基于模塊化控制的自動扶梯和自動人行道可編程電子安全相關系統探討及應用

李捷，李重遠，姜磊

（1.廣西特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530219；2. 包頭市特種設備檢驗所，內蒙古 包頭 014030）

基于模塊化控制的自動扶梯和自動人行道可編程電子安全相關系統探討及應用

李捷1，李重遠1，姜磊2

（1.廣西特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530219；2. 包頭市特種設備檢驗所，內蒙古 包頭 014030）

隨著我國經濟和基礎設施建設的快速發展，各地新建了大量的商場、酒店、車站(如火車站、地鐵站)和機場等公共場所，自動扶梯和自動人行道在這些大型公共場所中承擔了及其重要的交通運輸功能。國標《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》GB16899-2011首次提出了用于自動扶梯和自動人行道的可編程電子安全相關系統（PESSRAE）的概念。本文以模塊化控制的PESSRAE為切入點，探討其工作原理及已成熟的實際應用。

模塊化；自動扶梯和自動人行道可編程電子安全相關系統；安全完整性等級

一般認為安全保護只有用機械裝置、硬件來實現及完成才可靠。在目前制造生產過程中，設備種類多樣、工藝流程繁雜，一旦整個控制系統出現任何偏差就可能對人員、設備或環境造成嚴重后果。隨著微電子、計算機和總線技術以及無線通信技術的快速發展，相關技術被越來越多地應用到安全系統以實現安全功能。隨著GB/T 20438.1-7《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》頒布，功能安全學科在我國正式從研究領域邁入實際應用階段。

1 可編程電子安全系統概念

可 編 程 電 子（Programmable electronic） 依 據GB/T 20438為計算機技術的基礎，可以由硬件、軟件及其輸入和（或）輸出單元構成，該術語包括以一個或多個中央處理（CPU）及相關的存儲器等為基礎的微電子裝置，例如微處理器、可編程邏輯控制器（PLC）、專 用 集 成 電 路。 安 全 相 關 系 統（Safety-related system）則對上述系統提出了風險控制和功能安全的要求，把安全的定義由傳統的絕對安全變更為“相對安全”，這是一種安全狀態，其不存在不可接受的風險，通過采取適當措施，使得高風險發生概率極低，而低風險發生概率處于可控狀態，保證受控設備（EUC）在危險信號產生后不會進入危險狀態，實現安全功能。

2 PESSRAE原理及特點

GB16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》首次提出了用于自動扶梯和自動人行道的可編程電子安全相關系統（Programmable Electronic System in Safety R elated Applications for Escalators and moving walks， PESSR AE），監測裝置和電氣安全裝置（或功能）的要求應予以實現，其中部分功能可以采取安全開關和安全電路的方式來實現，但某些功能相對復雜，例如扶手帶速度監測，采取上述方式實現不僅難度大，且準確性、穩定性難以保證，而采用PESSR AE可較易實現且穩定可靠。

圖1 PESSR AE原理圖

以圖1為例，PESSR AE分為兩大部分， 硬件上主要有三大模塊：(1)以傳感器及開關為輸入模塊，采用高抗干擾的部件，保證安全功能的可靠性、穩定性；(2)以安全功能控制板（FSCB）為處理模塊，雙CPU獨立設計,同步判斷，互為監測，信號檢測電路為完全隔離；(3)以安全繼電器為執行模塊。安全繼電器的動觸頭之間由強制導向裝置連接，如果任何一組觸頭發生粘連的故障，強制導向裝置都會讓觸頭復位斷開。因此另外一組觸點完全可以擔當繼電器動作狀態監視的作用。

軟件上系統控制模塊包括硬件適配層功能模塊和應用層功能模塊。前者主要是各驅動程序及相關的中斷服務，后者則包含：(1)傳感器模塊，測量傳感器信號，計算安全模塊所需要的數據；(2)安全功能模塊，檢測相關安全功能信號，發送處理指令；(3)I/O控制模塊，數據、參數輸入/輸出處理；(4)安全完整性模塊，硬件檢查功能，交叉通道比較和程序順序監控。(5)自學習模塊，自學習并修復錯誤；(6)診斷模塊，診斷數據評估，記錄日志。采用模塊化設計的優勢在于不需要做專門的接口設計，模塊自成子系統，只需要將模塊輸出表現為安全回路的通斷即可。子系統會自己判斷功能的工作和故障狀態。由于按照工業領域應用的設計需要，同樣最大限度的滿足了溫濕度和防水防塵等工作環境需要。同時，由于自成子系統和成熟的平臺設計，并與原系統，在運行上相互獨立，非常方便今后的再升級或者客戶的新需求擴展。

