機(jī) 械 安 全 控 制 系 統(tǒng) 實(shí) 驗(yàn) 臺(tái) 的 研 制

周 成， 居里鍇， 劉天騰

(南京理工大學(xué) a. 工程訓(xùn)練中心；b. 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械化、自動(dòng)化及信息化已成為工業(yè)領(lǐng)域的主要生產(chǎn)方式。然而，伴隨機(jī)械的大量使用，由于人的不安全行為、機(jī)械的不安全狀態(tài)，機(jī)械安全問題日趨凸顯和嚴(yán)峻。同時(shí)機(jī)械安全問題也成為發(fā)達(dá)國(guó)家在國(guó)際貿(mào)易中設(shè)置技術(shù)貿(mào)易壁壘的重要依據(jù)。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)階段秉持本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的理念，是提高產(chǎn)品安全水平、降低安全成本、保障使用者安全最行之有效的手段[1-7]。

產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，對(duì)存在較大風(fēng)險(xiǎn)源的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同步設(shè)計(jì)安全防護(hù)控制系統(tǒng)，即使操作人員失誤或發(fā)生機(jī)械故障，也可確保操作人員安全。當(dāng)前，能夠進(jìn)行機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者大多是在工作中通過實(shí)踐獲得的。高等學(xué)校作為高等人才培養(yǎng)的主要場(chǎng)所，其畢業(yè)生將成為企業(yè)設(shè)計(jì)、研發(fā)產(chǎn)品的主力軍，高校學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)卻忽視了機(jī)械產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)的方法，不具備機(jī)械安全設(shè)計(jì)的意識(shí)[8-11]。本文研制了機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，貫徹提高產(chǎn)品的本質(zhì)安全水平，讓學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就具有考慮安全防護(hù)問題的意識(shí)，從源頭上提高安全生產(chǎn)的水平。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

機(jī)械安全控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由工件搬運(yùn)系統(tǒng)、安全防護(hù)控制系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控軟件三部分組成。工件搬運(yùn)系統(tǒng)通過機(jī)器人抓取同步帶上運(yùn)輸?shù)奈锪希M工業(yè)生產(chǎn)中物料的自動(dòng)傳輸過程；安全防護(hù)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)在工件搬運(yùn)過程中，有危險(xiǎn)產(chǎn)生時(shí)控制工件搬運(yùn)系統(tǒng)停止工作；實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控軟件用于監(jiān)控安全防護(hù)控制系統(tǒng)在工作過程中的狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成見圖1，由抓取機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、安全光幕、光幕智能屏蔽器、滑臺(tái)限位傳感器、工件、同步帶、滑臺(tái)、安全控制器接線盒、按鈕盒、啟動(dòng)按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、計(jì)算機(jī)、多層警示燈、實(shí)驗(yàn)臺(tái)面、機(jī)器人控制盒、電源總開關(guān)、安全控制器、安全繼電器、電源指示燈、總控制柜、磁感應(yīng)連鎖開關(guān)、安全連鎖開關(guān)、解鎖按鈕、安全圍欄等組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物見圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

使用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的安全防護(hù)控制系統(tǒng)，通過安全控制器接線盒連接所需的安全元器件。工件搬運(yùn)系統(tǒng)開始工作時(shí)，如人員觸發(fā)安全元器件( 如安全光幕) ，工件搬運(yùn)系統(tǒng)自動(dòng)停止工作，多層警示燈發(fā)出報(bào)警聲。使用本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)如下功能: ① 學(xué)習(xí)安全防護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)自身設(shè)計(jì)有相關(guān)安全防護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可通過實(shí)驗(yàn)掌握安全防護(hù)控制系統(tǒng)的原理及其設(shè)計(jì)方法。② 學(xué)習(xí)不同安全元器件的功能應(yīng)用。安全元器件是組成安全防護(hù)控制系統(tǒng)的基本元件，可通過本實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)單個(gè)元器件的功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓使用者掌握安全元器件的原理及使用方法。③ 安全防護(hù)控制系統(tǒng)的驗(yàn)證。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行安全防護(hù)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，可先通過本實(shí)驗(yàn)臺(tái)構(gòu)建設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足使用功能，提出改進(jìn)措施。通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行方案分析和改進(jìn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

