游樂設(shè)施中功能安全的應(yīng)用探討*

蘇文獻(xiàn) 熊子琪 劉再斌

1. 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093 2. 中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029

我國游樂事業(yè)自其發(fā)展以來就已經(jīng)逐步形成了一套十分完善的體系。其中包括游樂設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、維護(hù)使用、質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)和安全監(jiān)察等。根據(jù)國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局2020年特種設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況。全國特種設(shè)備總量達(dá)1525.47萬臺(tái)，其中大型游樂設(shè)施2.49萬臺(tái)。如圖1所示。從2012年至2019年，全國大型游樂設(shè)施總量呈不斷增漲的趨勢(shì)。

圖1 2019年特種設(shè)備數(shù)量分類比例圖

隨著游樂行業(yè)的發(fā)展壯大，其安全事故也屢見不鮮。大型游樂設(shè)施事故時(shí)有發(fā)生并造成嚴(yán)重的人員傷亡。因此，保障游樂行業(yè)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展的最關(guān)鍵一環(huán)是保障游樂設(shè)施的安全運(yùn)行。而功能安全正是從E/E/PE（電子/電氣/可編程電子）相關(guān)的控制系統(tǒng)角度來進(jìn)行考慮，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)避免受控設(shè)備故障或者失效等問題所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，以確保設(shè)備安全[1]。

1 游樂設(shè)施安全面臨的形勢(shì)

我國游樂設(shè)施通過近幾年的強(qiáng)化安全監(jiān)察、許可證管理、檢驗(yàn)檢測(cè)和技術(shù)攻關(guān)，使重大事故得到了有效控制。根據(jù)特種設(shè)備安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì)的歷年大型游樂設(shè)施安全事故總體情況，從2012年至2019年，大型游樂設(shè)施安全事故共發(fā)生42起，其中18起事故是由游樂設(shè)備安全保護(hù)裝置失靈造成的。如游樂設(shè)備安全壓桿沒有關(guān)閉，設(shè)備啟動(dòng)造成事故；游樂設(shè)備安全鎖扣脫落造成事故等。可見，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)在游樂設(shè)施功能安全中占據(jù)十分重要的地位，也是保障游樂設(shè)施運(yùn)行過程中乘人安全的重要一環(huán)[2]。

2 游樂設(shè)施安全控制技術(shù)現(xiàn)狀

游客安全是游樂設(shè)施建造和規(guī)劃過程中必須考慮的首要問題，也是游樂行業(yè)持續(xù)平穩(wěn)的發(fā)展的先行步驟。故游樂設(shè)施安全裝置是游樂設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的部分。根據(jù)游樂設(shè)施運(yùn)動(dòng)型式的不同，其安全裝置可為三種類型：

2.1 機(jī)械抑制裝置

在機(jī)構(gòu)中引入了能夠依靠自身的強(qiáng)度而抵御危險(xiǎn)移動(dòng)的機(jī)械性障礙物（如鍥、軸、撐桿、安全壓桿）[3]。

2.2 電氣控制裝置

通過若干個(gè)電器控制組件的組合來達(dá)到某項(xiàng)控制功能，并且同時(shí)配備其他輔助設(shè)備。

2.3 帶防護(hù)鎖的聯(lián)鎖防護(hù)安全裝置

危險(xiǎn)機(jī)械的運(yùn)行必須一直被抑制，直到安全防護(hù)裝置安全鎖定[4]。如礦車的座位安全壓桿全部安全關(guān)閉鎖定前，礦車不能啟動(dòng)運(yùn)行；危險(xiǎn)機(jī)械產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)沒有消失之前，安全防護(hù)裝置必須處于完全關(guān)閉狀態(tài)，如礦車運(yùn)行后，安全穩(wěn)定停下來前，座位上的安全壓桿必須處于全部安全關(guān)閉鎖定狀態(tài)；安全防護(hù)裝置完全關(guān)閉后，被抑制的危險(xiǎn)機(jī)械啟動(dòng)運(yùn)行；如礦車的所有安全壓桿完全關(guān)閉后，礦車啟動(dòng)。

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于運(yùn)動(dòng)類型復(fù)雜、驚險(xiǎn)而又有刺激性的游樂設(shè)施需求感的增強(qiáng)，使得更高、更快的游樂設(shè)備逐漸被開發(fā)和使用。這時(shí)，僅僅依靠機(jī)械抑制器和電氣控制器已經(jīng)無法滿足保障旅客和乘人安全的要求，設(shè)計(jì)者便將帶有防護(hù)鎖的聯(lián)鎖式防護(hù)裝置引入到游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)中。此類防護(hù)裝置是利用可編程控制器將機(jī)械抑制和電氣控制裝置相互聯(lián)系在一起，并且能夠準(zhǔn)確地判斷各類游樂設(shè)施的不同工作狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)了游樂設(shè)施安全識(shí)別和控制、判斷設(shè)施是否啟動(dòng)、異常停止運(yùn)行等功。

