文/姚宏亮，陳賀靜，酆亞楠，蘇暢，易家彥·北京機電研究所

大型曲軸自動化生產(chǎn)線
的安全總線系統(tǒng)

文/姚宏亮，陳賀靜，酆亞楠，蘇暢，易家彥·北京機電研究所

姚宏亮，工程師，主要從事鍛壓生產(chǎn)線的自動化研究與應用。

隨著產(chǎn)能的不斷提升，鍛造廠對設備自動化的要求越來越高。鍛造自動化生產(chǎn)線既要保證設備安全生產(chǎn)、可靠性高，又要保證設備操作靈活、易維修。為了最大限度地避免設備造成的不安全狀態(tài)、保護生產(chǎn)裝置，防止惡性事故的發(fā)生、減少損失，安全控制系統(tǒng)應運而生。

該系統(tǒng)中控制模塊由于其采用冗余、多樣的結(jié)構(gòu)，而且有自我檢測和監(jiān)控的功能，可靠的電氣元件、反饋回路等安全措施，可以在自身缺陷或外部故障的情況下，依然能夠保證安全，并且可以及時將故障檢測出來，發(fā)出警告，從而在最大程度上保證了整個安全控制系統(tǒng)的正常運行，保護了人和設備的安全。

自動化生產(chǎn)線安全概述

典型大型曲軸鍛造生產(chǎn)線如圖1所示，全線長度85m，寬20m，鍛件溫度在1250℃，鍛件質(zhì)量有上百千克，生產(chǎn)節(jié)拍為40～55s/件。整條生產(chǎn)線包括中頻加熱爐、機器人、熱模鍛壓力機、傳送裝置、切邊壓力機、精整壓力機、熱處理裝置等在內(nèi)二十余臺設備?，F(xiàn)場還有多個安全門和若干個緊急停止按鈕，分別分布在加熱區(qū)、輥鍛區(qū)、模鍛區(qū)、切邊區(qū)和精整區(qū)五個工作區(qū)域中。

五個區(qū)域中所有設備均具有急停功能，并且區(qū)域有可供人員出入的安全門。rock儲料區(qū)由于有機器人頻繁出入，故此區(qū)域為危險區(qū)域，還需在此區(qū)域安裝安全雷達保證人員安全。

圖1 大型曲軸鍛造生產(chǎn)線示意圖

⑴中頻加熱區(qū)（圖2）采取的安全措施。中頻加熱區(qū)域內(nèi)所有設備均應具有急停功能，并且區(qū)域有可供人員出入的安全門。同理rack儲料區(qū)由于有機器人頻繁出入，此區(qū)域應安裝安全雷達，一旦人員進入到紅色保護區(qū)，區(qū)域內(nèi)設備應緊急停止以保證人員安全。圖3為安全雷達危險防護示意圖。

⑵輥鍛區(qū)（圖4）采取的安全措施。輥鍛區(qū)域內(nèi)所有設備均應具有急停功能，并且該區(qū)域還要有可供人員出入的安全門。輥鍛機的輥鍛啟動信號應由安全系統(tǒng)控制，需要由電子凸輪控制軋輥的安全位置。

圖2 中頻加熱區(qū)的布置圖

圖3 安全雷達危險防護示意圖

圖4 輥鍛區(qū)的布置圖

圖5 模鍛區(qū)的布置圖

⑶模鍛區(qū)（圖5）采取的安全措施。熱模鍛壓力機有大量的安全信號（比如雙手操作、腳踏開關(guān)、壓機滑塊位置、壓機動作信號、閥信號、干涉信號等）需要接入安全控制系統(tǒng)，機器人與壓力機之間要加安全光柵，在模具中的鍛件需要由圖像識別系統(tǒng)確認位置安全。該區(qū)域內(nèi)的所有設備均應具有急停功能，并且有供人員出入的安全門。

⑷切邊和精整區(qū)（圖6）采取的安全措施。切邊和精整區(qū)同樣也有大量的安全信號需要接入安全控制系統(tǒng)，機器人與壓力機之間加安全光柵。區(qū)域內(nèi)所有設備均應具有急停功能，并且區(qū)域有可供人員出入的安全門。

生產(chǎn)線設備安全等級劃分

要實現(xiàn)工作人員和設備的安全，首先要明確生產(chǎn)線設備存在的風險和風險的程度。鍛造生產(chǎn)線需要運用到各種各樣的設備和技術(shù)，這些設備根據(jù)不同應用和其本身的風險程度，有不同的安全要求。

歐洲標準EN954-1中風險等級分為B、1、2、3、4，分別由低到高。以鍛造生產(chǎn)線中的壓機設備為例，經(jīng)過分析，由于壓機滑塊會對人員造成重傷或死亡的危害，風險等級為S2；工作人員需要將加工件放入壓機之下進行加工，連續(xù)工作12h，也就是說操作人員需要經(jīng)常面臨此危險，所以要選擇F2；而滑塊下落的時間遠遠低于人員反應和動作的時間，即為人員幾乎不可能避免此危險，所以要選擇P2。

圖7中的圖表常被用于機械的等級判斷。由圖7可知，壓力機工作區(qū)域的安全等級要求為4級。依此類推，鍛造生產(chǎn)線上的設備安全等級均要達到最高安全等級。

