最重要的自动扶梯安全装置

自动扶梯和自动人行道制动系统的演变

作者：Anthony Boom

介绍

自从第一台自动扶梯安装以来，自动扶梯制造商和安全规范委员会一直积极主动地努力使自动扶梯尽可能安全。无论制造商和规范委员会是主动还是被动采取行动，随着时间的推移，许多新的安全设备和规则都已实施，以使自动扶梯和自动人行道更加安全。 

在我从事自动扶梯行业的 35 多年中，我见证了各种新型安全装置的实施，例如缺失台阶检测器、扶手速度传感器、梳状冲击装置、水平台阶装置、超速和欠速装置等等。 

关于所有自动扶梯安全装置的增加和演变，可以写很多内容，但本文的重点是最重要的自动扶梯安全装置——自动扶梯制动器的演变。

自动扶梯制动器是最重要的自动扶梯安全装置，因为自动扶梯上的所有其他安全装置都依赖于自动扶梯制动器的功能。如果没有自动扶梯制动器，那么安装紧急停止开关、超速装置、梳状冲击装置或任何安全装置的价值又是什么呢？答案是“没有”。如果没有自动扶梯制动器，那么当安全装置启动时，自动扶梯不会停止。在最好的情况下，自动扶梯电机会关闭，自动扶梯将继续移动，直到自动扶梯上乘客的重量不足以克服扶手和滚动梯级带的摩擦力。 

固定扭矩制动器和飞轮

早期的自动扶梯制动器是简单的弹簧制动器，现在称为固定扭矩制动器。在需要时，使用拉力弹簧和压缩弹簧来施加自动扶梯制动器。拉力弹簧不再受欢迎，因为拉力弹簧失效会导致完全没有制动器，而压缩弹簧在弹簧断裂时仍能提供一些弹簧力。 

固定扭矩制动器的一些缺点：  

• 随着刹车磨损，必须定期重新调整刹车。
• 如果调节制动器的固定扭矩，使得制动力矩足以停止重载的自动扶梯，那么当自动扶梯轻载时，自动扶梯可能会不合需要地快速停止。
• 自动扶梯的停止距离会因设备负载的不同而有很大差异。如果自动扶梯负载很大，则自动扶梯的停止距离会很长。而如果自动扶梯负载很轻，则停止距离会很短。 

为了尽量减少自动扶梯停止距离和停止速度的差异，自动扶梯制造商在自动扶梯电机上增加了一个大飞轮。在自动扶梯电机上增加飞轮可减少负载对自动扶梯的影响。本质上，制动器更多地是停止飞轮，而不是停止自动扶梯上的负载。飞轮越大，自动扶梯从无负载到重载的停止就越一致。 

添加飞轮不仅使自动扶梯的停止更加一致，而且飞轮使自动扶梯在上下两个方向的停止率更加一致。如果自动扶梯电机上没有安装飞轮，则自动扶梯上的负载会导致自动扶梯在上行时短暂停止，在下行时长时间停止。 

安装在自动扶梯电机轴上的飞轮似乎解决了固定扭矩制动器的大部分问题。然而，增加飞轮会带来一些新的不良问题：

• 需要更大的制动器。由于飞轮安装在电机轴上，制动器必须具有足够的制动力矩来停止飞轮和自动扶梯上的满额定负载。
• 增加制动器的尺寸会增加制动器的成本。
• 需要更多的空间来安装飞轮和更大的刹车。
• 需要很大的电流来启动自动扶梯电机和飞轮旋转并加速到一定速度。 

几十年来，自动扶梯制造商一直忍受这些问题，以获得增加飞轮带来的好处。然而，随着时间的推移，安全规范要求变得更加严格。规范要求最小停止距离为 4.5 英寸。（对于以 4.5 英尺/分钟运行的自动扶梯，3 英寸是根据最大减速率为 2 英尺/秒^90 计算得出的。）停止速度快于 3 英尺/秒^2 被认为会破坏乘客的平衡。但是，自动扶梯必须在不超过约 16 英寸的距离内停止。这个 16 英寸是由裙板开关到自动扶梯上梳齿的距离决定的。如果在触发裙板开关时，某人的鞋被夹在台阶边缘和自动扶梯裙板之间，则必须在该人的脚被拖入梳齿之前停止自动扶梯。 

为了满足法规允许的 4.5 英寸至 16 英寸的制动距离范围，无论自动扶梯上的动态负载是多少，制造商都尝试增加电机飞轮的尺寸，以最大限度地减少动态负载对自动扶梯的影响。其他制造商则尝试将制动扭矩设置得较高，然后延迟施加制动器，以满足 4.5 英寸的最小制动距离要求。