2 工件搬運(yùn)系統(tǒng)

工件搬運(yùn)系統(tǒng)由抓取機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、滑臺(tái)限位傳感器、工件、同步帶、滑臺(tái)、機(jī)器人控制盒組成。滑臺(tái)固定于同步帶上，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下同步帶帶動(dòng)工件移動(dòng)，滑臺(tái)限位傳感器固定于同步帶上，抓取機(jī)器人及機(jī)器人控制盒置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上，結(jié)構(gòu)如圖3所示。抓取機(jī)器人選取四軸碼垛機(jī)器人，其速度快、成本低，適合小工業(yè)產(chǎn)線碼垛、物料篩選等工作，抓手采用伺服直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械抓手。

圖3 工件搬運(yùn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)時(shí)，工件置于滑臺(tái)上，滑臺(tái)處于初始工作位置(限位傳感器1#處)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，工件被同步帶運(yùn)輸移動(dòng)到工作終點(diǎn)(限位傳感器2#處)；機(jī)器人根據(jù)設(shè)置的動(dòng)作循環(huán)抓取工件，并搬運(yùn)至側(cè)面物料盒中；滑臺(tái)在機(jī)器人抓取工件后自動(dòng)回到初始工作位置，進(jìn)行下次的工件搬運(yùn)過程。

3 安全防護(hù)控制系統(tǒng)

3.1 安全防護(hù)控制系統(tǒng)

安全防護(hù)控制系統(tǒng)的作用是保護(hù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員和加工設(shè)備的安全，避免工作人員出現(xiàn)人身安全事故，避免現(xiàn)場(chǎng)的加工設(shè)備受到損壞，減少企業(yè)因安全事故所造成的損失。

安全防護(hù)控制系統(tǒng)由不同類型的安全元器件組成，主要由安全輸入設(shè)備、安全控制設(shè)備、安全輸出設(shè)備三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。安全輸入設(shè)備主要用于檢測(cè)是否有人員接近危險(xiǎn)源；安全輸出設(shè)備用于控制危險(xiǎn)源的動(dòng)作，且可以降低其風(fēng)險(xiǎn)；安全控制設(shè)備是對(duì)安全輸入信息進(jìn)行讀取、運(yùn)算，對(duì)安全輸出設(shè)備進(jìn)行控制的設(shè)備，是安全系統(tǒng)的核心，對(duì)安全系統(tǒng)的構(gòu)筑起到了關(guān)鍵的作用。

圖4 安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)械安全防護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)安全防護(hù)控制系統(tǒng)由安全光幕、光幕智能屏蔽器、復(fù)位按鈕、急停按鈕、多層警示燈、安全控制器、安全繼電器、磁感應(yīng)連鎖開關(guān)、安全連鎖開關(guān)、解鎖按鈕等組成。系統(tǒng)組成原理圖如圖5所示。

圖5 安全控制系統(tǒng)原理圖

3.2 安全控制器

安全控制器選用歐姆龍公司G9SP。G9SP安全控制器具有以下特點(diǎn)。

(1) 自由編程。與普通可編程控制器一樣，通過配套的G9SP Configurator軟件，對(duì)輸入、輸出進(jìn)行定義，對(duì)程序進(jìn)行編寫、更改，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)控制系統(tǒng)的監(jiān)控。

(2) 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、方便接線。由于G9SP安全控制器將以前急停開關(guān)、安全門開關(guān)、安全光幕等多個(gè)元器件的功能集成在一個(gè)控制器上，可以直接將安全信號(hào)接在G9SP安全控制器上。

(3) 靈活配置。不僅可以單獨(dú)使用G9SP安全控制器，也可以和普通可編程控制器配套使用，還可以增加一些擴(kuò)展模塊，靈活地配置一些模塊進(jìn)行組合[12-15]。

