劉國鵬

（中煤科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006）

安全功能在工業(yè)設(shè)備上的使用在發(fā)達(dá)國家已十分普及，例如，在歐洲有強(qiáng)制的安全標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到相應(yīng)安全等級的設(shè)備不能投產(chǎn)；在美國則依靠高額的事故賠償來強(qiáng)制設(shè)備的安全性。在這方面我國還處于起步階段，隨著國家對此重視程度的提高，設(shè)備的安全性正得到越來越多的重視[1]。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤礦巷道掘進(jìn)施工的主要設(shè)備，其高可靠的安全性能直接關(guān)系到操作人員和設(shè)備本身的安全以及施工的質(zhì)量和進(jìn)度。因此在掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計階段，對安全方面的考慮就顯得非常重要。設(shè)備的安全性能由機(jī)械安全防護(hù)和電氣安全控制兩方面組成。機(jī)械安全防護(hù)在此不過多介紹，本文主要介紹最常用的電氣安全控制器件安全繼電器在掘進(jìn)機(jī)安全控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 電氣安全控制系統(tǒng)的組成

安全控制系統(tǒng)必須提供一種高度可靠的安全保護(hù)手段，最大限度地避免設(shè)備的不安全狀態(tài)，保護(hù)人身安全和生產(chǎn)設(shè)備，防止惡性事故的發(fā)生以減少損失。系統(tǒng)在開機(jī)、停機(jī)、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護(hù)操作期間應(yīng)對設(shè)備提供安全保護(hù)，一旦設(shè)備出現(xiàn)危險，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號，使設(shè)備安全停機(jī)。安全控制系統(tǒng)由安全輸入元件（如緊急停止按鈕、安全門開關(guān)、安全光柵等）、安全控制模塊（如安全繼電器、安全PLC等）、被控輸出元件（如主接觸器、電磁閥等）三部分組成[1～3]，如圖 1所示。

圖1 安全控制系統(tǒng)的組成

要使設(shè)備達(dá)到相應(yīng)的安全等級就離不開必要的安全元件和安全線路，這些元件通過線路（一般是雙回路）連接到安全控制的核心，對安全功能進(jìn)行監(jiān)控。具有安全要求的設(shè)備中，普通的繼電器或者PLC被廣泛地作為控制模塊。從表面看來，這樣的設(shè)備在一定條件下也能夠保證安全性。但是，當(dāng)普通的繼電器和PLC由于自身缺陷或外界原因?qū)е鹿δ苁r（如觸點熔焊、電氣短路、處理器紊亂等故障），就會丟失安全保護(hù)功能并引發(fā)事故。而對于安全控制模塊，由于其采用冗余、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，保證在本身缺陷或外部故障的情況下，依然能夠保證安全功能，并且可以及時地將故障檢測出來。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(hù)了人和設(shè)備的安全。

2 安全繼電器的特點及結(jié)構(gòu)

目前使用最多的安全器件就是安全繼電器，其并不是指沒有故障的繼電器，而是發(fā)生故障時會做出有規(guī)則的動作。安全繼電器的安全線路一般使用雙回路控制，即使有一條線路發(fā)生短路，依然能防止設(shè)備在不滿足要求的狀態(tài)下運行。普通繼電器在長時間電弧的作用下有可能發(fā)生觸點的粘連，而安全繼電器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，能保證在回路不滿足條件的情況下觸點強(qiáng)制斷開，這一點同常規(guī)繼電器完全不同。它是專門為條件苛刻的任務(wù)或安全相關(guān)的應(yīng)用而設(shè)計的繼電器，在其失效時不會對人員安全或過程安全帶來危險。

2.1 安全繼電器的特點

安全繼電器具有以下基本功能[4]：

（1）檢測功能。可以確認(rèn)與安全相關(guān)的請求，例如按下“緊急停止按鈕”。

（2）評估功能。確認(rèn)與安全相關(guān)的請求，并且安全地啟動響應(yīng)，例如關(guān)閉啟動回路。

（3）關(guān)閉功能。關(guān)閉潛在的危險，例如關(guān)閉下游接觸器的電源。

（4）自鎖功能。當(dāng)安全繼電器出線故障信號時，不會自動復(fù)位，需要確認(rèn)安全后手動復(fù)位，例如按下“緊急停止按鈕”后，安全繼電器輸出信號，拔出“緊急停止按鈕”后，安全繼電器不會自動復(fù)位，需要手動復(fù)位。

（5）反饋功能。當(dāng)安全繼電器出現(xiàn)故障信號時會將自身狀態(tài)反饋給PLC，PLC可以將其狀態(tài)顯示在人機(jī)界面方便用戶判斷操作。

（6）擴(kuò)展功能?？梢愿鶕?jù)需要增加擴(kuò)展模塊，增加觸點，以達(dá)到和主觸點一致的安全等級。

（7）穩(wěn)定工作功能。觸點組擁有1000萬次以上的可靠機(jī)械壽命。

2.2 安全繼電器的結(jié)構(gòu)[4～5]

本文以菲尼克斯PSR系列安全繼電器PSRSCP-24UC/ESA4/3×1為例說明安全繼電器的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該繼電器的安全級別為4級。

圖2 安全繼電器的結(jié)構(gòu)

A1、A2是繼電器的線圈部分，24VAC/DC供電；S11、S12是輸入通道一，S21、S22是輸入通道二，K1和K2分別為輸入通道一、二接通的信號指示燈；S33、S34是復(fù)位通道，可以手動或自動復(fù)位；13－14、23－24、33－34是三組常開觸點，41－42是常閉觸點，都為不帶延時動作觸點，圖中可以看到，所有常開觸點和常閉觸點都是由兩組觸點來控制，同時通斷。

