磨床的故障及安全保護(hù)系統(tǒng)

李 磊

（馬鋼鋼鐵股份有限公司第一鋼軋總廠，安徽馬鞍山243000）

磨床的故障及安全保護(hù)系統(tǒng)

李 磊

（馬鋼鋼鐵股份有限公司第一鋼軋總廠，安徽馬鞍山243000）

磨床安全控制系統(tǒng)能提供可靠的安全保護(hù)手段，最大限度地避免設(shè)備的不安全狀態(tài)（控制器件失效、輸入設(shè)備誤動作等），防止惡性事故的發(fā)生；當(dāng)出現(xiàn)人的不安全行為（違章和違規(guī)操作等）而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)會立即輸出信號，使設(shè)備停止運(yùn)行，阻止危險(xiǎn)事故發(fā)生和擴(kuò)散。

安全保護(hù)；冗余；維護(hù)

1 引言

安全功能在工業(yè)設(shè)備上的使用在歐美國家已經(jīng)十分普及，歐洲制造企業(yè)的工業(yè)設(shè)備必須符合強(qiáng)制性安全標(biāo)準(zhǔn)，才能投產(chǎn)。在中國隨著工業(yè)化水平的提高，設(shè)備的安全性近年來得到更多的重視。通過正確合理的設(shè)計(jì)和使用安全元器件，安全控制系統(tǒng)就能提供可靠的安全保護(hù)手段，最大限度地避免設(shè)備的不安全狀態(tài)（控制器件失效、輸入設(shè)備誤動作等），防止惡性事故的發(fā)生；當(dāng)出現(xiàn)人的不安全行為（違章和違規(guī)操作等）而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)會立即輸出信號，使設(shè)備停止運(yùn)行，阻止危險(xiǎn)發(fā)生和事故擴(kuò)散。任何一臺機(jī)器設(shè)備都存在危險(xiǎn)性，采取了安全保護(hù)和安全控制措施的生產(chǎn)過程能夠避免事故的發(fā)生。

2 安全控制系統(tǒng)配置

2.1 組成

磨床安全控制系統(tǒng)配置由安全輸入信號三部分組成：（緊急停止按鈕、安全門、安全光柵等）、安全控制模塊（安全繼電器、安全PLC等）、輸出控制元件（接觸器、數(shù)控驅(qū)動器、普通PLC和閥等）。

2.2 運(yùn)行流程

在具有安全要求的機(jī)器設(shè)備中，普通繼電器曾經(jīng)被廣泛作為控制元件，實(shí)施安全功能控制。這在一定條件下也能保證安全性。但是當(dāng)普通繼電器由于缺陷和外部原因功能失效時(shí)（如觸點(diǎn)粘熔、電氣短路等故障），就會失去安全功能，引發(fā)事故。安全繼電器之所以能可靠地實(shí)現(xiàn)安全功能控制就在于：安全繼電器帶有強(qiáng)制斷開觸點(diǎn)。

正常狀態(tài)下，繼電器線圈得電時(shí)，觸點(diǎn)動作，常開點(diǎn)閉合，常閉點(diǎn)斷開。通過繼電器觸點(diǎn)的通斷，實(shí)現(xiàn)安全功能的控制。

當(dāng)繼電器出現(xiàn)故障，線圈失電時(shí)，普通繼電器常開點(diǎn)的粘連不影響常閉點(diǎn)的閉合。而安全繼電器帶有強(qiáng)制斷開觸點(diǎn)，常開點(diǎn)與常閉點(diǎn)在機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)互鎖。線圈失電情況下，當(dāng)常開點(diǎn)粘連時(shí)，能保證常閉點(diǎn)強(qiáng)制斷開不閉合。

2.3 安全繼電器電路功能分析

以數(shù)控軋輥WALDRICH磨床的安全繼電器使用為例。其安全功能包括7個(gè)緊急停止按鈕，一個(gè)砂輪速度和直徑監(jiān)控模塊，一個(gè)砂輪蓋板門鎖開關(guān)，4個(gè)伺服軸系正（＋）負(fù)（-）急停限位。它采用一個(gè)緊湊型PilZ安全繼電器（PNOZ 2VQ）控制所有的緊急停止按鈕并連接砂輪速度和直徑監(jiān)控模塊的輸出端子；使用一個(gè)PNOZ X2.1緊湊安全繼電器控制4個(gè)軸正負(fù)急停限位；使用一個(gè)PNOZ X2.1緊湊安全繼電器控制砂輪蓋板。任何一個(gè)安全繼電器被觸發(fā)，安全輸出就會切斷相關(guān)的負(fù)載（如主電源斷路器，變頻器，伺服驅(qū)動模塊）。