延迟踩刹车有助于满足最小停车距离要求，但无法满足最大减速率 3 ft/s^2 的要求。因此，法规委员会增加了立即踩刹车的要求，以避免减速率超过 3 ft/s^2。 

可变固定扭矩制动器

1980 世纪 XNUMX 年代，我所在的公司将永磁 (PM) 制动器与一种新方法相结合，即施加与自动扶梯负载成比例的固定制动扭矩。PM 制动器的优点是它是一种可变扭矩装置。PM 制动器产生的扭矩与流过 PM 制动线圈的电流成反比。如果自动扶梯上的负载很重，则制动控制器可以通过降低 PM 制动电流来增加制动扭矩。如果自动扶梯上的负载很轻，则制动控制器可以通过增加 PM 制动线圈电流来降低制动扭矩。

现在，该制动控制器通过测量自动扶梯电机电压和自动扶梯电机电流之间的相位角来确定自动扶梯上的负载。相位角越大，自动扶梯上的负载越轻，而相位角越小，自动扶梯上的负载越重。如果相位角较小，则自动扶梯制动控制器将降低 PM 制动线圈电流，以在自动扶梯停止时施加更大的制动力。当相位角较大时，自动扶梯制动控制器将增加 PM 制动线圈电流以降低制动扭矩。

施加与自动扶梯负载成比例的制动扭矩消除了对飞轮的需求，同时能够满足减速率和制动距离的规范要求。但是，这种制动控制器需要相当复杂的控制设置，该设置因电机尺寸和电机制造商而异。此外，对于给定的制动线圈电流，各个制动器的 PM 制动扭矩并不一致。因此，必须不时进行额外的设置调整，或者每次更换新制动器时都必须进行额外的设置调整。

速度反馈制动控制

1988 年，同一家公司发明了一种新的制动控制装置，该控制装置设置更简单，并且不受电机尺寸、电机制造和给定制动线圈电流的制动扭矩变化的影响。这种新方法利用了相同 PM 制动器的“速度反馈”。 “速度反馈”制动控制器将预定义的电压斜坡与自动扶梯电机驱动的转速表电压进行比较。制动控制器将根据转速表电压如何跟随预定义的电压斜坡来改变制动扭矩。如果在自动扶梯停止时，转速表电压低于预定义的电压斜坡电压，则自动扶梯的停止速度比预期的要快。因此，制动控制器将减小制动扭矩以降低自动扶梯的停止速度。但是，如果转速表电压大于预定义的电压斜坡，则自动扶梯的停止速度比预期的要慢。因此，制动控制器将增加制动扭矩以降低自动扶梯的停止速度。

速度反馈制动控制的优点包括：

• 简化设置程序
• 与电机尺寸无关
• 独立于电机制造
• 对于给定的制动线圈电流，与制动扭矩的变化无关
• 不再需要飞轮

只要制动器能够产生足够的扭矩来停止额定负载，速度反馈就能发挥相当好的作用。

速度反馈制动控制的缺点包括：

• 需要将转速表“调整”到制动控制器产生的预定义电压斜坡
• 由于转速表电压随时间下降，因此必须将转速表“重新调整”到制动控制器产生的预定义电压斜坡。
• 制动控制器只有一个预编程电压斜坡，用于与转速表反馈电压进行比较。因此，自动扶梯或自动人行道的每个设计运行速度都需要不同的制动控制卡。

需要注意的是，为防止出现不安全情况，如果转速表上的电压过低，自动扶梯控制器将不允许自动扶梯运行。

减速反馈制动控制

1993 年，同一家公司推出了另一种新型制动控制器，它具有“速度反馈”制动控制器的所有优点，但设置起来更简单，无需“调整”或“重新调整”。这种新方法利用了相同 PM 制动器的“减速反馈”。该制动控制器使用编码器而不是转速表来确定速度并计算实时自动扶梯减速度。然后将计算出的实时自动扶梯减速度与所需的减速度设定值进行比较。制动控制器利用 PI（比例和积分）控制来改变制动扭矩，具体取决于实时自动扶梯减速度与所需设定值的接近程度。如果在自动扶梯停止时，实时自动扶梯减速度大于设定值，则自动扶梯的停止速度比预期的要快。因此，制动控制器将减小制动扭矩以降低自动扶梯的停止率。然而，如果实时自动扶梯减速率小于设定值，则自动扶梯的停止速度会比预期的慢。因此，制动控制器将增加制动力矩，以增加自动扶梯的停止速度。

