談機械制造系統中的安全控制系統

馮帥帥

摘 要：主要研究機械制造系統的安全控制系統，介紹了機械制造安全控制系統的組成以及邏輯控制設備，并對安全控制系統在機械制造系統中的應用進行了討論。

關鍵詞：機械制造；安全控制；系統

機械制造系統運行過程中存在著一定的安全風險，為了保護工作人員生命安全，有必要進一步研究機械制造安全控制系統，避免機械故障和意外事故造成的人身傷害。設計機械制造系統的安全控制系統時，需要從設備生產和安全控制兩方面著眼，綜合優化設計方案，在提高機械制造系統安全性的同時，加快機械制造效率。

1 機械制造安全控制系統

1.1 概述

安全控制系統是機械制造設備運行和操作流程中，針對機械設備與操作人員的安全保障裝置與措施，機械制造系統設備工作過程中，當因為設備自身故障和人為因素出現意外時，安全控制系統應該能夠快速響應，控制機械制造設備，做出有效應對，保護設備與操作者安全。例如生產線上的緊急按鈕，當生產線設備故障或者人為操作失誤時，安全控制系統能夠快速響應，及時停止生產線，避免造成人身傷害，同時保護其他設備裝置，是機械制造系統中非常重要的組成部分。

1.2 系統組成

機械制造系統安全控制系統形成了一個完整的邏輯鏈條，大概可以劃分為輸出、邏輯、輸出三個方面。輸出層主要以監測機械制造生產線上各種設備運行狀態的傳感器為主，為邏輯層提供決策依據。控制器則根據輸入側提供的各種設備運行參數判斷故障類型和嚴重程度，同時在短時間內給出決策控制方案，輸出側則以安全控制系統中的觸發裝置為主。為了提高安全控制系統的可靠性，提高控制力，現代機械制造安全控制系統主要使用PLC、繼電器、現場標準總線、智能化傳感器和智能化設備等邏輯與功能都相對完善的控制元件組成安全控制系統，滿足安全性能需求。

1.3 安全控制故障

安全系統誤操作反而有可能造成安全事故。雖然安全控制系統能夠準確控制機械制造設備，但是安全系統自身也存在著故障，傳感器誤動作、控制器失誤、觸發裝置故障等都有可能造成安全系統誤操作，導致生產線意外停止。如果安全控制問題處理不當，就有可能給系統留下安全隱患，常見的安全控制故障有：輸入輸出設備故障、處理器不規則、輸出設備故障、線路故障等，在設計和布置安全控制系統時要注意規避這些安全控制故障，消除安全控制隱患，保證安全控制系統的可靠性，保障工作人員人身安全。

2 機械制造安全控制系統邏輯控制設備

邏輯控制設備是機械制造安全控制系統的大腦，是安全控制系統的核心組成，負責輸入端傳感器數據的接收、邏輯分析以及控制指令的輸出，在現代化機械制造控制系統中，邏輯控制設備主要有安全繼電器、PLC以及總線控制系統等。

2.1 安全繼電器模塊

安全繼電器模塊屬于比較簡單的邏輯控制元器件，通過冗余輸出方案與自我檢測功能，提高了輸出載荷控制的可靠性。安全繼電器有兩個安全輸出點，分別和兩個不同的繼電器常開觸點串聯，形成互為備份的安全電路，如果其中一個安全輸出點故障，另一個安全輸出點仍然能夠安全斷開觸點。安全繼電器的內部電路自我檢查功能能夠直接檢測內外部接線故障和內部元器件故障并及時告警，故障排除工作更加方便。

2.2 可編程安全控制器

可編程安全控制器為多套中央處理器控制方案，不同的中央處理器來自不同的生產廠家，滿足冗余、多樣性控制的要求，這也是安全PLC和傳統PLC邏輯元件之間的根本性差別。在工作過程中，當一定數量中央處理器故障之后，其余正常工作的中央處理器仍然能夠繼續執行安全功能，并觸發安全保護動作，切除所有安全輸出，停機。不同的系統有著不同的安全停機處理器故障數量閾值，例如二選一系統只要有處理器故障，系統將立即進入故障安全狀態，三選二系統一個處理器故障，系統將繼續運行。相比之下，二重冗余系統的安全性更高，但是可用性較低，三重冗余系統安全性與可用性均高于前者，應用可行性強。

安全控制PLC的信號采集、處理以及輸出均進行冗余控制，信號進入PLC，在多個處理器的邏輯處理之后，將存入多個寄存器中，形成了多個輸出冗余通道，信號狀態、處理結果均能夠在安全PLC內部暫存系統中相互比較，如果結果不一致，將根據系統特征，或者檢測故障，或者直接進入故障安全狀態。輸入回路可以使用雙通道方案，直接在安全PLC上接入兩根物理線，安全PLC還能夠提供安全測試脈沖，能夠檢測輸入通道是否存在故障。內部電路同樣為冗余多樣性方案，每個輸出節點都采用切斷基極信號與切斷電極電源兩種方式轉變輸出信號1為0，只要有一種傳輸方式工作正常，就能夠及時切換進入故障安全狀態。

