摘要：以无接触器控制技术为代表的可编程电子安全系统技术是电梯电气安全发展的主要趋势，具有用户体验性好、故障率低、维护方便等优点，但仍存在技术方案尚未成熟、安全性评估复杂等难题。介绍了无接触器控制技术的工作原理与研究重点，并综述包括安全转矩取消（STO）、制动器安全控制（SBC）、电子封星技术等主要无接触器控制技术在电梯控制系统上的应用现状、研究进展；分析了无接触器控制技术的安全性评估措施及研究现状，即电梯安全相关的可编程电子系统（PESSRAL）认证；展望了无接触器控制技术未来发展趋势及需要解决的关键问题，包括安全性、可靠性、兼容性、稳定性等，有助于推动电子安全控制技术在电梯领域的发展与应用，赋能电梯的智能化、安全化、数字化发展。
关键词：电梯,无接触器控制技术,STO,SBC,电子封星技术
0引言
电梯是现代社会必不可少的交通工具，广泛服务于住宅建筑、商场、车站、机场等领域，为人类的出行提供了便利，提高了生活幸福度和工作效率。电梯主要由机械和电气两大系统组成，其中，传统电梯的电气系统通常基于各类接触器，如门锁接触器、运行接触器、抱闸接触器等，以及各种传感器和输入设备，通过逻辑电路或微处理器/PLC驱动和控制各类元器件实现电梯各系统的运行，利用时序的控制实现电梯的安全运行[1]。
然而，随着对电梯使役性能以及电梯使用体验效果要求的提升，传统电梯电气系统已不能完全适应高端电梯发展的需求。传统的机电一体化机械安全部件虽然可以保证电梯的安全运行，但同时也存在诸多不足，尤其针对传统电梯常用的各类接触器。例如，（1）振动、噪声明显，接触器等闭合产生的噪声，容易降低用户体验，造成一定量的噪声投诉；（2）接触器等寿命一定，随着高层建筑的增加，接触器的运行次数必然增加，会极大缩短其使用寿命，再者接触器容易受粉尘颗粒的影响、导致接合/断开不到位，影响电梯安全运行，接触器的通断延时也会影响电梯的运行效率；（3）接线复杂，维保困难且效率低，当接触器出现问题时，需要逐一排查问题所在；（4）基于接触器的控制系统开发需要复杂的连线，不利于电梯新功能的开发。故有必要对传统电梯的电气控制系统进行优化设计及其再发展，进一步提升电梯安全运行性能与使用体验度。
随着电子智能化、数字化技术的发展，电梯控制系统逐渐由传统的机电一体化机械安全部件向电子安全系统发展。“无接触器控制技术”是指将传统电梯控制系统中的接触器取消，而采用含有电子元件的安全电路与/或可编程电子安全系统代替[2]，主要包括了安全转矩取消（Safe Torque Off，STO）技术、制动器安全控制（Safety Brake Control，SBC）和电子封星技术（Electronic Safety Gear Technology）。无接触器控制技术在电梯系统中的应用具有重要意义和广泛价值，有助于促进电梯系统的高效、可靠控制，提升乘客使用体验感，同时可有效降低机械接触的风险，减少了维护成本和故障率，符合电梯未来发展的高速化、智能化、安全化的发展趋势，极大推动电梯机械部件电子化的发展。
然而，无接触器控制技术在电梯控制系统领域的应用尚处于早期阶段，自从2022年7月，GB/T 7588—2020《电梯制造与安装安全规范》[3]发布实施后，才被纳入标准，允许各类梯型使用。无接触器控制技术的广泛运用仍存在技术方案尚未成熟、安全性评估复杂、需要更高的技术水平和成本投入，以及对系统的精准调试和维护要求较高等难题。
基于此，本文综述了电梯无接触器控制技术在电梯控制系统的应用研究，围绕无接触器控制系统的主要分类（包括STO、SBC、电子封星技术）、原理、功能、最新研究进展、安全验证等方面展开综述，并分析了无接触器控制技术在电梯控制系统领域未来的发展趋势及所需面临的关键问题。
1电梯无接触器控制技术
1.1安全转矩取消（STO）
传统电梯控制回路中，将电动机的三相回路通过运行接触器的常开触点与变频器的电源连接，进而通过控制运行接触器常开触点的通断来控制电动机的运行与否[4]。图1所示为运行接触器的工作原理。
