常用汽車底盤檢測設(shè)備安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯雪峰

摘 要：設(shè)計(jì)了一款以皮爾茲（PILZ PNOZ）S4型安全繼電器為主的汽車底盤檢測設(shè)備安全控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將主設(shè)備與安全繼電器的常開安全觸點(diǎn)連接，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，安全繼電器的常開安全觸點(diǎn)能夠立即斷開，保護(hù)電路、設(shè)備和人員的安全。

關(guān)鍵詞：汽車底盤;檢測設(shè)備;安全模塊;安全繼電器

中圖分類號：U463.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-00-04

Design of Safety Control System for Common Automobile Chassis Testing Equipment

TANG Xuefeng

（Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology， Taicang Jiangsu 215411）

Abstract： This paper designs a safety control system of automobile chassis detection equipment based on PILZ PNOZ S4 safety relay. The system connects the main equipment with the normally open safety contact of the safety relay. Even if there is a fault， the normally open safety contact of the safety relay will be disconnected immediately to protect the safety of circuit， equipment and personnel.

Keywords： automobile chassis;testing equipment;safety module;safety relay

1 安全控制系統(tǒng)整體介紹

一套完整的安全控制系統(tǒng)主要由安全輸入信號、安全控制模塊和被控輸出元器件3個(gè)部分組成。其中，安全控制模塊最為復(fù)雜，主要采集安全輸入信號進(jìn)行安全輸出控制。在自身出現(xiàn)故障時(shí)，安全控制模塊依然要發(fā)揮安全控制作用，同時(shí)要能檢測到安全輸入信號及被控元器件的故障并做出合理反應(yīng)。安全繼電器、安全可編程控制器和安全總線系統(tǒng)是常用的安全控制模塊。

本設(shè)計(jì)中安全控制系統(tǒng)的安全控制模塊選用皮爾茲（PILZ PNOZ）S4型號的安全繼電器，其安全輸出有繼電器觸點(diǎn)輸出和晶體管輸出兩種形式。兩種輸出形式都至少能保證2個(gè)安全通道進(jìn)行輸出控制，其中一個(gè)安全通道故障時(shí)，另外一個(gè)安全通道依然能保證安全繼電器安全功能的實(shí)現(xiàn)，并且快速檢測出故障通道。

2 安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車底盤檢測設(shè)備存在較高的危險(xiǎn)性，所以在其安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮周全。安全控制系統(tǒng)由兩個(gè)安全繼電器作為安全模塊分別控制兩個(gè)運(yùn)行模式，且兩個(gè)安全繼電器無法同時(shí)工作。安全繼電器運(yùn)行時(shí)，會(huì)向控制模塊可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的公共端輸出24 V電信號，使PLC程序運(yùn)行。當(dāng)PLC中的程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)為主閥提供工作信號，促使主閥將氣壓傳輸?shù)介y島，同時(shí)PLC會(huì)對電磁閥發(fā)出電控信號使其工作。安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)主要硬件

系統(tǒng)硬件主要器件包括手持安全按鈕、皮爾茲（PILZ PNOZ）S4型安全繼電器、主閥和閥島以及工作方式選擇開關(guān)等幾部分，下面分別進(jìn)行分析。

3.1 手持安全按鈕

手持安全按鈕可以用來控制設(shè)備的運(yùn)行和停止。當(dāng)手持安全按鈕部分按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，安全繼電器得到信號，再將信號發(fā)送到PLC執(zhí)行工位自動(dòng)運(yùn)行程序;當(dāng)松開或全部按下按鈕時(shí)，觸點(diǎn)常開信號斷開，工位自動(dòng)運(yùn)行程序暫停。手持安全按鈕剖視圖2所示。

3.2 皮爾茲S4型安全繼電器

皮爾茲S4型安全繼電器集多種功能于一身，擁有雙安全通道，在一條通道出現(xiàn)故障后另外一條完好的安全通道仍然可以保護(hù)電路安全[1]。它占用空間面積非常小，可以在更小的空間內(nèi)得到更好的應(yīng)用。設(shè)備工作出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，安全繼電器可以關(guān)斷氣源、切斷設(shè)備的動(dòng)力電源，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。皮爾茲S4型安全繼電器的外形如圖3所示。

該型安全繼電器主要結(jié)構(gòu)為：器件中的A1、A2是電源接線端子（供電電壓有直流24 V和交流220 V兩種，可根據(jù)項(xiàng)目需求選擇）;S11、S12和S21、S23分別為安全通道1和安全通道2的接線端子;S34是復(fù)位/啟動(dòng)接線端子;Y32是輸出端子;13和14、23和24、33和34為3項(xiàng)安全常開觸點(diǎn);41和42為輔助常閉觸點(diǎn)。安全繼電器的狀態(tài)由面板上6個(gè)LED指示燈表示，電源供電正常時(shí)Power燈常亮;安全通道1閉合時(shí)ln1燈常亮;安全通道2閉合時(shí)ln2燈常亮;安全觸點(diǎn)閉合，Y32有電平輸出時(shí)Out燈常亮;S34有復(fù)位輸入信號時(shí)Reset燈亮;安全繼電器外部故障時(shí)Fault燈常亮，安全繼電器內(nèi)部故障時(shí)Fault燈閃爍。

