板材剪板機安全化改造方案設(shè)計

李釗安，張宏軍，薛繼衛(wèi)

（西安西部新鋯科技股份有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

板材剪板機是機加工序中應(yīng)用比較廣泛的一種剪切設(shè)備，是用一個刀片相對另一刀片作往復(fù)直線運動剪切板材的機器。板材剪板機主要用于冷軋態(tài)后或冷軋后退火態(tài)的鋯合金板材切邊。同時適用于其他各種金屬板材切邊，該型號剪板機可剪切10 mm 以上的板材，動力為液壓傳動。設(shè)備安全操作規(guī)程中要求在上剪刃與下剪刃往復(fù)的運行過程中，操作者的手不能伸入送料區(qū)，操作者的手指離剪刃口應(yīng)保持最少200 mm 以上的距離。傳統(tǒng)剪板機大多采用物理隔離保護操作者的安全，一般進料口都有設(shè)置防護柵欄進行保護，為了保證操作者的操作視線清晰，防護欄一般設(shè)計為網(wǎng)格狀，存在較大的空隙。操作者需要在剪切工作完成后在剪板機出料口撿拾殘廢料。在安全隱患排查工作中，安全工作組提出剪板機存在較高安全風(fēng)險，需要進行安全隱患整改。因為在剪板機進料口安裝的防護欄存在間隙，手指和手掌可輕松進入。剪板機出料口無安全防護裝置，在操作者進行撿料作業(yè)時，因為視野盲區(qū)，有可能誤啟動設(shè)備，直接危害出料口操作者的安全。改造主要圍繞提升剪板機的安全可靠性而展開。

1 硬件選型

1.1 紅外光柵

紅外光柵又叫“紅外欄桿”，紅外光柵采用多束紅外光對射，是主動紅外對射的一種。發(fā)射器向接收器以“低頻發(fā)射、時分檢測”方式發(fā)出紅外光、一旦有人員或物體擋住發(fā)射器發(fā)出的任何相鄰兩束以上光線時，接收器可在0.5 ms內(nèi)輸出報警信號。相比于改造前的物理隔離，安全光柵即不影響操作者的視線，又可快速發(fā)出報警信號。將紅外光柵安裝在剪板機的進料口和出料口側(cè)，一旦操作人員的手指、手臂、身體進入危險區(qū)域，接收器發(fā)出信號可立即切斷動力電源。

紅外光柵選型時需確定的主要參數(shù)有對射距離、保護高度、光束數(shù)量、光束間距、輸出方式。①光柵對射距離的選擇主要參考所要保護危險區(qū)域的寬度，剪板機的入料口寬度4540 mm，可選擇對射距離大于5 m 的光柵。如果選擇小于這個尺寸，就會造成光幕衰減，光柵靈敏度下降；②保護高度取決于保護區(qū)域的高度，選擇與入料口高度尺寸相同的光柵，250 mm 即可；③光束數(shù)量：安全光柵光束又稱“光眼”，保護高度一樣的情況下，數(shù)量越多，光軸間距越密，檢測物品越小，安全性越高、為了提高安全性盡可能選擇光束多的光柵；④光軸間距指的是安全光柵光眼之間的距離，間距越短、可檢測到的物體越小，安全系數(shù)就會越高；一般10 mm 光軸的光電保護器是可以做到保護手指，20 mm 光軸的光電保護器可以保護手掌，40 mm 光軸的間距的光電保護器是可以保護手臂的。入料口最小保護單元是操作者的手指，可以選擇10 mm 光軸間距。出料口只需要防止人員誤入即可，選擇40 mm 光軸距離；⑤安全光柵的輸出方式有PNP 輸出、NPN 輸出以及R 繼電器輸出。可選擇PNP 常閉雙信號輸出，即正常通光時信號線輸出DC 24 V，遮光時無輸出。選擇雙信號是因為安全繼電器是雙通道安全回路，需要采集兩路信號，安全光柵接線如圖1 所示。

圖1 安全光柵接線圖

1.2 安全繼電器

安全電路控制模塊選擇安全繼電器，安全繼電器設(shè)計的目的是保護暴露在不同等級危險場所的機械操作人員。所謂“安全繼電器”是由數(shù)個繼電器與電路組合而成，能互補彼此的異常缺陷，達到正確且低誤動作的繼電器完整功能，使其失誤和失效值更低，安全因素則更高。“安全繼電器”并不是“沒有故障的繼電器”，而是發(fā)生故障時做出有規(guī)則的動作，它具有強制導(dǎo)向接點結(jié)構(gòu)，即使發(fā)生接點熔焊現(xiàn)象時也能確保安全，這一點同一般繼電器完全不同。傳統(tǒng)電氣安全控制將急停按鈕、安全門、安全光柵等報警信號串接在主控回路，在遇到緊急情況時常閉觸點斷開可切斷控制回路電源。采用安全光柵和安全繼電器的安全電路組合，相比傳統(tǒng)繼電器的優(yōu)點有：①在緊急停止解除前，機器不能出現(xiàn)突然再啟動；②當(dāng)機器安全電路發(fā)生故障時，可以停止機器動力電源；③如果安全電路發(fā)生故障時，機器不能再啟動，就是說必須給安全繼電器一個復(fù)位信號才行，防止安全事件發(fā)生后，設(shè)備的突然再啟動，在一定的程度上規(guī)避安全事故的二次發(fā)生；④即使發(fā)生觸點粘連也能確保安全回路啟動。