安全转矩取消（STO）功能是指能切断变频器电源与电动机的回路，在不关闭电源的情况下，能够引起转动的变频器电源不被应用到电动机，保障电动机能安全制动的功能。由于常用的永磁同步曳引机的调速控制往往由变频器来完成，通过变频器的绝缘栅双极型晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块可以方便、经济地切断曳引机的转矩。故STO功能通常可以集成到变频器里面。图2所示为STO功能的工作示意图。
Ahmed等[5]研究了集成STO功能的级联H桥感应电机驱动系统，在不触发其他系统故障的情况下，通过最少数量的单元实现零扭矩，降低系统成本和复杂性，同时考察了电机控制系统、运行工况、负载特性等多种因素的影响，并借助MATLAB/Simulink软件进行仿真分析验证。何比干[6]介绍在一体机上增加STO卡以实现STO功能的技术方案，该方案采用STOA和STOB双冗余设计，并将STO板卡接入安全回路，以实现供电，满足故障裕度至少为1。刘文[7]设计了一种技术方案，该技术方案采用了安全完整性等级为SIL3（Safety Integrity Level 3）的STO功能，利用变频器的IGBT模块，以简便和经济的方式切断曳引机的转矩，实现了STO功能。崔东杰等[8]公开了一种安全转矩控制电路，旨在解决现有技术中三电平逆变器SBC功能可靠性不足的问题，从而显著提高了安全转矩控制的可靠性。陈文纪等[9]提出了一种电机SBC功能及封星控制系统，该系统通过上桥隔离单元和下桥隔离单元处理来自处理器的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号，并利用隔离式供电单元根据输入的SBC信号为上桥隔离单元和下桥隔离单元供电，进而实现电机的STO功能。Bai等[10]公开了一种电梯控制器及电梯，安全控制电路的输出端与SBC和/或STO输入端连接。通过高压电源供电安全回路，在安全回路与低压电机控制电路间增设安全控制电路，进而为低压电机控制电路提供电源信号或控制信号。
如表1所示，与传统运行接触器方案相比，采用STO功能方案具有诸多优点，在对电梯运行体验及使役性能日益提升的今天，STO功能将是未来电梯控制系统发展的重要方向之一。而STO功能在电梯控制系统的推广应用的最需解决的关键技术问题为安全性和可靠性。STO功能涉及乘客的安全，如何确保在电梯出现故障时，STO功能能够准确地切断电动机的电源，防止电梯继续转动，是一个需要解决的关键难点。
为了提升以及确保STO功能在电梯运行时的安全性与可靠性，GB/T7588—2020规定STO功能的安全完整性等级应达到SIL3，且硬件故障裕度应至少为1。故在实际开发过程中，常采用双冗余的控制回路设计，确保在其中某一回路发生失效的情况下，STO功能仍能正常作用。同时在实际的设计过程中，也可通过对应的信号监测回路，通过信号的监测，以在发生故障时及时反馈控制回路，达到及时切断对应模块的目的。而在当前实际电梯产品的使用中，配备STO功能的电梯，需要对STO功能进行电梯安全相关的可编程电子系统（Programma‐ble Electric Systems in Safety Related Applications for Lifts，PESSRAL）的认证，也将是确保STO功能开发规范化、安全可靠化的重要依据。
1.2制动器安全控制（SBC）
电梯制动装置是电梯安全运行的重要装置之一，是电梯正常停靠或者紧急停靠时，保证电梯可靠刹车的核心装置。电梯不运行时，抱闸线圈不通电，此时制动器处于抱闸状态，电动机无法进行运转；电梯运行的前提是制动器的抱闸线圈通电，进而处于开闸状态，此时电动机才被允许给电运行。制动器抱闸线圈的通电与否主要通过抱闸接触器来控制。同样地，传统抱闸接触器的使用过程中，也存在如表1所述的相关问题，如接线复杂、运行噪声、断开时经常存在触点拉弧现象，导致接触器故障率高等缺点。
