歐盟機床安全防護方案的探討及維修

劉 清

（中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川成都 610100）

0 引言

數控機床的普及，是進入數字化制造技術為核心的機電一體化時代的標志。高速、高效、高精、復合的現代數控機床已經逐漸成為機加工設備的主流。使用功能強大的數控機床設備時，考慮到設備運行時可能對人和設備造成的損害，采取相應措施，最大限度保護人員和設備的安全。機械產品的安全防護，不同國家和地區有不同的要求，其中歐盟國家的機械產品都必須通過CE（CONFORMITE EUROPEENNE，歐洲統一）認證，為確保操作人員的人身安全及財產安全，CE認證標準對數控機床的安全防護有詳細要求。西門子840D SL數控系統提供的安全集成功能滿足歐盟CE認證的要求和標準，應用在大量的數控機床安全防護方案中。以奧地利生產的一臺M120車鏜銑加工中心為例，解析數控機床安全防護方案。

1 機床安全防護方案

1.1 M120車鏜銑加工中心

1臺奧地利WFL公司制造M120車鏜銑加工中心，于2014年7月安裝調試完畢并投入使用,機床最大加工長度6500 mm,回轉直徑1140 mm，最大工件重量1500 kg。該機床能很好的實現車、鏜、銑等金屬切割操作，并附帶打磨、拋光、壓花和滾花等成型操作。該機床具有較大的生產靈活性，可以最大程度縮短停工時間和工藝規劃時間，提高機床工作效率。為了適應復雜加工及刀具多樣性的需要，M120加工中心配備有刀庫系統。該磨床按照歐盟CE認證要求設計，應用諸多西門子840D SL安全集成系統功能，在歐盟生產的數控設備安全防護設計方面具有一定的代表性。

1.2 安全集成系統硬件組成

M120車鏜銑加工中心數控系統采用西門子840D SL，伺服驅動采用S120數字伺服驅動系統，PLC（Programmable Logic Control，可編程邏輯控制）采用S7-300可編程控制器，并使用ProfiNET做為現場通信總線，同時使用ET200s安全I/O模塊做為ProfiSAFE的安全輸入輸出信號模塊。

1.3 安全防護方案需要完成的任務

M120車鏜銑加工中心的安全集成系統負責安全監控所有軸/主軸驅動裝置。SPL根據保護門位置、急停操作設備和確認鍵的接通狀態來釋放有危險的機床移動。安全防護方案需要完成下列的安全任務：

（1）通過打開機身保護門來激活機身軸的安全運行停止（SBH）。

（2）主軸只有處于安全停止狀態（SH），才可以手動旋轉。

（3）按下機身確認鍵時，如果保護門開啟，則使用安全速度1 功能（SG1＜2 m/min＜50 r/min）替代安全運行停止（SBH）。

（4）機身保護門關閉時，才可以激活安全速度2功能（SG2快速移動）

（5）通過打開手動裝料門來激活刀庫（滾筒式刀庫）軸的安全運行停止（SBH）。手動裝料門關閉時，安全速度1功能（SG1快速移動）激活。

（6）通過打開機身保護門和敞開的更換裝置蓋板來激活換刀器軸的安全運行停止（SBH）。

（7）機身保護門或更換裝置蓋板關閉時，安全速度2功能（SG2快速移動）激活。

（8）所有線性軸的終端位置（行程終點）通過安全終端功能（SE）進行監控。

（9）接通機床后或達到適當的測試條件（保護門和刀具—手動裝料門已關閉，機床處于復位狀態，無故障，全部軸處于靜止狀態），系統自動對與安全相關的駐車制動器和安全集成的停機路徑等狀態進行安全檢測。測試停止之后才能再次啟動程序。

2 機床安全防護原理

M120車鏜銑加工中心安全防護方案系統結構如圖1所示，PLC—SPL和 NCK—SPL組成的 SPL（Safe Programmable Logic，安全可編程邏輯）同SINUMERIK安全集成在一起完成Millturn—機床中的所有安全任務。為了檢查2個 SPL的功能性，需要在系統程序中對 PLC和NCK（Numerical Control Kernel，數控內核）之間的周期性數據進行比較，這些數據包括進入SPL的信號、SPL生成的安全信號以及內部狀態等數據。

