游樂設施中功能安全的應用探討*

蘇文獻 熊子琪 劉再斌

1. 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093 2. 中國特種設備檢測研究院 北京 100029

我國游樂事業自其發展以來就已經逐步形成了一套十分完善的體系。其中包括游樂設施的結構設計、產品制造、維護使用、質量監督檢驗和安全監察等。根據國家市場監督管理總局特種設備安全監察局2020年特種設備數量統計情況。全國特種設備總量達1525.47萬臺，其中大型游樂設施2.49萬臺。如圖1所示。從2012年至2019年，全國大型游樂設施總量呈不斷增漲的趨勢。

圖1 2019年特種設備數量分類比例圖

隨著游樂行業的發展壯大，其安全事故也屢見不鮮。大型游樂設施事故時有發生并造成嚴重的人員傷亡。因此，保障游樂行業持續穩步發展的最關鍵一環是保障游樂設施的安全運行。而功能安全正是從E/E/PE（電子/電氣/可編程電子）相關的控制系統角度來進行考慮，在系統正常運行時避免受控設備故障或者失效等問題所帶來的風險，以確保設備安全[1]。

1 游樂設施安全面臨的形勢

我國游樂設施通過近幾年的強化安全監察、許可證管理、檢驗檢測和技術攻關，使重大事故得到了有效控制。根據特種設備安全監察局統計的歷年大型游樂設施安全事故總體情況，從2012年至2019年，大型游樂設施安全事故共發生42起，其中18起事故是由游樂設備安全保護裝置失靈造成的。如游樂設備安全壓桿沒有關閉，設備啟動造成事故；游樂設備安全鎖扣脫落造成事故等。可見，安全聯鎖系統在游樂設施功能安全中占據十分重要的地位，也是保障游樂設施運行過程中乘人安全的重要一環[2]。

2 游樂設施安全控制技術現狀

游客安全是游樂設施建造和規劃過程中必須考慮的首要問題，也是游樂行業持續平穩的發展的先行步驟。故游樂設施安全裝置是游樂設施的結構設計中最重要的部分。根據游樂設施運動型式的不同，其安全裝置可為三種類型：

2.1 機械抑制裝置

在機構中引入了能夠依靠自身的強度而抵御危險移動的機械性障礙物（如鍥、軸、撐桿、安全壓桿）[3]。

2.2 電氣控制裝置

通過若干個電器控制組件的組合來達到某項控制功能，并且同時配備其他輔助設備。

2.3 帶防護鎖的聯鎖防護安全裝置

危險機械的運行必須一直被抑制，直到安全防護裝置安全鎖定[4]。如礦車的座位安全壓桿全部安全關閉鎖定前，礦車不能啟動運行；危險機械產生的風險沒有消失之前，安全防護裝置必須處于完全關閉狀態，如礦車運行后，安全穩定停下來前，座位上的安全壓桿必須處于全部安全關閉鎖定狀態；安全防護裝置完全關閉后，被抑制的危險機械啟動運行；如礦車的所有安全壓桿完全關閉后，礦車啟動。

隨著現代社會對于運動類型復雜、驚險而又有刺激性的游樂設施需求感的增強，使得更高、更快的游樂設備逐漸被開發和使用。這時，僅僅依靠機械抑制器和電氣控制器已經無法滿足保障旅客和乘人安全的要求，設計者便將帶有防護鎖的聯鎖式防護裝置引入到游樂設施的設計中。此類防護裝置是利用可編程控制器將機械抑制和電氣控制裝置相互聯系在一起，并且能夠準確地判斷各類游樂設施的不同工作狀態。從而實現了游樂設施安全識別和控制、判斷設施是否啟動、異常停止運行等功。

3 黃金礦車游樂設施安全聯鎖系統分析及在線檢測技術

以上海某游樂園黃金礦車游樂項目為例，研究SIMATIC S7-200在線監控系統下礦車在站臺區、剎車區、提升區以及安全壓桿部分設置安全聯鎖系統。通過合理的安全聯鎖系統，防止兩車相撞、乘人安全防護缺失時礦車啟動的危險事故發生。

3.1 站臺區及剎車區安全聯鎖

3.1.1 采用磁力式剎車器：礦車發車后返回剎車區前，必須減小礦車的動能，以避免礦車高速沖入站臺區，與停靠在站臺區的礦車發生碰撞事故，故而在站臺區后方安裝的磁力式剎車器減小高速運行的礦車動能。

3.1.2 采用驅動電機：其主要功能是驅動礦車向前行駛。根據控制器提供的驅動信號將剎車區的礦車驅動至站臺區，然后再將其驅動至提升區。剎車區與站臺區之間的安全聯鎖系統流程圖如圖2所示。

