李釗安，張宏軍，薛繼衛(wèi)

（西安西部新鋯科技股份有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

板材剪板機(jī)是機(jī)加工序中應(yīng)用比較廣泛的一種剪切設(shè)備，是用一個(gè)刀片相對(duì)另一刀片作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)剪切板材的機(jī)器。板材剪板機(jī)主要用于冷軋態(tài)后或冷軋后退火態(tài)的鋯合金板材切邊。同時(shí)適用于其他各種金屬板材切邊，該型號(hào)剪板機(jī)可剪切10 mm 以上的板材，動(dòng)力為液壓傳動(dòng)。設(shè)備安全操作規(guī)程中要求在上剪刃與下剪刃往復(fù)的運(yùn)行過(guò)程中，操作者的手不能伸入送料區(qū)，操作者的手指離剪刃口應(yīng)保持最少200 mm 以上的距離。傳統(tǒng)剪板機(jī)大多采用物理隔離保護(hù)操作者的安全，一般進(jìn)料口都有設(shè)置防護(hù)柵欄進(jìn)行保護(hù)，為了保證操作者的操作視線清晰，防護(hù)欄一般設(shè)計(jì)為網(wǎng)格狀，存在較大的空隙。操作者需要在剪切工作完成后在剪板機(jī)出料口撿拾殘廢料。在安全隱患排查工作中，安全工作組提出剪板機(jī)存在較高安全風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行安全隱患整改。因?yàn)樵诩舭鍣C(jī)進(jìn)料口安裝的防護(hù)欄存在間隙，手指和手掌可輕松進(jìn)入。剪板機(jī)出料口無(wú)安全防護(hù)裝置，在操作者進(jìn)行撿料作業(yè)時(shí)，因?yàn)橐曇懊^(qū)，有可能誤啟動(dòng)設(shè)備，直接危害出料口操作者的安全。改造主要圍繞提升剪板機(jī)的安全可靠性而展開(kāi)。

1 硬件選型

1.1 紅外光柵

紅外光柵又叫“紅外欄桿”，紅外光柵采用多束紅外光對(duì)射，是主動(dòng)紅外對(duì)射的一種。發(fā)射器向接收器以“低頻發(fā)射、時(shí)分檢測(cè)”方式發(fā)出紅外光、一旦有人員或物體擋住發(fā)射器發(fā)出的任何相鄰兩束以上光線時(shí)，接收器可在0.5 ms內(nèi)輸出報(bào)警信號(hào)。相比于改造前的物理隔離，安全光柵即不影響操作者的視線，又可快速發(fā)出報(bào)警信號(hào)。將紅外光柵安裝在剪板機(jī)的進(jìn)料口和出料口側(cè)，一旦操作人員的手指、手臂、身體進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，接收器發(fā)出信號(hào)可立即切斷動(dòng)力電源。

紅外光柵選型時(shí)需確定的主要參數(shù)有對(duì)射距離、保護(hù)高度、光束數(shù)量、光束間距、輸出方式。①光柵對(duì)射距離的選擇主要參考所要保護(hù)危險(xiǎn)區(qū)域的寬度，剪板機(jī)的入料口寬度4540 mm，可選擇對(duì)射距離大于5 m 的光柵。如果選擇小于這個(gè)尺寸，就會(huì)造成光幕衰減，光柵靈敏度下降；②保護(hù)高度取決于保護(hù)區(qū)域的高度，選擇與入料口高度尺寸相同的光柵，250 mm 即可；③光束數(shù)量：安全光柵光束又稱“光眼”，保護(hù)高度一樣的情況下，數(shù)量越多，光軸間距越密，檢測(cè)物品越小，安全性越高、為了提高安全性盡可能選擇光束多的光柵；④光軸間距指的是安全光柵光眼之間的距離，間距越短、可檢測(cè)到的物體越小，安全系數(shù)就會(huì)越高；一般10 mm 光軸的光電保護(hù)器是可以做到保護(hù)手指，20 mm 光軸的光電保護(hù)器可以保護(hù)手掌，40 mm 光軸的間距的光電保護(hù)器是可以保護(hù)手臂的。入料口最小保護(hù)單元是操作者的手指，可以選擇10 mm 光軸間距。出料口只需要防止人員誤入即可，選擇40 mm 光軸距離；⑤安全光柵的輸出方式有PNP 輸出、NPN 輸出以及R 繼電器輸出。可選擇PNP 常閉雙信號(hào)輸出，即正常通光時(shí)信號(hào)線輸出DC 24 V，遮光時(shí)無(wú)輸出。選擇雙信號(hào)是因?yàn)榘踩^電器是雙通道安全回路，需要采集兩路信號(hào)，安全光柵接線如圖1 所示。

