機(jī)械壓力機(jī)電氣安全控制回路的實(shí)現(xiàn)研究

金 超，劉志兵

（1.浙江鍛機(jī)床有限公司，浙江 嵊州 312451；2.浙江高精鍛壓機(jī)床股份有限公司，浙江 嵊州 312000）

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO16092《機(jī)床安全——壓力機(jī)》系列標(biāo)準(zhǔn)的推出，將給國(guó)內(nèi)機(jī)械壓力機(jī)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)很大影響。2012年，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》進(jìn)行的國(guó)抽檢測(cè)，不合格率達(dá)到75%，為此國(guó)內(nèi)媒體發(fā)表相關(guān)報(bào)道，指出機(jī)械壓力機(jī)制造業(yè)在安全控制及安全保護(hù)上存在嚴(yán)重問(wèn)題。若干年過(guò)去了，目前國(guó)內(nèi)機(jī)械壓力機(jī)制造業(yè)除相當(dāng)規(guī)模地應(yīng)用機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)取，送工件外，仍有相當(dāng)部分機(jī)械壓力機(jī)的電氣安全控制沒(méi)有根本改善，安全事故仍層出不窮。為確保機(jī)械壓力機(jī)操作者的安全，提高機(jī)械壓力機(jī)制造業(yè)的安全技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力機(jī)電氣安全控制顯得更為重要（本文所述的機(jī)械壓力機(jī)不包括伺服壓力機(jī)）。

1 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力機(jī)電氣安全控制的主要標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)為：GB/T16856.1-2008《機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)第一部分原則》；GB/T 16855.1-2008《機(jī)械安全控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第1部分：設(shè)計(jì)通則》；GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T16856.1-2008《機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)第一部分原則》，對(duì)機(jī)械壓力機(jī)滑塊（即模具）運(yùn)動(dòng)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)水平評(píng)估得到，機(jī)械壓力機(jī)滑塊（即模具）運(yùn)動(dòng)區(qū)域無(wú)論對(duì)機(jī)床維修人員還是對(duì)操作者造成傷害均為不可恢復(fù)，暴露在滑塊（即模具）運(yùn)動(dòng)區(qū)域的時(shí)間是連續(xù)，頻繁的，對(duì)于造成的傷害經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證不可避免的，因此對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)電路控制的安全水平應(yīng)該達(dá)到GB/T16855.1-2008《機(jī)械安全控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第1部分：設(shè)計(jì)通則》附錄A中PLe的規(guī)定以及相關(guān)Cat4控制的規(guī)定。

在國(guó)標(biāo)GB/T16855.1-2008《機(jī)械安全控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第1部分：設(shè)計(jì)通則》中規(guī)定要求滿足PLe，Cat4的控制要求，必須滿足如下條件：①診斷覆蓋率DCavg==高 大于99%（危險(xiǎn)故障監(jiān)控率）；②每個(gè)冗余通道MTTFd==高 大于30年（平均無(wú)危險(xiǎn)故障時(shí)間間隔）；③共因失效CCF 大于60分（從分離/隔離，差異性，設(shè)計(jì)/應(yīng)用/經(jīng)驗(yàn)，評(píng)價(jià)/分析，能力/培訓(xùn)，環(huán)境等六個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估）；④考慮4類可實(shí)現(xiàn)的最大值PL==e（應(yīng)達(dá)到的安全水平）；⑤結(jié)構(gòu)要求，與3類相同，注意冗余，交叉監(jiān)控；⑥任何零部件的的單一故障都不會(huì)導(dǎo)致安全功能的喪失；⑦在下一個(gè)安全指令發(fā)出或發(fā)出前應(yīng)檢測(cè)單一故障（注意安全清單）；⑧檢測(cè)不到的故障，發(fā)生故障累積不應(yīng)導(dǎo)至安全功能損失（預(yù)防故障累積而損失安全功能）；⑨符合其他相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16855.1-2008《機(jī)械安全控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第1部分：設(shè)計(jì)通則》4.1條（考慮所有預(yù)定使用和可預(yù)見(jiàn)的誤用），4.2條（風(fēng)險(xiǎn)減少策略），4.4條（控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件SRP/CS的設(shè)計(jì)），4.6條（軟件的安全要求），4.7條（檢驗(yàn)設(shè)計(jì)所能達(dá)到的安全水平PL能否滿足克服預(yù)定風(fēng)險(xiǎn)安全水平PLr）和5條（安全功能）規(guī)定等規(guī)定。

