談機(jī)械制造系統(tǒng)中的安全控制系統(tǒng)

馮帥帥

摘 要：主要研究機(jī)械制造系統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)，介紹了機(jī)械制造安全控制系統(tǒng)的組成以及邏輯控制設(shè)備，并對(duì)安全控制系統(tǒng)在機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造；安全控制；系統(tǒng)

機(jī)械制造系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，為了保護(hù)工作人員生命安全，有必要進(jìn)一步研究機(jī)械制造安全控制系統(tǒng)，避免機(jī)械故障和意外事故造成的人身傷害。設(shè)計(jì)機(jī)械制造系統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)時(shí)，需要從設(shè)備生產(chǎn)和安全控制兩方面著眼，綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在提高機(jī)械制造系統(tǒng)安全性的同時(shí)，加快機(jī)械制造效率。

1 機(jī)械制造安全控制系統(tǒng)

1.1 概述

安全控制系統(tǒng)是機(jī)械制造設(shè)備運(yùn)行和操作流程中，針對(duì)機(jī)械設(shè)備與操作人員的安全保障裝置與措施，機(jī)械制造系統(tǒng)設(shè)備工作過程中，當(dāng)因?yàn)樵O(shè)備自身故障和人為因素出現(xiàn)意外時(shí)，安全控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠快速響應(yīng)，控制機(jī)械制造設(shè)備，做出有效應(yīng)對(duì)，保護(hù)設(shè)備與操作者安全。例如生產(chǎn)線上的緊急按鈕，當(dāng)生產(chǎn)線設(shè)備故障或者人為操作失誤時(shí)，安全控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，及時(shí)停止生產(chǎn)線，避免造成人身傷害，同時(shí)保護(hù)其他設(shè)備裝置，是機(jī)械制造系統(tǒng)中非常重要的組成部分。

1.2 系統(tǒng)組成

機(jī)械制造系統(tǒng)安全控制系統(tǒng)形成了一個(gè)完整的邏輯鏈條，大概可以劃分為輸出、邏輯、輸出三個(gè)方面。輸出層主要以監(jiān)測(cè)機(jī)械制造生產(chǎn)線上各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的傳感器為主，為邏輯層提供決策依據(jù)?？刂破鲃t根據(jù)輸入側(cè)提供的各種設(shè)備運(yùn)行參數(shù)判斷故障類型和嚴(yán)重程度，同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)給出決策控制方案，輸出側(cè)則以安全控制系統(tǒng)中的觸發(fā)裝置為主。為了提高安全控制系統(tǒng)的可靠性，提高控制力，現(xiàn)代機(jī)械制造安全控制系統(tǒng)主要使用PLC、繼電器、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)總線、智能化傳感器和智能化設(shè)備等邏輯與功能都相對(duì)完善的控制元件組成安全控制系統(tǒng)，滿足安全性能需求。

1.3 安全控制故障

安全系統(tǒng)誤操作反而有可能造成安全事故。雖然安全控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制機(jī)械制造設(shè)備，但是安全系統(tǒng)自身也存在著故障，傳感器誤動(dòng)作、控制器失誤、觸發(fā)裝置故障等都有可能造成安全系統(tǒng)誤操作，導(dǎo)致生產(chǎn)線意外停止。如果安全控制問題處理不當(dāng)，就有可能給系統(tǒng)留下安全隱患，常見的安全控制故障有：輸入輸出設(shè)備故障、處理器不規(guī)則、輸出設(shè)備故障、線路故障等，在設(shè)計(jì)和布置安全控制系統(tǒng)時(shí)要注意規(guī)避這些安全控制故障，消除安全控制隱患，保證安全控制系統(tǒng)的可靠性，保障工作人員人身安全。

2 機(jī)械制造安全控制系統(tǒng)邏輯控制設(shè)備

邏輯控制設(shè)備是機(jī)械制造安全控制系統(tǒng)的大腦，是安全控制系統(tǒng)的核心組成，負(fù)責(zé)輸入端傳感器數(shù)據(jù)的接收、邏輯分析以及控制指令的輸出，在現(xiàn)代化機(jī)械制造控制系統(tǒng)中，邏輯控制設(shè)備主要有安全繼電器、PLC以及總線控制系統(tǒng)等。