3 安全完整性等級

由PESSR AE實現的電氣安全裝置（功能）應滿足安全完整性等級（SIL)的要求。 SIL是一種離散的等級，IEC 61508中首次提出，用于規定分配給電氣/電子/可編程電子安全相關系統的安全功能的安全完整性要求，等級分為4級。

安全完整性等級表明了各種因素導致故障的故障率，這些故障將導致不安全狀態的出現，例如硬件故障、軟件故障、電干擾所致故障，SIL并非是系統、子系統、要素或元件的特性。SIL（N=1，2，3，4）的正確理解是系統支持安全功能的潛在能力具有達到N的安全完整性水平。

4 PESSRAE已實現的功能

根據目前已成熟應用，PESSR AE可實現包括下列安全功能：檢查超速和非操作逆轉運行并在速度超過名義速度1.2 倍之前起作用（SIL2）；檢查工作制動器釋放（SIL1）；檢查附加制動器的動作（SIL1）；檢查梯級或踏板的缺失，應防止進入梳齒板（SIL2）；檢查扶手帶速度偏差 （SIL1）；檢查檢修蓋板的開啟或打開樓層板（SIL1）；檢查制停距離超過1.2倍等。每一安全功能，都需要依據相關軟硬件的失效模式及診斷分析來驗證是否達到標準規定的SIL 等級。

5 小結

PESSR AE的出現及應用表明人們對控制系統的功能安全性研究越來越重視。PESSR AE的設計和檢測，實質上是“專業的人，做專業的事；有資格的人，做能勝任的事”。PESSR AE啟示我們重視電梯電氣系統相關選型的計算，對控制系統的部件選型、使用壽命、可靠性、安全完整性等級（SIL）進行更加系統性的科學計算。

[1]GB16899-2011 自動扶梯與自動人行道安裝安全規范.

[2]GB/T 20438-2006電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全 .

[3]沙建紅.自動扶梯安全功能系統的設計與實現.

[4]貢玉南，高磊.應對電梯及扶梯的安全隱患.

圖6 工件表面形貌對比結果

從圖6中可以看出，兩種加工方法得到的已加工表面形貌區別明顯。普通車削形成了不規則的已加工表面形貌，而且表面切痕比較深，產生了劃痕、溝槽、麻點和積屑瘤碎片嵌入已加工表面等缺陷，施加超聲振動后避免了這些缺陷的產生，同時形成了類似于車輪的網格狀條紋，已加工表面更加規則細膩。

超聲車削之所以能獲得較好的已加工表面質量主要是因為加工中施加了超聲振動，切削時刀具以一定的振動頻率和振幅處于超聲振動狀態，切屑會被振動中的刀具所截斷。另外，由于刀具與工件的間斷接觸，工件材料在受到剪切撕裂發生彈性變形后會有暫時的緩解過程，并且加工中產生的微裂紋還沒擴展就被下一個切削過程的刀具所截斷，因此容易獲得較好的表面質量。

3 結語

為解決本公司生產的5A06鋁合金車削加工難的問題，利用超聲車削方法對其進行實驗研究，改變普通車削的連續切削方式為斷續切削方式。與普通車削相比超聲車削可以降低切削力、減輕刀具磨損、改善已加工表面質量，對鋁合金的優質高效加工具有很高的應用價值。

參考文獻 ：

[1]徐英帥．難加工材料超聲振動輔助車削加工機理及試驗研究[D]．博士學位論文，沈陽：東北大學，2016．

[2]周志民．天然金剛石精密車削不銹鋼技術研究[D]．博士學位論文，大連：大連理工大學，2010．

[3]楊亮．塑性材料超聲振動精密切削技術的研究[D]．博士學位論文，哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007．

TH236

A

1671-0711（2016）10（上）-0113-02