另外，國(guó)標(biāo)GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》5.4條“控制和監(jiān)控系統(tǒng)”分別對(duì)機(jī)械壓力機(jī)涉及有危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)（滑塊運(yùn)動(dòng)）控制，監(jiān)控，相關(guān)的指令，安全控制裝置及安全功能部件等要求作出相應(yīng)的規(guī)定。其中涉及到安全控制的有離合器/制動(dòng)器的動(dòng)作，超程（防連沖，二度落），單次行程停止，抑制（光幕控制）等。涉及到執(zhí)行安全（監(jiān)控）控制的裝置，元器件有離合器/制動(dòng)器，安全雙聯(lián)閥，光電保護(hù)裝置，超前開(kāi)啟連鎖防護(hù)裝置，機(jī)械凸輪，控制裝置（雙手操作，腳踏操作，急停），選擇開(kāi)關(guān)，位置開(kāi)關(guān)，隔離切斷開(kāi)關(guān)，可編程電子系統(tǒng)（PES），可編程氣動(dòng)系統(tǒng)等。

2 壓力機(jī)電氣控制回路的現(xiàn)狀

機(jī)械壓力機(jī)（分轉(zhuǎn)式離合器）主要由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)能用飛輪運(yùn)行，通過(guò)控制分轉(zhuǎn)式離合器的接合，將動(dòng)力通過(guò)曲軸連桿傳遞給滑塊做上，下作功運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合安裝在滑塊上的模具，達(dá)到?jīng)_壓工件的目的。分轉(zhuǎn)式離合器機(jī)械壓力機(jī)的滑塊工作時(shí)主要有“寸動(dòng)”，“單次行程”，“連續(xù)運(yùn)行”，“停止”等運(yùn)動(dòng)方式構(gòu)成，因此相關(guān)控制（包括監(jiān)控）的要求均應(yīng)在符合上述安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)進(jìn)行展開(kāi)，其中包括安全指令的確定，安全功能部件和元器件的選用和安全監(jiān)控回路的構(gòu)建。

圖1 JZ系列機(jī)械壓力機(jī)電氣控制圖

以本公司生產(chǎn)的 JZ21-25B，45B，63B，80B機(jī)械壓力機(jī)（分轉(zhuǎn)式離合器）為例，其原相關(guān)的電氣控制如圖1所示。由圖可知，上述系列機(jī)械壓力機(jī)（分轉(zhuǎn)式離合器）的電氣控制主要有“主電路”，“PLC控制電路”，PAC電子凸輪控制器和“凸輪開(kāi)關(guān)箱”構(gòu)成。而其中的主電路分別實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床提供的動(dòng)力主電機(jī)M1，調(diào)整滑塊用的制動(dòng)電機(jī)M3和潤(rùn)滑用電機(jī)M2(有用戶選配)，安全雙聯(lián)閥動(dòng)作，吹料和光電的直接控制。PLC控制電路PAC電子凸輪控制器分別通過(guò)各類人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)（如各類按扭，選擇開(kāi)關(guān)）實(shí)現(xiàn)對(duì)上述主電機(jī)M1，調(diào)整滑塊用的制動(dòng)電機(jī)M3和潤(rùn)滑用電機(jī)M2(有用戶選配)，安全雙聯(lián)閥動(dòng)作，吹料和光電的實(shí)現(xiàn)各種模式的先導(dǎo)控制。而凸輪控制箱分別由機(jī)械凸輪（如圖3中的SQ7）和由電子凸輪（如圖3中的 CA01，CA01，CA03）兩部分構(gòu)成，其中是與機(jī)械壓力機(jī)曲轉(zhuǎn)在各個(gè)位置根據(jù)各種不同的功能（如“二度落”即“防連沖”，“上死點(diǎn)”，“單次區(qū)域”即“抑制”等）并由凸輪開(kāi)關(guān)箱內(nèi)的位置開(kāi)關(guān)同步發(fā)出所需“通”或“斷”電信號(hào)，給PLC控制電路（包括PLC擴(kuò)展模塊）輸入信號(hào),使上述機(jī)械壓力機(jī)按預(yù)設(shè)的要求完成各種功能指令的控制。