减速反馈制动控制的优点包括：

• 速度反馈控制器的所有优点
• 更简单的设置程序
• 无需调整或重新调整
• 同一制动控制卡可用于任意速度的自动扶梯或自动人行道。

新型减速反馈制动控制器的其他改进包括：

• 使用 PWM（脉冲宽度调制）代替线性调节来控制制动电流。PWM 提供更精确的控制，并且比旧的线性控制更节能。
• 增加了使用 PI 控制来调节制动线圈释放电流的功能。因此，当制动线圈电阻因制动器的不同而不同，或当制动线圈电阻因温度变化而变化时，PI 控制器将随着时间的推移保持相同的制动释放电流。
• 我申请了专利的用于制动控制的模糊逻辑可以估算自动扶梯上的负载，因此初始制动扭矩与实际所需的制动扭矩非常接近。在制动器接合之前估算自动扶梯上的负载，可以减少摆动时间和幅度，从而实现更平稳的制动器接合。

只要制动器能够产生足够的扭矩来停止额定负载，减速反馈就能发挥良好的作用。

减速反馈制动控制的主要缺点之一是在上行自动扶梯上。如果自动扶梯电机上没有安装飞轮质量，则满载上行自动扶梯的停止速度总是比所需的减速设定值更快。但是，目前，自动扶梯安全规范并不要求自动扶梯在上行运行时具有最大减速率。 

电机控制动态制动

2024 年初，我完成了对自动扶梯和自动人行道的新型混合制动系统的测试。该混合制动系统结合了减速反馈制动控制和 ASME A17.1-2019 和 2022 自动扶梯安全规范规则 6.1.5.3.4 最近允许的另一种制动控制。自动扶梯安全规范将这种新型制动系统称为“电机控制器动态制动”。电机控制的动态制动要求在制动过程中保持电源与自动扶梯电机的连接，因为电机用于制动。

实际上，电机控制动态制动并非新鲜事物，但直到最近，才被允许在自动扶梯和自动人行道上使用，因为《自动扶梯安全规范》始终要求在安全装置启动时切断驱动机器电机和制动器的电源。《自动扶梯安全规范》现在允许使用电机控制动态制动，但必须遵守其他几条规则。 

电机控制能耗制动的优点：

• 减速反馈控制器的所有优点
• 当安全装置启动时，自动扶梯在等待制动器接合期间不会加速或减速。如果没有动态制动，自动扶梯将在正常制动器从打开到接合所需的时间内“空转”。虽然正常制动器接合时间相对较短，但自动扶梯将在下行方向上在负载下瞬间加速，直到制动器接合。使用动态制动，电机的空转被消除。因此，停止过程得到改善。
• 无论自动扶梯负载或运行方向如何，停止率始终一致
• 无论自动扶梯的负载或运行方向如何，停止距离始终一致
• 可用作停止自动扶梯的附加手段 - 6 米以上需遵守规范
• 当法规要求使用冗余制动器时，无需使用第二个机器制动器
• 停止曲线像固定扭矩制动器一样平滑。 

电机控制动态制动的缺点包括：

• 断电时电机无法产生制动扭矩。
• 自动扶梯安全规范允许大多数安全装置使用电机控制动态制动，但并非所有安全装置都允许。自动扶梯速度监控、驱动链装置、坑道开关、停止反转、断开电机安全装置、梳状台阶冲击装置等不允许使用动态制动。

为了克服电机控制动态制动的缺点，我将动态制动与减速反馈控制配对，形成了一个混合系统。对于大多数安全设备，都采用电机控制器动态制动。当无法使用电机控制动态制动时，混合系统采用减速反馈控制。