基于此，制动器安全控制（SBC）功能被开发用来取消抱闸接触器，SBC功能通常需与STO功能配套使用，用于实现电梯发生意外移动时的安全制动，GB/T 7588—2020新增SBC功能可作为切断制动器电流的电气安全装置，作为断开电动机制动器供电的方法之一，仅需符合安全电路要求即可。图3为SBC功能的工作示意图。
Herkel等[11-12]设计了一种电梯制动控制系统专利，包含两个安全装置，主要由功率半导体开关装置组成，每个安全装置可以检测到电梯任何子系统的故障，使电梯制动器进入接合状态，实现抱闸制动。肖中良等[13]公开了一种电梯安全控制系统，如图4所示，由安全信号采集模块、安全控制器模块和制动回路控制模块构成，安全控制器模块根据安全信号采集模块输出的信号，控制制动回路，实现电梯制动功能，提升乘梯体验。
郭志海等[14]提出一种安全电路及控制方法，利用两路开关电路控制电磁制动线圈电源的通断，以降低故障率和噪声。张文俊等[15]公开了一种制动器供电控制装置及控制方法，布局第一、第二开关元件，通过控制开关元件实现制动器供电，避免接触器故障率高、寿命低的问题。王亮等[16]公开了一种电梯抱闸控制电路，如图5所示，取消了抱闸接触器，利用安全控制模块输入输出实现电梯制动，可以有效避免因抱闸接触器异常导致的问题。白银河[17]设计了一种安全控制电路，该安全控制电路输入端与由高压电源供电的安全回路相连接，输出端为SBC提供电源信号与控制信号，通过安全控制回路的设置可以有效地降低低压电机控制电路时电梯的故障率。
SBC功能通常通过逻辑电路的设计控制抱闸电源的输出，在有抱闸电源输出的情况下，实现电动机的松闸运行，反之无法启动运行。故SBC功能设计的关键核心点在于如何设计安全有效的控制回路，实现抱闸电源可靠输出。通过安全回路实现对SBC电源（主要包括SBC自身的供电与抱闸电源输出的驱动使能）的供电，有助于提升电梯的安全性能。与STO功能类似，实际开发过程中，SBC功能常采用双冗余的控制回路设计，确保在失电时，SBC无驱动信号输出，进而确保抱闸电源在必要时切断的可靠性。同样的，也需通过对应的信号监测回路，通过信号的监测，以在发生故障时及时反馈控制回路，达到及时切断对应模块的目的。
1.3电子封星技术的开发
电梯封星技术主要是在停梯时通过封星接触器的常闭接触器使电动机形成三相绕组短路，从而使电动机变为发电机，借助发电电流形成反电动势，由此使转速得到控制，防止抱闸失效溜车、转速失控，原理图如图6所示。
电梯封星技术提高了电梯的安全性，但封星接触器的应用也存在一些问题。首先，封星接触器需要与主接触器进行精确的时序控制，只有当主接触器断开且封星接触器失电时才能形成封星。如果控制系统或线路出现故障，导致在变频器有输出的情况下封星接触器触点失电闭合，就相当于变频器输出短路，可能导致变频器或接触器触点损坏、电梯急停等事故，造成一定的财产损失甚至人员受伤。另外，由于传统封星的局限性，封星一般无法阻止高速运行的电梯。
电子封星技术通常是利用变频器逆变桥的三相上、下桥臂的单独导通或者交替导通形成输出的三相短接，达到替代封星接触器的目的。电子封星技术一般与STO功能配套使用，同样是采用变频器内部的IGBT单元替代原有封星接触器实现封星功能。图7为电子封星的主要工作线路图。
刘文[7]通过集中控制驱动系统中的变频器逆变模块可控制开关管，利用开关管导通进行电子封星，确保电梯制动力矩不足时保护乘客免受溜梯风险。Kattainen等[18]提出一种电梯安全系统、方法、电梯系统和电梯系统安全运行的计算机程序。该系统基于传感器数据生成控制信号，控制电梯电动机产生扭矩以限制运动，以应对不允许的运动状态和电动机制动器的制动状态。范大颖[19]讨论了电梯系统中封星功能的必要性，包括种类、实现方式以及优缺点，提出了电子封星的方法以推动其在成本和安全方面的普及。王磊[20]利用IGBT模块控制电动机输出制动力矩或电子封星方法实现轿厢制停或减速，同时具备STO功能，防止电机意外启动，进一步提升了安全性。季荣斌等[21]提出了一种带封星功能的STO装置及其控制方法，如图8所示，确保在封星功能生效时，电源和使能信号仍保持STO功能，保证安全转矩关断的安全性。
