周 成， 居里鍇， 劉天騰

(南京理工大學(xué) a. 工程訓(xùn)練中心；b. 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械化、自動化及信息化已成為工業(yè)領(lǐng)域的主要生產(chǎn)方式。然而，伴隨機(jī)械的大量使用，由于人的不安全行為、機(jī)械的不安全狀態(tài)，機(jī)械安全問題日趨凸顯和嚴(yán)峻。同時機(jī)械安全問題也成為發(fā)達(dá)國家在國際貿(mào)易中設(shè)置技術(shù)貿(mào)易壁壘的重要依據(jù)。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)階段秉持本質(zhì)安全設(shè)計的理念，是提高產(chǎn)品安全水平、降低安全成本、保障使用者安全最行之有效的手段[1-7]。

產(chǎn)品在設(shè)計階段就應(yīng)當(dāng)按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全設(shè)計，對存在較大風(fēng)險源的產(chǎn)品，設(shè)計時應(yīng)同步設(shè)計安全防護(hù)控制系統(tǒng)，即使操作人員失誤或發(fā)生機(jī)械故障，也可確保操作人員安全。當(dāng)前，能夠進(jìn)行機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計者大多是在工作中通過實踐獲得的。高等學(xué)校作為高等人才培養(yǎng)的主要場所，其畢業(yè)生將成為企業(yè)設(shè)計、研發(fā)產(chǎn)品的主力軍，高校學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計時卻忽視了機(jī)械產(chǎn)品安全設(shè)計的方法，不具備機(jī)械安全設(shè)計的意識[8-11]。本文研制了機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)實驗臺，通過實驗臺實驗，使學(xué)生掌握機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，貫徹提高產(chǎn)品的本質(zhì)安全水平，讓學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計階段就具有考慮安全防護(hù)問題的意識，從源頭上提高安全生產(chǎn)的水平。

1 實驗臺設(shè)計方案

機(jī)械安全控制系統(tǒng)實驗臺由工件搬運(yùn)系統(tǒng)、安全防護(hù)控制系統(tǒng)以及實驗臺監(jiān)控軟件三部分組成。工件搬運(yùn)系統(tǒng)通過機(jī)器人抓取同步帶上運(yùn)輸?shù)奈锪?，模擬工業(yè)生產(chǎn)中物料的自動傳輸過程；安全防護(hù)控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)在工件搬運(yùn)過程中，有危險產(chǎn)生時控制工件搬運(yùn)系統(tǒng)停止工作；實驗臺監(jiān)控軟件用于監(jiān)控安全防護(hù)控制系統(tǒng)在工作過程中的狀態(tài)。

實驗臺結(jié)構(gòu)組成見圖1，由抓取機(jī)器人、驅(qū)動電動機(jī)、安全光幕、光幕智能屏蔽器、滑臺限位傳感器、工件、同步帶、滑臺、安全控制器接線盒、按鈕盒、啟動按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、計算機(jī)、多層警示燈、實驗臺面、機(jī)器人控制盒、電源總開關(guān)、安全控制器、安全繼電器、電源指示燈、總控制柜、磁感應(yīng)連鎖開關(guān)、安全連鎖開關(guān)、解鎖按鈕、安全圍欄等組成。實驗臺實物見圖2。

圖1 實驗臺組成結(jié)構(gòu)

使用該實驗臺時，根據(jù)設(shè)計的安全防護(hù)控制系統(tǒng)，通過安全控制器接線盒連接所需的安全元器件。工件搬運(yùn)系統(tǒng)開始工作時，如人員觸發(fā)安全元器件( 如安全光幕) ，工件搬運(yùn)系統(tǒng)自動停止工作，多層警示燈發(fā)出報警聲。使用本實驗臺可實現(xiàn)如下功能: ① 學(xué)習(xí)安全防護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計。本實驗臺自身設(shè)計有相關(guān)安全防護(hù)控制系統(tǒng)實驗，可通過實驗掌握安全防護(hù)控制系統(tǒng)的原理及其設(shè)計方法。② 學(xué)習(xí)不同安全元器件的功能應(yīng)用。安全元器件是組成安全防護(hù)控制系統(tǒng)的基本元件，可通過本實驗臺對單個元器件的功能進(jìn)行實驗，讓使用者掌握安全元器件的原理及使用方法。③ 安全防護(hù)控制系統(tǒng)的驗證。在實際產(chǎn)品設(shè)計中進(jìn)行安全防護(hù)控制系統(tǒng)方案設(shè)計時，可先通過本實驗臺構(gòu)建設(shè)計方案，驗證設(shè)計是否滿足使用功能，提出改進(jìn)措施。通過實驗，進(jìn)行方案分析和改進(jìn)。

圖2 實驗臺實物

2 工件搬運(yùn)系統(tǒng)