圖2 剎車區、站臺區安全聯鎖流程圖

傳感器50PX1-50PX4和傳感器20PX1-20PX4分別將剎車區和站臺區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控制器根據接收到的信號判斷剎車區礦車是否可以往站臺區運行。在剎車區有礦車，站臺區無礦車時，表明站臺區軌道沒有其他礦車等待提升，剎車區前方軌道可以安全通行，此時剎車區的驅動電機驅動礦車進入站臺區。當剎車區有礦車，站臺區也有礦車時，傳感器20PX1-20PX4檢測到站臺區有礦車，則無信號傳遞給SIMATIC S7-200控制器，則此時驅動電機無法起動，避免發生兩礦車相撞的危險事故[5]。

3.2 提升區及站臺區安全聯鎖

提升區主要通過驅動齒輪帶動提升鏈條循環運行，提升鏈條一直向上延伸至提升區頂部，從而將礦車緩慢提升至提升區頂部。

黃金礦車游樂項目在正常運行工作時，可兩臺礦車同時運行，所以必須保證站臺區與提升區的礦車之間形成安全聯鎖關系，保證兩礦車安全運行。站臺區與提升區之間的安全聯鎖流程圖如圖3所示

圖3 站臺區、提升區安全聯鎖流程圖

傳感器30PX11-30PX14和傳感器20PX1-20PX4分別將提升區和站臺區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控制器根據接收到的信號判斷站臺區礦車是否可以往提升區運行。在站臺區有礦車，提升區無礦車時，表明提升區軌道沒有其他礦車等待提升，站臺區前方軌道安全，可以通行，則站臺區的驅動電機允許啟動并驅動礦車進入提升區。在站臺區有礦車，提升區也有礦車時，傳感器30PX11-30PX14檢測到提升區有礦車，則SIMATIC S7-200控制器將無信號接收，此時提升電機和站臺驅動電機均不能啟動。若有礦車在剎車區軌道上，則礦車提升到提升區頂部時會暫停運行，直到SIMATIC S7-200控制器接收到剎車區軌道上無礦車停留的信號，SIMATIC S7-200控制器再發出指令給提升電機啟動器開始運行，提升電機可重新啟動將提升區頂部的礦車發出。

3.3 安全壓桿安全聯鎖

每節礦車有10個座位，共兩節。每個座位上都有單獨設置的傳感器，主要用于檢測安全壓桿狀態。必須所有安全壓桿處于關閉狀態，同時“允許發車”信號傳遞到顯示屏上，工作人員按下允許發車指令按鈕，此時礦車才能啟動。若座位中有一個安全壓桿未關閉，則顯示屏不會接收到安全信號，不會顯示允許發車指令，礦車也將接收到禁止發車指令，若此時操作員按下允許發車指令按鈕，則礦車也無法啟動。安全壓桿安全聯鎖功能流程圖如圖4。

圖4 安全壓桿安全聯鎖流程圖

20個壓桿傳感器60PX1-60PX20均被觸發時，帶1769-SDN DeviceNet掃描器模塊的PLC控制器將會接收到觸發信號，表明安全壓桿處于關閉狀態，壓桿閉合狀態的信號會通過輸入模塊傳輸給SIMATIC S7-200控制器以輸出“允許發車”信號。若20個座位中有1個傳感器未檢測到安全壓桿閉合信號，則SIMATIC S7-200控制器不會輸出“允許發車”信號，同時SIMATICWinCC的顯示屏也不會顯示允許發車指令信號。操作人員必須對所有乘客的安全壓桿閉合狀態進行檢查，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，造成危險事故。

3.4 在線檢測技術

該游樂園黃金礦車游樂項目主要以停車檢修和定期更換零件的方式對礦車進行檢測，但無法對礦車進行在線檢測，不能實時獲取礦車運行安全信息。必須引入以人機互動界面為媒介的在線檢測技術，以便礦車操作人員進行實時監督管理。在線檢測技術中礦車的各項參數信息可以隨時輸入和編輯，同時也能實時查詢礦車運行參數和對礦車進行實時監控。最后通過模糊層次分析法設計礦車安全評估系統，從而達到預防礦車事故發生的目。

4 結束語

上海某游樂園黃金礦車游樂項目分別在剎車區、站臺區、提升區以及安全壓桿部分設置了安全聯鎖系統。該系統有效避免了礦車碰撞、游客從座位跌落等安全聯鎖事故的發生。礦車游樂設施的安全聯鎖系統是保證乘人安全的重要功能安全部分，同時需引入以人機互動界面作為媒介的在線檢測技術，對礦車進行在線安全監控，從而起到預防礦車安全事故發生的作用，同時也完善了礦車功能安全。