基于急停故障案例的本質(zhì)安全性分析

楊建榮

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021）

0 引言

急停控制電路邏輯清晰、結(jié)構(gòu)簡單，研究這類電路控制可靠性的文獻(xiàn)幾乎沒有，能檢索到的文獻(xiàn)[1]不具有直接相關(guān)性且年代較久遠(yuǎn)。由于這類電路的啟用機(jī)率小，大量的工業(yè)實(shí)踐也很少有因其失控而引發(fā)的電氣故障，所以易被設(shè)計(jì)人員忽視而疏于詳細(xì)分析。隨著電動助動車的大量涌現(xiàn)，在行駛途中需要頻繁制動，急停電路使用頻率急劇增大。在恩施城內(nèi)突發(fā)急停故障，事發(fā)后拆卸電門鎖開關(guān)、左右手把的剎車斷電開關(guān)及保險(xiǎn)開關(guān)，帶回實(shí)驗(yàn)室檢測。

1 檢查與解構(gòu)

1.1 開關(guān)檢測結(jié)果

電門鎖、保險(xiǎn)開關(guān)動作正常。用萬用表檢查左右斷電開關(guān)電阻見表1。結(jié)果（表中OL是顯示值表示開路）表明左制動開關(guān)正常，右制動開關(guān)接通時(shí)的接觸電阻異常。

表1 左右制動斷電開關(guān)電阻

1.2 結(jié)構(gòu)解剖分析

解構(gòu)左側(cè)開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。觸點(diǎn)的接觸與釋放、按鈕的按下與松開都處在一個(gè)同心軸方向上。軸向上的彈簧既是按鈕松開后的復(fù)位動力，又是觸點(diǎn)接觸加壓的動力，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性極高。

圖1 左側(cè)開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

解構(gòu)右側(cè)開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。按鈕按下、松開與觸點(diǎn)接觸、脫離的移動方向相互垂直，觸點(diǎn)從斷開到閉合，需經(jīng)軸向彈簧釋放與橫向彈簧釋放兩個(gè)動作環(huán)節(jié)，而且觸點(diǎn)加壓的橫向彈簧受制于軸向移動的影響，其彈力有限。定觸點(diǎn)平面用肉眼可觀察到高低不平，故相對左側(cè)開關(guān)動作的可靠性很低。此為導(dǎo)致不到一年時(shí)間即出現(xiàn)開關(guān)接觸不良的原因。

圖2 右側(cè)開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 電路安全性分析

2.1 本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)要求

GB/T 25295電氣設(shè)備安全設(shè)計(jì)導(dǎo)則（4.2.1）指出安全要求的一般原則，在以下四種條件下電氣設(shè)備的使用是安全的：①在整個(gè)生命周期；②在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常使用條件時(shí)單一故障條件下；③在合理預(yù)見的設(shè)計(jì)目的；④在正確安裝、運(yùn)行和維護(hù)的條件下。而本質(zhì)安全的電氣電路設(shè)計(jì)要求則是通過設(shè)計(jì)手段使生產(chǎn)過程和產(chǎn)品性能本身具有防止危險(xiǎn)發(fā)生的功能，即使在誤操作的情況下也不會發(fā)生事故。

2.2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在安全隱患

由廠方給出的電氣原理圖3可以看到，制動斷電開關(guān)是采用并聯(lián)連接形式（圖中粗實(shí)線部分）。左右任何一個(gè)剎車手把制動開關(guān)自動接通，都會輸出一個(gè)高電平觸發(fā)信號，控制器接收到信號后就會即刻切斷電機(jī)供電。表面上看，這個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)自動動作是合理的，但如果仔細(xì)分析前后輪剎車與左右開關(guān)的各種正常與故障組合條件下車輛的最終運(yùn)行狀態(tài)（見表2），則會發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的人身安全事故隱患。

圖3 電氣原理圖

表2 動作組合結(jié)果分析

車輛僅對前輪制動時(shí)，若開關(guān)沒能接觸導(dǎo)通，則后輪上的電機(jī)仍在驅(qū)動車輛繼續(xù)前行，此時(shí)前輪會由不平衡狀態(tài)朝著呈90°轉(zhuǎn)向的平衡位置扭轉(zhuǎn)，駕駛員將在意外情形下，失去平衡而與車身同時(shí)倒地。以下暫不分析由連接剎車斷電導(dǎo)線斷線導(dǎo)致的無法斷開電機(jī)電源的危險(xiǎn)故障。

