關(guān) 薇

(大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116037)

隨著企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的提高，在設(shè)備設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的安全問題，并采取必要的措施來防范。在設(shè)備安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用安全控制器件和安全開關(guān)，搭建合理的安全回路，使設(shè)備得到較高的安全性能，具有非常重要的意義。

1 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級的劃分

對于設(shè)備的安全控制，以往設(shè)計(jì)者往往會忽略對有一定危險(xiǎn)性設(shè)備的安全功能的評估。隨著企業(yè)對以人為本理念認(rèn)識的提高，對設(shè)備的安全性越來越重視。依據(jù)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 13849-1對風(fēng)險(xiǎn)等級的評估(如圖1和表1所示)，將風(fēng)險(xiǎn)等級分為a，b，c，d，e共5個(gè)等級，風(fēng)險(xiǎn)等級由a到e依次增高，控制電路安全等級也分為5個(gè)等級[1]。在進(jìn)行清洗機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要對設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行評價(jià)，確定清洗機(jī)的不安全狀態(tài)，然后選擇合適的安全電路進(jìn)行保護(hù)。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)等級圖

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級評估表

2 清洗機(jī)安全防護(hù)等級分析

2.1 清洗機(jī)風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)

根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 13849-1，對清洗機(jī)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)。清洗機(jī)在清洗過程中發(fā)生異常或有誤操作時(shí)，需要設(shè)備立即停止工作來避免或降低設(shè)備操作風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人在清洗過程中是移動的，若操作者或維修人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域會造成重傷或死亡；機(jī)器人在取料或放料時(shí)，若操作者肢體在取放料區(qū)域可能與機(jī)器人手爪發(fā)生碰撞。清洗機(jī)在工作過程中則可能對人員造成重傷(S2)，這種情況可能頻繁發(fā)生(F2)，若采取安全措施，這種情況可能避免(P1)，根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)因素，結(jié)合圖1和表1，將清洗機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)等級確定為d級。

2.2 清洗機(jī)安全對策

清洗機(jī)需考慮的安全對策如圖2所示，為方便工人上下料，在上下料區(qū)域沒有設(shè)置防護(hù)欄，為防止在機(jī)器人上下料期間，工作人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，在上下料區(qū)域的入口處安裝了安全光幕；在設(shè)備工作期間，若操作人員肢體遮斷光線，光幕的控制信號輸出發(fā)生改變，設(shè)備立刻停止工作。設(shè)備停止時(shí)，光幕信號無效。

在清洗機(jī)操作面板、工位附近及機(jī)器人操作盒上設(shè)置急停按鈕。在設(shè)備發(fā)生異常或操作出現(xiàn)失誤時(shí)，工人按下急停按鈕，使機(jī)器人停止動作，同時(shí)切斷危險(xiǎn)源的電源，如高壓泵、電磁閥的電源回路。急停開關(guān)的控制優(yōu)先于其他控制。

圖2 清洗機(jī)安全對策

當(dāng)工作人員進(jìn)入清洗機(jī)的清洗區(qū)域進(jìn)行維修時(shí)，為防止設(shè)備被其他人員誤啟動，造成人員傷亡，安全門上需安裝安全開關(guān)。安全開關(guān)被解鎖后，工作人員通過安全門進(jìn)入清洗區(qū)域，當(dāng)控制系統(tǒng)安全門輸入信號檢測到工作人員處于危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，禁止設(shè)備運(yùn)行。通常在安全門上安裝EUCHNER公司的安全開關(guān)，這類開關(guān)通過彈簧力來鎖緊安全門，如果需要解鎖，必須給電磁機(jī)構(gòu)提供操作電壓，或通過附屬裝置(如鑰匙開關(guān))手工解除鎖定[2]。鑰匙開關(guān)是為了在不通電的情況下進(jìn)行設(shè)備檢修而設(shè)置的。

2.3 安全等級電路實(shí)現(xiàn)方法

通常把一個(gè)簡單的控制電路分成信號輸入部分(如急停按鈕、限位開關(guān)、光柵)、控制部分(如繼電器、PLC)和輸出部分(如控制電機(jī)用交流接觸器)。根據(jù)EN ISO 13849-1中安全等級的描述，安全電路的等級與電器元件選擇及電路接法有關(guān)，對于安全等級要求c級及以上的電路，在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)應(yīng)選用安全控制器件及安全開關(guān)，如安全繼電器、安全PLC、安全光幕等。