圖1 安全光柵接線圖

1.2 安全繼電器

安全電路控制模塊選擇安全繼電器，安全繼電器設(shè)計(jì)的目的是保護(hù)暴露在不同等級(jí)危險(xiǎn)場(chǎng)所的機(jī)械操作人員。所謂“安全繼電器”是由數(shù)個(gè)繼電器與電路組合而成，能互補(bǔ)彼此的異常缺陷，達(dá)到正確且低誤動(dòng)作的繼電器完整功能，使其失誤和失效值更低，安全因素則更高?！鞍踩^電器”并不是“沒(méi)有故障的繼電器”，而是發(fā)生故障時(shí)做出有規(guī)則的動(dòng)作，它具有強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)結(jié)構(gòu)，即使發(fā)生接點(diǎn)熔焊現(xiàn)象時(shí)也能確保安全，這一點(diǎn)同一般繼電器完全不同。傳統(tǒng)電氣安全控制將急停按鈕、安全門(mén)、安全光柵等報(bào)警信號(hào)串接在主控回路，在遇到緊急情況時(shí)常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)可切斷控制回路電源。采用安全光柵和安全繼電器的安全電路組合，相比傳統(tǒng)繼電器的優(yōu)點(diǎn)有：①在緊急停止解除前，機(jī)器不能出現(xiàn)突然再啟動(dòng)；②當(dāng)機(jī)器安全電路發(fā)生故障時(shí)，可以停止機(jī)器動(dòng)力電源；③如果安全電路發(fā)生故障時(shí)，機(jī)器不能再啟動(dòng)，就是說(shuō)必須給安全繼電器一個(gè)復(fù)位信號(hào)才行，防止安全事件發(fā)生后，設(shè)備的突然再啟動(dòng)，在一定的程度上規(guī)避安全事故的二次發(fā)生；④即使發(fā)生觸點(diǎn)粘連也能確保安全回路啟動(dòng)。

安全模塊選擇西門(mén)子3TK2827。3TK28 系列安全繼電器觸點(diǎn)均是正向驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)，其含義為：常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)不得同時(shí)閉合。當(dāng)有處于閉合狀態(tài)觸點(diǎn)粘連而無(wú)法打開(kāi)時(shí)，處于斷開(kāi)狀態(tài)觸點(diǎn)是不能閉合的，且保證最小間隙0.5 mm。該型號(hào)安全繼電器輸入電壓DC 24 V，屬于雙通道信號(hào)型，只有2 個(gè)通道信號(hào)都正常時(shí)，安全繼電器才能正常工作；在工作過(guò)程中，只要其中任一通道信號(hào)斷開(kāi)，安全繼電器都會(huì)停止輸出，直到2 個(gè)通道信號(hào)都閉合且復(fù)位后才能正常工作。該繼電器提供2 組瞬動(dòng)NO 觸點(diǎn)（13-14，23-24）、2 組延時(shí)NO 觸點(diǎn)（47-48，57-58）、1 組瞬動(dòng)報(bào)警NC 觸點(diǎn)（31-32），延時(shí)時(shí)間可通過(guò)面板的旋鈕修改。3TK2827 端子含義見(jiàn)表1。

表1 3TK2827 端子含義

2 電路設(shè)計(jì)

安全改造設(shè)計(jì)思路是將操作臺(tái)上及入口側(cè)的急停按鈕和紅外光柵接入安全繼電器，然后將安全繼電器的“強(qiáng)制觸點(diǎn)”串入執(zhí)行器，如中間繼電器或電機(jī)的接觸器，當(dāng)有物體觸碰到紅外光束，或者按下急停按鈕，信號(hào)傳入安全繼電器內(nèi)，安全繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷電源回路。危險(xiǎn)排除后需手動(dòng)復(fù)位，設(shè)備才可通電工作。安全繼電器電路原理如圖2 所示。