3 黃金礦車游樂設(shè)施安全聯(lián)鎖系統(tǒng)分析及在線檢測(cè)技術(shù)

以上海某游樂園黃金礦車游樂項(xiàng)目為例，研究SIMATIC S7-200在線監(jiān)控系統(tǒng)下礦車在站臺(tái)區(qū)、剎車區(qū)、提升區(qū)以及安全壓桿部分設(shè)置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。通過合理的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，防止兩車相撞、乘人安全防護(hù)缺失時(shí)礦車啟動(dòng)的危險(xiǎn)事故發(fā)生。

3.1 站臺(tái)區(qū)及剎車區(qū)安全聯(lián)鎖

3.1.1 采用磁力式剎車器：礦車發(fā)車后返回剎車區(qū)前，必須減小礦車的動(dòng)能，以避免礦車高速?zèng)_入站臺(tái)區(qū)，與停靠在站臺(tái)區(qū)的礦車發(fā)生碰撞事故，故而在站臺(tái)區(qū)后方安裝的磁力式剎車器減小高速運(yùn)行的礦車動(dòng)能。

3.1.2 采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)：其主要功能是驅(qū)動(dòng)礦車向前行駛。根據(jù)控制器提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)將剎車區(qū)的礦車驅(qū)動(dòng)至站臺(tái)區(qū)，然后再將其驅(qū)動(dòng)至提升區(qū)。剎車區(qū)與站臺(tái)區(qū)之間的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 剎車區(qū)、站臺(tái)區(qū)安全聯(lián)鎖流程圖

傳感器50PX1-50PX4和傳感器20PX1-20PX4分別將剎車區(qū)和站臺(tái)區(qū)的礦車信息傳遞給帶1769-SDN DeviceNet掃描器模塊的PLC控制器，SIMATIC S7-200控制器根據(jù)接收到的信號(hào)判斷剎車區(qū)礦車是否可以往站臺(tái)區(qū)運(yùn)行。在剎車區(qū)有礦車，站臺(tái)區(qū)無礦車時(shí)，表明站臺(tái)區(qū)軌道沒有其他礦車等待提升，剎車區(qū)前方軌道可以安全通行，此時(shí)剎車區(qū)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)礦車進(jìn)入站臺(tái)區(qū)。當(dāng)剎車區(qū)有礦車，站臺(tái)區(qū)也有礦車時(shí)，傳感器20PX1-20PX4檢測(cè)到站臺(tái)區(qū)有礦車，則無信號(hào)傳遞給SIMATIC S7-200控制器，則此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)無法起動(dòng)，避免發(fā)生兩礦車相撞的危險(xiǎn)事故[5]。

3.2 提升區(qū)及站臺(tái)區(qū)安全聯(lián)鎖

提升區(qū)主要通過驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)提升鏈條循環(huán)運(yùn)行，提升鏈條一直向上延伸至提升區(qū)頂部，從而將礦車緩慢提升至提升區(qū)頂部。

黃金礦車游樂項(xiàng)目在正常運(yùn)行工作時(shí)，可兩臺(tái)礦車同時(shí)運(yùn)行，所以必須保證站臺(tái)區(qū)與提升區(qū)的礦車之間形成安全聯(lián)鎖關(guān)系，保證兩礦車安全運(yùn)行。站臺(tái)區(qū)與提升區(qū)之間的安全聯(lián)鎖流程圖如圖3所示