安全PLC掃描速度在千條指令/ms以上，中央處理速度非?？?，從而滿足緊急停車的需求，安全功能的自檢時間也更短。軟件方面，安全PLC可編程，提供了規范安全功能編程方案，具有MBS安全標準功能加密塊，不可修改，在功能塊中輸入與輸出部分填寫必要的地址、運行參與以及中間變量，就能夠完成安全編程，提高編程與運行環境的穩定性。

2.3 現場安全總線

現場安全總線是由輸入側、輸出側以及安全PLC和現場總線形成的離散控制系統，以硬件和通信可靠性作為整個安全控制系統的判斷依據，系統模塊硬件同樣為冗余高速可靠元器件。

3 機械制造安全控制系統的應用

3.1 在汽車制造加工生產線控制系統中的應用

以汽車制造業為例，汽車制造涉及到涂裝、焊接、沖壓等多個工序，在整個生產工藝流程中，沖壓車間的安全風險系數最高，因此在沖壓車間有必要引入安全控制系統，在保證工藝性的前提下，為工作人員與設備提供安全防護。

3.1.1 緊急停止裝置

緊急停止裝置能夠控制無意重啟行為，尤其是在傳統控制系統中，一些危險因素有導致意外重啟的風險，例如操動頭松動，如果錯誤的啟動了操作按鈕，機器重新啟動就有可能出現意外。因為沒有鎖定功能，緊急停止裝置安全觸點將不會一直處于斷開狀態，保護設備與操作人員人身安全。

3.1.2 防護安全門

為了避免工作人員在壓機內操作時出現安全事故，需要在壓機上安裝安全防護門，這是現階段應用比較廣泛的安全控制系統技術，防護安全門能夠保證在機器危險動作停止之前，工作人員無法進入危險區域，通過安全防護門的開關監督并控制防護門。

3.2 在鋼鐵制造業的應用

鋼鐵加工過程中，很多生產環節都十分危險，容易給現場工作人員帶來人身傷害。例如鋼鐵冷軋生產線上，加工原材料是熱軋帶鋼，冷軋之前首先需要進行酸洗除銹，徹底清除冷卻后表面形成的氧化鐵層，冷軋酸洗之前需要檢查酸洗設備的工作狀態。冷軋是鋼鐵加工中制造工藝要求最高的環節，對生產安全的要求也最為嚴格。工作人員在軋制操作過程中有很多手動作業，如手動裝載、清洗、調試和檢測等，現場操作過程中如果機械設備出現故障，會給工作人員帶來極大的人身安全威脅，因此有必要鋼鐵加工制造業中引入安全系統，當機械設備故障時能夠及時切換到故障安全狀態，給操作人員保護自己的時間，將冷軋生產線控制系統分為生產控制系統和安全控制系統兩部分，提高冷軋生產線的安全性。

3.3 在風力發電機組制造生產線上的應用

風力發電機制造技術核心是電氣控制，電氣控制系統是風機運行的安全保障，可進一步細分為安全系統和標準控制系統兩個部分。安全系統是邏輯方案優于標準控制系統的一種控制系統方案，如果相關運行參數超過了安全限值，將自動觸發安全系統，保護機組運行的安全。標準控制系統是風機正常運行控制系統，依據風力發電機組運行狀態信息對風力發電機組進行調節，維持風力發電機組正常運行，如果在運行過程中一些安全指標超出正常指標，將會觸發安全系統。當風機安全系統和標準控制系統之間出現沖突時，標準控制系統將完全服從安全控制系統的指令，安全控制系統在正常運行過程中將實時監控各類安全指標，如果設備異常，會立即觸發制動系統，維持風機空轉或者停止。

4 結語

機械安全控制系統監督機械生產控制系統以及各種生產設備的運行狀態，在正常運行狀態下，機械安全控制系統主要負責各種設備運行狀態參數的監測，一旦設備出現故障，安全控制系統將立即切換為故障安全狀態，緊急制動或者維持空轉，保護設備與工作人員的安全。

參考文獻：

[1]周習東.淺談機械制造中的安全系統[J].企業技術開發，2014（02）.

[2]許莉娜.談機械制造系統中的安全控制系統[J].科技創新與應用，2014（11）.

[3]李安.淺談機械制造系統中的安全控制系統[J].裝備制造技術，2013（10）.

[4]劉婷婷.網絡化制造系統中安全體系結構及訪問控制技術研究[D].南京理工大學，2014.

[5]鹿革.機械制造中的安全控制系統[J].科技傳播，2013（10）.

[6]蔣平.機械制造的工藝可靠性研究[D].國防科學技術大學，2014.