文/丁耀林，韓泓·太原重型機(jī)械(集團(tuán))有限公司技術(shù)中心

安全控制在鍛造壓機(jī)上的應(yīng)用

文/丁耀林，韓泓·太原重型機(jī)械(集團(tuán))有限公司技術(shù)中心

鍛造壓機(jī)具有液壓動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，速度、行程與溫度等參數(shù)控制精度高，在有效工作行程內(nèi)鍛造頻次高等優(yōu)點(diǎn)，在不同材質(zhì)的鍛件成形中得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)快速鍛造液壓機(jī)和自由鍛造液壓機(jī)得到快速發(fā)展，因此，對(duì)液壓和電氣的自動(dòng)化控制水平也提出了更高的要求。

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種安全控制系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在生產(chǎn)制造行業(yè)，為實(shí)現(xiàn)高效的工業(yè)自動(dòng)化提供了更為便利的條件。在發(fā)達(dá)國(guó)家，工業(yè)設(shè)備上已經(jīng)普遍使用各種安全控制系統(tǒng)。歐美國(guó)家的設(shè)備，一般都具有較高的安全等級(jí)，而安全控制系統(tǒng)在我國(guó)還處于起步階段，許多設(shè)備沒(méi)有相應(yīng)的安全保護(hù)措施，容易造成工廠事故。

隨著國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)重視程度的日益提高，社會(huì)越來(lái)越重視設(shè)備的安全性。在鍛造壓機(jī)上應(yīng)用安全控制技術(shù)，可以提高鍛造壓機(jī)的自動(dòng)化程度，改善工人的生產(chǎn)條件，提高鍛造壓機(jī)設(shè)備的安全性。

安全控制方案

安全控制系統(tǒng)作為鍛造壓機(jī)的安全保護(hù)手段，必須保護(hù)壓機(jī)的設(shè)備安全和操作檢修人員的人身安全，嚴(yán)格避免壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不安全性。一旦壓機(jī)由于操作失誤等人為原因而導(dǎo)致危險(xiǎn)或者設(shè)備本身出現(xiàn)故障而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，鍛造壓機(jī)的安全控制系統(tǒng)需要立即輸出正確的控制信號(hào)，安全關(guān)閉壓機(jī)的相關(guān)裝置，使壓機(jī)安全停機(jī)，避免危險(xiǎn)的發(fā)生或者事故的擴(kuò)散。

鍛造壓機(jī)中滑塊等機(jī)構(gòu)的動(dòng)作會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作、維修、調(diào)試人員造成傷害，同時(shí)，在生產(chǎn)過(guò)程中突發(fā)的意外情況也會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的損毀。所以必須采用安全裝置來(lái)終止機(jī)器的非正常工作狀態(tài)，以減少事故損失，降低鍛造壓機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)中使用急停按鈕，以確保在危險(xiǎn)情況下，停止危險(xiǎn)動(dòng)作。使用帶聯(lián)鎖的保護(hù)裝置和安全光電設(shè)備安全地把操作人員與危險(xiǎn)區(qū)域隔離，并且確保維修人員在鍛造壓機(jī)安全停止的條件下，進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的操作。根據(jù)不同需要使用安全監(jiān)控，確保調(diào)試人員在安全運(yùn)行的條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。設(shè)計(jì)采用安全模塊控制以上安全功能，以避免控制回路中的故障導(dǎo)致安全功能的失效。當(dāng)操作或維修人員一旦進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域或設(shè)備出現(xiàn)危險(xiǎn)工況時(shí)，所有的危險(xiǎn)動(dòng)作都將被停止。

鍛造壓機(jī)設(shè)計(jì)采用合理的安全控制方案，通過(guò)設(shè)計(jì)消除危險(xiǎn)隱患，減少引起危險(xiǎn)的因素，降低風(fēng)險(xiǎn)。在鍛造壓機(jī)安全設(shè)計(jì)方案中應(yīng)用了安全的3D設(shè)計(jì)原理并且符合相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。安全的3D設(shè)計(jì)原理是指Duality、Diversification和Diagnosis。

Duality（冗余）是指一路故障發(fā)生，另一路可以把系統(tǒng)帶到安全狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)采用并行輸入，串聯(lián)輸出的設(shè)計(jì)方法。

Diversification（多元法）是防止兩路同時(shí)出現(xiàn)同樣的故障的保護(hù)方法。具體設(shè)計(jì)使用一個(gè)常開(kāi)，一個(gè)常閉的組合，或者同時(shí)使用一個(gè)高、一個(gè)低兩路輸入到安全裝置中。

Diagnostics（監(jiān)控診斷）是指安全裝置的自檢。具體設(shè)計(jì)要求故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)，不允許系統(tǒng)在故障排除前被啟動(dòng)。

鍛造壓機(jī)使用安全PLC進(jìn)行安全控制，在設(shè)計(jì)時(shí)使用3D的組合，確保一個(gè)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)可以正確的反應(yīng)。安全可編程控制器的CPU采用冗余的多處理器結(jié)構(gòu)，各個(gè)處理器之間保持相互監(jiān)控狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有不一致的情況，控制器立刻切換至安全保護(hù)狀態(tài)，并且發(fā)出報(bào)警信息；安全可編程控制器對(duì)內(nèi)部的RAM、EPROM、輸入輸出寄存器等元件同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且對(duì)輸入信號(hào)和輸出被控元件采用特殊的測(cè)試脈沖進(jìn)行檢測(cè)，一旦出現(xiàn)不安全隱患，控制器立刻切換至安全保護(hù)狀態(tài)。