安全繼電器和普通繼電器最顯著的區(qū)別就是強(qiáng)制導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，其主要目的就是當(dāng)出現(xiàn)故障時在任意一個輸出信號通道內(nèi)不讓繼電器內(nèi)部的兩個觸點處于同時動作狀態(tài)而具有強(qiáng)制導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)其中的一個觸點發(fā)生粘連故障時，線圈在有激磁狀態(tài)下，另一個觸點仍然必須保持0.5mm以上的間隔，此稱之為強(qiáng)制機(jī)構(gòu)。而普通繼電器的觸點動作，完全受制于線圈的通電情況，必須預(yù)防因輸入的接線短路而引起的觸點突然動作，機(jī)器突然啟動。在一個冗余電路中，內(nèi)部控件的運行將受到監(jiān)控。如果安全繼電器被檢測到故障，它將始終被切換到斷電位置使機(jī)器處于安全狀態(tài)。

3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)安全控制系統(tǒng)

3.1 掘進(jìn)機(jī)對安全性的需要

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是集截割、行走、裝運、噴霧和除塵等功能于一體的綜合掘進(jìn)設(shè)備，其作業(yè)線主要由掘進(jìn)機(jī)與后配套設(shè)備組成。掘進(jìn)機(jī)把煤或巖石截割破落下來，再通過轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)把破碎的料渣轉(zhuǎn)運至機(jī)器尾部卸下，由后配套轉(zhuǎn)載機(jī)（二運）、皮帶機(jī)或礦車運走。整個生產(chǎn)過程需要掘進(jìn)機(jī)司機(jī)、二運機(jī)尾操作工和皮帶機(jī)頭操作工三人共同完成。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)可以控制油泵、截割和二運電機(jī)的啟停以及液壓機(jī)構(gòu)的動作；二運機(jī)尾操作工需要觀察皮帶機(jī)是否工作、二運皮帶是否堆料或跑偏并可以停止二運電機(jī)；皮帶機(jī)頭操作工負(fù)責(zé)控制皮帶機(jī)的啟停。

根據(jù)上述掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)工藝，對掘進(jìn)機(jī)的安全控制提出如下要求：

（1）在只啟動油泵電機(jī)而不進(jìn)行截割時，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)能可靠地停止截割電機(jī)并保證截割電機(jī)不會突然啟動；

（2）在緊急情況下，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)能可靠地停止所有電機(jī)并保證所有電機(jī)不會突然啟動；

（3）在二運皮帶出現(xiàn)堆料或者跑偏時，二運機(jī)尾操作工能可靠地停止二運電機(jī)并保證二運電機(jī)不會突然啟動。

3.2 安全繼電器在掘進(jìn)機(jī)安全控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前最常見的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中，將急停信號（常閉）直接輸入給PLC或者串入PLC電源回路，控制PLC的輸出點以切斷中間繼電器的線圈電源。當(dāng)發(fā)生中間繼電器線圈線路短路或者觸點粘連的故障時，會使機(jī)器突然啟動，帶來很大的安全隱患。本文以三個菲尼克斯安全繼電器PSR-SCP-24UC/ESA4/3×1為核心組建掘進(jìn)機(jī)安全控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)安全控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，操作箱急停、截割電機(jī)急停和二運機(jī)尾急停都采用雙回路信號接入安全繼電器的輸入通道，保證輸入信號的可靠性；繼電器的常閉觸點都輸入給PLC，實現(xiàn)安全繼電器的故障監(jiān)測；繼電器采用自動復(fù)位的方式。

安全控制系統(tǒng)得電后，任意一個安全繼電器出現(xiàn)線圈電源線路短路或者回路觸點粘連故障時都能保證設(shè)備和人員的安全，滿足了掘進(jìn)機(jī)對安全性的需求。

（1）按下操作箱急停后，所有接觸器線圈都不會得電，保證機(jī)器在不安全位置或者在危險位置有工作人員時都不會突然啟動；

（2）按下截割電機(jī)急停后，截割電機(jī)接觸器線圈不會得電，保證截割頭在不安全位置或者在工人支護(hù)期間臨時調(diào)整掘進(jìn)機(jī)位置時都不會突然轉(zhuǎn)動；

（3）按下二運機(jī)尾急停后，二運電機(jī)接觸器線圈不會得電，保證二運皮帶在堆滿渣料或者出現(xiàn)跑偏時，或者有工人維護(hù)二運期間都不會突然運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

安全繼電器以其安全、可靠等特點廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造業(yè)行業(yè)。本文將安全繼電器應(yīng)用在懸臂式掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)中，提高了設(shè)備的安全性能，保證了設(shè)備和人員的安全，符合煤礦安全生產(chǎn)的要求。隨著安全控制理念的深入和安全產(chǎn)品的普及，安全繼電器等安全產(chǎn)品在煤炭行業(yè)必然會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1]劉 博.安全繼電器及安全PLC在制造行業(yè)的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2009，31（9）：35-36

[2]王 元.安全控制單元在軋機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].有色金屬加工，2011，40（2）：56-59

[3]費 國，葛自江，馬 矜.安全繼電器在工業(yè)生產(chǎn)過程中的分析與應(yīng)用[J].起重運輸機(jī)械，2013，63（6）：1-7.