霍览宇 陈杰金
摘要:本文研究了现代电梯安全技术存在问题,分析了电梯传统安全系统基本组成,从电梯主动安全系统的运行原理、组成结构等方面提出了设计方案,通过研究功能安全等相关规范要求,提出电梯主动安全系统的运行机制。
Abstract: This article studies the existing problems of modern elevator safety technology, analyzes the basic composition of the elevator traditional safety system, and proposes a design plan from the operating principle and composition structure of the elevator active safety system. Through studying the functional safety and other related specifications, it proposes the operating mechanism of the elevator active safety system.
关键词:电梯;主动安全;功能安全
Key words: elevator;active safety;functional safety
中图分类号:TP23 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2020)30-0179-02
0 引言
随着城市化的发展,高层建筑内主要的交通工具电梯的安全性也日益被人重视。伴随我国城市化的不断推进,我国已经是全球最大的电梯市场,不管是电梯保有量、年产量还是年度增长量均已是全球第一。电梯已经深深融入人们的日常生活中,让生活更加方便,但是也对电梯质量特别是安全性提出更加严苛的要求。
1 电梯的安全性仍难以满足人们的需求
现代电梯本身具备了安全可靠措施,电梯制造商也在持续研究改进电梯质量和安全水平,但是仍然与当前人民大众对电梯的安全需求有差距,主要有以下原因:一是电梯安全理解的范畴有差距,电梯安全实际上是广义安全,电梯安全涉及很多方面,包括电梯设计、生产制造、检验检测、安装维护、运行管理及报废等全生命周期。但是人們对电梯安全的理解是狭义的电梯设备安全,一旦发生电梯安全事故,人们更多的是关注电梯设备本身的安全性。二是电梯传统的安全措施是被动式的安全,如电梯超速,触发安全机制造成电梯被锁定在轨道上人员被困,这本身是安全系统的有效作为,但是非专业的乘客则会觉得这就是电梯故障,而不会认为是电梯安全机制的作用。三是电梯发展越来越快,新旧电梯之间体验差距明显。特别是随着近年来新型电梯的不断增加,当乘客适应了新型电梯之后对老旧电梯地体验感会变差,从而引发对安全性的关注。
随着现代工业技术的发展,电梯技术也迅猛发展,如电梯的驱动技术,当前电梯交流变频驱动基本普及,新型无机房永磁曳引驱动技术等也快速发展。但是遗憾的是电梯安全系统仍然停留在几十年前的基于最基本机械和电气原理和检测方式,虽然基本的保护仍然具有非常重要的效用,很难替代,但是利用现代最新技术进行升级补充,提升安全特别是电梯的主动安全有明显的发展空间,是当前电梯安全的研究热点。
2 电梯传统的安全系统概述
电梯的安全部件是保护电梯安全运行的相关部件,主要有限速器、安全钳、缓冲器、限位开关、相序继电器、平层开关、层门锁等等,以及通过这些安全部件中联动的电气元件组成的安全回路和门联锁回路。
限速器和安全钳作为电梯重要的安全部件,能将意外下坠的电梯轿厢有效制停,是电梯安全的重要部件。限速器通过限速器轮超速时的离心力克服调节弹簧拉力带动摆杆或甩块,触发电气开关启动制动,如果无效则进一步通过棘轮和棘爪或者棘齿罩和棘齿等机构配合,带动限速器绳,提拉安全钳,将轿厢夹持在轨道上。安全钳的原理是电梯下行超速时限速器绳会提拉安全钳中的楔块,通过楔块的挤压与导轨产生摩擦,进而将电梯轿厢锁定。电梯缓冲器是电梯运行系统失效时超越底层或顶层时将运行轿厢的动能转化成一种无害或安全的能量形式。传统的弹簧缓冲器或液压缓冲器的阻尼力是固定的,需要根据电梯运行速度和载荷选用不同规格的缓冲器,适应性差,一旦出现重载电梯墩底或空载冲顶事故保护效果差别较大。
限位开关、相序继电器是电气安全元件。限位开关有软硬件两重保护环节,当电梯向上或向下超过软限位开关时,电梯控制程序会强制电梯返回,如果软限位无效,电梯超过硬限位开关,则会切断电梯曳引机电源,强制轿厢停车。相序保护器则可以避免交流电机三相供电相序出错从而导致电梯运行方向错误造成事故。平层开关的作用是检测轿厢与层门的是否平齐,确保电梯上下客的安全。层门锁是电梯层站门的安全锁,防止电梯层站被非正常打开,造成人员坠落事故。层门锁正常情况是通过轿厢运行到该层站后,利用轿厢上的门刀,打开层门锁,在通过轿厢门带动打开层站门,实现轿厢和层站对接。