安全控制系統(tǒng)的硬件配置

鍛造壓機(jī)控制系統(tǒng)方案為主控制系統(tǒng)采用德國(guó)SIEMENS公司的S7-400系列PLC，網(wǎng)絡(luò)通信采用通訊協(xié)議，分別為以太網(wǎng)EtherNet、控制網(wǎng)PROFIBUS-DP。主控制系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)EtherNet協(xié)議通訊；鍛造壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)控制網(wǎng)PROFIBUS-DP協(xié)議通訊；主控制系統(tǒng)與安全控制系統(tǒng)通過(guò)控制網(wǎng)PROFIBUS-DP協(xié)議通訊，如圖1所示。

鍛造壓機(jī)的安全控制系統(tǒng)由三部分組成：安全輸入信號(hào)、安全輸出元件和安全控制器。安全控制系統(tǒng)的安全輸入信號(hào)為鍛造壓機(jī)各區(qū)域設(shè)置的急停按鈕信號(hào)、各區(qū)域安全門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)、安全光柵信號(hào)和安全控制繼電器的反饋信號(hào)等。這些安全輸入元件信號(hào)通過(guò)雙回路線路連接到安全控制器。安全控制系統(tǒng)的安全輸出元件為控制鍛造壓機(jī)各區(qū)域供電的接觸器和繼電器。當(dāng)鍛造壓機(jī)出現(xiàn)不安全因素時(shí)，安全控制系統(tǒng)控制器立刻切換至安全保護(hù)狀態(tài)，根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯判斷，輸出安全控制信號(hào)，切斷相關(guān)負(fù)載和相應(yīng)區(qū)域的控制器電源。安全控制系統(tǒng)的安全控制器是安全控制系統(tǒng)的CPU，執(zhí)行的功能是采集安全輸入信號(hào)，根據(jù)邏輯控制要求，控制安全輸出元件。

鍛造壓機(jī)采用Pilz公司開(kāi)發(fā)的PNOZ可編程安全控制器。PNOZ安全控制器是Pilz公司開(kāi)發(fā)的通用型可編程安全控制器，主要應(yīng)用于要求復(fù)雜邏輯的安全應(yīng)用場(chǎng)合，能夠提供更高的安全功能。鍛造壓機(jī)的安全控制系統(tǒng)安裝有CPU模塊一塊、接口模塊一塊、數(shù)字量輸入模塊一塊和數(shù)字量輸出模塊三塊。鍛造壓機(jī)的安全PLC的CPU選用PNOZ M1P安全控制器，該安全控制器具備相當(dāng)高的安全可靠性，在自身出現(xiàn)缺陷的情況下，依然能夠檢測(cè)安全輸入信號(hào)，并及時(shí)做出合理判斷和應(yīng)對(duì)。安全控制器PNOZ M1P本身帶有20個(gè)標(biāo)定的安全輸入，4個(gè)標(biāo)定的安全輸出，2個(gè)脈沖測(cè)試源。安全PLC的接口模塊選用PNOZ MC3P，支持標(biāo)準(zhǔn)安全通信的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接端口。安全PLC的數(shù)字量輸入模塊選用PNOZ Mi1P，數(shù)字量輸出模塊選用PNOZ Mo4P。

圖1 鍛造壓機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

安全控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PNOZ M1P安全控制器使用的編程軟件為PNOZmulti Configurator。PNOZmulti編程器是一個(gè)圖形工具，用于對(duì)PNOZmulti模塊化安全系統(tǒng)進(jìn)行配置和編程。安全回路模塊在配置界面上表示為圖標(biāo)，可以快速方便地用拖放的方法創(chuàng)建安全回路。完整的安全回路通過(guò)芯片卡或直接從PNOZmulti編程器傳輸?shù)絇NOZmulti模塊化安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊。硬件包括一個(gè)基礎(chǔ)模塊和最多8個(gè)擴(kuò)展模塊。

根據(jù)鍛造壓機(jī)安全控制系統(tǒng)要求，安全控制程序可以分為控制電源程序、急停控制程序、控制繼電器程序、控制閥電源程序、報(bào)警程序、安全門(mén)程序、與主控PLC聯(lián)絡(luò)程序和與操作機(jī)聯(lián)絡(luò)程序等程序模塊。

鍛造壓機(jī)安全控制系統(tǒng)的安全輸入信號(hào)和安全輸出信號(hào)通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由PNOZ安全控制器與S7-400通訊，在S7-400做相應(yīng)控制。S7-400通過(guò)Ethernet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與上位機(jī)通訊，在上位機(jī)屏幕顯示安全控制系統(tǒng)的相關(guān)信息。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于鍛造壓機(jī)這種安全功能數(shù)量較多且較復(fù)雜的設(shè)備，其安全控制系統(tǒng)采用PNOZmulti模塊化安全PLC，安全輸入信號(hào)采用雙回路的電氣元件，同時(shí)采取自反饋檢測(cè)和監(jiān)控等安全措施，對(duì)鍛造壓機(jī)的生產(chǎn)提供高度可靠的安全保護(hù)手段，最大限度地避免機(jī)器的不安全狀態(tài)、保護(hù)生產(chǎn)裝置和人身安全。實(shí)踐證明，鍛造壓機(jī)安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、可靠，為鍛造壓機(jī)的生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

丁耀林，鍛壓所副所長(zhǎng)，高級(jí)工程師，主要負(fù)責(zé)鍛壓設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)、調(diào)試工作，主持完成了太重軌道交通公司的火車軸生產(chǎn)線技術(shù)改造項(xiàng)目和快速鐓鍛壓機(jī)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目，獲得機(jī)械聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，山西省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。