如果控制電路的安全等級是c級，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要采用急停按鈕SB1和SB2的單個(gè)觸點(diǎn)接入安全繼電器輸入通道，圖3所示為安全繼電器單通道輸入形式。若控制回路的安全等級是d級，安全繼電器的控制電路要設(shè)計(jì)成雙通道輸入形式，即將急停按鈕兩個(gè)觸點(diǎn)接入安全繼電器輸入通道，但是此電路不能同時(shí)檢測兩個(gè)輸入觸點(diǎn)間的短路故障，如圖4所示。

圖3 單通道輸入形式

圖4 雙通道輸入形式

3 清洗機(jī)電氣安全回路設(shè)計(jì)

3.1 急停功能實(shí)現(xiàn)

設(shè)備急停功能最可靠的實(shí)現(xiàn)方式是采用硬件電路，即把急停按鈕的常閉觸點(diǎn)接在安全繼電器的輸入上，然后把安全繼電器的常開觸點(diǎn)串聯(lián)到向開關(guān)量供電的電源上，以保證在急停的情況下相關(guān)的輸出能切斷電源，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)電源圖

根據(jù)控制要求將PLC輸出端供電分為急停前和急停后。

如果把急停按鈕接在PLC輸入端，在用梯形圖軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要做到兩點(diǎn)：第一，在梯形圖中需要把急停輸入地址的常閉點(diǎn)(前提是急停的常開點(diǎn)接進(jìn)PLC，否則就是常開點(diǎn))串聯(lián)到每一個(gè)需要急停復(fù)位的輸出線圈上；第二，當(dāng)急停有信號輸入(即急停按鈕按下的狀態(tài)下)時(shí)，要復(fù)位所有的中間變量。如某個(gè)電機(jī)是靠觸摸屏畫面HMI上的某個(gè)中間變量來控制的，那必須在急停狀態(tài)下把這個(gè)變量復(fù)位，否則在急停解除后，電機(jī)會自動運(yùn)行，這是非常危險(xiǎn)的，對于這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要高度重視。

圖6控制線路中皮爾茲安全繼電器PNOZ S3用于急停控制部分，S11、S12、S21 及S22 為輸入端，S12與S34為復(fù)位端，A1、A2 為安全繼電器工作電源[3]。當(dāng)接通電源后，“POWER”指示燈亮。啟動回路S12和S34接通后，安全繼電器進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

急停安全繼電器回路工作原理如圖6所示，SB1、SB2、SB3為安裝在設(shè)備不同部位的急停按鈕，Y32為PLC的急停輸入信號。SB5接在S34端，為手動復(fù)位接法。開機(jī)時(shí)，在未按SB1、SB2及SB3的情況下，“CH1、CH2” 指示燈亮，安全觸點(diǎn)(13-14、23-24、33-34及43-44)閉合，輔助觸點(diǎn)(51-52)斷開。晶體管輸出Y32導(dǎo)通，給PLC數(shù)字輸入端I0.0輸入1(高電平)，設(shè)備開始運(yùn)行。輸入回路斷開(S11-21和S12-S22)，如按下急停按鈕SB1SB2SB3中的一個(gè)，則晶體管輸出Y32斷開，PLC 的I0.0 輸入端變?yōu)?(低電平)，安全觸點(diǎn)(13-14、23-24、33-34及43-44)打開，輔助觸點(diǎn)(51-52)閉合。設(shè)備停止工作后，急停按鈕SB1及SB2,SB3即使都復(fù)位也不能使安全繼電器的輸出端Y32再次閉合，需要按下復(fù)位按鈕SB5確認(rèn)，才能使安全繼電器輸出端閉合。