急停按鈕安全繼電器PNOZ 2VQ（見圖1）各端子功能。

圖1 PNOZ 2VQ安全繼電器內(nèi)部接線原理圖

A1-A2端子：提供24V/DC電源，通電時(shí)，LED“POWER”指示燈亮。

S12-S34端子：接常開按鈕，構(gòu)成急停復(fù)位回路。

S11-S12和S21-S22端子：分別串聯(lián)外部緊急停止按鈕內(nèi)的＋24V電源和0V電源，以及砂輪速度和直徑監(jiān)控模塊的2路輸出端子（內(nèi)部常開點(diǎn)），構(gòu)成安全控制冗余回路。通過這兩組端子輸入信號，安全繼電器可以監(jiān)控外部急停按鈕狀態(tài)，監(jiān)控砂輪速度和直徑的大小，同時(shí)實(shí)現(xiàn)外部電路的短路監(jiān)控。

Y39-Y40端子：接控制電源接觸器常開點(diǎn)，可以提前終止安全繼電器內(nèi)部的T1，T2延時(shí)繼電器動作。

57-58，67-68端子是帶延時(shí)的常開安全觸點(diǎn)，13-14，23-24，33-34是不帶延時(shí)的常開安全觸點(diǎn)，41-42常閉輔助觸點(diǎn)。

57-58端子：24V/DC由57端子輸入，58端子輸出，控制磨床主電源斷路器的欠壓脫扣線圈。當(dāng)安全繼電器動作，57-58端子內(nèi)部電路斷開，磨床主電源斷路器會因欠壓脫扣器動作而切斷主電源，防止事故發(fā)生或擴(kuò)大化。同時(shí)該端子還可連接外部繼電器線圈，通過外部繼電器控制磨床各功能區(qū)域的主電源的通斷（見圖2）。

67-68端子：24V/DC由67端子輸入，68端子輸出，先串聯(lián)磨床4個(gè)伺服軸的正，負(fù)急停限位后，再輸入到急停限位安全繼電器PNOZ X2.1的A1端子提供工作電源。緊急停止按鈕和砂輪轉(zhuǎn)速直徑的觸發(fā)事件比急停限位觸發(fā)事件安全等級高，所以兩類安全觸發(fā)事件分別由兩種安全繼電器控制，安全保護(hù)動作的結(jié)果也不一樣。前者安全動作會使主電源斷路器欠壓脫扣，急停報(bào)警不消除，主電源斷路器就無法合閘送電。后者通過控制各伺服軸的使能信號，實(shí)現(xiàn)對各軸系的使能控制。這種設(shè)計(jì)可以避免磨床各軸急停限位信號觸發(fā)時(shí)，主電源斷路器不會跳閘。

13-14，23-24，33-34端子：是安全繼電器內(nèi)部常開點(diǎn)。以13-14端子為例，電源由13端子輸入，14端子輸出并外接繼電器線圈，外部繼電器的常開觸點(diǎn)可以作為PLC的急停輸入信號，參與邏輯控制。常閉點(diǎn)連接Y1-Y2端子，安全繼電器動作后，如果報(bào)警復(fù)位，電源可以通過Y1-Y2端子為安全繼電器內(nèi)部的啟動器提供電源，重新啟動安全繼電器功能。

急停限位安全繼電器PNOZ X2.1（見圖3）各端子功能。

A1-A2電源端子：當(dāng)軸的正負(fù)方向任一急停限位斷開或短路時(shí)，急停限位安全繼電器失電，內(nèi)部安全常開觸點(diǎn)打開。

13-14端子：內(nèi)部常開點(diǎn)的使能端子，電源13端子輸入，14端子輸出，連接外部使能信號繼電器，使能信號繼電器的常開點(diǎn)控制各個(gè)軸控制模塊的使能信號。使能信號丟失時(shí)，伺服系統(tǒng)報(bào)警，功率模塊停止運(yùn)行，軸驅(qū)動停止。

