苏文献 熊子琪 刘再斌

1. 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093 2. 中国特种设备检测研究院 北京 100029

我国游乐事业自其发展以来就已经逐步形成了一套十分完善的体系。其中包括游乐设施的结构设计、产品制造、维护使用、质量监督检验和安全监察等。根据国家市场监督管理总局特种设备安全监察局2020年特种设备数量统计情况。全国特种设备总量达1525.47万台，其中大型游乐设施2.49万台。如图1所示。从2012年至2019年，全国大型游乐设施总量呈不断增涨的趋势。

图1 2019年特种设备数量分类比例图

随着游乐行业的发展壮大，其安全事故也屡见不鲜。大型游乐设施事故时有发生并造成严重的人员伤亡。因此，保障游乐行业持续稳步发展的最关键一环是保障游乐设施的安全运行。而功能安全正是从E/E/PE（电子/电气/可编程电子）相关的控制系统角度来进行考虑，在系统正常运行时避免受控设备故障或者失效等问题所带来的风险，以确保设备安全[1]。

1 游乐设施安全面临的形势

我国游乐设施通过近几年的强化安全监察、许可证管理、检验检测和技术攻关，使重大事故得到了有效控制。根据特种设备安全监察局统计的历年大型游乐设施安全事故总体情况，从2012年至2019年，大型游乐设施安全事故共发生42起，其中18起事故是由游乐设备安全保护装置失灵造成的。如游乐设备安全压杆没有关闭，设备启动造成事故；游乐设备安全锁扣脱落造成事故等。可见，安全联锁系统在游乐设施功能安全中占据十分重要的地位，也是保障游乐设施运行过程中乘人安全的重要一环[2]。

2 游乐设施安全控制技术现状

游客安全是游乐设施建造和规划过程中必须考虑的首要问题，也是游乐行业持续平稳的发展的先行步骤。故游乐设施安全装置是游乐设施的结构设计中最重要的部分。根据游乐设施运动型式的不同，其安全装置可为三种类型：

2.1 机械抑制装置

在机构中引入了能够依靠自身的强度而抵御危险移动的机械性障碍物（如锲、轴、撑杆、安全压杆）[3]。

2.2 电气控制装置

通过若干个电器控制组件的组合来达到某项控制功能，并且同时配备其他辅助设备。

2.3 带防护锁的联锁防护安全装置

危险机械的运行必须一直被抑制，直到安全防护装置安全锁定[4]。如矿车的座位安全压杆全部安全关闭锁定前，矿车不能启动运行；危险机械产生的风险没有消失之前，安全防护装置必须处于完全关闭状态，如矿车运行后，安全稳定停下来前，座位上的安全压杆必须处于全部安全关闭锁定状态；安全防护装置完全关闭后，被抑制的危险机械启动运行；如矿车的所有安全压杆完全关闭后，矿车启动。

随着现代社会对于运动类型复杂、惊险而又有刺激性的游乐设施需求感的增强，使得更高、更快的游乐设备逐渐被开发和使用。这时，仅仅依靠机械抑制器和电气控制器已经无法满足保障旅客和乘人安全的要求，设计者便将带有防护锁的联锁式防护装置引入到游乐设施的设计中。此类防护装置是利用可编程控制器将机械抑制和电气控制装置相互联系在一起，并且能够准确地判断各类游乐设施的不同工作状态。从而实现了游乐设施安全识别和控制、判断设施是否启动、异常停止运行等功。

3 黄金矿车游乐设施安全联锁系统分析及在线检测技术

以上海某游乐园黄金矿车游乐项目为例，研究SIMATIC S7-200在线监控系统下矿车在站台区、刹车区、提升区以及安全压杆部分设置安全联锁系统。通过合理的安全联锁系统，防止两车相撞、乘人安全防护缺失时矿车启动的危险事故发生。

3.1 站台区及刹车区安全联锁

3.1.1 采用磁力式刹车器：矿车发车后返回刹车区前，必须减小矿车的动能，以避免矿车高速冲入站台区，与停靠在站台区的矿车发生碰撞事故，故而在站台区后方安装的磁力式刹车器减小高速运行的矿车动能。

3.1.2 采用驱动电机：其主要功能是驱动矿车向前行驶。根据控制器提供的驱动信号将刹车区的矿车驱动至站台区，然后再将其驱动至提升区。刹车区与站台区之间的安全联锁系统流程图如图2所示。