周根富等[22]公开了一种电子封星回路检测方法，如图9所示，通过电流检测控制变频器实现电子封星，同时基于电子封星回路的续流电流信息，确定电子封星回路检测结果，避免了传统检测方式的漏检和误检情况。
严彩忠等[23-24]设计了一种封星控制方法及装置，当封星控制装置正常工作时，与主控板交互电梯运行信息，当运行信息中包含封星信号，则对电梯进行封星控制。王诚等[25]提出了一种电梯双封星控制装置，将逆变封星单元和机械封星单元连接到曳引机，实现双重封星，提高了安全性、反应速度和使用寿命。
相比之下，电子封星技术可以省去机电式封星接触器及相关控制回路，节省成本，简化电路设计和接线；电动机电源输入与封星统一由变频器控制，两者的动作时序和互锁控制易于实现，可靠性高，且可以实现高速封星。然而值得一提的是，不同于传统封星接触器的硬连接，电子封星需要在电源供电才可进行正常的封星功能，故需考虑在电源突然断电时电子封星的工作状态，常用的措施有外接不间断应急电源，以应对突然失电的状态[26]。
2安全性评估
电梯控制系统中，无接触器控制系统属于可编程电子安全系统的重要组成部分。早在2000年，国际电工委员会正式发布的电气和电子部件行业相关标准IEC 61508[27]，已对所有的包括软、硬件在内的安全相关系统的元器件，在生命周期范围提供安全监督的系统方法；同时提供确定安全相关系统安全功能要求的方法；建立基础标准，使其可直接应用于所有工业领域。Ayoub等[28]总结了标准IEC 61508必须达到的标准，以保证PESSRAL标准的完整性，提出了一种新的电梯安全架构，使用确定性内核来提高安全链内的安全实时通信，符合安全标准；同时确定了一个适应的IP协议，以支持升降机应用控制的可靠性约束。2009年，国际标准化组织制定标准ISO 22201[29]，适用于住宅楼、办公室、医院、酒店、工业厂房等使用的客运和货运/客运电梯产品系列。该标准涵盖了当可编程电子系统用于执行电梯的电气安全功能时需要解决的各方面问题(PESSRAL)，适用于参考ISO 22201:2009的PESSRAL的电梯规范、标准或法律中确定的电梯安全功能。在参考升降机规范、标准和法律的背景下，ISO 22201:2009中规定了安全完整性等级SIL。Ayoub等[30]提出了一个从电气/机电组件到网络化控制系统的过渡案例，建议围绕实时以太网构建电梯通信系统，以提高效率、智能和安全性。此外，使用openSAFETY协议作为实时以太网上的安全层，可以实现所需的安全完整性级（SIL）。
同样的，为了提升电子安全系统在电梯控制系统使用的安全性和可靠性，国内各类相关研究也在持续开展。孙广苗[31]设计了电梯层门监测装置，验证了安全系统的等级，促进了可编程电子安全系统在电梯安全功能方面的应用。张晴[32]开发了适用于自动扶梯的功能安全系统，包括硬件系统设计、软件安全功能模块编写与整合，以及系统测试，该系统通过上海交通大学电梯检测中心的型式试验认证。贡玉南等[33]总结了电梯中可编程电子安全系统的应用和前景，并介绍了飞思卡尔可编程电子系统中的功能安全技术。刘小畅等[34]分析了自动扶梯和自动人行道用的可编程电子安全系统，建立了用于自动扶梯和自动人行道的可编程电子安全相关系统（Program‐mable Electronic System in Safety Related Applications for Escalators and moving walks，PESSRAE）安全功能测试平台，并设计了相关的安全功能检测项目，在某公司的安全功能认证中实施。车锐[35]从符合PESSRAE标准的设计实例出发，分析了扶梯设计与功能保护实例，包括超速保护、非操纵逆转保护、梯级缺失监测、扶手带系统速度监控、桁架区域监控、制动距离监控和制动系统释放监测。