工件搬運(yùn)系統(tǒng)由抓取機(jī)器人、驅(qū)動電動機(jī)、滑臺限位傳感器、工件、同步帶、滑臺、機(jī)器人控制盒組成?；_固定于同步帶上，在驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動下同步帶帶動工件移動，滑臺限位傳感器固定于同步帶上，抓取機(jī)器人及機(jī)器人控制盒置于實驗臺面上，結(jié)構(gòu)如圖3所示。抓取機(jī)器人選取四軸碼垛機(jī)器人，其速度快、成本低，適合小工業(yè)產(chǎn)線碼垛、物料篩選等工作，抓手采用伺服直流電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)械抓手。

圖3 工件搬運(yùn)系統(tǒng)

實驗臺實驗時，工件置于滑臺上，滑臺處于初始工作位置(限位傳感器1#處)，系統(tǒng)啟動后，工件被同步帶運(yùn)輸移動到工作終點(diǎn)(限位傳感器2#處)；機(jī)器人根據(jù)設(shè)置的動作循環(huán)抓取工件，并搬運(yùn)至側(cè)面物料盒中；滑臺在機(jī)器人抓取工件后自動回到初始工作位置，進(jìn)行下次的工件搬運(yùn)過程。

3 安全防護(hù)控制系統(tǒng)

3.1 安全防護(hù)控制系統(tǒng)

安全防護(hù)控制系統(tǒng)的作用是保護(hù)工業(yè)現(xiàn)場的工作人員和加工設(shè)備的安全，避免工作人員出現(xiàn)人身安全事故，避免現(xiàn)場的加工設(shè)備受到損壞，減少企業(yè)因安全事故所造成的損失。

安全防護(hù)控制系統(tǒng)由不同類型的安全元器件組成，主要由安全輸入設(shè)備、安全控制設(shè)備、安全輸出設(shè)備三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。安全輸入設(shè)備主要用于檢測是否有人員接近危險源；安全輸出設(shè)備用于控制危險源的動作，且可以降低其風(fēng)險；安全控制設(shè)備是對安全輸入信息進(jìn)行讀取、運(yùn)算，對安全輸出設(shè)備進(jìn)行控制的設(shè)備，是安全系統(tǒng)的核心，對安全系統(tǒng)的構(gòu)筑起到了關(guān)鍵的作用。

圖4 安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)實驗臺安全防護(hù)控制系統(tǒng)由安全光幕、光幕智能屏蔽器、復(fù)位按鈕、急停按鈕、多層警示燈、安全控制器、安全繼電器、磁感應(yīng)連鎖開關(guān)、安全連鎖開關(guān)、解鎖按鈕等組成。系統(tǒng)組成原理圖如圖5所示。

圖5 安全控制系統(tǒng)原理圖

3.2 安全控制器

安全控制器選用歐姆龍公司G9SP。G9SP安全控制器具有以下特點(diǎn)。

(1) 自由編程。與普通可編程控制器一樣，通過配套的G9SP Configurator軟件，對輸入、輸出進(jìn)行定義，對程序進(jìn)行編寫、更改，實現(xiàn)安全防護(hù)控制系統(tǒng)的監(jiān)控。

(2) 簡化設(shè)計、方便接線。由于G9SP安全控制器將以前急停開關(guān)、安全門開關(guān)、安全光幕等多個元器件的功能集成在一個控制器上，可以直接將安全信號接在G9SP安全控制器上。

(3) 靈活配置。不僅可以單獨(dú)使用G9SP安全控制器，也可以和普通可編程控制器配套使用，還可以增加一些擴(kuò)展模塊，靈活地配置一些模塊進(jìn)行組合[12-15]。

在構(gòu)建安全防護(hù)系統(tǒng)時，G9SP安全控制器一般置于控制柜中，各安全元器件連接于G9SP安全控制器的輸入與輸出端口，對于一個固定功能的安全防護(hù)控制系統(tǒng)，其接線方式固定。如需改變安全防護(hù)控制系統(tǒng)的功能，增加或減少安全元器件，則需改變接線方式，而對于已經(jīng)完成接線工作的安全防護(hù)控制系統(tǒng)，再次改變接線方式將費(fèi)時費(fèi)力，且容易導(dǎo)致錯誤的產(chǎn)生。為了解決此問題，研制了G9SP安全PLC試驗盒，如圖6所示。G9SP安全控制器具有Si00～Si19的輸入接口和So00～So07、T0～T5的輸出接口，將G9SP安全PLC試驗盒上的接口與G9SP安全控制器上的對應(yīng)接口串接。使用即插即拔的連接線將安全元器件連接于G9SP安全PLC試驗盒上，即可實現(xiàn)G9SP安全控制器接線的快速改變，從而方便快速的構(gòu)建不同安全防護(hù)控制系統(tǒng)。