圖2 PNOZ 2VQ安全繼電器外部接線圖

圖3 PNOZ X2.1安全繼電器外部接線圖

23-24端子：連接PLC的輸入端，提供限位急停安全信號。S33-S34端子：是安全繼電器復(fù)位端。

砂輪蓋板門鎖的安全控制繼電器同樣是PNOZX2.1，功能相似，這里不再敘述。

3 故障處理

3.1 急停報(bào)警，復(fù)位后仍然不能運(yùn)行

磨床急停報(bào)警，安全繼電器動作，主電源斷路器跳閘，復(fù)位無效。判斷故障出在急停按鈕安全繼電器保護(hù)電路，觀察安全繼電器LED燈，電源燈亮，通道1和通道2指示燈都不亮。短接S11-S12，S21-S22，Y39-Y40。兩個(gè)通道LED燈亮，安全繼電器可以復(fù)位。排除安全繼電器硬件故障。去除Y39-Y40短接線，接回原電路連線，故障重復(fù)出現(xiàn)，確定Y39-Y40端子外圍電路有故障?；謴?fù)Y39-Y40短接線，去除S11-S12，S21-S22短接線，接回原電路連線，安全繼電器可以復(fù)位，確定所有急停按鈕電路和砂輪速度直徑監(jiān)控?zé)o故障。明確故障點(diǎn)后，檢查Y39-Y40端子外圍電路，發(fā)現(xiàn)Y39-Y40之間連接一個(gè)接觸器常開點(diǎn)，接觸器已經(jīng)正常吸合，常開觸點(diǎn)也已閉合，24V電壓輸出時(shí)有時(shí)無。判斷觸點(diǎn)接觸不良，由于該電氣柜曾用過干粉滅火器滅火，可能接觸器內(nèi)有殘留干粉，導(dǎo)致銜鐵和觸點(diǎn)之間接觸不良，遂更換接觸器，安全繼電器正常工作，報(bào)警消除。

安全繼電器發(fā)現(xiàn)沒有輸出時(shí)：

第一，檢查接線是否正確。每個(gè)型號的安全繼電器的接線方式都是不同的，但接線的理念都是一樣。

1.檢查工作電壓是否正確。正確上電后POWER燈會常亮。

2.檢查輸入回路的接線。確定安全繼電器是按照單通道輸入方式接線還是雙通道方式接線.

如果是雙通道不檢測觸點(diǎn)間短路故障工作方式的話則是短接S21和S22，兩個(gè)常閉觸點(diǎn)分別置于S11和S12，S11和S32之間.

如果是雙通道不檢測觸點(diǎn)間短路故障工作方式的話則是短接S21和S22，兩個(gè)常閉觸點(diǎn)分別置于S11和S12，S11和S32之間.

第二，檢查是否是安全繼電器本身發(fā)生故障。選擇自動復(fù)位，去除反饋回路。短接輸入通道，察看安全繼電器是否有輸出，即CH1和CH2燈常亮。

第三，如果通過上述的操作可以使安全繼電器正常工作的話，那就說明故障并非在安全繼電器內(nèi)部而是在外部。外部故障一般分為這幾類：

1.觸點(diǎn)發(fā)生焊死狀況。如果是手動復(fù)位方式此時(shí)CH1燈會常亮，但CH2燈不亮，按下復(fù)位按鈕CH1和CH2都會熄滅。如果是自動復(fù)位方式CH1和CH2燈都不亮。當(dāng)解決了這個(gè)故障之后需要拍下急停按鈕再釋放才能使得安全繼電器再次工作（如果是手動復(fù)位的話還需按下復(fù)位按鈕）

2.觸點(diǎn)間發(fā)生短路故障。此時(shí)安全繼電器的三個(gè)狀態(tài)顯示燈POWER,CH1,CH2都會熄滅。

3.輸出回路上發(fā)生短路故障。此時(shí)安全繼電器的CH1和CH2燈都會熄滅。

3.2 改進(jìn)措施

由磨床實(shí)例可知，安全繼電器能夠保證至少2個(gè)安全觸點(diǎn)通道進(jìn)行輸出控制。在一個(gè)輸出通道出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)冗余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，通過通道LED指示燈點(diǎn)亮和熄滅的狀態(tài)，提示哪個(gè)通道出現(xiàn)故障。這樣就可以有效地監(jiān)控外部回路的觸點(diǎn)是否熔接，或者有沒有短路等現(xiàn)象。提供安全功能的同時(shí)，也縮短維護(hù)人員的排查故障時(shí)間。也可以運(yùn)用安全繼電器模塊，配合以下原有的安全保護(hù)開關(guān)，達(dá)到更確實(shí)的防護(hù)措施。