另外，從圖1所涉及到控制指令可分為主電機(jī)M1的系列控制，壓力機(jī)滑塊模高調(diào)節(jié)制動(dòng)電機(jī)M3控制，潤(rùn)滑電機(jī)M2的控制（由用戶選配），壓力機(jī)滑塊上下運(yùn)動(dòng)（其中包括離合器通斷）系列控制和其它送料，吹料的控制。而主電機(jī)的起動(dòng)，停止分別通過(guò)主電機(jī)起動(dòng)按扭SB2，停止按扭SB1，變頻調(diào)整器中UL的常閉觸點(diǎn)經(jīng)PLC通過(guò)變頻調(diào)整器實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的，主電機(jī)的速度調(diào)整通過(guò)調(diào)節(jié)電位器W1實(shí)現(xiàn)。壓力機(jī)滑塊模高調(diào)節(jié)制動(dòng)電機(jī)M3分別實(shí)現(xiàn)“下降”、“停止”、“上升”三個(gè)指令，并用空氣開(kāi)關(guān)QF2，選擇按扭開(kāi)關(guān)SA4，SB5通過(guò)PLC控制交流接觸器KM3，KM4實(shí)現(xiàn)。另外根據(jù)用用戶要求選配的潤(rùn)滑電機(jī)M2經(jīng)PLC通過(guò)繼電器KA9實(shí)現(xiàn)控制。

圖1中涉及壓力機(jī)滑塊上下運(yùn)動(dòng)（其中包括離合器通斷）系列控制是通過(guò)控制壓力機(jī)安全雙聯(lián)閥的“通”，“斷”實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)滑塊的“連續(xù)”、“單次”、“寸動(dòng)”、“停止”、“急?！边\(yùn)行指令。

“連續(xù)”運(yùn)行指令有“連續(xù)起動(dòng)”和“連續(xù)停止”兩部分構(gòu)成，而“連續(xù)起動(dòng)”時(shí)有選擇開(kāi)關(guān)SB2（設(shè)置在“連續(xù)”運(yùn)行位置），雙手按扭SB6，SB7，電子凸輪中“上死點(diǎn)”CA03并結(jié)合光幕中2KJ和安全雙聯(lián)閥（故障）檢測(cè)開(kāi)關(guān)SQ5分別給PLC發(fā)出可運(yùn)行指令，經(jīng)PLC和PAC電子凸輪控制器運(yùn)算處理后給安全雙聯(lián)閥的控制繼電器KA2發(fā)出接通信號(hào)，安全雙聯(lián)的得電換向后使壓縮空氣進(jìn)入離合器，此時(shí)離合器合上（制動(dòng)器脫開(kāi)）帶動(dòng)滑塊連續(xù)“上”、“下”運(yùn)動(dòng)。按動(dòng)“連續(xù)停止”按扭SB9或者“無(wú)料檢測(cè)”繼電器KA5接通后給PLC發(fā)出“連續(xù)停止”指令，經(jīng)PLC和PAC電子凸輪控制器運(yùn)算處理后給安全雙聯(lián)閥的控制繼電器KA2發(fā)出斷開(kāi)信號(hào)，安全雙聯(lián)的失電換向后使離合器中的壓縮空氣經(jīng)安全雙聯(lián)閥排氣口中排出，此時(shí)離合器脫開(kāi)（制動(dòng)器合上）。

