基于模块化控制的自动扶梯和自动人行道可编程电子安全相关系统探讨及应用

2017-01-04李捷李重远姜磊

中国设备工程 2016年13期

关键词：自动扶梯人行道完整性

李捷，李重远，姜磊

（1.广西特种设备检验研究院，广西南宁 530219；2. 包头市特种设备检验所，内蒙古包头 014030）

基于模块化控制的自动扶梯和自动人行道可编程电子安全相关系统探讨及应用

李捷¹，李重远¹，姜磊²

（1.广西特种设备检验研究院，广西南宁 530219；2. 包头市特种设备检验所，内蒙古包头 014030）

随着我国经济和基础设施建设的快速发展，各地新建了大量的商场、酒店、车站(如火车站、地铁站)和机场等公共场所，自动扶梯和自动人行道在这些大型公共场所中承担了及其重要的交通运输功能。国标《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》GB16899-2011首次提出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（PESSRAE）的概念。本文以模块化控制的PESSRAE为切入点，探讨其工作原理及已成熟的实际应用。

模块化；自动扶梯和自动人行道可编程电子安全相关系统；安全完整性等级

一般认为安全保护只有用机械装置、硬件来实现及完成才可靠。在目前制造生产过程中，设备种类多样、工艺流程繁杂，一旦整个控制系统出现任何偏差就可能对人员、设备或环境造成严重后果。随着微电子、计算机和总线技术以及无线通信技术的快速发展，相关技术被越来越多地应用到安全系统以实现安全功能。随着GB/T 20438.1-7《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》颁布，功能安全学科在我国正式从研究领域迈入实际应用阶段。

1 可编程电子安全系统概念

可编程电子（Programmable electronic）依据GB/T 20438为计算机技术的基础，可以由硬件、软件及其输入和（或）输出单元构成，该术语包括以一个或多个中央处理（CPU）及相关的存储器等为基础的微电子装置，例如微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路。安全相关系统（Safety-related system）则对上述系统提出了风险控制和功能安全的要求，把安全的定义由传统的绝对安全变更为“相对安全”，这是一种安全状态，其不存在不可接受的风险，通过采取适当措施，使得高风险发生概率极低，而低风险发生概率处于可控状态，保证受控设备（EUC）在危险信号产生后不会进入危险状态，实现安全功能。

2 PESSRAE原理及特点

GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》首次提出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（Programmable Electronic System in Safety R elated Applications for Escalators and moving walks， PESSR AE），监测装置和电气安全装置（或功能）的要求应予以实现，其中部分功能可以采取安全开关和安全电路的方式来实现，但某些功能相对复杂，例如扶手带速度监测，采取上述方式实现不仅难度大，且准确性、稳定性难以保证，而采用PESSR AE可较易实现且稳定可靠。

图1 PESSR AE原理图

以图1为例，PESSR AE分为两大部分，硬件上主要有三大模块：(1)以传感器及开关为输入模块，采用高抗干扰的部件，保证安全功能的可靠性、稳定性；(2)以安全功能控制板（FSCB）为处理模块，双CPU独立设计,同步判断，互为监测，信号检测电路为完全隔离；(3)以安全继电器为执行模块。安全继电器的动触头之间由强制导向装置连接，如果任何一组触头发生粘连的故障，强制导向装置都会让触头复位断开。因此另外一组触点完全可以担当继电器动作状态监视的作用。

软件上系统控制模块包括硬件适配层功能模块和应用层功能模块。前者主要是各驱动程序及相关的中断服务，后者则包含：(1)传感器模块，测量传感器信号，计算安全模块所需要的数据；(2)安全功能模块，检测相关安全功能信号，发送处理指令；(3)I/O控制模块，数据、参数输入/输出处理；(4)安全完整性模块，硬件检查功能，交叉通道比较和程序顺序监控。(5)自学习模块，自学习并修复错误；(6)诊断模块，诊断数据评估，记录日志。采用模块化设计的优势在于不需要做专门的接口设计，模块自成子系统，只需要将模块输出表现为安全回路的通断即可。子系统会自己判断功能的工作和故障状态。由于按照工业领域应用的设计需要，同样最大限度的满足了温湿度和防水防尘等工作环境需要。同时，由于自成子系统和成熟的平台设计，并与原系统，在运行上相互独立，非常方便今后的再升级或者客户的新需求扩展。

3 安全完整性等级

由PESSR AE实现的电气安全装置（功能）应满足安全完整性等级（SIL)的要求。 SIL是一种离散的等级，IEC 61508中首次提出，用于规定分配给电气/电子/可编程电子安全相关系统的安全功能的安全完整性要求，等级分为4级。

安全完整性等级表明了各种因素导致故障的故障率，这些故障将导致不安全状态的出现，例如硬件故障、软件故障、电干扰所致故障，SIL并非是系统、子系统、要素或元件的特性。SIL（N=1，2，3，4）的正确理解是系统支持安全功能的潜在能力具有达到N的安全完整性水平。

4 PESSRAE已实现的功能

根据目前已成熟应用，PESSR AE可实现包括下列安全功能：检查超速和非操作逆转运行并在速度超过名义速度1.2 倍之前起作用（SIL2）；检查工作制动器释放（SIL1）；检查附加制动器的动作（SIL1）；检查梯级或踏板的缺失，应防止进入梳齿板（SIL2）；检查扶手带速度偏差（SIL1）；检查检修盖板的开启或打开楼层板（SIL1）；检查制停距离超过1.2倍等。每一安全功能，都需要依据相关软硬件的失效模式及诊断分析来验证是否达到标准规定的SIL 等级。

5 小结

PESSR AE的出现及应用表明人们对控制系统的功能安全性研究越来越重视。PESSR AE的设计和检测，实质上是“专业的人，做专业的事；有资格的人，做能胜任的事”。PESSR AE启示我们重视电梯电气系统相关选型的计算，对控制系统的部件选型、使用寿命、可靠性、安全完整性等级（SIL）进行更加系统性的科学计算。

[1]GB16899-2011 自动扶梯与自动人行道安装安全规范.

[2]GB/T 20438-2006电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全 .

[3]沙建红.自动扶梯安全功能系统的设计与实现.

[4]贡玉南，高磊.应对电梯及扶梯的安全隐患.

图6 工件表面形貌对比结果

从图6中可以看出，两种加工方法得到的已加工表面形貌区别明显。普通车削形成了不规则的已加工表面形貌，而且表面切痕比较深，产生了划痕、沟槽、麻点和积屑瘤碎片嵌入已加工表面等缺陷，施加超声振动后避免了这些缺陷的产生，同时形成了类似于车轮的网格状条纹，已加工表面更加规则细腻。

超声车削之所以能获得较好的已加工表面质量主要是因为加工中施加了超声振动，切削时刀具以一定的振动频率和振幅处于超声振动状态，切屑会被振动中的刀具所截断。另外，由于刀具与工件的间断接触，工件材料在受到剪切撕裂发生弹性变形后会有暂时的缓解过程，并且加工中产生的微裂纹还没扩展就被下一个切削过程的刀具所截断，因此容易获得较好的表面质量。