現(xiàn)代電梯主動(dòng)安全技術(shù)的探析

霍覽宇 陳杰金

摘要：本文研究了現(xiàn)代電梯安全技術(shù)存在問題，分析了電梯傳統(tǒng)安全系統(tǒng)基本組成，從電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的運(yùn)行原理、組成結(jié)構(gòu)等方面提出了設(shè)計(jì)方案，通過研究功能安全等相關(guān)規(guī)范要求，提出電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)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.

關(guān)鍵詞：電梯;主動(dòng)安全;功能安全

Key words： elevator;active safety;functional safety

中圖分類號(hào)：TP23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）30-0179-02

0 ?引言

隨著城市化的發(fā)展，高層建筑內(nèi)主要的交通工具電梯的安全性也日益被人重視。伴隨我國城市化的不斷推進(jìn)，我國已經(jīng)是全球最大的電梯市場(chǎng)，不管是電梯保有量、年產(chǎn)量還是年度增長量均已是全球第一。電梯已經(jīng)深深融入人們的日常生活中，讓生活更加方便，但是也對(duì)電梯質(zhì)量特別是安全性提出更加嚴(yán)苛的要求。

1 ?電梯的安全性仍難以滿足人們的需求

現(xiàn)代電梯本身具備了安全可靠措施，電梯制造商也在持續(xù)研究改進(jìn)電梯質(zhì)量和安全水平，但是仍然與當(dāng)前人民大眾對(duì)電梯的安全需求有差距，主要有以下原因：一是電梯安全理解的范疇有差距，電梯安全實(shí)際上是廣義安全，電梯安全涉及很多方面，包括電梯設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、檢驗(yàn)檢測(cè)、安裝維護(hù)、運(yùn)行管理及報(bào)廢等全生命周期。但是人們對(duì)電梯安全的理解是狹義的電梯設(shè)備安全，一旦發(fā)生電梯安全事故，人們更多的是關(guān)注電梯設(shè)備本身的安全性。二是電梯傳統(tǒng)的安全措施是被動(dòng)式的安全，如電梯超速，觸發(fā)安全機(jī)制造成電梯被鎖定在軌道上人員被困，這本身是安全系統(tǒng)的有效作為，但是非專業(yè)的乘客則會(huì)覺得這就是電梯故障，而不會(huì)認(rèn)為是電梯安全機(jī)制的作用。三是電梯發(fā)展越來越快，新舊電梯之間體驗(yàn)差距明顯。特別是隨著近年來新型電梯的不斷增加，當(dāng)乘客適應(yīng)了新型電梯之后對(duì)老舊電梯地體驗(yàn)感會(huì)變差，從而引發(fā)對(duì)安全性的關(guān)注。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電梯技術(shù)也迅猛發(fā)展，如電梯的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，當(dāng)前電梯交流變頻驅(qū)動(dòng)基本普及，新型無機(jī)房永磁曳引驅(qū)動(dòng)技術(shù)等也快速發(fā)展。但是遺憾的是電梯安全系統(tǒng)仍然停留在幾十年前的基于最基本機(jī)械和電氣原理和檢測(cè)方式，雖然基本的保護(hù)仍然具有非常重要的效用，很難替代，但是利用現(xiàn)代最新技術(shù)進(jìn)行升級(jí)補(bǔ)充，提升安全特別是電梯的主動(dòng)安全有明顯的發(fā)展空間，是當(dāng)前電梯安全的研究熱點(diǎn)。

2 ?電梯傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)概述

電梯的安全部件是保護(hù)電梯安全運(yùn)行的相關(guān)部件，主要有限速器、安全鉗、緩沖器、限位開關(guān)、相序繼電器、平層開關(guān)、層門鎖等等，以及通過這些安全部件中聯(lián)動(dòng)的電氣元件組成的安全回路和門聯(lián)鎖回路。

限速器和安全鉗作為電梯重要的安全部件，能將意外下墜的電梯轎廂有效制停，是電梯安全的重要部件。限速器通過限速器輪超速時(shí)的離心力克服調(diào)節(jié)彈簧拉力帶動(dòng)擺桿或甩塊，觸發(fā)電氣開關(guān)啟動(dòng)制動(dòng)，如果無效則進(jìn)一步通過棘輪和棘爪或者棘齒罩和棘齒等機(jī)構(gòu)配合，帶動(dòng)限速器繩，提拉安全鉗，將轎廂夾持在軌道上。安全鉗的原理是電梯下行超速時(shí)限速器繩會(huì)提拉安全鉗中的楔塊，通過楔塊的擠壓與導(dǎo)軌產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而將電梯轎廂鎖定。電梯緩沖器是電梯運(yùn)行系統(tǒng)失效時(shí)超越底層或頂層時(shí)將運(yùn)行轎廂的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成一種無害或安全的能量形式。傳統(tǒng)的彈簧緩沖器或液壓緩沖器的阻尼力是固定的，需要根據(jù)電梯運(yùn)行速度和載荷選用不同規(guī)格的緩沖器，適應(yīng)性差，一旦出現(xiàn)重載電梯墩底或空載沖頂事故保護(hù)效果差別較大。