“單次”運(yùn)行指令是有選擇開(kāi)關(guān)SB2（設(shè)置在“單次”運(yùn)行位置），雙手按扭 SB6、SB7，電子凸輪中“上死點(diǎn)”CA03并結(jié)合光幕中2KJ和安全雙聯(lián)閥（故障）檢測(cè)開(kāi)關(guān)SQ5分別給PLC和PAC電子凸輪控制器發(fā)出可運(yùn)行指令，經(jīng)PLC和PAC電子凸輪控制器運(yùn)算處理后給安全雙聯(lián)閥的控制繼電器KA2發(fā)出接通信號(hào)，安全雙聯(lián)閥的得電換向后使壓縮空氣進(jìn)入離合器，此時(shí)離合器合上（制動(dòng)器脫開(kāi)）帶動(dòng)滑塊運(yùn)行，在此運(yùn)行過(guò)程中電子凸輪中的“單次區(qū)域”（光幕安全功能抑制）CA01對(duì)滑塊處在可能產(chǎn)生危險(xiǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控并將相關(guān)的信號(hào)發(fā)給PLC和PAC電子凸輪控制器進(jìn)行運(yùn)算處理。當(dāng)滑塊“單次”運(yùn)行到回程的某個(gè)特定的時(shí)由電子凸輪通過(guò)“頂點(diǎn)定位”給安全雙聯(lián)閥的控制繼電器KA2發(fā)出斷開(kāi)信號(hào)，使安全雙聯(lián)閥失電后復(fù)位使離合器中的壓縮空氣經(jīng)安全雙聯(lián)閥排氣口中排出，此時(shí)離合器脫開(kāi)（制動(dòng)器合上），在此同時(shí)機(jī)械壓力機(jī)的滑塊應(yīng)停在上死點(diǎn)的位置，同時(shí)電子凸輪中的“上死點(diǎn)”CA03給PLC發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)后確認(rèn)壓力機(jī)的滑塊處在準(zhǔn)確的停車位———“上死點(diǎn)”區(qū)域，同時(shí)為下個(gè)“單次”提供允許。另外應(yīng)控制系統(tǒng)的原因，在電子凸輪的“頂點(diǎn)定位”給PLC發(fā)出斷開(kāi)信號(hào)，而KA2沒(méi)有收到斷開(kāi)信號(hào)而使安全雙聯(lián)閥沒(méi)有復(fù)位，壓力機(jī)滑塊（由曲軸，連桿帶動(dòng)）滑過(guò)“上死點(diǎn)”區(qū)域后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到“二度落”（也稱“超程”或稱“防連沖”）區(qū)域，凸輪開(kāi)關(guān)SQ7給PLC發(fā)出保護(hù)性控制信號(hào)使KA2復(fù)位，安全雙聯(lián)閥失電后復(fù)位使離合器脫開(kāi)（制動(dòng)器合上）壓力機(jī)滑塊停止運(yùn)動(dòng)。

“寸動(dòng)”運(yùn)行指令是有選擇開(kāi)關(guān)SB2（設(shè)置在“寸動(dòng)”運(yùn)行位置），雙手按扭SB6、SB7，結(jié)合光幕中2KJ和安全雙聯(lián)閥（故障）檢測(cè)開(kāi)關(guān)SQ5分別給PLC和PAC電子凸輪控制器發(fā)出可運(yùn)行指令，經(jīng)PLC和PAC電子凸輪控制器運(yùn)算處理后給安全雙聯(lián)閥的控制繼電器KA2發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，安全雙聯(lián)閥將按對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)得電，失電動(dòng)作一次，離合器也對(duì)應(yīng)結(jié)合，脫開(kāi)一次帶動(dòng)滑塊運(yùn)行一段很小的距離。

