論焊管生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)

秦菱霞

（中國石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司 湖北荊州）

機(jī)械本身的安全性能一般是由安全自動(dòng)化控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理程度會(huì)對機(jī)械的安全性能造成很大影響。在焊管行業(yè)中，像整卷鋼板的開卷、裁剪、壓力成型、水壓、鋼管的輥道移動(dòng)及小車移動(dòng)、X射線探傷等生產(chǎn)過程，都容易對工人造成傷害。一旦出現(xiàn)不適當(dāng)?shù)娜藶榛驒C(jī)器本身的問題，會(huì)對工作人員造成切割、碰撞、沖擊、纏繞、灼傷、拖拽、輻射等嚴(yán)重傷害。因此，必須采用安全保護(hù)和控制設(shè)備來降低機(jī)器的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人和機(jī)器的安全。

一、安全控制系統(tǒng)的概念

安全控制系統(tǒng)是指在機(jī)械運(yùn)行、停止時(shí)以及操作期間對生產(chǎn)裝置提供安全保護(hù)。這種安全系統(tǒng)在工廠裝置本身出現(xiàn)危險(xiǎn)或人為原因而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，能夠立即做出反應(yīng)并輸出正確信號(hào)，使裝置安全停車，以防止危險(xiǎn)發(fā)生、事故的擴(kuò)散或者降低事故的危害性。安全控制系統(tǒng)在機(jī)械制造領(lǐng)域是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行極為重要的組成部分，安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺(tái)機(jī)械是否符合安全要求的重要依據(jù)。

二、焊管生產(chǎn)線安全控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

直縫焊管生產(chǎn)線2003年建成投產(chǎn)，耗資近3億，其中3臺(tái)關(guān)鍵工序的設(shè)備是從德國MEER公司引進(jìn)：銑邊、成型、擴(kuò)徑，其余為國產(chǎn)設(shè)備。直縫焊管線單臺(tái)設(shè)備的控制基本上獨(dú)立的，PLC作為控制器，下設(shè)若干從站，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線連接。設(shè)備間根據(jù)實(shí)際情況有信息交互。安全控制系統(tǒng)必須保證在系統(tǒng)出線異常時(shí)，能可靠切斷負(fù)載。在這方面的設(shè)計(jì)，進(jìn)口設(shè)備比較完備，而國產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)之初則基本上沒有考慮。

1.國產(chǎn)設(shè)備控制方面現(xiàn)存問題

國產(chǎn)設(shè)備當(dāng)初在設(shè)計(jì)時(shí)基本沒有考慮安全控制系統(tǒng)。所有設(shè)備都只在操作臺(tái)設(shè)置有緊急停止按鈕。急停按鈕的信號(hào)通過操作臺(tái)的DP從站傳遞到PLC，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況，急停按鈕被按下，由PLC將輸出信號(hào)斷開，相應(yīng)執(zhí)行元器件失電，達(dá)到緊急停止的目的。表面看來，這種設(shè)計(jì)也能夠保證安全性。一旦PLC、繼電器等，由于自身缺陷或外界原因?qū)е鹿δ苁?，如觸點(diǎn)熔焊、電氣短路、處理器紊亂等故障時(shí)，就會(huì)丟失安全保護(hù)功能，引發(fā)事故。

生產(chǎn)線運(yùn)行中，多次出現(xiàn)過控制鋼管運(yùn)送的輥道因主回路的接觸器出現(xiàn)機(jī)械卡死、觸點(diǎn)粘連等情況而無法停止，拍急停不起任何作用，只能進(jìn)控制室人為切斷主電源，從而造成事故——鋼管停不住將X光探傷室鉛門撞壞。大多數(shù)國產(chǎn)設(shè)備都把急停信號(hào)作為輸入點(diǎn)進(jìn)入到控制系統(tǒng)的 PLC作為中間變量進(jìn)行處理，這只能保證“急?！卑粹o被按下時(shí)，PLC沒有輸出信號(hào)，但其系統(tǒng)運(yùn)行主回路可能由于某種故障，如上述接觸器主觸點(diǎn)粘合，依然帶著裝置高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并沒有起到真正的緊急停車的作用。

2.進(jìn)口設(shè)備安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以擴(kuò)徑機(jī)為例，使用Pilz安全繼電器模塊搭建安全回路。分布在現(xiàn)場的所有11處緊急停止裝置全部通過雙回路線路串聯(lián)接入安全繼電器模塊上，見圖1、圖2。按下控制電源上電按鈕，安全繼電器模塊在檢測所有的急停沒有動(dòng)作后，系統(tǒng)控制電壓上電。

該系統(tǒng)保證至少2個(gè)通道進(jìn)行輸出的控制。在一個(gè)輸出通道出現(xiàn)故障的情況下，另外一個(gè)冗余的通道依然能夠保證安全繼電器的安全功能，并且及時(shí)檢測出故障通道。另外，對于變頻器控制的急停全部采用“硬急?！薄U(kuò)徑機(jī)運(yùn)管小車行走控制采用的是西門子6ES7系列變頻器。小車的極限限位全部通過雙回路線路接入變頻器的使能端。一旦極限限位動(dòng)作，變頻器是無法運(yùn)行的。

進(jìn)行上述對比后不難看出其中的差距，生產(chǎn)線2003年建成投產(chǎn)，也就是說早在十幾年前國外的設(shè)備在安全方面的考慮就這么完善了，我國還處于初級(jí)發(fā)展階段，近些年才逐步意識(shí)到這個(gè)問題，開始進(jìn)行本質(zhì)安全化的相關(guān)工作。相比而言，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。