2.1 安全繼電器模塊

安全繼電器模塊屬于比較簡(jiǎn)單的邏輯控制元器件，通過冗余輸出方案與自我檢測(cè)功能，提高了輸出載荷控制的可靠性。安全繼電器有兩個(gè)安全輸出點(diǎn)，分別和兩個(gè)不同的繼電器常開觸點(diǎn)串聯(lián)，形成互為備份的安全電路，如果其中一個(gè)安全輸出點(diǎn)故障，另一個(gè)安全輸出點(diǎn)仍然能夠安全斷開觸點(diǎn)。安全繼電器的內(nèi)部電路自我檢查功能能夠直接檢測(cè)內(nèi)外部接線故障和內(nèi)部元器件故障并及時(shí)告警，故障排除工作更加方便。

2.2 可編程安全控制器

可編程安全控制器為多套中央處理器控制方案，不同的中央處理器來(lái)自不同的生產(chǎn)廠家，滿足冗余、多樣性控制的要求，這也是安全PLC和傳統(tǒng)PLC邏輯元件之間的根本性差別。在工作過程中，當(dāng)一定數(shù)量中央處理器故障之后，其余正常工作的中央處理器仍然能夠繼續(xù)執(zhí)行安全功能，并觸發(fā)安全保護(hù)動(dòng)作，切除所有安全輸出，停機(jī)。不同的系統(tǒng)有著不同的安全停機(jī)處理器故障數(shù)量閾值，例如二選一系統(tǒng)只要有處理器故障，系統(tǒng)將立即進(jìn)入故障安全狀態(tài)，三選二系統(tǒng)一個(gè)處理器故障，系統(tǒng)將繼續(xù)運(yùn)行。相比之下，二重冗余系統(tǒng)的安全性更高，但是可用性較低，三重冗余系統(tǒng)安全性與可用性均高于前者，應(yīng)用可行性強(qiáng)。

安全控制PLC的信號(hào)采集、處理以及輸出均進(jìn)行冗余控制，信號(hào)進(jìn)入PLC，在多個(gè)處理器的邏輯處理之后，將存入多個(gè)寄存器中，形成了多個(gè)輸出冗余通道，信號(hào)狀態(tài)、處理結(jié)果均能夠在安全PLC內(nèi)部暫存系統(tǒng)中相互比較，如果結(jié)果不一致，將根據(jù)系統(tǒng)特征，或者檢測(cè)故障，或者直接進(jìn)入故障安全狀態(tài)。輸入回路可以使用雙通道方案，直接在安全PLC上接入兩根物理線，安全PLC還能夠提供安全測(cè)試脈沖，能夠檢測(cè)輸入通道是否存在故障。內(nèi)部電路同樣為冗余多樣性方案，每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)都采用切斷基極信號(hào)與切斷電極電源兩種方式轉(zhuǎn)變輸出信號(hào)1為0，只要有一種傳輸方式工作正常，就能夠及時(shí)切換進(jìn)入故障安全狀態(tài)。

安全PLC掃描速度在千條指令/ms以上，中央處理速度非?？?，從而滿足緊急停車的需求，安全功能的自檢時(shí)間也更短。軟件方面，安全PLC可編程，提供了規(guī)范安全功能編程方案，具有MBS安全標(biāo)準(zhǔn)功能加密塊，不可修改，在功能塊中輸入與輸出部分填寫必要的地址、運(yùn)行參與以及中間變量，就能夠完成安全編程，提高編程與運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)安全總線

現(xiàn)場(chǎng)安全總線是由輸入側(cè)、輸出側(cè)以及安全PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線形成的離散控制系統(tǒng)，以硬件和通信可靠性作為整個(gè)安全控制系統(tǒng)的判斷依據(jù)，系統(tǒng)模塊硬件同樣為冗余高速可靠元器件。

3 機(jī)械制造安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 在汽車制造加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

以汽車制造業(yè)為例，汽車制造涉及到涂裝、焊接、沖壓等多個(gè)工序，在整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中，沖壓車間的安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最高，因此在沖壓車間有必要引入安全控制系統(tǒng)，在保證工藝性的前提下，為工作人員與設(shè)備提供安全防護(hù)。