2.3 制動電路的實(shí)際可靠度小于設(shè)計(jì)值

助動車的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求剎車時(shí)可靠斷開電機(jī)電源。設(shè)左右剎車單個(gè)開關(guān)整體接通故障率為λ1、λ2，且故障率按e?x指數(shù)分布，則電機(jī)在剎車時(shí)左右兩個(gè)并聯(lián)開關(guān)S1、S2的接通設(shè)計(jì)的可靠度[2]為

僅僅滿足這個(gè)斷電的要求是不夠的，由分析得知還存在前輪制動而S2沒有接通，電機(jī)電源沒有斷開的風(fēng)險(xiǎn)隱患項(xiàng)。而這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)僅僅是由S2的接通可靠度決定，與S1的接通可靠度無關(guān)。顯然相對于原設(shè)計(jì)的開關(guān)并聯(lián)接通可靠度而言，此時(shí)的安全行駛可靠度降低了。假設(shè)λ1≈λ2，則其降低倍數(shù)B約為

2.4 單個(gè)制動開關(guān)接通可靠度右側(cè)小于左側(cè)

當(dāng)仔細(xì)分析S1、S2開關(guān)觸點(diǎn)接通的機(jī)械結(jié)構(gòu)差異時(shí)，還可以看到開關(guān)接通的可靠度不僅依賴觸點(diǎn)接觸可靠度，還依賴于機(jī)械動作機(jī)構(gòu)的可靠度。

設(shè)軸向滑動的可靠度為R1，橫向滑動的可靠度為R2，左右開關(guān)的觸點(diǎn)接通可靠度為R3、R4，左右開關(guān)整體動作可靠度為Rz、Ry，則

由于Rx＜ 1（x=1,2,3,4）且R4＜R3，則

顯然故障率高的右側(cè)開關(guān)不適宜用于這種安全斷電的場合。不能因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)上安裝方便而選用卻忽略分析接觸不可靠所帶來的隱患。尤其是開關(guān)恰好被安裝在存有危險(xiǎn)停車故障的右手把上，若按下剎車把不能預(yù)期關(guān)斷電機(jī)電源，就會發(fā)生人車倒地。恩施的急停故障案例，則是駕駛員倒地后被摔進(jìn)了路邊的深山溝中，并因流血過多不治身亡。

3 解決途徑

增加冗余的并聯(lián)開關(guān)，比如在右開關(guān)上再并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，可靠度可以增加，但僅僅按下右剎車時(shí)，電機(jī)沒斷電的隱患依然存在。要杜絕這個(gè)危險(xiǎn)故障產(chǎn)生的安全隱患，需要另辟途徑。

3.1 采用串聯(lián)斷電電路結(jié)構(gòu)

從左手把開關(guān)S1結(jié)構(gòu)可以看到這個(gè)開關(guān)的觸點(diǎn)斷開的可靠度幾乎為100%。故將右剎車開關(guān)也改用左開關(guān)結(jié)構(gòu)形式，將原來并聯(lián)常態(tài)斷開的電路，改為串聯(lián)常態(tài)閉合的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。此時(shí)即便開關(guān)觸點(diǎn)出現(xiàn)接觸不良的故障，也僅僅是一次斷開電機(jī)電源的安全故障[3]，而不會是引發(fā)車禍的危險(xiǎn)故障。

圖4 串聯(lián)急停電路

3.2 制動電路改進(jìn)前后右手把的可靠度比較

1）不考慮觸點(diǎn)接觸差異時(shí)的開關(guān)整體可靠度

剎車電路改進(jìn)后，右手把電機(jī)斷電信號可靠度增加值B的計(jì)算。設(shè)軸向滑動的可靠度為R1，橫向滑動的可靠度為R2；改進(jìn)前觸點(diǎn)接通可靠度為R5，改進(jìn)前開關(guān)閉合的整體可靠度為Rq，改進(jìn)后觸點(diǎn)斷開的可靠度為Rx，改進(jìn)后開關(guān)斷開的整體可靠度為Rh。依據(jù)普通微動開關(guān)使用壽命均為10 000次，將改進(jìn)前為確保接通的每個(gè)動作環(huán)節(jié)故障率暫且均設(shè)為λ1=0.000 01，改進(jìn)后為確保接通的每個(gè)動作環(huán)節(jié)故障率均為λ2，則有λ2<<λ1。設(shè)λ2＜0.000 005，則在同一個(gè)單位t時(shí)間段內(nèi)，開關(guān)整體輸出的可靠度為