圖2 安全繼電器電路原理

2.1 安全輸出回路

電源：A1 接24 V 直流電源，A2 接0 V。Y10 和Y11 短接使用雙通道監(jiān)控啟動(dòng)。（Y11，Y12）和（Y21，Y22）分別接急停按鈕的2 個(gè)常閉觸點(diǎn)，并串接安全光柵輸出雙信號(hào)KA1 和KA2 的常閉觸點(diǎn)。（13，14）和（23，24）使能回路接KA3 和KA4 中間繼電器電源端子。剪板機(jī)主控制回路電源串接在KA3 和KA4 中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，兩個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)。31，32 信號(hào)回路瞬動(dòng)NC 接信號(hào)警示燈，當(dāng)安全繼電器急停時(shí)，安全警示燈亮，安全復(fù)位后信號(hào)燈滅。

2.2 安全反饋回路

反饋信號(hào)接在Y33 和Y34 回路中，串接KA3 和KA4 的常閉點(diǎn)，在緊急停止解除后，安全繼電器的安全反饋回路閉合，安全繼電器有序切斷電源并未探測(cè)到物體侵入紅外光束后，按下復(fù)位按鈕，繼電器恢復(fù)正常，設(shè)備才能通電。

2.3 復(fù)位回路

復(fù)位按鈕接在Y33 和Y34 回路，并且取安全輸出回路中間繼電器的常閉點(diǎn)作為反饋信號(hào)，只有當(dāng)反饋回路閉合，且CH1和CH2 通路同時(shí)閉合時(shí)，按下復(fù)位按鈕，安全繼電器安全輸出使能KA3 和KA4 接通，設(shè)備才進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)可觀察信號(hào)燈滅。安全反饋回路和復(fù)位回路屬于同一回路。

2.4 啟動(dòng)方式

3TK2827 安全繼電器有兩種啟動(dòng)模式，自動(dòng)啟動(dòng)和監(jiān)控啟動(dòng)。①自動(dòng)啟動(dòng)：只要滿足開(kāi)啟條件（傳感器和反饋電路閉合），則裝置將自動(dòng)開(kāi)啟啟動(dòng)回路；②監(jiān)控啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)前，須滿足開(kāi)啟條件（傳感器和反饋電路閉合）。另外，裝置須要使用ON 按鈕作為啟動(dòng)信號(hào)，安全繼電器通過(guò)檢測(cè)ON 信號(hào)下降沿（脈沖）啟動(dòng)設(shè)備。改造選用監(jiān)控啟動(dòng)模式。

3 改造效果及可靠性

改造后的設(shè)備美觀大方、可靠性高，剪板機(jī)安全光柵改造效果如圖3 所示。在進(jìn)料口處，當(dāng)操作人員的手指伸入保護(hù)區(qū)域時(shí)設(shè)備立即停機(jī)，液壓泵停止工作。同樣在出料口有人員進(jìn)入保護(hù)區(qū)域，設(shè)備急停。在操作人員確認(rèn)復(fù)位前，設(shè)備不能啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)連續(xù)測(cè)試，長(zhǎng)時(shí)間試生產(chǎn)后設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠性高。

圖3 剪板機(jī)安全化改造效果

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)歐洲機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)EN 954-1 和國(guó)標(biāo)GB/T 15706—2012，設(shè)計(jì)制造設(shè)備前需要進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，再進(jìn)行安全等級(jí)劃分?，F(xiàn)在很多安全風(fēng)險(xiǎn)較高的設(shè)備都配置安全繼電器模塊，通過(guò)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可搭配安全門(mén)、急停開(kāi)關(guān)、安全光柵、安全地毯、安全觸邊等方案，大大降低了設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)改造同時(shí)適用于剪切、沖壓、注塑、壓濾、折彎、立體車庫(kù)等其他存在危險(xiǎn)的場(chǎng)所。