在圖5中，GS是開關(guān)電源，其在電路中的作用是將交流220V電源轉(zhuǎn)換為控制電路所需的直流24V電源。輸出端P24A、P24B、P24C、P24D通過斷路器與負(fù)載直接相連，保證PLC輸入、觸摸屏操作面板及三色燈等元器件處于通電狀態(tài)，不受急停信號影響，使操作人員能實(shí)時(shí)直觀地監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。輸出端P24E、P24F直流電源通過急停安全繼電器KQ1b.1、KQ1b.2的觸點(diǎn)控制電源通斷，只有當(dāng)其常開觸點(diǎn)閉合后才有直流24V的輸出。這種負(fù)載供電電源的接法冗余了急?？刂芠4]，在急停按鈕被按下時(shí)，即使控制部件的硬件或軟件出現(xiàn)問題，都能夠通過外部硬件斷開有危險(xiǎn)的輸出裝置的電源，保證急?？刂圃谡麄€(gè)系統(tǒng)中的安全核心地位。

3.2 清洗機(jī)安全防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

按照CE要求(安全開關(guān)必須保證具有完全獨(dú)立的分?jǐn)嗄芰?，需要將門鎖與安全繼電器組合使用。因?yàn)榘踩^電器具有完全獨(dú)立的分?jǐn)嗄芰?，維修人員進(jìn)入安全門時(shí)需要打開安全鎖。安全繼電器的輸入被斷開后，通過控制程序使設(shè)備立即停機(jī)，設(shè)備停機(jī)后防護(hù)門才能被打開。

在清洗機(jī)有防護(hù)罩的區(qū)域，設(shè)有3個(gè)防護(hù)門，分別為門1、門2、門3，如圖7所示。 對于高慣性的、具有潛在危險(xiǎn)的清洗機(jī)選擇帶有鎖定功能的機(jī)械插片式防護(hù)門開關(guān)是十分必要的[5]，當(dāng)維修人員想要打開安全門時(shí)，需要將活動插銷部分拔下來隨身攜帶。插銷被拔下后，整個(gè)設(shè)備都會處于停止?fàn)顟B(tài)，只有當(dāng)插銷的活動部分重新與固定部分重合，防護(hù)門被關(guān)閉，同時(shí)門開關(guān)鎖住后，設(shè)備自動清洗工作才被允許。設(shè)備的3個(gè)防護(hù)門開關(guān)串聯(lián)，硬件接線圖如圖8所示。將防護(hù)門開關(guān)接入安全繼電器的電路如圖9所示，防護(hù)門關(guān)閉后安全繼電器自動復(fù)位啟動檢測的設(shè)計(jì)(S12-S34直接相連)保證了防護(hù)門狀態(tài)的及時(shí)反饋。

3.3 清洗機(jī)上下料區(qū)域安全電路設(shè)計(jì)

在清洗機(jī)的手動上下料區(qū)域，使用安全光幕來預(yù)防安全事故，如圖10所示。清洗機(jī)中安全光幕型號的選擇主要考慮以下幾方面：第一，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸確定保護(hù)區(qū)域(包括光幕的高度及檢測距離)；第二，光幕的保護(hù)功能選擇(身體保護(hù)、肢體保護(hù)還是手指保護(hù))，根據(jù)安全光幕安裝位置確定保護(hù)功能為肢體保護(hù)；第三，保護(hù)等級的選擇(c級還是e級)，根據(jù)本機(jī)安全等級要求確定保護(hù)等級為e級；第四,計(jì)算安全距離。

在機(jī)器人取料和放料過程中，嚴(yán)禁操作者的手臂穿過光幕，當(dāng)發(fā)射器和接收器之間的光線被物體擋住，通過內(nèi)部控制線路，接收器電路在輸出部分輸出一個(gè)信號，用于控制設(shè)備動作，控制系統(tǒng)收到此信號后命令機(jī)器人停止工作。直到接收器的控制輸出信號復(fù)位后，整個(gè)設(shè)備才可以重新開始工作。

圖8 防護(hù)門開關(guān)硬件連接

圖9 防護(hù)門安全電路

4 結(jié)束語

一個(gè)設(shè)備的安全可靠性并非羅列的安全電路越多越好，不必要的安全電路會增加設(shè)備制造成本、增加故障點(diǎn)、降低設(shè)備可靠性。從設(shè)備實(shí)際安全需求考慮，采用最適合的安全措施消除設(shè)備工作時(shí)的不安全狀態(tài)，保護(hù)人身安全，避免和減少危險(xiǎn)事件的發(fā)生，也是評價(jià)設(shè)備優(yōu)劣的一個(gè)重要因素。

圖10 光幕安全電路