皮爾茲S4型安全繼電器主要工作模式有自動(dòng)復(fù)位/啟動(dòng)模式、手動(dòng)復(fù)位/啟動(dòng)模式、下降沿檢測復(fù)位/啟動(dòng)模式、上升沿檢測復(fù)位/啟動(dòng)模式、帶啟動(dòng)測試的復(fù)位/啟動(dòng)模式等。通過面板上的模式選擇按鈕來設(shè)置工作方式。其中：自動(dòng)復(fù)位/啟動(dòng)模式下，安全通道閉合，安全繼電器自動(dòng)就緒;手動(dòng)復(fù)位/啟動(dòng)模式下，安全通道閉合，啟動(dòng)電路閉合后，安全繼電器就緒;下降沿檢測復(fù)位/啟動(dòng)模式下，安全通道閉合，啟動(dòng)電路閉合后斷開，安全繼電器就緒;上升沿檢測復(fù)位/啟動(dòng)模式下，安全通道閉合啟動(dòng)電路閉合一定時(shí)間后，安全繼電器就緒;帶啟動(dòng)測試的復(fù)位/啟動(dòng)模式大多用于安全門，安全繼電器會(huì)檢測安全門的開與關(guān)的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)所選的模式是帶觸點(diǎn)間短路檢測的自動(dòng)/手動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)手持按鈕半按下或安全繼電器得到電信號使安全通道閉合時(shí)，安全繼電器會(huì)進(jìn)行啟動(dòng)檢測。

3.3 主閥和閥島

主閥是氣源處理的三聯(lián)件，包括減壓閥、過濾器和油霧器。其中，減壓閥可對氣源進(jìn)行穩(wěn)壓，減少氣壓突變對其他硬件的損傷;過濾器可對氣源進(jìn)行清潔，壓縮水分，防止空氣中的水分進(jìn)入裝置;油霧器可對部件進(jìn)行潤滑，延長機(jī)體壽命。主閥外形如圖4所示。

閥島是擁有統(tǒng)一的進(jìn)氣源，擁有獨(dú)立輸出端的多個(gè)電磁閥的組合體。通常情況下，每個(gè)電磁閥都為常閉。當(dāng)收到電控信號時(shí)，電磁閥打開，送出氣動(dòng)信號，使其他氣動(dòng)元器件運(yùn)行。閥島外形如圖5所示。

主閥和閥島設(shè)備中的主要工作方式為：主閥的運(yùn)作由系統(tǒng)中的PLC控制，當(dāng)電源接通、PLC對其發(fā)出工作信號時(shí)，主閥開始工作，將氣壓通過連接的氣管傳輸?shù)介y島，閥島接收到PLC發(fā)出的電控信號后控制各氣動(dòng)元件運(yùn)行。

3.4 工作方式選擇開關(guān)

工作方式選擇開關(guān)有三個(gè)擋位，分別為1、0、2。1擋為自動(dòng)運(yùn)行，0擋為手動(dòng)運(yùn)行，2擋為工位自動(dòng)運(yùn)行。其開關(guān)外形如圖6所示。

4 系統(tǒng)主要電氣線路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電氣線路設(shè)計(jì)主要包括電源電氣線路、模式選擇電氣電路、自動(dòng)模式安全控制線路和手動(dòng)模式安全控制線路等。

4.1 電源電氣線路

設(shè)備中電源部分的線路是總電源將電壓分配至各空氣開關(guān)，空氣開關(guān)再將電壓傳輸?shù)浇泳€端子排分配給所屬元器件，并且控制所屬元器件的工作電壓通斷。本設(shè)計(jì)的安全控制系統(tǒng)主要由空氣開關(guān)提供電壓，空氣開關(guān)將電壓分配至工作方式選擇按鈕和控制手動(dòng)運(yùn)行的安全繼電器上，控制工位自動(dòng)運(yùn)行模式的安全繼電器工作電壓由工作方式選擇按鈕控制。

4.2 模式選擇電氣線路

設(shè)備中模式選擇部分的線路是設(shè)備工作模式選擇按鈕中的兩個(gè)擋位（0擋和2擋）分別接入控制手動(dòng)運(yùn)行時(shí)的安全繼電器和控制工位自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的安全繼電器。設(shè)置執(zhí)行時(shí)將模式選擇按鈕調(diào)到0擋，選擇按鈕上的一對常開觸點(diǎn)閉合，此時(shí)控制手動(dòng)運(yùn)行的安全繼電器的S11、S12和S21、S22兩對觸點(diǎn)得電，開始執(zhí)行手動(dòng)程序。當(dāng)模式選擇按鈕調(diào)到2擋，選擇按鈕上的另一對常開觸點(diǎn)閉合，此時(shí)控制工位自動(dòng)運(yùn)行的安全繼電器的電源接線端子得電運(yùn)行。