三、國產(chǎn)設(shè)備本質(zhì)安全化改造步驟

1.實(shí)施本質(zhì)安全化的基本流程

圖1 急停按鈕接線圖

圖2 安全繼電器模塊接線圖

國際上有關(guān)機(jī)械、電氣安全的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很多。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的作用和使用范圍，這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被分為3個(gè)類別：A類標(biāo)準(zhǔn)（基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)）、B類標(biāo)準(zhǔn)（分類標(biāo)準(zhǔn)）、C類標(biāo)準(zhǔn)（產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)）。常用的A、B類標(biāo)準(zhǔn)如：EN 1050機(jī)械安全 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、EN 292-1機(jī)械安全基本概念和設(shè)計(jì)通則、EN 954-1機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件 第1部分 設(shè)計(jì)通則、EN/IEC 60204機(jī)械安全 機(jī)械電氣設(shè)備、EN/IEC 61508電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的功能安全、EN/ISO 13849機(jī)械的安全控制系統(tǒng)有關(guān)的部件安全、EN 418緊急制動(dòng)設(shè)備、EN 1088與保護(hù)裝置有關(guān)的連鎖裝置 設(shè)計(jì)和選擇原則、EN 574機(jī)械安全 雙手控制裝置 功能特性、設(shè)計(jì)原則等。

按照EN 954-1標(biāo)準(zhǔn)，要得到一個(gè)安全的設(shè)備，需首先進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以便識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，具體見圖3。

2.確定風(fēng)險(xiǎn)減少的措施

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和系統(tǒng)性能，通過設(shè)計(jì)減少風(fēng)險(xiǎn)。如減少引起危險(xiǎn)的力或速度等消除危險(xiǎn)的隱患，或通過設(shè)計(jì)來避免危險(xiǎn)的接近。采用安全防護(hù)措施，如緊急停止裝置、帶互鎖裝置的可移動(dòng)安全門、固定的安全門、安全光柵、安全地毯、雙手控制等。

實(shí)施個(gè)人保護(hù)措施，比如聽力保護(hù)、安全眼鏡、防毒面具或其他適當(dāng)?shù)膭诜涝O(shè)備等。采用通過通知和警告提示信息，固定的危險(xiǎn)標(biāo)志，創(chuàng)建安全工作流程，培訓(xùn)使用者等。

圖3 根據(jù)EN 954-1進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估示意圖

3.實(shí)現(xiàn)指定的安全要求

通過控制系統(tǒng)與安全相關(guān)部件實(shí)現(xiàn)指定的安全要求。安全要求指EN 954-1中B、1、2、3、4所述的5個(gè)安全等級(jí)，對應(yīng)的要求見表1。

4.安全電路的設(shè)計(jì)

各種安全等級(jí)的應(yīng)用實(shí)例有很多，這里不再介紹了。

5.運(yùn)行驗(yàn)證

運(yùn)行驗(yàn)證，即檢查系統(tǒng)是否按要求運(yùn)行，是否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

四、改造實(shí)踐

根據(jù)上述流程，詳細(xì)分析焊管生產(chǎn)線國產(chǎn)設(shè)備，像預(yù)彎機(jī)、水壓機(jī)、倒棱機(jī)等，安全等級(jí)應(yīng)達(dá)到3級(jí)。預(yù)彎機(jī)屬于壓力成型設(shè)備，至少設(shè)置4扇安全門將左右機(jī)架、深機(jī)坑及鋼板進(jìn)出輥道包含在內(nèi)，左右機(jī)架內(nèi)現(xiàn)場控制箱上、泵房、主操作臺(tái)各設(shè)置一緊急停止按鈕。如果將設(shè)備上死點(diǎn)、下死點(diǎn)及控制同步一些閥信號(hào)也接入安全控制系統(tǒng)，由于邏輯關(guān)系較復(fù)雜，可以考慮使用可編程的安全PLC或者可編程安全繼電器。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對應(yīng)要求表

水壓機(jī)是靜水壓力試驗(yàn)設(shè)備，壓力最高可達(dá)25 MPa。為消除安全隱患，現(xiàn)在有的管廠做的“下沉式”水壓機(jī)。作為“地面式”水壓機(jī)，安全防護(hù)墻及安全門必不可少。倒棱機(jī)為保證人身安全，可以在花盤轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域設(shè)置安全光柵，或者帶互鎖裝置的可移動(dòng)安全門。由于這些設(shè)備系統(tǒng)規(guī)模不大，均可以采用安全繼電器模塊來控制所有的緊急停止按鈕及安全門。任何一個(gè)安全繼電器被觸發(fā)，安全輸出必須切斷相關(guān)負(fù)載。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要注意3個(gè)問題。（1）緊急停止必須保證在復(fù)位后不能自啟動(dòng)。（2）合理的安全反應(yīng)是在確保安全的情況下，盡可能提高設(shè)備的利用率。不能夠在異常的情況下，把所有的負(fù)載一斷了之。而是要根據(jù)安全邏輯的結(jié)果，有針對性的切斷。（3）安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增大了自動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本。如何有效地設(shè)計(jì)系統(tǒng)很關(guān)鍵。有效的安全解決方案既可以實(shí)現(xiàn)所要求的安全性能，同時(shí)也可以保持較低的成本。

五、結(jié)語

雖然由于各種原因，安全自動(dòng)化技術(shù)在我國還處于一個(gè)初級(jí)發(fā)展階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于北美、歐洲等發(fā)達(dá)國家。相信隨著以人為本理念的深入貫徹，安全自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步和推廣，機(jī)械制造業(yè)的安全問題必將在不久的將來得以有效解決。