安全模塊選擇西門子3TK2827。3TK28 系列安全繼電器觸點均是正向驅(qū)動觸點，其含義為：常開和常閉觸點不得同時閉合。當(dāng)有處于閉合狀態(tài)觸點粘連而無法打開時，處于斷開狀態(tài)觸點是不能閉合的，且保證最小間隙0.5 mm。該型號安全繼電器輸入電壓DC 24 V，屬于雙通道信號型，只有2 個通道信號都正常時，安全繼電器才能正常工作；在工作過程中，只要其中任一通道信號斷開，安全繼電器都會停止輸出，直到2 個通道信號都閉合且復(fù)位后才能正常工作。該繼電器提供2 組瞬動NO 觸點（13-14，23-24）、2 組延時NO 觸點（47-48，57-58）、1 組瞬動報警NC 觸點（31-32），延時時間可通過面板的旋鈕修改。3TK2827 端子含義見表1。

表1 3TK2827 端子含義

2 電路設(shè)計

安全改造設(shè)計思路是將操作臺上及入口側(cè)的急停按鈕和紅外光柵接入安全繼電器，然后將安全繼電器的“強制觸點”串入執(zhí)行器，如中間繼電器或電機的接觸器，當(dāng)有物體觸碰到紅外光束，或者按下急停按鈕，信號傳入安全繼電器內(nèi)，安全繼電器常開觸點斷開，切斷電源回路。危險排除后需手動復(fù)位，設(shè)備才可通電工作。安全繼電器電路原理如圖2 所示。

圖2 安全繼電器電路原理

2.1 安全輸出回路

電源：A1 接24 V 直流電源，A2 接0 V。Y10 和Y11 短接使用雙通道監(jiān)控啟動。（Y11，Y12）和（Y21，Y22）分別接急停按鈕的2 個常閉觸點，并串接安全光柵輸出雙信號KA1 和KA2 的常閉觸點。（13，14）和（23，24）使能回路接KA3 和KA4 中間繼電器電源端子。剪板機主控制回路電源串接在KA3 和KA4 中間繼電器常開觸點，兩個常開觸點串聯(lián)。31，32 信號回路瞬動NC 接信號警示燈，當(dāng)安全繼電器急停時，安全警示燈亮，安全復(fù)位后信號燈滅。

2.2 安全反饋回路

反饋信號接在Y33 和Y34 回路中，串接KA3 和KA4 的常閉點，在緊急停止解除后，安全繼電器的安全反饋回路閉合，安全繼電器有序切斷電源并未探測到物體侵入紅外光束后，按下復(fù)位按鈕，繼電器恢復(fù)正常，設(shè)備才能通電。

2.3 復(fù)位回路

復(fù)位按鈕接在Y33 和Y34 回路，并且取安全輸出回路中間繼電器的常閉點作為反饋信號，只有當(dāng)反饋回路閉合，且CH1和CH2 通路同時閉合時，按下復(fù)位按鈕，安全繼電器安全輸出使能KA3 和KA4 接通，設(shè)備才進入待機狀態(tài)，此時可觀察信號燈滅。安全反饋回路和復(fù)位回路屬于同一回路。

2.4 啟動方式

3TK2827 安全繼電器有兩種啟動模式，自動啟動和監(jiān)控啟動。①自動啟動：只要滿足開啟條件（傳感器和反饋電路閉合），則裝置將自動開啟啟動回路；②監(jiān)控啟動：啟動前，須滿足開啟條件（傳感器和反饋電路閉合）。另外，裝置須要使用ON 按鈕作為啟動信號，安全繼電器通過檢測ON 信號下降沿（脈沖）啟動設(shè)備。改造選用監(jiān)控啟動模式。

3 改造效果及可靠性

改造后的設(shè)備美觀大方、可靠性高，剪板機安全光柵改造效果如圖3 所示。在進料口處，當(dāng)操作人員的手指伸入保護區(qū)域時設(shè)備立即停機，液壓泵停止工作。同樣在出料口有人員進入保護區(qū)域，設(shè)備急停。在操作人員確認(rèn)復(fù)位前，設(shè)備不能啟動。經(jīng)過連續(xù)測試，長時間試生產(chǎn)后設(shè)備運行穩(wěn)定，安全可靠性高。

圖3 剪板機安全化改造效果

4 結(jié)束語

根據(jù)歐洲機器安全標(biāo)準(zhǔn)EN 954-1 和國標(biāo)GB/T 15706—2012，設(shè)計制造設(shè)備前需要進行安全風(fēng)險評估，再進行安全等級劃分。現(xiàn)在很多安全風(fēng)險較高的設(shè)備都配置安全繼電器模塊，通過不同的應(yīng)用場景可搭配安全門、急停開關(guān)、安全光柵、安全地毯、安全觸邊等方案，大大降低了設(shè)備的安全風(fēng)險。設(shè)計改造同時適用于剪切、沖壓、注塑、壓濾、折彎、立體車庫等其他存在危險的場所。