4.3 自動(dòng)模式安全控制線路

設(shè)備中模式選擇按鈕調(diào)到自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，安全繼電器得電。當(dāng)手持安全按鈕半按下時(shí)，安全繼電器得到工位自動(dòng)運(yùn)行的信號。安全繼電器中的觸點(diǎn)S12并聯(lián)到復(fù)

位/啟動(dòng)接線端子中的S34，所以工位自動(dòng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)檢測[2]。將面板上的模式選擇按鈕調(diào)到自動(dòng)/手動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)帶觸點(diǎn)間的短路檢測。當(dāng)手持按鈕半按下和松開或者全部按下時(shí)，可以達(dá)到控制工位自動(dòng)程序的運(yùn)行或停止的目的。安全繼電器的兩對常開觸點(diǎn)13、14和23、24由空開接入后連接到執(zhí)行器，當(dāng)兩個(gè)觸點(diǎn)吸合時(shí)，執(zhí)行器得到工作電壓運(yùn)行。

4.4 手動(dòng)模式安全控制線路

設(shè)備中模式選擇按鈕調(diào)到手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，安全繼電器兩對觸點(diǎn)S11、S12和S21、S22得電開始執(zhí)行啟動(dòng)檢測，同時(shí)輸出信號給PLC執(zhí)行手動(dòng)程序。當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，安全繼電器可以立即做出反應(yīng)阻止危險(xiǎn)的發(fā)生[3]。

4.5 安全繼電器手持安全按鈕電氣線路

設(shè)備中的1號和2號端口接入控制工位自動(dòng)模式的安全繼電器的S11和S12觸點(diǎn)，設(shè)備中的3號端口和4號端口通過端子排接入安全繼電器S21和S22觸點(diǎn)。當(dāng)手持安全按鈕半按下時(shí)，安全繼電器會(huì)得電，再將信號輸出到PLC中完成工位自動(dòng)程序的正常運(yùn)行。

5 系統(tǒng)工作模式和流程

設(shè)備手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，操作人員需要持續(xù)按下控制面板上的調(diào)試按鈕或半按下觸摸屏側(cè)邊的使能按鈕，同時(shí)PLC程序判斷操作不會(huì)導(dǎo)致機(jī)械相撞，按鈕側(cè)邊的三角形變?yōu)榫G色，此時(shí)操作人員需要在觸摸屏上按下相應(yīng)的手動(dòng)按鍵才能操作。發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，調(diào)整按鈕松開、使能按鈕松開或全部按下，手動(dòng)操作無效，安全繼電器關(guān)斷氣源[4]。

設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，操作人員需要半按下連接到安全繼電器的手持按鈕的安全按鈕，設(shè)備自動(dòng)程序開始運(yùn)行。危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，將安全按鈕松開或全部按下，設(shè)備的自動(dòng)程序停止運(yùn)行，此時(shí)安全繼電器關(guān)斷氣源。設(shè)備安全系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

6 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

安裝設(shè)備時(shí)，由于每一種工作模式由單獨(dú)的安全繼電器控制，所以在安裝接線時(shí)要區(qū)分開來。在接線時(shí)，要注意每根線不能打結(jié)，線內(nèi)的銅絲不能裸露在外，要用接線端子套住壓好再接入元器件中。安裝主閥、閥島及氣缸時(shí)要確保氣源沒有打開，避免危險(xiǎn)情況發(fā)生，安裝氣管時(shí)不能出現(xiàn)氣管對折、隨意亂放的情況。

設(shè)備調(diào)試過程中常見工位自動(dòng)模式下安全繼電器無法正常工作、手動(dòng)模式下手動(dòng)程序無法運(yùn)行、氣缸還未伸出到指定位置就縮回等問題。

為解決上述問題，按照圖紙檢查工作方式選擇按鈕的接線和空氣開關(guān)的供電，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)問題。推測安全繼電器本身出現(xiàn)故障，選擇更換一個(gè)新的安全繼電器后問題解決。在確定安全繼電器未損壞后，開始按照接線圖紙對安全繼電器的接線進(jìn)行排查，在排查時(shí)發(fā)現(xiàn)安全繼電器輸出到PLC的接線由于沒有安裝牢固導(dǎo)致脫落，未能將信號輸入PLC中，連接線重新接好后問題解決。在調(diào)試氣缸時(shí)發(fā)現(xiàn)控制氣缸縮回的磁性開關(guān)可以正常使用，在更換新的磁性開關(guān)后問題仍然沒有解決，之后考慮到氣缸內(nèi)活塞被磁化也有可能造成這種情況，在更換氣缸后解決了該問題[5]。

設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)以皮爾茲S4型安全繼電器為主，將主設(shè)備與安全繼電器的常開安全觸點(diǎn)連接，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，安全繼電器的常開安全觸點(diǎn)能夠立即斷開，保護(hù)電路、設(shè)備和人員的安全。

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