3.1.1 緊急停止裝置

緊急停止裝置能夠控制無(wú)意重啟行為，尤其是在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，一些危險(xiǎn)因素有導(dǎo)致意外重啟的風(fēng)險(xiǎn)，例如操動(dòng)頭松動(dòng)，如果錯(cuò)誤的啟動(dòng)了操作按鈕，機(jī)器重新啟動(dòng)就有可能出現(xiàn)意外。因?yàn)闆]有鎖定功能，緊急停止裝置安全觸點(diǎn)將不會(huì)一直處于斷開狀態(tài)，保護(hù)設(shè)備與操作人員人身安全。

3.1.2 防護(hù)安全門

為了避免工作人員在壓機(jī)內(nèi)操作時(shí)出現(xiàn)安全事故，需要在壓機(jī)上安裝安全防護(hù)門，這是現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的安全控制系統(tǒng)技術(shù)，防護(hù)安全門能夠保證在機(jī)器危險(xiǎn)動(dòng)作停止之前，工作人員無(wú)法進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，通過安全防護(hù)門的開關(guān)監(jiān)督并控制防護(hù)門。

3.2 在鋼鐵制造業(yè)的應(yīng)用

鋼鐵加工過程中，很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)都十分危險(xiǎn)，容易給現(xiàn)場(chǎng)工作人員帶來(lái)人身傷害。例如鋼鐵冷軋生產(chǎn)線上，加工原材料是熱軋帶鋼，冷軋之前首先需要進(jìn)行酸洗除銹，徹底清除冷卻后表面形成的氧化鐵層，冷軋酸洗之前需要檢查酸洗設(shè)備的工作狀態(tài)。冷軋是鋼鐵加工中制造工藝要求最高的環(huán)節(jié)，對(duì)生產(chǎn)安全的要求也最為嚴(yán)格。工作人員在軋制操作過程中有很多手動(dòng)作業(yè)，如手動(dòng)裝載、清洗、調(diào)試和檢測(cè)等，現(xiàn)場(chǎng)操作過程中如果機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，會(huì)給工作人員帶來(lái)極大的人身安全威脅，因此有必要鋼鐵加工制造業(yè)中引入安全系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)械設(shè)備故障時(shí)能夠及時(shí)切換到故障安全狀態(tài)，給操作人員保護(hù)自己的時(shí)間，將冷軋生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分為生產(chǎn)控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)兩部分，提高冷軋生產(chǎn)線的安全性。

3.3 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造生產(chǎn)線上的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技術(shù)核心是電氣控制，電氣控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全保障，可進(jìn)一步細(xì)分為安全系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。安全系統(tǒng)是邏輯方案優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)的一種控制系統(tǒng)方案，如果相關(guān)運(yùn)行參數(shù)超過了安全限值，將自動(dòng)觸發(fā)安全系統(tǒng)，保護(hù)機(jī)組運(yùn)行的安全。標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行控制系統(tǒng)，依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，如果在運(yùn)行過程中一些安全指標(biāo)超出正常指標(biāo)，將會(huì)觸發(fā)安全系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)安全系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)之間出現(xiàn)沖突時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)將完全服從安全控制系統(tǒng)的指令，安全控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中將實(shí)時(shí)監(jiān)控各類安全指標(biāo)，如果設(shè)備異常，會(huì)立即觸發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)，維持風(fēng)機(jī)空轉(zhuǎn)或者停止。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械安全控制系統(tǒng)監(jiān)督機(jī)械生產(chǎn)控制系統(tǒng)以及各種生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)械安全控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，安全控制系統(tǒng)將立即切換為故障安全狀態(tài)，緊急制動(dòng)或者維持空轉(zhuǎn)，保護(hù)設(shè)備與工作人員的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]周習(xí)東.淺談機(jī)械制造中的安全系統(tǒng)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014（02）.

[2]許莉娜.談機(jī)械制造系統(tǒng)中的安全控制系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（11）.

[3]李安.淺談機(jī)械制造系統(tǒng)中的安全控制系統(tǒng)[J].裝備制造技術(shù)，2013（10）.

[4]劉婷婷.網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)中安全體系結(jié)構(gòu)及訪問控制技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2014.

[5]鹿革.機(jī)械制造中的安全控制系統(tǒng)[J].科技傳播，2013（10）.

[6]蔣平.機(jī)械制造的工藝可靠性研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.