圖6切邊和精整區(qū)的布置圖

圖7 機械等級的判斷圖表

安全系統(tǒng)的應用

曲軸鍛造自動化生產(chǎn)線中，每個工作區(qū)域都要有若干安全門、緊急停止按鈕、安全光柵、安全雷達等安全裝置，大部分的安全功能都分布在工作現(xiàn)場，此外鍛壓機械中還有大量的安全信號需要接入安全控制系統(tǒng)，整條生產(chǎn)線安全功能有數(shù)十個，并且以復雜的邏輯關(guān)系貫穿于整個安全控制系統(tǒng)中。在這種情況下，安全可編程控制器和安全總線系統(tǒng)是最為合適的解決方案。我們單位采用PILZ公司的PSS可編程控制器和SafetyBUS p安全總線來構(gòu)建整個安全控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

PSS可編程控制器

PSS可編程控制器適用于中、大型的安全控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)復雜的邏輯關(guān)系。PILZ的安全可編程控制器PSS的CPU采用冗余的多處理器結(jié)構(gòu)。各個處理器之間相互監(jiān)控，一旦出現(xiàn)不一致，立刻使控制器處于安全狀態(tài)，并且發(fā)出報警信息。同時，安全可編程控制器PSS對內(nèi)部的RAM、EPROM、輸入輸出寄存器等元件進行實時監(jiān)控，并且采用特殊的測試脈沖對輸入信號和輸出被控元件進行檢測，一旦出現(xiàn)任何不安全隱患，控制器立刻切換至安全保護狀態(tài)。

安全總線系統(tǒng)SafetyBUS p

PILZ安全總線系統(tǒng)SafetyBUS p則適用于大型、離散式的安全控制系統(tǒng)。其原理是在原有工業(yè)現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上，采用了一系列的時間檢測、地址檢測、連接檢測和CRC冗余校驗等措施，達到高的安全等級。通過SafetyBUS p安全總線可以將分散在現(xiàn)場的安全輸入信號通過一根電纜集中至PSS主站進行控制。同時，PSS可以通過普通現(xiàn)場總線如Profibus、DeviceNET與現(xiàn)場的其他系統(tǒng)進行通訊。

標準現(xiàn)場總線系統(tǒng)基本上不可能在任何情況下都保證安全數(shù)據(jù)的傳送。例如，光安全保護裝置是裝在壓力機上插入手的前面的：如果此保護裝置被阻斷了，而此信息在傳到關(guān)機裝置的途中丟失了，那么操作人員就會非常危險了。

圖8 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

而在安全總線系統(tǒng)中，作為先決條件，隨機重復和電報或電報片段的丟失/插入必須進行安全檢測。當正確的電報序列被重新安排或者數(shù)據(jù)滯后甚至出現(xiàn)許多錯誤時，同樣會進行這些工作。所有這些潛在的個別錯誤及其組合不會導致安全功能降級。任何時候，安全地停止?jié)撛谖ｋU動作都是能辦到的。

鍛造生產(chǎn)線的安全系統(tǒng)通過SafetyBUS p安全總線將離散分布在龐大生產(chǎn)線中的安全信號傳遞到PSS可編程安全系統(tǒng)中加以處理，然后驅(qū)動遠程輸出模塊來進行安全輸出。

I/O站控制模塊

控制模塊采用PSS SB DI16、PSS SB DI8/O8、PSS U系列I/O模塊具有冗余、多樣的結(jié)構(gòu)，加之以自我檢測和監(jiān)控、可靠電氣元件、反饋回路等安全措施。輸入模塊具有兩路不同的測試脈沖，檢測安全輸入信號的斷路和短路，輸出模塊具有測試脈沖，檢測輸出信號的短路。繼電器的輸出采用強制斷開繼電器，確保輸出觸電可靠，避免粘連。所有輸入輸出采用雙回路并加測試脈沖，輸出加反饋觸點。

安全功能I/O分組

由于鍛造生產(chǎn)線的龐大，某些設備間有著密不可分的聯(lián)系，有必要把生產(chǎn)線劃分區(qū)域安全小組，為了在安全總線系統(tǒng)重新產(chǎn)生這些再分結(jié)構(gòu)，應該把總線分成安全組。為滿足此要求，生產(chǎn)線中每個SafetyBUS p上的I/O從站可以被分派到某個I/O小組。如果生產(chǎn)線中某個I/O小組中的設備出了問題，只有被影響的I/O小組會進入安全狀態(tài)，生產(chǎn)線的其他部分仍然繼續(xù)正常運行。例如：輥鍛區(qū)出現(xiàn)安全故障，導致該I/O小組安全關(guān)斷，卻不會影響到模鍛區(qū)、切邊區(qū)等其他安全區(qū)域的運行。這樣的機制，即使出了故障，整個生產(chǎn)線仍然可以保持很高的有效利用率。

結(jié)束語

隨著國內(nèi)對安全生產(chǎn)、以人為本的經(jīng)營理念的不斷認知，國內(nèi)鍛造廠商對安全自動化技術(shù)的要求將會不斷提高。在鍛造這種高溫高速重載，現(xiàn)場設備離散分布的復雜環(huán)境下，安全總線控制系統(tǒng)勢必成為鍛造生產(chǎn)線安全控制的必然趨勢。