制动对比表

• 顶部虚线代表 PM 制动满载向下方向。
• 从上往下第二条虚线表示 PM 在自动扶梯任一方向上均无负载制动。
• 中间实线代表动态（再生）制动，所有条件，负载，空载，向上方向，向下方向。
• 底部虚线代表 PM 制动满载向上方向。
• 任何弹簧或磁力制动器都有应用时间。制动对比图显示制动应用时间为 100 m/s，自动扶梯运行速度为 100 ft/min。自动扶梯的实际速度取决于实际空载运行自动扶梯速度、运行方向和自动扶梯上的负载。满载上行自动扶梯的运行速度将比实际空载自动扶梯速度慢，满载下行自动扶梯的运行速度将比实际空载自动扶梯速度快。 
• 满载 PM 制动下行方向图显示，自动扶梯的速度以 2.5 英尺/秒的速度增加² 从 100 英尺/分钟加速到 115 英尺/分钟，移动 2.15 英寸，然后刹车。然后，PM 刹车控制器将减速率控制到 1.5 英尺/秒² 额外的 14.7 英寸。总停止时间约为 1.4 秒，总停止距离为 16.8 英寸。如果应用时间为零，并且有足够的制动力矩以 1.5 英尺/秒的速度停止负载²，则实际停车距离为 11.11 英寸。
• 空载 PM 制动图显示，自动扶梯的速度以 0.5 英尺/秒的速度下降² 从 100 英尺/分钟减至 97 英尺/分钟，移动 1.97 英寸，然后刹车接合。然后，PM 刹车控制器将减速率控制为 1.5 英尺/分钟^s2 额外增加 10.45 英寸。总停止时间约为 1.2 秒，总停止距离为 12.4 英寸。根据机械系统的惯性和摩擦，实际时间、停止时间和距离会有所不同。如果应用时间为零，并且有足够的惯性来克服系统摩擦，则实际停止距离为 11.11 英寸。
• 满载 PM 制动上行图显示，自动扶梯的速度以 4.2 英尺/秒的速度下降² 从 100 英尺/分钟降至 74.8 英尺/分钟，移动了 1.75 英寸，然后刹车启动，继续以 4.2 英尺/秒的速度减速² 额外增加 2.22 英寸。总停止时间约为 0.4 秒，总停止距离为 3.97 英寸。在这种情况下，PM 制动控制器将减小或施加很小的制动力。自动扶梯上的重量将使自动扶梯比制动控制器的编程速率更快地停止。总停止时间约为 0.4 秒，停止距离为 3.9 英寸。根据自动扶梯上的重量以及机械系统的惯性和摩擦力，实际时间、停止时间和距离会有所不同。
• 动态（再生）制动图显示制动无延迟时间。无论自动扶梯上的负载和运行方向如何，该图都显示自动扶梯以 1.7 英尺/秒的速度减速² 在 100 秒内从 0 英尺/分钟降至 1.0 英尺/分钟，总停止距离为 9.8 英寸。在这种情况下，PM 制动控制器将在停止期间轻柔或施加很小的制动力，因为逆变器使自动扶梯减速的速度比制动控制器的设定点更快。在上行方向上，逆变器将“推动”自动扶梯负载以保持 1.7 英尺/秒² 减速率。 

结语

自从第一台自动扶梯安装以来，自动扶梯制造商和安全规范委员会一直积极主动地通过增加和改进安全装置，使自动扶梯和自动人行道尽可能的安全。

自动扶梯上最重要的安全装置是自动扶梯制动器。所有其他安全装置都依赖于自动扶梯制动器，以便在安全装置启动时停止自动扶梯。制动器不仅必须停止自动扶梯或自动人行道，而且制动器必须以尽可能安全的方式停止自动扶梯。

如前所述，自动扶梯制动器最初是固定扭矩制动器。后来，随着飞轮、可变固定扭矩制动器、速度反馈、减速度反馈以及现在的电机控制动态制动的加入，制动器得到了改进。 

我最近测试完的制动系统是一种混合系统，它将电机控制的动态制动与减速反馈制动相结合，用于无法使用电机控制的动态制动的情况。

代码参考

ASME A17.1-2019/CSA B44:19 规则 6.1.5.3 制动器

• 6.1.5.3.1 自动扶梯驱动机制动器 
• 6.1.5.3.2 主传动轴制动
• 6.1.5.3.3 自动扶梯驱动机制动器和电机控制的动态制动系统应符合8.3.1和8.3.6的要求
• 6.1.5.3.4 自动扶梯驱动机电机控制动态制动
• 6.1.5.3.5 辅助制动器 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 规则 6.1.6.7 自动扶梯制动距离监控器
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 规则 6.1.6.3 电气保护装置 6.1.6.3.1 至 6.1.6.3.16 包括以下措辞（如果允许动态制动），“应导致启动动态制动（6.1.5.3.4）或从自动扶梯驱动机电机和制动器上切断电源。” 如果不允许动态制动，则将省略以下措辞：“应导致启动动态制动。” 本文件的“要求”部分列出了这些设备。 
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 规则 6.1.6.10 控制和操作电路。控制和操作电路的设计和安装应符合 6.1.6.10.1 至 6.1.6.10.4 的规定。
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 规则 8.3.1 测试和认证的一般要求
• ASME A17.1-2019/CSA B44:19 规则 8.3.6 自动扶梯制动器和制动系统型式试验