自動化立體倉庫電氣安全的優(yōu)化

（江蘇六維智能物流裝備股份有限公司，江蘇 南京 210019）

1 引言

歐美企業(yè)在自動化倉庫安全的防護上走在前列，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)在安全上意識還比較淡薄，相應的關于安全的配套設施還沒有跟進。為保障倉庫穩(wěn)定運行及人員安全，需對自動化立體倉庫的安全設計進行優(yōu)化。

2 電氣安全控制系統(tǒng)

電氣安全控制系統(tǒng)提供了一種安全可靠的保護手段，能最大程度地發(fā)現(xiàn)并阻止設備的不安全狀態(tài)，保護人身和設備安全，減少損失。

電氣安全控制系統(tǒng)由安全輸入信號（如安全門開關、安全光幕、急停按鈕等）、安全控制模塊（如安全PLC、安全繼電器）、被控輸出元件（如主接觸器、繼電器等）三部分組成。安全輸入信號通過雙回路線路連接到安全控制模塊。

3 電氣安全控制方式

（1）使用普通繼電器搭建具有自鎖和互鎖功能的雙回路線路。能達到較低的安全等級。其優(yōu)點是成本低廉，缺點是維護和改造十分復雜，無法監(jiān)控。

（2）使用安全繼電器搭建安全回路。此控制方式成本適中，能達到較高的安全等級，但如果安全元件多線路依然比較復雜，不適于大型生產(chǎn)線。

（3）使用安全PLC和安全總線進行安全控制。安全PLC的CPU采用冗余的多處理器結(jié)構(gòu)。各個處理器之間相互比較，一旦出現(xiàn)不一致，PLC發(fā)出報警信息；安全PLC對內(nèi)部的RAM、EPROM、輸入輸出寄存器等元件進行實時監(jiān)控，并且采用特殊的測試脈沖對輸入信號和輸出被控元件進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)任何隱患，PLC立刻切換至安全保護狀態(tài)。安全總線系統(tǒng)適用于大型、分布式的安全控制系統(tǒng)。其原理是在現(xiàn)有工業(yè)總線的基礎上，加入了一系列的連接檢測、地址檢測、時間檢測、CRC冗余校驗等措施，能達到較高的安全等級。安全PLC的優(yōu)點是可編程性能強大，使用安全總線能實現(xiàn)很高要求的安全控制，但成本較高。

（4）使用可編程安全繼電器進行安全控制。它介于安全PLC和安全繼電器之間，即具有一定的可編程性，價格卻不是很高。

4 電氣安全功能分類

（1）冗余功能。安全PLC具有冗余功能，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間。安全線路一般使用雙回路控制，其中一條線路發(fā)生故障，另外一條線路依然能起到安全保護作用，另外安全PLC對故障回路具有診斷功能，能及時發(fā)現(xiàn)故障并報警。

（2）安全區(qū)域功能。人員違規(guī)進入安全門或穿過安全光幕，觸發(fā)安全輸入信號切斷設備電源，保證生產(chǎn)人員的安全。

（3）觸點防粘連功能。普通繼電器在長時間電弧的作用下有可能發(fā)生觸點的粘連，而安全繼電器有強制導向機構(gòu)，常開常閉接點保持0.5mm以上的間隔，能防止同時粘連。

5 自動化立體倉庫控制系統(tǒng)的安全優(yōu)化方案

基于以上理論我們對某項目自動化立體倉庫控制系統(tǒng)進行了安全優(yōu)化。該項目由2臺堆垛機、若干臺輸送機組成，入庫口和出庫口分別位于倉庫的前端和后端。改造前和改造后的平面圖如圖1和圖2。

改造前該項目所具備的電氣安全保護如下：

圖1 某自動化立體項目倉庫平面圖（改造前）

（1）貨叉與水平行走、垂直升降的聯(lián)鎖。當堆垛機水平行走或載貨臺垂直升降時，貨叉機構(gòu)的控制電路被切斷，貨叉不能伸出；當貨叉離開載貨臺上對中位置時，堆垛機水平行走和載貨臺高速升降電路被閉鎖。

（2）限制貨叉在貨格內(nèi)微升降的行程。用限制微升降時間的辦法，間接控制其升降行程，以防止貨叉與貨物或貨架相撞，造成事故。

（3）入庫時貨格內(nèi)虛實探測。載貨臺左右兩側(cè)安裝有激光探測器，自動方式堆垛機到某貨格入庫，在伸叉存入貨物之前，先探測貨格內(nèi)有無貨物，以防雙重入庫，造成事故。

（4）鋼絲繩松繩和過載保護。起升機構(gòu)的鋼絲繩通過彈簧固定在橫梁上，采用行程開關檢測彈簧的伸長，松繩時彈簧變形最小，過載時變形最大。兩種情況下，均碰壓行程開關發(fā)出報警信號，使堆垛機停止動作。

（5）貨物位置和外形檢測。堆垛機載貨臺上裝有若干對射光電開關，用于貨物外形檢測，防止貨物突出載貨臺或貨垛倒塌造成事故。

（6）聲光信號。堆垛機開機時先用蜂鳴器和紅色報警指示燈發(fā)出信號，以警告檢修人員和過往的行人。

（7）失速保護裝置。當堆垛機的載貨臺升降時，由于某種原因（如鋼絲繩或鏈條斷裂，起升電動機或減速器斷軸等）引起載貨臺失速下墜，當達到失速保護裝置限定的速度時，超速保護裝置能觸發(fā)行程開關切斷電源。

