劉國鵬

（中煤科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

安全功能在工業(yè)設備上的使用在發(fā)達國家已十分普及，例如，在歐洲有強制的安全標準，達不到相應安全等級的設備不能投產(chǎn)；在美國則依靠高額的事故賠償來強制設備的安全性。在這方面我國還處于起步階段，隨著國家對此重視程度的提高，設備的安全性正得到越來越多的重視[1]。

懸臂式掘進機作為煤礦巷道掘進施工的主要設備，其高可靠的安全性能直接關系到操作人員和設備本身的安全以及施工的質量和進度。因此在掘進機控制系統(tǒng)的設計階段，對安全方面的考慮就顯得非常重要。設備的安全性能由機械安全防護和電氣安全控制兩方面組成。機械安全防護在此不過多介紹，本文主要介紹最常用的電氣安全控制器件安全繼電器在掘進機安全控制系統(tǒng)中的應用。

1 電氣安全控制系統(tǒng)的組成

安全控制系統(tǒng)必須提供一種高度可靠的安全保護手段，最大限度地避免設備的不安全狀態(tài)，保護人身安全和生產(chǎn)設備，防止惡性事故的發(fā)生以減少損失。系統(tǒng)在開機、停機、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護操作期間應對設備提供安全保護，一旦設備出現(xiàn)危險，系統(tǒng)立即做出反應并輸出正確信號，使設備安全停機。安全控制系統(tǒng)由安全輸入元件（如緊急停止按鈕、安全門開關、安全光柵等）、安全控制模塊（如安全繼電器、安全PLC等）、被控輸出元件（如主接觸器、電磁閥等）三部分組成[1～3]，如圖 1所示。

圖1 安全控制系統(tǒng)的組成

要使設備達到相應的安全等級就離不開必要的安全元件和安全線路，這些元件通過線路（一般是雙回路）連接到安全控制的核心，對安全功能進行監(jiān)控。具有安全要求的設備中，普通的繼電器或者PLC被廣泛地作為控制模塊。從表面看來，這樣的設備在一定條件下也能夠保證安全性。但是，當普通的繼電器和PLC由于自身缺陷或外界原因導致功能失效時（如觸點熔焊、電氣短路、處理器紊亂等故障），就會丟失安全保護功能并引發(fā)事故。而對于安全控制模塊，由于其采用冗余、多樣的結構，加之以自我檢測和監(jiān)控、可靠電氣元件、反饋回路等安全措施，保證在本身缺陷或外部故障的情況下，依然能夠保證安全功能，并且可以及時地將故障檢測出來。從而在最大程度上保證了整個安全控制系統(tǒng)的正常運行，保護了人和設備的安全。

2 安全繼電器的特點及結構

目前使用最多的安全器件就是安全繼電器，其并不是指沒有故障的繼電器，而是發(fā)生故障時會做出有規(guī)則的動作。安全繼電器的安全線路一般使用雙回路控制，即使有一條線路發(fā)生短路，依然能防止設備在不滿足要求的狀態(tài)下運行。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，而安全繼電器由于其特殊的結構，能保證在回路不滿足條件的情況下觸點強制斷開，這一點同常規(guī)繼電器完全不同。它是專門為條件苛刻的任務或安全相關的應用而設計的繼電器，在其失效時不會對人員安全或過程安全帶來危險。

2.1 安全繼電器的特點

安全繼電器具有以下基本功能[4]：

（1）檢測功能?？梢源_認與安全相關的請求，例如按下“緊急停止按鈕”。

（2）評估功能。確認與安全相關的請求，并且安全地啟動響應，例如關閉啟動回路。

（3）關閉功能。關閉潛在的危險，例如關閉下游接觸器的電源。

（4）自鎖功能。當安全繼電器出線故障信號時，不會自動復位，需要確認安全后手動復位，例如按下“緊急停止按鈕”后，安全繼電器輸出信號，拔出“緊急停止按鈕”后，安全繼電器不會自動復位，需要手動復位。

（5）反饋功能。當安全繼電器出現(xiàn)故障信號時會將自身狀態(tài)反饋給PLC，PLC可以將其狀態(tài)顯示在人機界面方便用戶判斷操作。

（6）擴展功能?？梢愿鶕?jù)需要增加擴展模塊，增加觸點，以達到和主觸點一致的安全等級。

（7）穩(wěn)定工作功能。觸點組擁有1000萬次以上的可靠機械壽命。

2.2 安全繼電器的結構[4～5]

本文以菲尼克斯PSR系列安全繼電器PSRSCP-24UC/ESA4/3×1為例說明安全繼電器的結構，其結構圖如圖2所示，該繼電器的安全級別為4級。

圖2 安全繼電器的結構

A1、A2是繼電器的線圈部分，24VAC/DC供電；S11、S12是輸入通道一，S21、S22是輸入通道二，K1和K2分別為輸入通道一、二接通的信號指示燈；S33、S34是復位通道，可以手動或自動復位；13－14、23－24、33－34是三組常開觸點，41－42是常閉觸點，都為不帶延時動作觸點，圖中可以看到，所有常開觸點和常閉觸點都是由兩組觸點來控制，同時通斷。