改進(jìn)后與改進(jìn)前的開關(guān)整體平均壽命[4]比值為

即改進(jìn)前約為0.000 03的故障率，現(xiàn)在已經(jīng)不存在，而且開關(guān)的平均壽命也至少增加了9倍。

2）考慮接觸方式差異時(shí)的觸點(diǎn)接觸可靠度

如果僅僅考慮觸點(diǎn)接觸接通的可靠度，則在同一種使用環(huán)境下，小電流會更容易使觸點(diǎn)的阻值變大[5]；且觸點(diǎn)改動之前是面接觸，之后是線接觸的可靠度差異[6]。即在觸頭外加壓力F相同的條件下，點(diǎn)接觸形式下每個(gè)接觸點(diǎn)所承受的壓力最大，也就是最容易破壞接觸表面的氧化膜，從而使膜電阻減小。反之，面接觸的接觸點(diǎn)數(shù)n最多，排除和破壞表面膜的能力小，膜電阻就增大。線接觸介于兩者之間；同時(shí)當(dāng)接觸壓力較小如彈簧壓力小于9N時(shí)，面接觸的接觸電阻反而比點(diǎn)接觸或線接觸的接觸電阻大，接觸電阻Rj與接觸形式的關(guān)系見表3[7]。

表3 接觸電阻Rj與接觸形式的關(guān)系（銅）

在此借用這個(gè)表中面接觸與線接觸的阻值比：1 900/330=57，作為接觸故障率λ的比值，并假設(shè)故障率與接觸電阻是線性相關(guān)并且相關(guān)系數(shù)k=1，則改進(jìn)后觸點(diǎn)接通可靠度與平均壽命評估比較值分別為

改進(jìn)后的開關(guān)不僅觸點(diǎn)接通的可靠度大幅度增加，且其接通壽命也為改進(jìn)前的57倍，這就意味著改進(jìn)后的安全故障率也大幅度降低。

3.3 串聯(lián)斷電結(jié)構(gòu)的可靠度

1）串聯(lián)斷電結(jié)構(gòu)的可靠度計(jì)算式

對于輸出是開關(guān)斷開后的信號來講，開關(guān)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路如圖4所示，其信號可靠度的邏輯框圖[8]如圖5所示。它是任一開關(guān)斷開后就會有輸出信號的或關(guān)系。設(shè)S1、S2開關(guān)觸點(diǎn)斷開的滑動機(jī)械結(jié)構(gòu)與原左手把開關(guān)相同，設(shè)開關(guān)整體觸點(diǎn)斷開的故障率為λ，且故障率按e?x指數(shù)分布，R(t)、F(t)分別為斷開可靠度與不可靠度，則電機(jī)在制動時(shí)兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)斷開可靠度為

圖5 串聯(lián)急停電路的可靠度邏輯

式中：R(t)為開關(guān)斷開可靠度；RS1、RS2為左手剎和右手剎車斷開的強(qiáng)度。

改進(jìn)后的左右開關(guān)串聯(lián)后的斷開可靠度與改進(jìn)前開關(guān)并聯(lián)接通的可靠度計(jì)算式形式是一樣的。同理，改進(jìn)后單個(gè)制動開關(guān)斷開的可靠度與改進(jìn)前單個(gè)開關(guān)接通的可靠度計(jì)算式的形式也是一樣的。

