安全控制在鍛造壓機上的應用

文/丁耀林，韓泓·太原重型機械(集團)有限公司技術中心

安全控制在鍛造壓機上的應用

文/丁耀林，韓泓·太原重型機械(集團)有限公司技術中心

鍛造壓機具有液壓動力系統傳動平穩可靠，速度、行程與溫度等參數控制精度高，在有效工作行程內鍛造頻次高等優點，在不同材質的鍛件成形中得到廣泛的應用。近年來快速鍛造液壓機和自由鍛造液壓機得到快速發展，因此，對液壓和電氣的自動化控制水平也提出了更高的要求。

隨著電子技術的快速發展，各種安全控制系統已經開始應用在生產制造行業，為實現高效的工業自動化提供了更為便利的條件。在發達國家，工業設備上已經普遍使用各種安全控制系統。歐美國家的設備，一般都具有較高的安全等級，而安全控制系統在我國還處于起步階段，許多設備沒有相應的安全保護措施，容易造成工廠事故。

隨著國家對安全生產重視程度的日益提高，社會越來越重視設備的安全性。在鍛造壓機上應用安全控制技術，可以提高鍛造壓機的自動化程度，改善工人的生產條件，提高鍛造壓機設備的安全性。

安全控制方案

安全控制系統作為鍛造壓機的安全保護手段，必須保護壓機的設備安全和操作檢修人員的人身安全，嚴格避免壓機運行狀態的不安全性。一旦壓機由于操作失誤等人為原因而導致危險或者設備本身出現故障而導致危險時，鍛造壓機的安全控制系統需要立即輸出正確的控制信號，安全關閉壓機的相關裝置，使壓機安全停機，避免危險的發生或者事故的擴散。

鍛造壓機中滑塊等機構的動作會對現場操作、維修、調試人員造成傷害，同時，在生產過程中突發的意外情況也會對設備造成嚴重的損毀。所以必須采用安全裝置來終止機器的非正常工作狀態，以減少事故損失，降低鍛造壓機的風險。設計中使用急停按鈕，以確保在危險情況下，停止危險動作。使用帶聯鎖的保護裝置和安全光電設備安全地把操作人員與危險區域隔離，并且確保維修人員在鍛造壓機安全停止的條件下，進行危險區域內的操作。根據不同需要使用安全監控，確保調試人員在安全運行的條件下進行現場調試。設計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致安全功能的失效。當操作或維修人員一旦進入危險區域或設備出現危險工況時，所有的危險動作都將被停止。

鍛造壓機設計采用合理的安全控制方案，通過設計消除危險隱患，減少引起危險的因素，降低風險。在鍛造壓機安全設計方案中應用了安全的3D設計原理并且符合相應的安全標準。安全的3D設計原理是指Duality、Diversification和Diagnosis。

Duality（冗余）是指一路故障發生，另一路可以把系統帶到安全狀態。具體設計采用并行輸入，串聯輸出的設計方法。

Diversification（多元法）是防止兩路同時出現同樣的故障的保護方法。具體設計使用一個常開，一個常閉的組合，或者同時使用一個高、一個低兩路輸入到安全裝置中。

Diagnostics（監控診斷）是指安全裝置的自檢。具體設計要求故障發生時，系統進入安全狀態，不允許系統在故障排除前被啟動。

鍛造壓機使用安全PLC進行安全控制，在設計時使用3D的組合，確保一個故障發生時，系統可以正確的反應。安全可編程控制器的CPU采用冗余的多處理器結構，各個處理器之間保持相互監控狀態，一旦發現有不一致的情況，控制器立刻切換至安全保護狀態，并且發出報警信息；安全可編程控制器對內部的RAM、EPROM、輸入輸出寄存器等元件同時進行實時監控，并且對輸入信號和輸出被控元件采用特殊的測試脈沖進行檢測，一旦出現不安全隱患，控制器立刻切換至安全保護狀態。

