类型与兼容性

经过笔得及团队的调研，目前自动扶梯（或自动人行道）的信号类型常见的为DC24V，为了避免因调研覆盖的不全面，基于信号的电压的常见类型，研制设备将考虑兼容DC12V 与DC5V，以满足不同型号自动扶梯（或自动人行道）的检验检测要求。

基于上述功能要求，拟研制的设备在输入端输入信号进入本设备后，设备首先对输入信号进行预处理[6]，处理后的信号进入STM8 单片机，单片机对该信号进行AD 转换获取信号电压值，实现输入端信号电压的自动识别。

在输出端，设备带有5 V、12 V、24 V 三路不同幅值的电源芯片，当单片机检测到输入信号的电压幅值后，打开相应的电源芯片，并通过单片机的PWM（脉冲宽度调制）功能，实现不同电压信号的输出要求。

4.2 输出信号的可识别性

由于输出信号是通过对输入信号的转换或得是基于输入信号类型特征进行模拟后输出的，可能存在输出信号与输入信号类型的差异，但是该差异应不影响自动扶梯（或自动人行道）控制系统对其接收与判断，因此输入信号的准确测量也非常重要。

基于此，笔得将输入信号经过继电器切换后，通过电阻分压，进入后续放大器，再进入单片机的ADC（模拟数字转换器），实现模拟信号到数字信号的转换，得到信号的电压值。同时输入信号通过单片机的输入捕获功能，实现信号周期和占空比的测量。在准确测量输入信号的基础上，笔得通过单片机的PWM 功能，实现对输出信号相应周期和占空比信号的控制[7]，以满足输出信号与输入信号类型一致的要求，也满足输出信号能被控制系统识别的要求。

4.3 测试前后的信号控制

一方面，自动扶梯（或自动人行道）启动时有一段从零速至额定转速的加速过程的运行特点，通常控制系统并非在启动阶段就进行速度信号的检测和判断；另一方面，从测试角度来讲测试设备也无法瞬间接入传感器与控制系统之间并直接工作。因此，需要满足当测试设备接入后，在未进入测试阶段时，应该不影响自动扶梯（或自动人行道）的正常运行。

基于上述功能要求，笔得设计了通过按键和单片机控制继电器的开关，实现两路信号的开关切换。继电器默认状态下，系统直接将输入信号输出至控制系统，即输入端与输出端通过继电器开关短路；进入测试状态后（如按下“开始测试”按键），继电器切换状态，将输入端与输出端的直接连接断开，将满足测试要求的模拟信号输出至自动扶梯（或自动人行道）的控制系统。

4.4 误差的调整

本测试设备在初期并未考虑自动扶梯（或自动人行道）梯级实际速度与名义速度之间的偏差。笔得认为实际情况下，空载运行时梯级的实际速度与名义速度的偏差较小，相对于20%的超速可以忽略不计，但是为了更好地提高检验检测的精准度，还是有必要为此提供解决方案。在需要考虑梯级实际速度与名义速度偏差的情况下，检验检测人员可以预先使用转速表对梯级实际速度进行检验，并计算其与名义速度的偏差百分比，在超速功能检测时将“拟预设超速百分比+偏差百分比”设置为“预设超速百分比”，即可以补偿实际速度与名义速度之间的偏差（注：可提供一单独误差补偿设置功能，由测试设备自动补偿）。

4.5 测试设备的便携性和易用性

测试设备是否便于携带是影响检验检测人员是否愿意选用的重要因素之一，因此就要求测试设备具有较好的集成度，即有较小的体积与重量，可放置于常规的检验工具箱中予以携带。基于此要求，笔得选用了STM8S20xxx 系列高性能单片机、18650 电池供电、BQ24703 电源管理芯片及自研高集成电路板，进行了样机的开发，已制成的样机（见图3）符合体积小、重量轻的预期（长×宽×高：130 mm×86 mm×50 mm，重量：0.48 kg），相比工况模拟法的设备[4]，在携带性上具有明显的优势。

图3 测试设备样机

接线上，仅需要将扶梯感应器的输出端从扶梯控制系统中取出接入仪器的输入端，仪器输出端接入自动扶梯控制系统的输入端，将扶梯控制系统的直流公共端接入仪器公共端即可（具体接线方法如图4所示）。由于是低压信号，接线相对容易且安全性较高，便于检验检测人员和维护保养人员的使用。

图4 测试仪器接线方法

5 样机测试

笔得使用制作的样机对部分扶梯设备进行了测试，检测样机进入测试前，扶梯的扶手带测速信号直接进入扶梯自身检测系统，检测样机不对其形成干扰。当检测样机进入测试状态，但不改变原信号的信号特征（包括频率、电压、占空比）时，扶梯能正常持续运行，表明检测样机模拟发生的信号可以被自动扶梯接受，不影响其正常运行。当通过检测样机按比例改变其模拟频率至一定值时，自动扶梯则停止运行，并报相应的故障，具体测试数据见表1。

表1 样机测试数据

测试结果表明，检测样机基本能够适应自动扶梯或自动人行道扶手带测速和梯级测速项目的检验。另外，测试结果还表明，部分扶梯设备的扶手带在欠速情况下，需要达到时间上限才能触发设备停梯，虽然具有较好的容错率，但积累了一定的事故风险；而在梯级测速方面，自动扶梯或自动人行道的系统均在检测到超速的情况下第一时间触发设备停梯，只是超速比例有少量差异，这可能是由于误差造成的。

6 结束语

综上，笔得介绍了一种基于信号频率增减的扶梯速度相关项目（包括梯级超速、扶手带欠速）检测系统的实现原理和方法。该方法下的扶梯速度相关项目检测系统很好地克服了信号切除法精度不足、工况模拟法设备较大接线复杂及修改预设值比较法的黑盒等问题，且该检测系统也具备较为广阔的适应性。虽然在检测精度上可能还存在一定的不足，但是这种检测精度的不足对于自动扶梯（或自动人行道）的安全运行没有本质性的影响，但在便携性、精准度及直观性等方面有了很好的兼顾，能够满足自动扶梯（或自动人行道）相关项目的检验检测要求。此外，基于该仪器的实现原理，其还适用于其他基于脉冲信号原理测速的设备的检验检测，具有较广泛的适用性。