限位開關(guān)、相序繼電器是電氣安全元件。限位開關(guān)有軟硬件兩重保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)電梯向上或向下超過軟限位開關(guān)時(shí)，電梯控制程序會(huì)強(qiáng)制電梯返回，如果軟限位無效，電梯超過硬限位開關(guān)，則會(huì)切斷電梯曳引機(jī)電源，強(qiáng)制轎廂停車。相序保護(hù)器則可以避免交流電機(jī)三相供電相序出錯(cuò)從而導(dǎo)致電梯運(yùn)行方向錯(cuò)誤造成事故。平層開關(guān)的作用是檢測(cè)轎廂與層門的是否平齊，確保電梯上下客的安全。層門鎖是電梯層站門的安全鎖，防止電梯層站被非正常打開，造成人員墜落事故。層門鎖正常情況是通過轎廂運(yùn)行到該層站后，利用轎廂上的門刀，打開層門鎖，在通過轎廂門帶動(dòng)打開層站門，實(shí)現(xiàn)轎廂和層站對(duì)接。

電梯安全回路主要是確保電梯安全運(yùn)行的電氣回路。主要是上述安全部件中的電氣開關(guān)如相序繼電器、限速器開關(guān)、斷繩開關(guān)、張緊輪開關(guān)、安全鉗開關(guān)、緩沖器開關(guān)、上下極限開關(guān)、盤車輪開關(guān)、安全窗開關(guān)，電梯門鎖開關(guān)如轎門鎖開關(guān)、所有樓層的層門鎖開關(guān)以及便于檢修操作的轎頂急停開關(guān)、底坑急停開關(guān)、控制柜急停開關(guān)等串聯(lián)起來，形成一個(gè)電氣安全回路，一旦安全回路斷開，電梯則不能運(yùn)行，從而確保安全。

3 ?電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主動(dòng)安全常見于汽車安全領(lǐng)域，是指在安全事故發(fā)生前檢查、發(fā)現(xiàn)并避免事故發(fā)生的安全技術(shù)。本文提出的電梯的主動(dòng)安全系統(tǒng)，實(shí)際上是指一種安全冗余的措施，利用該系統(tǒng)來監(jiān)控電梯本身已有的安全系統(tǒng)，確保電梯安全系統(tǒng)的有效性，從而減少電梯安全事故發(fā)生。嚴(yán)格來說電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)并不是電梯的電氣安全裝置，而是一個(gè)獨(dú)立于電梯安全裝置以外的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似于傳統(tǒng)的信息監(jiān)控管理系統(tǒng)。根據(jù)電梯的結(jié)構(gòu)設(shè)置電梯機(jī)房、電梯轎廂、井道三個(gè)信息模塊，分別采集電梯相關(guān)電氣開關(guān)信息，信息模塊將信息通過安全總線送入主動(dòng)安全控制器，通過控制器執(zhí)行安全相關(guān)程序。主動(dòng)安全系統(tǒng)輸出的相關(guān)安全狀態(tài)和判斷信息一是送入電梯控制控系統(tǒng)，介入電梯運(yùn)行邏輯程序的控制，確保電梯安全運(yùn)行，二是送入管理系統(tǒng)，用于管理、歸檔和輸出主動(dòng)安全信息，輔助電梯管理和維保單位及時(shí)處置。電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主動(dòng)安全控制器采用安全、可靠性極高的PLC控制器，安全信息采集模塊采用遠(yuǎn)程I/O單元。PLC控制器以曳引張力、速度、安全回路元件狀態(tài)等實(shí)時(shí)檢測(cè)信息和額定載重、運(yùn)行速度等電梯參數(shù)為知識(shí)庫，以電梯運(yùn)行時(shí)參數(shù)變化規(guī)律、安全隱患的處理經(jīng)驗(yàn)等為控制規(guī)則集，構(gòu)建簡潔有效專家控制器算法，分析并檢測(cè)電梯安全隱患，并通過人機(jī)交互接口請(qǐng)求和指導(dǎo)人工干預(yù)，從而預(yù)防電梯安全故障。

4 ?電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制

電梯屬于特種設(shè)備，對(duì)安全性要求非?？量?，并且有嚴(yán)格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)流程，若將電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)安裝在電梯上本身也是一件需要安全評(píng)估和檢測(cè)的工作，因此電梯安全系統(tǒng)需要研究相關(guān)的安全機(jī)制。