當(dāng)壓力機(jī)在執(zhí)行上述指令過(guò)程中遇到緊急情況時(shí)需要停止，系統(tǒng)設(shè)置急停按扭SB3，SB4和“誤送檢測(cè)”信號(hào)KA4,當(dāng)按下急停按扭SB3，SB4，或者發(fā)出KA4誤送信號(hào)給PLC后，PLC和PAC電子凸輪控制器經(jīng)運(yùn)算處理后立刻給安全雙聯(lián)閥的控制繼電器KA2發(fā)出斷電信號(hào)使安全雙聯(lián)閥復(fù)位，離合器脫開(kāi)，滑塊停止運(yùn)動(dòng)。

另外圖1中PLC還對(duì)進(jìn)離合器的氣壓力，滑塊內(nèi)所承受的載荷和潤(rùn)滑等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果出現(xiàn)故障PLC和PAC電子凸輪控制器將給KA2發(fā)出相應(yīng)的斷電指令，安全雙聯(lián)閥復(fù)位，壓力機(jī)滑塊停止運(yùn)動(dòng)。

3 分析

由圖1及上述分析可得到如下特性：①所有控制信號(hào)均由PLC和PAC10電子凸輪控制器發(fā)出；②所有檢測(cè)和輸入信號(hào)均發(fā)給PLC和PAC10電子凸輪控制器；③控制安全雙聯(lián)閥兩個(gè)信號(hào)均來(lái)自有一個(gè)PAC10電子凸輪控制器控制的小形繼電器KA2的兩個(gè)觸點(diǎn)；④控制系統(tǒng)的PLC為歐姆隆生產(chǎn)的CP1E-40及南京埃斯頓生產(chǎn)的PAC10電子凸輪控制器。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī) 安全技術(shù)條件》中5.4.1.4中規(guī)定“采用光電保護(hù)裝置，超前開(kāi)啟的聯(lián)鎖防護(hù)裝置和可控防護(hù)裝置，操作用雙手操縱裝置的壓力機(jī)(不包括自動(dòng)循環(huán)時(shí)自動(dòng)上，下料的壓力機(jī)，帶防護(hù)鎖定的聯(lián)鎖防護(hù)裝置的壓力機(jī)）,其控制系統(tǒng)的相關(guān)安全部件應(yīng)符合GB/T168551-2008中的4類要求,壓力機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)安全部件的啟動(dòng)和停止功能應(yīng)采用冗余和監(jiān)控與硬件連接”結(jié)合GB/T 16855.1-2008《機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件 第1部分：設(shè)計(jì)通則》，圖1中的電氣安全控制回路存在的缺陷說(shuō)明如下。

3.1 控制系統(tǒng)安全部件不符要求

（1）雙手啟動(dòng)裝置不符合GB/T168551-2008中的4類要求，也不符合GB27607-2011中5.3.12“雙手操作裝置”和其它相關(guān)的技術(shù)要求。即，雙手按扭SB6、SB7沒(méi)有用硬連接的方法實(shí)現(xiàn)冗余，輸出監(jiān)控，交叉監(jiān)控，或沒(méi)有將SB6、SB7的信號(hào)輸入安全水平符合要求（達(dá)到PLe，Cat4）的安全PLC，或者進(jìn)入符合要求的安全繼電器（也可以是相關(guān)的組合）。

（2）光電保護(hù)裝置沒(méi)有達(dá)到GB/T168551-2008中的4類要求，所用的光光電保護(hù)裝置安全水平等級(jí)為PLc。

（3）可編程電子系統(tǒng)PES(圖1中的可編程電子系統(tǒng)CP1E-40和PAC10電子凸輪控制器)不符合GB27607-2011中5.4.4條要求，相關(guān)的控制沒(méi)有安全PLC和安全模塊參與，無(wú)法滿足PLe4的控制結(jié)構(gòu)，更無(wú)法規(guī)避共因故障（CCF）條件下（如因電磁干擾產(chǎn)生壓力機(jī)失控）產(chǎn)生危險(xiǎn)性故障。

（4）圖1中的選擇開(kāi)關(guān)SA3不符合GB27607-2011中5.4.4條要求，沒(méi)有選用帶鎖，強(qiáng)制觸點(diǎn)的選擇開(kāi)關(guān)，也沒(méi)有用冗余監(jiān)控的硬件切斷其控制電路（在圖3的主電路中的沒(méi)有出現(xiàn)）。

