李捷，李重遠(yuǎn)，姜磊

（1.廣西特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530219；2. 包頭市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

基于模塊化控制的自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)探討及應(yīng)用

李捷1，李重遠(yuǎn)1，姜磊2

（1.廣西特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530219；2. 包頭市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，各地新建了大量的商場(chǎng)、酒店、車站(如火車站、地鐵站)和機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所，自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道在這些大型公共場(chǎng)所中承擔(dān)了及其重要的交通運(yùn)輸功能。國(guó)標(biāo)《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》GB16899-2011首次提出了用于自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（PESSRAE）的概念。本文以模塊化控制的PESSRAE為切入點(diǎn)，探討其工作原理及已成熟的實(shí)際應(yīng)用。

模塊化；自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)；安全完整性等級(jí)

一般認(rèn)為安全保護(hù)只有用機(jī)械裝置、硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)及完成才可靠。在目前制造生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備種類多樣、工藝流程繁雜，一旦整個(gè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)任何偏差就可能對(duì)人員、設(shè)備或環(huán)境造成嚴(yán)重后果。隨著微電子、計(jì)算機(jī)和總線技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到安全系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)安全功能。隨著GB/T 20438.1-7《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》頒布，功能安全學(xué)科在我國(guó)正式從研究領(lǐng)域邁入實(shí)際應(yīng)用階段。

1 可編程電子安全系統(tǒng)概念

可 編 程 電 子（Programmable electronic） 依 據(jù)GB/T 20438為計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)，可以由硬件、軟件及其輸入和（或）輸出單元構(gòu)成，該術(shù)語(yǔ)包括以一個(gè)或多個(gè)中央處理（CPU）及相關(guān)的存儲(chǔ)器等為基礎(chǔ)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(guān) 系 統(tǒng)（Safety-related system）則對(duì)上述系統(tǒng)提出了風(fēng)險(xiǎn)控制和功能安全的要求，把安全的定義由傳統(tǒng)的絕對(duì)安全變更為“相對(duì)安全”，這是一種安全狀態(tài)，其不存在不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)采取適當(dāng)措施，使得高風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率極低，而低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率處于可控狀態(tài)，保證受控設(shè)備（EUC）在危險(xiǎn)信號(hào)產(chǎn)生后不會(huì)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)安全功能。

2 PESSRAE原理及特點(diǎn)

GB16899-2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》首次提出了用于自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)（Programmable Electronic System in Safety R elated Applications for Escalators and moving walks， PESSR AE），監(jiān)測(cè)裝置和電氣安全裝置（或功能）的要求應(yīng)予以實(shí)現(xiàn)，其中部分功能可以采取安全開關(guān)和安全電路的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但某些功能相對(duì)復(fù)雜，例如扶手帶速度監(jiān)測(cè)，采取上述方式實(shí)現(xiàn)不僅難度大，且準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性難以保證，而采用PESSR AE可較易實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)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(guān)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(wěn)定性；(2)以安全功能控制板（FSCB）為處理模塊，雙CPU獨(dú)立設(shè)計(jì),同步判斷，互為監(jiān)測(cè)，信號(hào)檢測(cè)電路為完全隔離；(3)以安全繼電器為執(zhí)行模塊。安全繼電器的動(dòng)觸頭之間由強(qiáng)制導(dǎo)向裝置連接，如果任何一組觸頭發(fā)生粘連的故障，強(qiáng)制導(dǎo)向裝置都會(huì)讓觸頭復(fù)位斷開。因此另外一組觸點(diǎn)完全可以擔(dān)當(dāng)繼電器動(dòng)作狀態(tài)監(jiān)視的作用。

軟件上系統(tǒng)控制模塊包括硬件適配層功能模塊和應(yīng)用層功能模塊。前者主要是各驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)的中斷服務(wù)，后者則包含：(1)傳感器模塊，測(cè)量傳感器信號(hào)，計(jì)算安全模塊所需要的數(shù)據(jù)；(2)安全功能模塊，檢測(cè)相關(guān)安全功能信號(hào)，發(fā)送處理指令；(3)I/O控制模塊，數(shù)據(jù)、參數(shù)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(jiān)控。(5)自學(xué)習(xí)模塊，自學(xué)習(xí)并修復(fù)錯(cuò)誤；(6)診斷模塊，診斷數(shù)據(jù)評(píng)估，記錄日志。采用模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于不需要做專門的接口設(shè)計(jì)，模塊自成子系統(tǒng)，只需要將模塊輸出表現(xiàn)為安全回路的通斷即可。子系統(tǒng)會(huì)自己判斷功能的工作和故障狀態(tài)。由于按照工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的設(shè)計(jì)需要，同樣最大限度的滿足了溫濕度和防水防塵等工作環(huán)境需要。同時(shí)，由于自成子系統(tǒng)和成熟的平臺(tái)設(shè)計(jì)，并與原系統(tǒng)，在運(yùn)行上相互獨(dú)立，非常方便今后的再升級(jí)或者客戶的新需求擴(kuò)展。