840D SL安全集成系統通過對上面2個通道的數據進行周期性比較,實現雙通道檢測功能，任何一個通道控制失效時,還能使用另外一個通道的控制保證安全控制功能的正確實現。SPL程序同時在NC和PLC系統內執行，并實時同步監控檢測，當檢測雙通道信號的不同步時間超過設定值（一般設定值為500 ms），系統會認為NC和PLC的信號狀態不一致，數控系統將立即產生報警，并使伺服軸立即安全停止并切斷伺服轉矩輸出和伺服使能。其中安全門鎖、雙手操作按鈕和急停按鈕等信號對操作人員的人身安全以及機床設備的財產安全起到至關重要的作用，因此根據安全標準將這些輸入輸出信號規定為高等級的信號，為了實現安全功能，這些I/O信號必須使用雙通道功能的電氣元件，且PLC的安全I/O模塊也必須使用雙通道的安全模塊。

圖1 安全防護方案系統結構

3 機床安全防護維修

840D SL安全集成系統兩側一樣的邏輯說明了SPL程序的嚴謹性，交叉校驗非常有效，雖然邏輯相同，但兩路信號卻真實存在，從原理上講采取的是不同的控制方式，但為了時刻校驗其正確與否，必然是兩者相同的邏輯。邏輯條件的意義在于在同一個安全周期內，確保SPL的各個系統變量的校驗和不出問題。出了問題，也是兩路保護，更加確保硬件和人員的安全。從維修角度考慮，如果出現安全集成功能方面的報警信息，說明雙通道校驗出錯，一定是先查看對應的雙通道的值分別是什么，它們對應的邏輯條件有沒有問題，再確認實物是否損壞，從而判斷是哪一路的問題，有針對性地解決，這就是針對安全集成系統的維修思路。

維修安全集成系統時，可以通過查看數控系統診斷畫面的監控信息進行故障診斷，能快速確認安全集成報警類型。

案例一。機床出現“27001軸MW1交叉校對錯誤，201750軸MW1編碼器硬件故障。”軸MW1為機床支架1移動軸，查看診斷界面，發現NCK伺服軸坐標位置和Drive安全編碼器坐標位置存在誤差且超過相關設定公差值，因此引起伺服軸立即STOP A停止，并產生相關安全集成報警。一般情況下，編碼器信號進入伺服驅動，光柵尺信號輸入NC端，兩者數值不同，差距增大到一定程度就會報警。最后檢查發現，軸MW1電機編碼器損壞，更換編碼器后機床恢復正常。

案例二。機床使用過程中出現“安全防護滑動門鎖故障。”“F模塊199，通道出錯。”機床無法正常運行。為了實現防護滑動門安全功能，安全防護門采用雙信號方式，門鎖I/O信號采用雙通道功能的電氣元件，信號通過2個通道分別進入INSE和INSEP，當一個門開關信號丟失，另一個信號完好時，會觸發門信號安全報警。通過PLC界面查看膠條滑動保護正常的2路信號，$A_INSE[08]為1，INSEP[08]為 0，最終確認安全防護滑動門一邊膠條內的感應開關損壞，造成一個門關閉信號丟失而發出報警。更換損壞的膠條，設備恢復正常。

案例三。機床開機時出現多個安全信息報警，“F模塊198，通道出錯。”多次啟動系統，無法消除報警。打開電氣柜查看，發現編號198安全I/O模塊PR0FIsafe（訂貨6ES7138-4FA05-0AB0)的所有指示燈不亮，判斷該模塊損壞，造成相關的安全功能報警。更換新的安全I/O模塊時要注意，每個安全模塊的F_dest_address參數是按順序依次從200開始排序，更換時必須將模塊的DIP switch setting（9—0）設置相對應的開關量值，例如：安全輸入模塊1參數F_dest_address設為200，則DIP switch setting需設置為0011001000，且安全模塊自身的撥碼開關應與其一致。更換后，機床恢復正常。

案例四。機床使用過程中，由于操作原因，Y軸到達軟限位時該坐標安全停車。安全集成中的軟限位采取雙通道同時監控軸的位置信息，一旦超過坐標軸設定的限位值，系統會選擇參數定義的安全停車。遇到這種情況，先打開西門子840D SL的HMI操作界面中“安全協議”選項界面，將信息提示軸的坐標框選掉，即去掉打叉，這時安全軟限位功能暫時失效，操作者按相反的方向把Y軸開到一個正常的位置，重新選擇“用戶協議”生效后，安全軟限位開關功能被重新激活，Y軸可以正常使用。

4 結語

安全集成功能作為未來數控機床的發展方向之一，在歐盟國家的大型數控設備中已經基本普及，但在國內的機床設備上還處于起步階段。應根據機床的危險程度，借鑒歐盟的先進安全防護經驗，采取不同方案，達到最佳的安全防護效果。最大限度保障操作人員和設備的安全，減少意外事故發生的概率，提高機床使用的安全性和可靠性。在維修安全集成功能時，要從系統工作原理入手，努力掌握維修方法和技巧，以達到事半功倍的維修效果。