國際電工委員會(huì)2000年頒布功能安全基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》之后發(fā)布了系列標(biāo)準(zhǔn)，形成了功能安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)體系。功能安全（Functional Safety）是依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和可靠性理論建立的電氣/電子/可編程安全相關(guān)系統(tǒng)（E/E/PE）的全生命周期安全和安全完整性等級(jí)的概念。由于E/E/PE的應(yīng)用普及可能會(huì)危及相關(guān)行業(yè)的安全控制系統(tǒng)，進(jìn)而將E/E/PE相關(guān)的技術(shù)建立為一套成熟的產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)系列理論、技術(shù)和方法，即“功能安全”技術(shù)。功能安全本質(zhì)上就是控制風(fēng)險(xiǎn)，把安全問題轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)控制問題，通過控制風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到要求的安全水平。電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)必須要遵循上述功能安全規(guī)范，實(shí)際上功能安全在電梯行業(yè)已經(jīng)開展應(yīng)用。

電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)應(yīng)用到電梯上，同時(shí)不影響電梯的安全完整性等級(jí)（SIL），也就是當(dāng)電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)運(yùn)行或失效等任何情況都不會(huì)增加電梯的安全風(fēng)險(xiǎn)性。因此電梯主動(dòng)控制系統(tǒng)一是要采用滿足功能安全的安全控制器設(shè)備，避免控制器本身的不可靠造成隱患，二是要電梯主動(dòng)控制系統(tǒng)不能增加電梯運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。

①電梯主動(dòng)控制系統(tǒng)不直接干預(yù)電梯系統(tǒng)運(yùn)行。電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)是獨(dú)立于電梯運(yùn)行之外的系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)控電梯運(yùn)行各安全相關(guān)電氣元件的狀態(tài)，主動(dòng)安全控制器通過采集數(shù)據(jù)進(jìn)行電氣安全信息的分析與預(yù)判，相當(dāng)于每時(shí)每刻給電梯進(jìn)行體檢，根據(jù)診斷情況提出維護(hù)、管理和升級(jí)等相關(guān)報(bào)警，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)。比如電梯門鎖感應(yīng)開關(guān)受水汽、粉塵、磨損等情況影響失效，造成非正常停靠，造成困人事故，采用主動(dòng)安全系統(tǒng)可提前根據(jù)檢測(cè)開關(guān)狀況、次數(shù)和異常，通知維保人員更換器件，從而避免困人事故。

②電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制方式。通過大量采集傳感器信息樣本，電梯主動(dòng)控制器能夠判別電梯各感知元件的正常狀態(tài)，結(jié)合每臺(tái)電梯運(yùn)行特征信息建立電梯知識(shí)庫，將電梯實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)作為“證據(jù)”表達(dá)，將電梯相關(guān)規(guī)范中和維保要求作為“規(guī)則”，通過專家算法和程序，實(shí)現(xiàn)電梯安全風(fēng)險(xiǎn)判斷并分級(jí)。高風(fēng)險(xiǎn)判斷一旦成立則通過管理系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，通過信息手段送達(dá)維保人員，并要求立即確認(rèn);對(duì)于部分安全性較低的緊急風(fēng)險(xiǎn)，如困人事故，主動(dòng)安全系統(tǒng)可以通過判斷，在安全前提下，控制電梯進(jìn)行就近平層?？炕虻退俜祷鼗局箝_門疏散乘客。常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)控制，則可以通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)記錄和歸檔，實(shí)現(xiàn)利用電梯大數(shù)據(jù)對(duì)電梯進(jìn)行日常體檢。

5 ?總結(jié)

電梯主動(dòng)安全系統(tǒng)其實(shí)是利用智能感知技術(shù)對(duì)電梯日常運(yùn)行信息實(shí)施監(jiān)控，及時(shí)分析電梯安全情況，判斷安全風(fēng)險(xiǎn)，并提出解決方案，從而引導(dǎo)維護(hù)人員更高效的維保電梯，通過對(duì)電梯運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)判和處理，降低電梯設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，提升電梯安全性，將是電梯安全的一個(gè)重要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳超，華佳敏.功能安全研發(fā)的方法論研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2018，8.

[2]張懷繼.功能安全與電梯智能化主動(dòng)安全技術(shù)展望[J].中小企業(yè)管理與科技，2020，8.

[3]梁驍.功能安全在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用[J].質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2014，7.

[4]孫廣苗.基于可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的電梯層門監(jiān)測(cè)裝置[J].中國電梯，2018，7.

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目，編號(hào)：16C0574。

作者簡介：霍覽宇（1981-），男，湖南邵陽人，副教授，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。