尽管GB/T 7588.1—2020许可了无接触器电子安全控制相关系统在电梯控制系统中的应用，但对于无接触器控制系统使用的安全性和可靠性均提出了严格的要求，需要获得对应的PESSRAL认证，确保控制装置安全完整性等级达到SIL3，硬件故障裕度应至少为1。
3发展趋势
自从GB/T 7588.1—2020的发布，无接触器控制相关系统被允许用作电梯的电气安全装置以来，无接触器控制技术在电梯产品的应用展现出整体向好的趋势。周健军等[36]提出了一种电梯无接触器控制的安全模块，通过结合安全制动控制模块与安全转矩关断模块从而取消传统的接触器，降低电梯整体体积的同时大大降低了电梯事故率。奚良等[37]分析了基于绝对位置检测后，电梯电子安全系统能够实现的电梯安全功能和性能的提升。
随着电梯领域智能化、数字化、安全化趋势的发展，无接触器控制技术摒弃了传统的接触器控制方式，采用先进的电子元件和算法来实现电梯的安全控制，具有响应速度快、控制精度高、节能环保等优点，必将是未来电梯控制技术发展的一大重要发展方向，其主要发展方向包括以下几点。
（1）智能化。无接触器控制技术未来的发展必将更加智能化，基于可编程电子系统，需建立有效与电梯主控系统的通信，实现对电梯运行状态的更为全面的实时监测、分析与控制，提升电梯控制系统智能化水平。
（2）网络化。基于可编程电子系统，无接触器控制技术可有效接入物联网终端，通过互联网可以实现网络化管理与远程监控，有助于电梯维保后市场的智能运维，实现按需维保。
（3）节能化。无接触器控制技术的发展，可以大量减少电梯接触器的使用，可有效地降低零件损耗与能源消耗，同时降低故障率，降低维保难度，符合节能减排的发展趋势。
（4）集成化。无接触器控制技术未来会趋向于集成化方向的发展，将控制功能整合到更小的模块中，有助于降低控制柜尺寸，方便安装与维保。
（5）模块化。除了本文所述当前主要研究的STO、SBC、电子封星功能所取替的接触器外，电梯还包括门锁接触器、限速接触器、安全接触器等，接触器是电梯控制系统运行时的主要噪声来源，未来无接触器控制技术的发展中，在满足相关标准、安全的前提下，可模块化设计各类接触器取消功能，有助于降低甚至于消除运行噪声。
与此同时，尽管电梯的无接触器控制技术未来的发展前景广阔，但作为在电梯特种设备上使用的电子安全系统，未来的发展及应用过程中，仍需要重点关注及解决以下几点关键问题。
（1）安全性与可靠性。作为取代传统接触器的无接触器控制系统，其在电梯控制系统运行时的安全性与可靠性必将是需要解决的首要问题，除满足文中所述PESSRAL认证中所要求的软硬件标准外，仍需要不断完善相关方案，在无接触器控制技术应用过程中的安全性与可靠性投入研究，相关标准也必将持续完善，以确保在电梯的长时间运行过程中不会出现故障或安全隐患。
（2）兼容性。电梯控制系统是一个完整且复杂的系统，以确保电梯正常运行时的各类通信、安全保护等功能的正常进行。在当前电梯控制系统的主流市场仍是采用接触器的形式，开发无接触器控制技术需要从电梯整体控制系统出发，除了接触器功能的取替外，还需要确保无接触器控制系统与电梯整体控制系统的兼容性，并满足各种安全标准和规范。
（3）稳定性。无接触器控制系统的长期稳定运行需要不断优化电子元件和算法设计，及提升无接触器控制的抗干扰能力和容错能力，确保电梯正常的使役性能。
4结束语
本文综述了STO、SBC、电子封星3项主要的无接触控制技术的工作原理、研究现状与技术要点，并分析其安全性评估措施、未来发展趋势及所需解决的关键问题。以无接触器电子安全系统为核心的可编程电子安全系统的开发对于提高电梯产品安全性、可靠性、用户体验感，是有意义且重要的。无接触器控制技术未来的发展趋势将为智能化、网络化、节能化、集成化和模块化。尽管无接触器控制技术也存在一系列挑战，但随着技术的不断进步和应用的深入，无接触器控制技术将是电梯系统中的一项关键技术，将为电梯行业的发展带来更多创新和进步，赋能电梯的智能化、安全化、数字化发展。
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