图2 刹车区、站台区安全联锁流程图

传感器50PX1-50PX4和传感器20PX1-20PX4分别将刹车区和站台区的矿车信息传递给带1769-SDN DeviceNet扫描器模块的PLC控制器，SIMATIC S7-200控制器根据接收到的信号判断刹车区矿车是否可以往站台区运行。在刹车区有矿车，站台区无矿车时，表明站台区轨道没有其他矿车等待提升，刹车区前方轨道可以安全通行，此时刹车区的驱动电机驱动矿车进入站台区。当刹车区有矿车，站台区也有矿车时，传感器20PX1-20PX4检测到站台区有矿车，则无信号传递给SIMATIC S7-200控制器，则此时驱动电机无法起动，避免发生两矿车相撞的危险事故[5]。

3.2 提升区及站台区安全联锁

提升区主要通过驱动齿轮带动提升链条循环运行，提升链条一直向上延伸至提升区顶部，从而将矿车缓慢提升至提升区顶部。

黄金矿车游乐项目在正常运行工作时，可两台矿车同时运行，所以必须保证站台区与提升区的矿车之间形成安全联锁关系，保证两矿车安全运行。站台区与提升区之间的安全联锁流程图如图3所示

图3 站台区、提升区安全联锁流程图

传感器30PX11-30PX14和传感器20PX1-20PX4分别将提升区和站台区的矿车信息传递给带1769-SDN DeviceNet扫描器模块的PLC控制器，SIMATIC S7-200控制器根据接收到的信号判断站台区矿车是否可以往提升区运行。在站台区有矿车，提升区无矿车时，表明提升区轨道没有其他矿车等待提升，站台区前方轨道安全，可以通行，则站台区的驱动电机允许启动并驱动矿车进入提升区。在站台区有矿车，提升区也有矿车时，传感器30PX11-30PX14检测到提升区有矿车，则SIMATIC S7-200控制器将无信号接收，此时提升电机和站台驱动电机均不能启动。若有矿车在刹车区轨道上，则矿车提升到提升区顶部时会暂停运行，直到SIMATIC S7-200控制器接收到刹车区轨道上无矿车停留的信号，SIMATIC S7-200控制器再发出指令给提升电机启动器开始运行，提升电机可重新启动将提升区顶部的矿车发出。

3.3 安全压杆安全联锁

每节矿车有10个座位，共两节。每个座位上都有单独设置的传感器，主要用于检测安全压杆状态。必须所有安全压杆处于关闭状态，同时“允许发车”信号传递到显示屏上，工作人员按下允许发车指令按钮，此时矿车才能启动。若座位中有一个安全压杆未关闭，则显示屏不会接收到安全信号，不会显示允许发车指令，矿车也将接收到禁止发车指令，若此时操作员按下允许发车指令按钮，则矿车也无法启动。安全压杆安全联锁功能流程图如图4。

图4 安全压杆安全联锁流程图

20个压杆传感器60PX1-60PX20均被触发时，带1769-SDN DeviceNet扫描器模块的PLC控制器将会接收到触发信号，表明安全压杆处于关闭状态，压杆闭合状态的信号会通过输入模块传输给SIMATIC S7-200控制器以输出“允许发车”信号。若20个座位中有1个传感器未检测到安全压杆闭合信号，则SIMATIC S7-200控制器不会输出“允许发车”信号，同时SIMATICWinCC的显示屏也不会显示允许发车指令信号。操作人员必须对所有乘客的安全压杆闭合状态进行检查，直至所有安全压杆全部闭合。从而避免安全压杆没有完全闭合的情况下矿车启动，造成危险事故。

3.4 在线检测技术

该游乐园黄金矿车游乐项目主要以停车检修和定期更换零件的方式对矿车进行检测，但无法对矿车进行在线检测，不能实时获取矿车运行安全信息。必须引入以人机互动界面为媒介的在线检测技术，以便矿车操作人员进行实时监督管理。在线检测技术中矿车的各项参数信息可以随时输入和编辑，同时也能实时查询矿车运行参数和对矿车进行实时监控。最后通过模糊层次分析法设计矿车安全评估系统，从而达到预防矿车事故发生的目。

4 结束语

上海某游乐园黄金矿车游乐项目分别在刹车区、站台区、提升区以及安全压杆部分设置了安全联锁系统。该系统有效避免了矿车碰撞、游客从座位跌落等安全联锁事故的发生。矿车游乐设施的安全联锁系统是保证乘人安全的重要功能安全部分，同时需引入以人机互动界面作为媒介的在线检测技术，对矿车进行在线安全监控，从而起到预防矿车安全事故发生的作用，同时也完善了矿车功能安全。