圖3 站臺(tái)區(qū)、提升區(qū)安全聯(lián)鎖流程圖

傳感器30PX11-30PX14和傳感器20PX1-20PX4分別將提升區(qū)和站臺(tái)區(qū)的礦車信息傳遞給帶1769-SDN DeviceNet掃描器模塊的PLC控制器，SIMATIC S7-200控制器根據(jù)接收到的信號(hào)判斷站臺(tái)區(qū)礦車是否可以往提升區(qū)運(yùn)行。在站臺(tái)區(qū)有礦車，提升區(qū)無礦車時(shí)，表明提升區(qū)軌道沒有其他礦車等待提升，站臺(tái)區(qū)前方軌道安全，可以通行，則站臺(tái)區(qū)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)允許啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)礦車進(jìn)入提升區(qū)。在站臺(tái)區(qū)有礦車，提升區(qū)也有礦車時(shí)，傳感器30PX11-30PX14檢測(cè)到提升區(qū)有礦車，則SIMATIC S7-200控制器將無信號(hào)接收，此時(shí)提升電機(jī)和站臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均不能啟動(dòng)。若有礦車在剎車區(qū)軌道上，則礦車提升到提升區(qū)頂部時(shí)會(huì)暫停運(yùn)行，直到SIMATIC S7-200控制器接收到剎車區(qū)軌道上無礦車停留的信號(hào)，SIMATIC S7-200控制器再發(fā)出指令給提升電機(jī)啟動(dòng)器開始運(yùn)行，提升電機(jī)可重新啟動(dòng)將提升區(qū)頂部的礦車發(fā)出。

3.3 安全壓桿安全聯(lián)鎖

每節(jié)礦車有10個(gè)座位，共兩節(jié)。每個(gè)座位上都有單獨(dú)設(shè)置的傳感器，主要用于檢測(cè)安全壓桿狀態(tài)。必須所有安全壓桿處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)“允許發(fā)車”信號(hào)傳遞到顯示屏上，工作人員按下允許發(fā)車指令按鈕，此時(shí)礦車才能啟動(dòng)。若座位中有一個(gè)安全壓桿未關(guān)閉，則顯示屏不會(huì)接收到安全信號(hào)，不會(huì)顯示允許發(fā)車指令，礦車也將接收到禁止發(fā)車指令，若此時(shí)操作員按下允許發(fā)車指令按鈕，則礦車也無法啟動(dòng)。安全壓桿安全聯(lián)鎖功能流程圖如圖4。

圖4 安全壓桿安全聯(lián)鎖流程圖

20個(gè)壓桿傳感器60PX1-60PX20均被觸發(fā)時(shí)，帶1769-SDN DeviceNet掃描器模塊的PLC控制器將會(huì)接收到觸發(fā)信號(hào)，表明安全壓桿處于關(guān)閉狀態(tài)，壓桿閉合狀態(tài)的信號(hào)會(huì)通過輸入模塊傳輸給SIMATIC S7-200控制器以輸出“允許發(fā)車”信號(hào)。若20個(gè)座位中有1個(gè)傳感器未檢測(cè)到安全壓桿閉合信號(hào)，則SIMATIC S7-200控制器不會(huì)輸出“允許發(fā)車”信號(hào)，同時(shí)SIMATICWinCC的顯示屏也不會(huì)顯示允許發(fā)車指令信號(hào)。操作人員必須對(duì)所有乘客的安全壓桿閉合狀態(tài)進(jìn)行檢查，直至所有安全壓桿全部閉合。從而避免安全壓桿沒有完全閉合的情況下礦車啟動(dòng)，造成危險(xiǎn)事故。

3.4 在線檢測(cè)技術(shù)

該游樂園黃金礦車游樂項(xiàng)目主要以停車檢修和定期更換零件的方式對(duì)礦車進(jìn)行檢測(cè)，但無法對(duì)礦車進(jìn)行在線檢測(cè)，不能實(shí)時(shí)獲取礦車運(yùn)行安全信息。必須引入以人機(jī)互動(dòng)界面為媒介的在線檢測(cè)技術(shù)，以便礦車操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督管理。在線檢測(cè)技術(shù)中礦車的各項(xiàng)參數(shù)信息可以隨時(shí)輸入和編輯，同時(shí)也能實(shí)時(shí)查詢礦車運(yùn)行參數(shù)和對(duì)礦車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。最后通過模糊層次分析法設(shè)計(jì)礦車安全評(píng)估系統(tǒng)，從而達(dá)到預(yù)防礦車事故發(fā)生的目。

4 結(jié)束語

上海某游樂園黃金礦車游樂項(xiàng)目分別在剎車區(qū)、站臺(tái)區(qū)、提升區(qū)以及安全壓桿部分設(shè)置了安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效避免了礦車碰撞、游客從座位跌落等安全聯(lián)鎖事故的發(fā)生。礦車游樂設(shè)施的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是保證乘人安全的重要功能安全部分，同時(shí)需引入以人機(jī)互動(dòng)界面作為媒介的在線檢測(cè)技術(shù)，對(duì)礦車進(jìn)行在線安全監(jiān)控，從而起到預(yù)防礦車安全事故發(fā)生的作用，同時(shí)也完善了礦車功能安全。