2）串聯(lián)斷電結(jié)構(gòu)的可靠度及增加值

由于串聯(lián)常閉與并聯(lián)常開的急停開關(guān)的可靠度計(jì)算式完全相同，所以兩者的可靠度完全取決于每個(gè)開關(guān)的可靠度。改進(jìn)后的右開關(guān)，采用左開關(guān)結(jié)構(gòu)形式，由3.2節(jié)的比較分析得，改進(jìn)后單個(gè)可靠性遠(yuǎn)大于改進(jìn)前的右手把開關(guān)的可靠度。而串聯(lián)常閉結(jié)構(gòu)的可靠度，則可由式（7）、式（12）計(jì)算得出，其可靠度與單個(gè)開關(guān)的可靠度是一致的。由于

則

而改進(jìn)前，由于存在本質(zhì)不安全的故障隱患，導(dǎo)致并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠度已經(jīng)變?yōu)閮H由單個(gè)開關(guān)的可靠度所決定。所以，改進(jìn)后的可靠度比改進(jìn)前的可靠度增加值及壽命增加的比值仍維持式（6）～式（9）中所得出的結(jié)論不變。

3.4 串聯(lián)電氣自動急停開關(guān)結(jié)構(gòu)的一般邏輯特征

串聯(lián)安全斷電急停開關(guān)控制電路結(jié)構(gòu)，類似于左側(cè)開關(guān)簡單可靠的急停按鈕，實(shí)際上普遍應(yīng)用于各類電器控制的緊急停止電路中，以及接觸器需要互鎖時(shí)的常閉互鎖電路上[9]。

電工手冊中15t/3t的交流起重機(jī)控制線路中的控制回路電源控制繼電器C，零位限位開關(guān)FTK、XTK、DTK，艙口蓋及橫梁欄桿門上的安全開關(guān)，電機(jī)過電流繼電器LJ開關(guān)需要急停控制，其常閉觸點(diǎn)全部串聯(lián)在繼電器C的線圈回路中，如圖6所示。

圖6 15t/3t起重機(jī)控制回路電源啟動急停原理圖

電梯電氣控制電路中電源繼電器YJ，需要急停的安全鉗開關(guān)、限速器斷繩開關(guān)、電機(jī)過熱檢測開關(guān)的常閉觸點(diǎn)也都是串聯(lián)在控制電源繼電器的線圈回路中，如圖7所示。

圖7 電梯控制電源回路啟動急停原理圖

翻閱其他常用生產(chǎn)機(jī)械電氣控制電路中的急停控制，則無一例外全部采用串聯(lián)常閉停止。

目前最普遍使用的LA38型按鈕內(nèi)部結(jié)構(gòu)與手指按下狀態(tài)如圖8所示，動觸點(diǎn)、按鈕帽與前述的左側(cè)開關(guān)結(jié)構(gòu)類似，也是處在一個(gè)同軸中心上下移動。急停按鈕則是在該開關(guān)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上改變了平鈕的帽子而已。

圖8 按鈕內(nèi)部結(jié)構(gòu)與手指按下狀態(tài)

大量的工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐表明：該串聯(lián)常閉控制結(jié)構(gòu)是相當(dāng)可靠的，幾乎沒有發(fā)生過因?yàn)榘粹o失效不能緊急停止而導(dǎo)致的安全事故，也幾乎沒有因開關(guān)接觸不良而導(dǎo)致的無故急停故障現(xiàn)象。電氣控制的串聯(lián)自動緊急停止設(shè)計(jì)是經(jīng)得起數(shù)量與時(shí)間考驗(yàn)的控制結(jié)構(gòu)。總結(jié)這類控制線路結(jié)構(gòu)的一個(gè)共同邏輯特征為:k(jiting)，iff：U(out)=0，?：F(t)→0，即對任意一個(gè)急停開關(guān)，當(dāng)且僅當(dāng)全部環(huán)節(jié)（包括中間過渡環(huán)節(jié)）以斷電零電壓為有用的輸出信號時(shí)，則急停故障率與不可靠度趨向于零。

4 結(jié)論

串聯(lián)急停才是本質(zhì)安全的電路。對于急停電路，不能忽視邏輯結(jié)構(gòu)的選擇。采用串聯(lián)常閉的邏輯結(jié)構(gòu)才能避免應(yīng)用中出現(xiàn)重大的安全事故，該結(jié)構(gòu)是一個(gè)值得推廣應(yīng)用的急停電路結(jié)構(gòu)形式。