（1）使用電磁鎖門鎖開關(guān)的應(yīng)用，以確保作業(yè)區(qū)的安全。(機(jī)器不能立即停止)。

（2）緊急停止開關(guān)于緊急情況時(shí)停止機(jī)器之用。

（3）使用鑰匙配合安全門開關(guān)做為檢測門開閉之用(機(jī)器需立即停止)。

（4）使用安全限位開關(guān)，檢測門的位置、開或關(guān)的應(yīng)用。

（5）使用安全光柵，防止工作人員進(jìn)入危險(xiǎn)工作范圍。

（6）使用安全踏墊開關(guān)，以確認(rèn)機(jī)器操作人員以進(jìn)入工作作業(yè)區(qū)。

（7）使用兩手按壓開關(guān)，確認(rèn)機(jī)器操作人員雙手已離開危險(xiǎn)工作區(qū)。

以上各種安全開關(guān)搭配皆可以配合安全繼電器模塊的應(yīng)用，做為機(jī)械安全防護(hù)裝置，減少危險(xiǎn)發(fā)生的機(jī)會，以創(chuàng)造更加安全的工作環(huán)境。

安全繼電器是一種能夠保證其應(yīng)用安全性的繼電器。但并不意味著這種繼電器不會出現(xiàn)故障，而是在發(fā)生故障時(shí)通過自我檢測出故障狀態(tài)來保證安全。

增加緊急停止電路：當(dāng)觸發(fā)按鈕時(shí)，電子安全繼電器切換幾個(gè)回路，直接或延時(shí)斷開電源。根據(jù)配置不同，它們可以檢測緊急停止按鈕電路中的故障，例如交叉短路、接地故障或短路。只要故障沒有修正，這會導(dǎo)致立即斷開或者防止重新起動。

所以增加安全繼電器可以在安全電路發(fā)生故障時(shí)，可以切斷機(jī)器動力電源，使機(jī)器不能再啟動。

4 結(jié)束語

安全繼電器并不是“沒有故障的繼電器”，而是發(fā)生故障時(shí)做出有規(guī)則的動作，它具有強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)結(jié)構(gòu)，萬一發(fā)生接點(diǎn)熔結(jié)現(xiàn)象時(shí)也能確保安全，這一點(diǎn)同一般繼電器的安全不同地方。在很多危險(xiǎn)場合都需要用到安全繼電器，有緊急停止監(jiān)控，防護(hù)門監(jiān)控，安全光柵等功能。

隨著技術(shù)的不斷提升，用戶對設(shè)備自動化的要求越來越高，機(jī)器和設(shè)備也越來越復(fù)雜、速度也越來越快。因此，用戶對這些機(jī)器的安全要求也越來越高。我們既要能夠保證安全、可靠性，又要保證靈活、易維護(hù)性。這就對安全元器件的正確和合理的設(shè)計(jì)和選擇提出了一定的要求。

目前在單臺數(shù)控機(jī)床和小型流水線上，安全繼電器已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，極大提高了設(shè)備生產(chǎn)的安全性。在這方面我國還處于起步階段，很多有一定危險(xiǎn)性的設(shè)備沒有任何安全保護(hù)措施，這也是工廠事故頻發(fā)的一個(gè)重要原因。隨著國家對此重視程度的提高和以人為本理念的逐漸深入人心，設(shè)備的安全性正得到越來越多的重視。安全繼電器的應(yīng)用，在未來將有廣闊的前景。

Malfunctions and Safety Protection System of Grinding Machine

Li Lei
(The No.1 Steelmaking Works of Maanshan Iron and Steel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)

The safety control system of a grinding machine can provide a reliable means for safety and protection,avoid unsafe conditions of equipment(controller failure and malfunction of input device,etc)and prevent the occurrence of serious accidents as much as possible.When the unsafe behavior of human(rule violation operations)caused danger,the system will immediately give a signal to stop the machine and prevent the occurrence and spreading of dangerous accidents.

safety protection;redundancy;maintenance

TP27

B

1006-6764（2015）05-0050-05

2014-11-25

李磊（1972-），男，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)電氣自動化專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)在從事磨床電氣自動化維護(hù)及修理工作。