安全控制系統的硬件配置

鍛造壓機控制系統方案為主控制系統采用德國SIEMENS公司的S7-400系列PLC，網絡通信采用通訊協議，分別為以太網EtherNet、控制網PROFIBUS-DP。主控制系統與上位機通過以太網EtherNet協議通訊；鍛造壓機自動控制系統內部通過控制網PROFIBUS-DP協議通訊；主控制系統與安全控制系統通過控制網PROFIBUS-DP協議通訊，如圖1所示。

鍛造壓機的安全控制系統由三部分組成：安全輸入信號、安全輸出元件和安全控制器。安全控制系統的安全輸入信號為鍛造壓機各區域設置的急停按鈕信號、各區域安全門開關信號、安全光柵信號和安全控制繼電器的反饋信號等。這些安全輸入元件信號通過雙回路線路連接到安全控制器。安全控制系統的安全輸出元件為控制鍛造壓機各區域供電的接觸器和繼電器。當鍛造壓機出現不安全因素時，安全控制系統控制器立刻切換至安全保護狀態，根據預設的邏輯判斷，輸出安全控制信號，切斷相關負載和相應區域的控制器電源。安全控制系統的安全控制器是安全控制系統的CPU，執行的功能是采集安全輸入信號，根據邏輯控制要求，控制安全輸出元件。

鍛造壓機采用Pilz公司開發的PNOZ可編程安全控制器。PNOZ安全控制器是Pilz公司開發的通用型可編程安全控制器，主要應用于要求復雜邏輯的安全應用場合，能夠提供更高的安全功能。鍛造壓機的安全控制系統安裝有CPU模塊一塊、接口模塊一塊、數字量輸入模塊一塊和數字量輸出模塊三塊。鍛造壓機的安全PLC的CPU選用PNOZ M1P安全控制器，該安全控制器具備相當高的安全可靠性，在自身出現缺陷的情況下，依然能夠檢測安全輸入信號，并及時做出合理判斷和應對。安全控制器PNOZ M1P本身帶有20個標定的安全輸入，4個標定的安全輸出，2個脈沖測試源。安全PLC的接口模塊選用PNOZ MC3P，支持標準安全通信的PROFIBUS-DP網絡連接端口。安全PLC的數字量輸入模塊選用PNOZ Mi1P，數字量輸出模塊選用PNOZ Mo4P。

圖1 鍛造壓機控制系統示意圖

安全控制系統程序設計

PNOZ M1P安全控制器使用的編程軟件為PNOZmulti Configurator。PNOZmulti編程器是一個圖形工具，用于對PNOZmulti模塊化安全系統進行配置和編程。安全回路模塊在配置界面上表示為圖標，可以快速方便地用拖放的方法創建安全回路。完整的安全回路通過芯片卡或直接從PNOZmulti編程器傳輸到PNOZmulti模塊化安全系統的基礎模塊。硬件包括一個基礎模塊和最多8個擴展模塊。

根據鍛造壓機安全控制系統要求，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、報警程序、安全門程序、與主控PLC聯絡程序和與操作機聯絡程序等程序模塊。

鍛造壓機安全控制系統的安全輸入信號和安全輸出信號通過PROFIBUS-DP網絡協議，由PNOZ安全控制器與S7-400通訊，在S7-400做相應控制。S7-400通過Ethernet網絡協議與上位機通訊，在上位機屏幕顯示安全控制系統的相關信息。

結束語

對于鍛造壓機這種安全功能數量較多且較復雜的設備，其安全控制系統采用PNOZmulti模塊化安全PLC，安全輸入信號采用雙回路的電氣元件，同時采取自反饋檢測和監控等安全措施，對鍛造壓機的生產提供高度可靠的安全保護手段，最大限度地避免機器的不安全狀態、保護生產裝置和人身安全。實踐證明，鍛造壓機安全控制系統設計合理、可靠，為鍛造壓機的生產提供了強有力的技術保障，具有廣闊的市場前景。

丁耀林，鍛壓所副所長，高級工程師，主要負責鍛壓設備的電氣設計、調試工作，主持完成了太重軌道交通公司的火車軸生產線技術改造項目和快速鐓鍛壓機的控制系統開發與應用項目，獲得機械聯合會科技進步一等獎，山西省科技進步二等獎。