基于安全繼電器的懸臂式掘進(jìn)機(jī)安全控制系統(tǒng)

劉國(guó)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(guó)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(jí)的設(shè)備不能投產(chǎn)；在美國(guó)則依靠高額的事故賠償來(lái)強(qiáng)制設(shè)備的安全性。在這方面我國(guó)還處于起步階段，隨著國(guó)家對(duì)此重視程度的提高，設(shè)備的安全性正得到越來(lái)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(jì)階段，對(duì)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(guò)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(kāi)機(jī)、停機(jī)、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)以及正常維護(hù)操作期間應(yīng)對(duì)設(shè)備提供安全保護(hù)，一旦設(shè)備出現(xiàn)危險(xiǎn)，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號(hào)，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(kāi)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(jí)就離不開(kāi)必要的安全元件和安全線路，這些元件通過(guò)線路（一般是雙回路）連接到安全控制的核心，對(duì)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(lái)，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(shí)（如觸點(diǎn)熔焊、電氣短路、處理器紊亂等故障），就會(huì)丟失安全保護(hù)功能并引發(fā)事故。而對(duì)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(cè)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(shí)地將故障檢測(cè)出來(lái)。從而在最大程度上保證了整個(gè)安全控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保護(hù)了人和設(shè)備的安全。

2 安全繼電器的特點(diǎn)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(méi)有故障的繼電器，而是發(fā)生故障時(shí)會(huì)做出有規(guī)則的動(dòng)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(yùn)行。普通繼電器在長(zhǎng)時(shí)間電弧的作用下有可能發(fā)生觸點(diǎn)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(diǎn)強(qiáng)制斷開(kāi)，這一點(diǎn)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(jì)的繼電器，在其失效時(shí)不會(huì)對(duì)人員安全或過(guò)程安全帶來(lái)危險(xiǎn)。

2.1 安全繼電器的特點(diǎn)

安全繼電器具有以下基本功能[4]：

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

（2）評(píng)估功能。確認(rèn)與安全相關(guān)的請(qǐng)求，并且安全地啟動(dòng)響應(yīng)，例如關(guān)閉啟動(dòng)回路。

（3）關(guān)閉功能。關(guān)閉潛在的危險(xiǎn)，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(hào)時(shí)，不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，需要確認(rèn)安全后手動(dòng)復(fù)位，例如按下“緊急停止按鈕”后，安全繼電器輸出信號(hào)，拔出“緊急停止按鈕”后，安全繼電器不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，需要手動(dòng)復(fù)位。

（5）反饋功能。當(dāng)安全繼電器出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)會(huì)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。可以根據(jù)需要增加擴(kuò)展模塊，增加觸點(diǎn)，以達(dá)到和主觸點(diǎn)一致的安全等級(jí)。

（7）穩(wěn)定工作功能。觸點(diǎn)組擁有1000萬(wàn)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(shuō)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(jí)別為4級(jí)。

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(hào)指示燈；S33、S34是復(fù)位通道，可以手動(dòng)或自動(dòng)復(fù)位；13－14、23－24、33－34是三組常開(kāi)觸點(diǎn)，41－42是常閉觸點(diǎn)，都為不帶延時(shí)動(dòng)作觸點(diǎn)，圖中可以看到，所有常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)都是由兩組觸點(diǎn)來(lái)控制，同時(shí)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(shí)在任意一個(gè)輸出信號(hào)通道內(nèi)不讓繼電器內(nèi)部的兩個(gè)觸點(diǎn)處于同時(shí)動(dòng)作狀態(tài)而具有強(qiáng)制導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)其中的一個(gè)觸點(diǎn)發(fā)生粘連故障時(shí)，線圈在有激磁狀態(tài)下，另一個(gè)觸點(diǎn)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(diǎn)動(dòng)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(diǎn)突然動(dòng)作，機(jī)器突然啟動(dòng)。在一個(gè)冗余電路中，內(nèi)部控件的運(yùn)行將受到監(jiān)控。如果安全繼電器被檢測(cè)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(duì)安全性的需要

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是集截割、行走、裝運(yùn)、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(lái)，再通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)把破碎的料渣轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)器尾部卸下，由后配套轉(zhuǎn)載機(jī)（二運(yùn)）、皮帶機(jī)或礦車運(yùn)走。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要掘進(jìn)機(jī)司機(jī)、二運(yùn)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(yùn)電機(jī)的啟停以及液壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；二運(yùn)機(jī)尾操作工需要觀察皮帶機(jī)是否工作、二運(yùn)皮帶是否堆料或跑偏并可以停止二運(yùn)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(duì)掘進(jìn)機(jī)的安全控制提出如下要求：

（1）在只啟動(dòng)油泵電機(jī)而不進(jìn)行截割時(shí)，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(huì)突然啟動(dòng)；

（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(huì)突然啟動(dòng)；

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

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(jiàn)的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中，將急停信號(hào)（常閉）直接輸入給PLC或者串入PLC電源回路，控制PLC的輸出點(diǎn)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(diǎn)粘連的故障時(shí)，會(huì)使機(jī)器突然啟動(dòng)，帶來(lái)很大的安全隱患。本文以三個(gè)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(yùn)機(jī)尾急停都采用雙回路信號(hào)接入安全繼電器的輸入通道，保證輸入信號(hào)的可靠性；繼電器的常閉觸點(diǎn)都輸入給PLC，實(shí)現(xiàn)安全繼電器的故障監(jiān)測(cè)；繼電器采用自動(dòng)復(fù)位的方式。

安全控制系統(tǒng)得電后，任意一個(gè)安全繼電器出現(xiàn)線圈電源線路短路或者回路觸點(diǎn)粘連故障時(shí)都能保證設(shè)備和人員的安全，滿足了掘進(jìn)機(jī)對(duì)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(huì)得電，保證機(jī)器在不安全位置或者在危險(xiǎn)位置有工作人員時(shí)都不會(huì)突然啟動(dòng)；

（2）按下截割電機(jī)急停后，截割電機(jī)接觸器線圈不會(huì)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(shí)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)位置時(shí)都不會(huì)突然轉(zhuǎn)動(dòng)；

（3）按下二運(yùn)機(jī)尾急停后，二運(yùn)電機(jī)接觸器線圈不會(huì)得電，保證二運(yùn)皮帶在堆滿渣料或者出現(xiàn)跑偏時(shí)，或者有工人維護(hù)二運(yùn)期間都不會(huì)突然運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

安全繼電器以其安全、可靠等特點(diǎn)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(huì)得到越來(lái)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(fèi) 國(guó)，葛自江，馬 矜.安全繼電器在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的分析與應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2013，63（6）：1-7.