（8）貨叉力矩限制器。貨叉伸縮受阻時力矩限制器發(fā)出信號切斷貨叉機構(gòu)電源，防止損壞貨叉。

我們在此基礎上共進行了7個方面的改進，具體措施如下：

圖2 某自動化立體項目倉庫平面圖（改造后）

（1）拉繩開關安裝于堆垛機巷道的兩側(cè)的貨架上，用鋼絲繩沿著巷道兩側(cè)把開關連接起來。當人員在巷道內(nèi)作業(yè)而堆垛機突然啟動時，在現(xiàn)場沿線任意處拉動鋼絲繩，鋼絲繩牽動驅(qū)動臂旋轉(zhuǎn)，通過傳動軸帶動扭力彈簧使精密凸輪發(fā)生位移，驅(qū)動微動開關切斷控制線路，使得堆垛機停止運行。2個巷道共安裝4個Leuze拉繩開關，如圖3所示。

圖3 拉繩開關

（2）立體倉庫四周安裝安全護欄，設置4個安全門，每個安全門安裝1個Leuze安全門開關。維修人員需要進入安全護欄防護區(qū)域作業(yè)時，由安全門進入，安全門打開時觸發(fā)安全輸入信號，切斷區(qū)域內(nèi)動力電源。安全門開關配有鑰匙，進入庫區(qū)內(nèi)的維修人員隨身攜帶該鑰匙，其他人員無法關閉安全門開關，進一步保證了維修人員的安全，如圖4所示。

（3）項目的入口和出口處由于安裝了輸送機用于貨物的運送，不能安裝安全門。于是在出入口的安全圍網(wǎng)兩側(cè)分別安裝1對SICK安全光幕，共計2對。該型號安全光幕帶有屏蔽信號接口，可接入輸送機光電開關信號，用于區(qū)分光幕被觸發(fā)是貨物的正常通過還是人員的違規(guī)通過，從而對于人員的違規(guī)情況動作觸發(fā)安全輸入信號，切斷區(qū)域內(nèi)動力電源，如圖5所示。

圖4 安全門

圖5 安全光幕

（4）操作臺、地面站主控箱操作面板、堆垛機操作面板處安裝急停按鈕開關，共計4個。此按鈕只需直接向下壓下，就可以快速的讓整臺設備立馬停止。要想再次啟動設備必須釋放此按鈕，也就是只需順時針方向旋轉(zhuǎn)大約45°后松開，按下的部分就會彈起。也就是“釋放”了。

（5）堆垛機的前進后退、上升下降極限位采用施耐德行程開關，每臺堆垛機共4個行程開關。堆垛機在正常運行時，前進后退、上升下降的移動位置根據(jù)激光、條碼測距儀的位置值在極限位范圍內(nèi)變化，當遇到異常情況如PLC采集的位置值出現(xiàn)錯誤、變頻器失控等情況，堆垛機碰到極限開關，觸發(fā)安全輸入信號，切斷設備動力電源。

（6）堆垛機上安裝兩個歐姆龍槽形光電開關，在巷道的兩端分別安裝減速帶，堆垛機在到達減速帶的位置時若速度未能降低到安全值則啟動強制減速功能，使堆垛機以較低速度逼近巷道終端，一旦碰動限位開關，便能立即停車，避免堆垛機高速沖向極限位置發(fā)生猛烈碰撞事故。

（7）根據(jù)以上配置，地面站安全功能達到了14個，單臺堆垛機的安全功能為5個，我們采用安全PLC的控制方式。地面站主PLC采用西門子S7-1515F安全PLC，堆垛機采用S7-1511F安全PLC。拉繩開關、安全門開關、安全光幕、急停開關任意一個節(jié)點觸發(fā)安全輸入信號，安全PLC立即輸出信號給輸出側(cè)的接觸器，切斷380V動力電源，如圖6所示。

圖6 安全PLC

6 結(jié)論

該自動化立體庫電氣控制安全優(yōu)化后，系統(tǒng)的安全性能得到很大程度的提升，效果顯著。拉繩開關、安全門開關的設置保證了維修人員的人身安全，安全光幕的設置大大降低了違規(guī)操作人員的危險性，堆垛機行程開關的設置大大提升了設備發(fā)生異常情況時的安全性，防止危險的進一步擴散。急停開關的設置給操作人員在發(fā)現(xiàn)危險情況時提供了最快速的觸發(fā)結(jié)構(gòu)來阻止險情的發(fā)生和蔓延。安全PLC的冗余多CPU結(jié)構(gòu)以及對安全輸入輸出器件的脈沖檢測，對安全硬件的安全性進行實時監(jiān)控，最大程度地保證了安全硬件的可靠?；谠擁椖康膶嵤┙?jīng)驗，將來我們準備把安全控制的優(yōu)化應用到更大更復雜的自動化立體倉庫項目中去，大型的項目中由于分布式控制的大量應用，總線的安全性顯得格外重要，但如果將這些安全設備連接到非安全的現(xiàn)場總線系統(tǒng)上去，就會存在比較大的安全隱患，因此除了目前這6項安全措施外，我們準備采用安全總線協(xié)議、七級安全滑觸線等，具體的應用情況待后期實施后再做討論。

隨著國家對安全問題重視程度的不斷提高和以人為本理念的深入貫徹，相信安全控制在未來的自動化立體庫項目中將得到更加廣泛的關注和應用。