3 安全完整性等級(jí)

由PESSR AE實(shí)現(xiàn)的電氣安全裝置（功能）應(yīng)滿足安全完整性等級(jí)（SIL)的要求。 SIL是一種離散的等級(jí)，IEC 61508中首次提出，用于規(guī)定分配給電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能的安全完整性要求，等級(jí)分為4級(jí)。

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

4 PESSRAE已實(shí)現(xiàn)的功能

根據(jù)目前已成熟應(yīng)用，PESSR AE可實(shí)現(xiàn)包括下列安全功能：檢查超速和非操作逆轉(zhuǎn)運(yùn)行并在速度超過(guò)名義速度1.2 倍之前起作用（SIL2）；檢查工作制動(dòng)器釋放（SIL1）；檢查附加制動(dòng)器的動(dòng)作（SIL1）；檢查梯級(jí)或踏板的缺失，應(yīng)防止進(jìn)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(guò)1.2倍等。每一安全功能，都需要依據(jù)相關(guān)軟硬件的失效模式及診斷分析來(lái)驗(yàn)證是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SIL 等級(jí)。

5 小結(jié)

PESSR AE的出現(xiàn)及應(yīng)用表明人們對(duì)控制系統(tǒng)的功能安全性研究越來(lái)越重視。PESSR AE的設(shè)計(jì)和檢測(cè)，實(shí)質(zhì)上是“專業(yè)的人，做專業(yè)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(tǒng)相關(guān)選型的計(jì)算，對(duì)控制系統(tǒng)的部件選型、使用壽命、可靠性、安全完整性等級(jí)（SIL）進(jìn)行更加系統(tǒng)性的科學(xué)計(jì)算。

[1]GB16899-2011 自動(dòng)扶梯與自動(dòng)人行道安裝安全規(guī)范.

[2]GB/T 20438-2006電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全 .

[3]沙建紅.自動(dòng)扶梯安全功能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

[4]貢玉南，高磊.應(yīng)對(duì)電梯及扶梯的安全隱患.

圖6 工件表面形貌對(duì)比結(jié)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(qū)別明顯。普通車削形成了不規(guī)則的已加工表面形貌，而且表面切痕比較深，產(chǎn)生了劃痕、溝槽、麻點(diǎn)和積屑瘤碎片嵌入已加工表面等缺陷，施加超聲振動(dòng)后避免了這些缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)形成了類似于車輪的網(wǎng)格狀條紋，已加工表面更加規(guī)則細(xì)膩。

超聲車削之所以能獲得較好的已加工表面質(zhì)量主要是因?yàn)榧庸ぶ惺┘恿顺曊駝?dòng)，切削時(shí)刀具以一定的振動(dòng)頻率和振幅處于超聲振動(dòng)狀態(tài)，切屑會(huì)被振動(dòng)中的刀具所截?cái)?。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(fā)生彈性變形后會(huì)有暫時(shí)的緩解過(guò)程，并且加工中產(chǎn)生的微裂紋還沒(méi)擴(kuò)展就被下一個(gè)切削過(guò)程的刀具所截?cái)啵虼巳菀撰@得較好的表面質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

為解決本公司生產(chǎn)的5A06鋁合金車削加工難的問(wèn)題，利用超聲車削方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，改變普通車削的連續(xù)切削方式為斷續(xù)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(zhì)量，對(duì)鋁合金的優(yōu)質(zhì)高效加工具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn) ：

[1]徐英帥．難加工材料超聲振動(dòng)輔助車削加工機(jī)理及試驗(yàn)研究[D]．博士學(xué)位論文，沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2016．

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

[3]楊亮．塑性材料超聲振動(dòng)精密切削技術(shù)的研究[D]．博士學(xué)位論文，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007．

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A

1671-0711（2016）10（上）-0113-02