圖6 G9SP安全PLC試驗盒

4 實驗過程

(1) 根據(jù)實驗設(shè)計的安全防護(hù)系統(tǒng)輸入與輸出設(shè)備，完成G9SP安全PLC試驗盒上的接線。

(2) 實驗臺上電，電源總開關(guān)打開，電源指示燈亮起。復(fù)位按鈕上的指示燈閃爍，啟動抓取機(jī)器人，按下復(fù)位按鈕。復(fù)位按鈕指示燈滅掉，所有產(chǎn)品都處于正常狀態(tài)，多層警示燈綠色燈亮，實驗臺可正常使用。

(3) 在計算機(jī)上進(jìn)入試驗臺選用的安全控制器使用的控制軟件，構(gòu)建安全防護(hù)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面。

(4) 進(jìn)入試驗臺的G9SP安全控制器控制軟件，構(gòu)建安全防護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控界面，見圖7，并開啟監(jiān)控功能。

(5) 將工件置于滑臺上，滑臺處于初始工作位置。

(6) 按下啟動按鈕，工件被同步帶運(yùn)輸移動到工作終點(diǎn)。由于光幕智能屏蔽器的存在，在工件運(yùn)輸過程中，不會因為工件穿過安全光幕導(dǎo)致工件搬運(yùn)系統(tǒng)停止工作。抓取機(jī)器人根據(jù)設(shè)置的動作循環(huán)抓取工件，并搬運(yùn)至側(cè)面的實驗臺面上；滑臺在抓取機(jī)器人抓搬運(yùn)過程。

圖7 安全防護(hù)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

(7) 人手穿過安全光幕，工件搬運(yùn)系統(tǒng)立刻停止工作，多層警示燈紅色燈亮起，同時報警聲響起，安全防護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控界面中的“光幕”部分閃爍。

(8) 按下復(fù)位按鈕實驗臺恢復(fù)到步驟(5)狀態(tài)。

(9) 同理，可通過急停按鈕、磁感應(yīng)連鎖開關(guān)、安全連鎖開關(guān)觸發(fā)安全防護(hù)控制系統(tǒng)控制工件搬運(yùn)系統(tǒng)停止工作。

5 結(jié) 語

產(chǎn)品在設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全設(shè)計，而具有此意識的人員往往都是在工作中通過實踐獲得的，高校學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)品設(shè)計時均忽視了機(jī)械產(chǎn)品安全設(shè)計的方法，機(jī)械安全設(shè)計意識淡薄。機(jī)械安全控制系統(tǒng)實驗臺的研制為高校進(jìn)行安全防護(hù)控制系統(tǒng)的教學(xué)提供了實驗裝置?？赏ㄟ^安全防護(hù)控制系統(tǒng)的實驗培養(yǎng)學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計時即考慮安全防護(hù)問題，提高產(chǎn)品的本質(zhì)安全水平。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 禹金云.機(jī)械安全技術(shù)趨向分析[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報,2004,14(4):54-56.

[2] 陳開泰.機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)體系及若干機(jī)械安全產(chǎn)品介紹[J].自動化與安全,2008(2)：40-43.

[3] 范振濤.企業(yè)機(jī)械安全的原因與對策研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[4] 劉文龍，張 宏.淺談促進(jìn)機(jī)械安全的一些措施[J].價值工程, 2013(26):53-54.

[5] 羅一新. 我國機(jī)械安全的現(xiàn)狀及其對策[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2004, 14(5):92-94.

[6] 歐宇均.我國機(jī)械安全的現(xiàn)狀及措施研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(14):76.

[7] 黃紅武,盛曉敏,劉建寧,等.機(jī)械安全與現(xiàn)代企業(yè)戰(zhàn)略[J].中國機(jī)械工程,2001(S1):67-68.

[8] 鮑敏秦, 張 原. 加強(qiáng)高校學(xué)生安全教育的必要性及其措施[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2013, 30(3):204-205.

[9] 于孝華,劉天軍.大學(xué)生校外機(jī)械工程實踐與實習(xí)的安全與健康教育[J].大家健康(學(xué)術(shù)版),2014,17(8):310.

[10] 曾路生,周震峰,李俊良,等.高校實驗室的安全教育與管理措施[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(5):243-245.

[11] 梁 興,金輝輝.大學(xué)新生實驗室安全教育探究[J].中國教育技術(shù)裝備,2016(20):154-155.

[12] 談秀華, 趙瑩玉, 韓 兵. 安全控制器結(jié)構(gòu)分析與研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2011, 40(11):11-14.

[13] 劉紅梅, 顧玉紅. G9SP系列安全控制器在液壓機(jī)安全電路控制中的應(yīng)用[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2012(6):45-47.

[14] 吳鳳娟，陳春童，朱雪琴. 淺析G9SP可編程安全控制器在壓力機(jī)中的應(yīng)用[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2015, 50(2):55-57.

[15] 歐姆龍G9SP安全控制器在安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù),2011,14(6):36-37.