安全繼電器和普通繼電器最顯著的區(qū)別就是強制導向機構，其主要目的就是當出現(xiàn)故障時在任意一個輸出信號通道內不讓繼電器內部的兩個觸點處于同時動作狀態(tài)而具有強制導向機構。當其中的一個觸點發(fā)生粘連故障時，線圈在有激磁狀態(tài)下，另一個觸點仍然必須保持0.5mm以上的間隔，此稱之為強制機構。而普通繼電器的觸點動作，完全受制于線圈的通電情況，必須預防因輸入的接線短路而引起的觸點突然動作，機器突然啟動。在一個冗余電路中，內部控件的運行將受到監(jiān)控。如果安全繼電器被檢測到故障，它將始終被切換到斷電位置使機器處于安全狀態(tài)。

3 懸臂式掘進機安全控制系統(tǒng)

3.1 掘進機對安全性的需要

懸臂式掘進機是集截割、行走、裝運、噴霧和除塵等功能于一體的綜合掘進設備，其作業(yè)線主要由掘進機與后配套設備組成。掘進機把煤或巖石截割破落下來，再通過轉運機構把破碎的料渣轉運至機器尾部卸下，由后配套轉載機（二運）、皮帶機或礦車運走。整個生產(chǎn)過程需要掘進機司機、二運機尾操作工和皮帶機頭操作工三人共同完成。掘進機司機可以控制油泵、截割和二運電機的啟停以及液壓機構的動作；二運機尾操作工需要觀察皮帶機是否工作、二運皮帶是否堆料或跑偏并可以停止二運電機；皮帶機頭操作工負責控制皮帶機的啟停。

根據(jù)上述掘進機的生產(chǎn)工藝，對掘進機的安全控制提出如下要求：

（1）在只啟動油泵電機而不進行截割時，掘進機司機能可靠地停止截割電機并保證截割電機不會突然啟動；

（2）在緊急情況下，掘進機司機能可靠地停止所有電機并保證所有電機不會突然啟動；

（3）在二運皮帶出現(xiàn)堆料或者跑偏時，二運機尾操作工能可靠地停止二運電機并保證二運電機不會突然啟動。

3.2 安全繼電器在掘進機安全控制系統(tǒng)中的應用

目前最常見的掘進機控制系統(tǒng)中，將急停信號（常閉）直接輸入給PLC或者串入PLC電源回路，控制PLC的輸出點以切斷中間繼電器的線圈電源。當發(fā)生中間繼電器線圈線路短路或者觸點粘連的故障時，會使機器突然啟動，帶來很大的安全隱患。本文以三個菲尼克斯安全繼電器PSR-SCP-24UC/ESA4/3×1為核心組建掘進機安全控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 掘進機安全控制系統(tǒng)的結構

從圖中可以看出，操作箱急停、截割電機急停和二運機尾急停都采用雙回路信號接入安全繼電器的輸入通道，保證輸入信號的可靠性；繼電器的常閉觸點都輸入給PLC，實現(xiàn)安全繼電器的故障監(jiān)測；繼電器采用自動復位的方式。

安全控制系統(tǒng)得電后，任意一個安全繼電器出現(xiàn)線圈電源線路短路或者回路觸點粘連故障時都能保證設備和人員的安全，滿足了掘進機對安全性的需求。

（1）按下操作箱急停后，所有接觸器線圈都不會得電，保證機器在不安全位置或者在危險位置有工作人員時都不會突然啟動；

（2）按下截割電機急停后，截割電機接觸器線圈不會得電，保證截割頭在不安全位置或者在工人支護期間臨時調整掘進機位置時都不會突然轉動；

（3）按下二運機尾急停后，二運電機接觸器線圈不會得電，保證二運皮帶在堆滿渣料或者出現(xiàn)跑偏時，或者有工人維護二運期間都不會突然運轉。

4 結束語

安全繼電器以其安全、可靠等特點廣泛應用于生產(chǎn)制造業(yè)行業(yè)。本文將安全繼電器應用在懸臂式掘進機的控制系統(tǒng)中，提高了設備的安全性能，保證了設備和人員的安全，符合煤礦安全生產(chǎn)的要求。隨著安全控制理念的深入和安全產(chǎn)品的普及，安全繼電器等安全產(chǎn)品在煤炭行業(yè)必然會得到越來越廣泛的應用。

[1]劉 博.安全繼電器及安全PLC在制造行業(yè)的應用[J].設備管理與維修，2009，31（9）：35-36

[2]王 元.安全控制單元在軋機控制系統(tǒng)中的應用[J].有色金屬加工，2011，40（2）：56-59

[3]費 國，葛自江，馬 矜.安全繼電器在工業(yè)生產(chǎn)過程中的分析與應用[J].起重運輸機械，2013，63（6）：1-7.