現代電梯主動安全技術的探析

霍覽宇 陳杰金

摘要：本文研究了現代電梯安全技術存在問題，分析了電梯傳統安全系統基本組成，從電梯主動安全系統的運行原理、組成結構等方面提出了設計方案，通過研究功能安全等相關規范要求，提出電梯主動安全系統的運行機制。

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.

關鍵詞：電梯;主動安全;功能安全

Key words： elevator;active safety;functional safety

中圖分類號：TP23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0179-02

0 ?引言

隨著城市化的發展，高層建筑內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，我國已經是全球最大的電梯市場，不管是電梯保有量、年產量還是年度增長量均已是全球第一。電梯已經深深融入人們的日常生活中，讓生活更加方便，但是也對電梯質量特別是安全性提出更加嚴苛的要求。

1 ?電梯的安全性仍難以滿足人們的需求

現代電梯本身具備了安全可靠措施，電梯制造商也在持續研究改進電梯質量和安全水平，但是仍然與當前人民大眾對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，電梯安全實際上是廣義安全，電梯安全涉及很多方面，包括電梯設計、生產制造、檢驗檢測、安裝維護、運行管理及報廢等全生命周期。但是人們對電梯安全的理解是狹義的電梯設備安全，一旦發生電梯安全事故，人們更多的是關注電梯設備本身的安全性。二是電梯傳統的安全措施是被動式的安全，如電梯超速，觸發安全機制造成電梯被鎖定在軌道上人員被困，這本身是安全系統的有效作為，但是非專業的乘客則會覺得這就是電梯故障，而不會認為是電梯安全機制的作用。三是電梯發展越來越快，新舊電梯之間體驗差距明顯。特別是隨著近年來新型電梯的不斷增加，當乘客適應了新型電梯之后對老舊電梯地體驗感會變差，從而引發對安全性的關注。

隨著現代工業技術的發展，電梯技術也迅猛發展，如電梯的驅動技術，當前電梯交流變頻驅動基本普及，新型無機房永磁曳引驅動技術等也快速發展。但是遺憾的是電梯安全系統仍然停留在幾十年前的基于最基本機械和電氣原理和檢測方式，雖然基本的保護仍然具有非常重要的效用，很難替代，但是利用現代最新技術進行升級補充，提升安全特別是電梯的主動安全有明顯的發展空間，是當前電梯安全的研究熱點。

2 ?電梯傳統的安全系統概述

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

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的離心力克服調節彈簧拉力帶動擺桿或甩塊，觸發電氣開關啟動制動，如果無效則進一步通過棘輪和棘爪或者棘齒罩和棘齒等機構配合，帶動限速器繩，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限速器繩會提拉安全鉗中的楔塊，通過楔塊的擠壓與導軌產生摩擦，進而將電梯轎廂鎖定。電梯緩沖器是電梯運行系統失效時超越底層或頂層時將運行轎廂的動能轉化成一種無害或安全的能量形式。傳統的彈簧緩沖器或液壓緩沖器的阻尼力是固定的，需要根據電梯運行速度和載荷選用不同規格的緩沖器，適應性差，一旦出現重載電梯墩底或空載沖頂事故保護效果差別較大。

限位開關、相序繼電器是電氣安全元件。限位開關有軟硬件兩重保護環節，當電梯向上或向下超過軟限位開關時，電梯控制程序會強制電梯返回，如果軟限位無效，電梯超過硬限位開關，則會切斷電梯曳引機電源，強制轎廂停車。相序保護器則可以避免交流電機三相供電相序出錯從而導致電梯運行方向錯誤造成事故。平層開關的作用是檢測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，在通過轎廂門帶動打開層站門，實現轎廂和層站對接。

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

3 ?電梯主動安全系統的設計

主動安全常見于汽車安全領域，是指在安全事故發生前檢查、發現并避免事故發生的安全技術。本文提出的電梯的主動安全系統，實際上是指一種安全冗余的措施，利用該系統來監控電梯本身已有的安全系統，確保電梯安全系統的有效性，從而減少電梯安全事故發生。嚴格來說電梯主動安全系統并不是電梯的電氣安全裝置，而是一個獨立于電梯安全裝置以外的安全監測系統。