在構(gòu)建安全防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，G9SP安全控制器一般置于控制柜中，各安全元器件連接于G9SP安全控制器的輸入與輸出端口，對(duì)于一個(gè)固定功能的安全防護(hù)控制系統(tǒng)，其接線方式固定。如需改變安全防護(hù)控制系統(tǒng)的功能，增加或減少安全元器件，則需改變接線方式，而對(duì)于已經(jīng)完成接線工作的安全防護(hù)控制系統(tǒng)，再次改變接線方式將費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的產(chǎn)生。為了解決此問題，研制了G9SP安全PLC試驗(yàn)盒，如圖6所示。G9SP安全控制器具有Si00～Si19的輸入接口和So00～So07、T0～T5的輸出接口，將G9SP安全PLC試驗(yàn)盒上的接口與G9SP安全控制器上的對(duì)應(yīng)接口串接。使用即插即拔的連接線將安全元器件連接于G9SP安全PLC試驗(yàn)盒上，即可實(shí)現(xiàn)G9SP安全控制器接線的快速改變，從而方便快速的構(gòu)建不同安全防護(hù)控制系統(tǒng)。

圖6 G9SP安全PLC試驗(yàn)盒

4 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的安全防護(hù)系統(tǒng)輸入與輸出設(shè)備，完成G9SP安全PLC試驗(yàn)盒上的接線。

(2) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)上電，電源總開關(guān)打開，電源指示燈亮起。復(fù)位按鈕上的指示燈閃爍，啟動(dòng)抓取機(jī)器人，按下復(fù)位按鈕。復(fù)位按鈕指示燈滅掉，所有產(chǎn)品都處于正常狀態(tài)，多層警示燈綠色燈亮，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可正常使用。

(3) 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)選用的安全控制器使用的控制軟件，構(gòu)建安全防護(hù)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面。

(4) 進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)的G9SP安全控制器控制軟件，構(gòu)建安全防護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控界面，見圖7，并開啟監(jiān)控功能。

(5) 將工件置于滑臺(tái)上，滑臺(tái)處于初始工作位置。

(6) 按下啟動(dòng)按鈕，工件被同步帶運(yùn)輸移動(dòng)到工作終點(diǎn)。由于光幕智能屏蔽器的存在，在工件運(yùn)輸過程中，不會(huì)因?yàn)楣ぜ┻^安全光幕導(dǎo)致工件搬運(yùn)系統(tǒng)停止工作。抓取機(jī)器人根據(jù)設(shè)置的動(dòng)作循環(huán)抓取工件，并搬運(yùn)至側(cè)面的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上；滑臺(tái)在抓取機(jī)器人抓搬運(yùn)過程。

圖7 安全防護(hù)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

(7) 人手穿過安全光幕，工件搬運(yùn)系統(tǒng)立刻停止工作，多層警示燈紅色燈亮起，同時(shí)報(bào)警聲響起，安全防護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控界面中的“光幕”部分閃爍。

(8) 按下復(fù)位按鈕實(shí)驗(yàn)臺(tái)恢復(fù)到步驟(5)狀態(tài)。

(9) 同理，可通過急停按鈕、磁感應(yīng)連鎖開關(guān)、安全連鎖開關(guān)觸發(fā)安全防護(hù)控制系統(tǒng)控制工件搬運(yùn)系統(tǒng)停止工作。

5 結(jié) 語

產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，而具有此意識(shí)的人員往往都是在工作中通過實(shí)踐獲得的，高校學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)均忽視了機(jī)械產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)的方法，機(jī)械安全設(shè)計(jì)意識(shí)淡薄。機(jī)械安全控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制為高校進(jìn)行安全防護(hù)控制系統(tǒng)的教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)裝置。可通過安全防護(hù)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)即考慮安全防護(hù)問題，提高產(chǎn)品的本質(zhì)安全水平。

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