电梯安全回路主要是确保电梯安全运行的电气回路。主要是上述安全部件中的电气开关如相序继电器、限速器开关、断绳开关、张紧轮开关、安全钳开关、缓冲器开关、上下极限开关、盘车轮开关、安全窗开关,电梯门锁开关如轿门锁开关、所有楼层的层门锁开关以及便于检修操作的轿顶急停开关、底坑急停开关、控制柜急停开关等串联起来,形成一个电气安全回路,一旦安全回路断开,电梯则不能运行,从而确保安全。
3 电梯主动安全系统的设计
主动安全常见于汽车安全领域,是指在安全事故发生前检查、发现并避免事故发生的安全技术。本文提出的电梯的主动安全系统,实际上是指一种安全冗余的措施,利用该系统来监控电梯本身已有的安全系统,确保电梯安全系统的有效性,从而减少电梯安全事故发生。严格来说电梯主动安全系统并不是电梯的电气安全装置,而是一个独立于电梯安全装置以外的安全监测系统。
电梯主动安全系统的设计类似于传统的信息监控管理系统。根据电梯的结构设置电梯机房、电梯轿厢、井道三个信息模块,分别采集电梯相关电气开关信息,信息模块将信息通过安全总线送入主動安全控制器,通过控制器执行安全相关程序。主动安全系统输出的相关安全状态和判断信息一是送入电梯控制控系统,介入电梯运行逻辑程序的控制,确保电梯安全运行,二是送入管理系统,用于管理、归档和输出主动安全信息,辅助电梯管理和维保单位及时处置。电梯主动安全系统的基本结构如图1所示。
主动安全控制器采用安全、可靠性极高的PLC控制器,安全信息采集模块采用远程I/O单元。PLC控制器以曳引张力、速度、安全回路元件状态等实时检测信息和额定载重、运行速度等电梯参数为知识库,以电梯运行时参数变化规律、安全隐患的处理经验等为控制规则集,构建简洁有效专家控制器算法,分析并检测电梯安全隐患,并通过人机交互接口请求和指导人工干预,从而预防电梯安全故障。
4 电梯主动安全系统的运行机制
电梯属于特种设备,对安全性要求非常苛刻,并且有严格的检验标准和作业流程,若将电梯主动安全系统作为一个独立的系统安装在电梯上本身也是一件需要安全评估和检测的工作,因此电梯安全系统需要研究相关的安全机制。
国际电工委员会2000年颁布功能安全基础标准IEC 61508《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》之后发布了系列标准,形成了功能安全标准和法规体系。功能安全(Functional Safety)是依据风险评估和可靠性理论建立的电气/电子/可编程安全相关系统(E/E/PE)的全生命周期安全和安全完整性等级的概念。由于E/E/PE的应用普及可能会危及相关行业的安全控制系统,进而将E/E/PE相关的技术建立为一套成熟的产品安全设计系列理论、技术和方法,即“功能安全”技术。功能安全本质上就是控制风险,把安全问题转化为风险控制问题,通过控制风险,达到要求的安全水平。电梯主动安全系统必须要遵循上述功能安全规范,实际上功能安全在电梯行业已经开展应用。
电梯主动安全系统应用到电梯上,同时不影响电梯的安全完整性等级(SIL),也就是当电梯主动安全系统运行或失效等任何情况都不会增加电梯的安全风险性。因此电梯主动控制系统一是要采用满足功能安全的安全控制器设备,避免控制器本身的不可靠造成隐患,二是要电梯主动控制系统不能增加电梯运行的安全风险。
①电梯主动控制系统不直接干预电梯系统运行。电梯主动安全系统是独立于电梯运行之外的系统,时刻监控电梯运行各安全相关电气元件的状态,主动安全控制器通过采集数据进行电气安全信息的分析与预判,相当于每时每刻给电梯进行体检,根据诊断情况提出维护、管理和升级等相关报警,从而避免安全风险。比如电梯门锁感应开关受水汽、粉尘、磨损等情况影响失效,造成非正常停靠,造成困人事故,采用主动安全系统可提前根据检测开关状况、次数和异常,通知维保人员更换器件,从而避免困人事故。
②电梯主动安全系统风险控制方式。通过大量采集传感器信息样本,电梯主动控制器能够判别电梯各感知元件的正常状态,结合每台电梯运行特征信息建立电梯知识库,将电梯实时检测数据作为“证据”表达,将电梯相关规范中和维保要求作为“规则”,通过专家算法和程序,实现电梯安全风险判断并分级。高风险判断一旦成立则通过管理系统触发报警机制,通过信息手段送达维保人员,并要求立即确认;对于部分安全性较低的紧急风险,如困人事故,主动安全系统可以通过判断,在安全前提下,控制电梯进行就近平层停靠或低速返回基站之后开门疏散乘客。常规风险控制,则可以通过对风险记录和归档,实现利用电梯大数据对电梯进行日常体检。
5 总结
电梯主动安全系统其实是利用智能感知技术对电梯日常运行信息实施监控,及时分析电梯安全情况,判断安全风险,并提出解决方案,从而引导维护人员更高效的维保电梯,通过对电梯运行风险的预判和处理,降低电梯设备风险,提升电梯安全性,将是电梯安全的一个重要方向。
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基金项目:湖南省教育厅科学研究项目,编号:16C0574。
作者简介:霍览宇(1981-),男,湖南邵阳人,副教授,研究方向为控制理论与控制工程。