電梯主動安全系統的設計類似于傳統的信息監控管理系統。根據電梯的結構設置電梯機房、電梯轎廂、井道三個信息模塊，分別采集電梯相關電氣開關信息，信息模塊將信息通過安全總線送入主動安全控制器，通過控制器執行安全相關程序。主動安全系統輸出的相關安全狀態和判斷信息一是送入電梯控制控系統，介入電梯運行邏輯程序的控制，確保電梯安全運行，二是送入管理系統，用于管理、歸檔和輸出主動安全信息，輔助電梯管理和維保單位及時處置。電梯主動安全系統的基本結構如圖1所示。

主動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程I/O單元。PLC控制器以曳引張力、速度、安全回路元件狀態等實時檢測信息和額定載重、運行速度等電梯參數為知識庫，以電梯運行時參數變化規律、安全隱患的處理經驗等為控制規則集，構建簡潔有效專家控制器算法，分析并檢測電梯安全隱患，并通過人機交互接口請求和指導人工干預，從而預防電梯安全故障。

4 ?電梯主動安全系統的運行機制

電梯屬于特種設備，對安全性要求非常苛刻，并且有嚴格的檢驗標準和作業流程，若將電梯主動安全系統作為一個獨立的系統安裝在電梯上本身也是一件需要安全評估和檢測的工作，因此電梯安全系統需要研究相關的安全機制。

國際電工委員會2000年頒布功能安全基礎標準IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》之后發布了系列標準，形成了功能安全標準和法規體系。功能安全（Functional Safety）是依據風險評估和可靠性理論建立的電氣/電子/可編程安全相關系統（E/E/PE）的全生命周期安全和安全完整性等級的概念。由于E/E/PE的應用普及可能會危及相關行業的安全控制系統，進而將E/E/PE相關的技術建立為一套成熟的產品安全設計系列理論、技術和方法，即“功能安全”技術。功能安全本質上就是控制風險，把安全問題轉化為風險控制問題，通過控制風險，達到要求的安全水平。電梯主動安全系統必須要遵循上述功能安全規范，實際上功能安全在電梯行業已經開展應用。

電梯主動安全系統應用到電梯上，同時不影響電梯的安全完整性等級（SIL），也就是當電梯主動安全系統運行或失效等任何情況都不會增加電梯的安全風險性。因此電梯主動控制系統一是要采用滿足功能安全的安全控制器設備，避免控制器本身的不可靠造成隱患，二是要電梯主動控制系統不能增加電梯運行的安全風險。

①電梯主動控制系統不直接干預電梯系統運行。電梯主動安全系統是獨立于電梯運行之外的系統，時刻監控電梯運行各安全相關電氣元件的狀態，主動安全控制器通過采集數據進行電氣安全信息的分析與預判，相當于每時每刻給電梯進行體檢，根據診斷情況提出維護、管理和升級等相關報警，從而避免安全風險。比如電梯門鎖感應開關受水汽、粉塵、磨損等情況影響失效，造成非正常停靠，造成困人事故，采用主動安全系統可提前根據檢測開關狀況、次數和異常，通知維保人員更換器件，從而避免困人事故。

②電梯主動安全系統風險控制方式。通過大量采集傳感器信息樣本，電梯主動控制器能夠判別電梯各感知元件的正常狀態，結合每臺電梯運行特征信息建立電梯知識庫，將電梯實時檢測數據作為“證據”表達，將電梯相關規范中和維保要求作為“規則”，通過專家算法和程序，實現電梯安全風險判斷并分級。高風險判斷一旦成立則通過管理系統觸發報警機制，通過信息手段送達維保人員，并要求立即確認;對于部分安全性較低的緊急風險，如困人事故，主動安全系統可以通過判斷，在安全前提下，控制電梯進行就近平層停靠或低速返回基站之后開門疏散乘客。常規風險控制，則可以通過對風險記錄和歸檔，實現利用電梯大數據對電梯進行日常體檢。

5 ?總結

電梯主動安全系統其實是利用智能感知技術對電梯日常運行信息實施監控，及時分析電梯安全情況，判斷安全風險，并提出解決方案，從而引導維護人員更高效的維保電梯，通過對電梯運行風險的預判和處理，降低電梯設備風險，提升電梯安全性，將是電梯安全的一個重要方向。

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基金項目：湖南省教育廳科學研究項目，編號：16C0574。

作者簡介：霍覽宇（1981-），男，湖南邵陽人，副教授，研究方向為控制理論與控制工程。