（5）急?？刂蒲b置不符合GB27607-2011中5.4.8.2條5.4.8.3要求，沒(méi)有直接切斷安全雙聯(lián)閥控制的動(dòng)力源。

（6）用于安全指令控制的“二度落（超程，防連沖）”，“上死點(diǎn)”，“單次區(qū)域（抑制）”的位置開(kāi)關(guān)不符合GB27607-2011中5.4.7條要求，即不符合GB5226-2016中10.1.4條規(guī)定“強(qiáng)制（或直接斷開(kāi)）”要求，也沒(méi)有用符合GB5226-2016中9.4.2條要求采用的“冗余技術(shù)”和“相異技術(shù)”。

3.2 啟停功能未采用冗余和監(jiān)控

（1）光電保護(hù)裝置沒(méi)有按要求冗余和監(jiān)控與硬件連接,而直接接入安全水平不滿足PLe，Cat4的可編程控制器CP1E-40,不滿足GB27607-2011中5.4.1.4 條要求。

（2）壓力機(jī)沒(méi)有設(shè)置重啟裝置，無(wú)法滿足GB27607-2011中5.4.1.2，5.4.1.3條要求。

（3）壓力機(jī)使用的安全雙聯(lián)閥及其相關(guān)控制不能滿足GB27607-2011中5.4.2.3條要求。即安全雙聯(lián)閥沒(méi)有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，控制安全雙聯(lián)閥的電器回路沒(méi)有規(guī)定使用“冗余、監(jiān)控”技術(shù)，只用PLC通過(guò)電子凸輪控制繼電器KA2的兩個(gè)觸點(diǎn)來(lái)控制安全雙聯(lián)閥，在相關(guān)的控制回路（特別對(duì)安全雙聯(lián)閥的兩個(gè)線圈）沒(méi)有短路保護(hù)、檢測(cè)、報(bào)警措施。

（4）“二度落”即“超程檢測(cè)”、“上死點(diǎn)”和“單次區(qū)域（抑制）”檢測(cè)不能滿足GB27607-2011中5.4.2.6，5.4.2.8，5.4.2.9 條要求。

4 機(jī)械壓力機(jī)電氣安全控制回路實(shí)現(xiàn)（圖 4）

機(jī)械壓力機(jī)電氣安全控制回路主要是對(duì)壓力機(jī)參與工作（不光是滑塊的運(yùn)動(dòng)控制）時(shí)其安全指令的控制，機(jī)械壓力機(jī)工作時(shí)的安全指令如下：急停；雙手控制；操作模式選擇（連續(xù)，單次，寸動(dòng)，調(diào)整）；抑制；光柵（光幕）保護(hù)；上死點(diǎn)（或上死點(diǎn)停），和超程（二度落，防連沖）；安全栓；安全雙聯(lián)閥檢測(cè)（對(duì)安全水平達(dá)到PLe，Cat4的不需要）；對(duì)抑制，超程等發(fā)信的凸輪（的）運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)；故障復(fù)位……

滿足上述機(jī)械壓力安全功能的方法有如下三種。

4.1 采用安全型分裂元件

根據(jù)GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》等安全標(biāo)準(zhǔn)搭建而成的機(jī)械壓力機(jī)電氣安全控制回路，主要使用的安全元件有若干個(gè)G7SA（OMRONG）系列小型纖細(xì)型安全繼電器，若干個(gè)阻容延時(shí)單元和若干電流載保護(hù)元件（如小型空氣開(kāi)關(guān)，短路保險(xiǎn)絲，電流傳感器）和PLC可編程,但根據(jù)GB27607-2011表2“手動(dòng)上下料，單次行程操作模式時(shí)工作危險(xiǎn)區(qū)安全保護(hù)要求匯總表”中對(duì)用手動(dòng)送料的機(jī)械壓力機(jī)主要電氣控制要求相關(guān)規(guī)定如表1所示。

表1 電氣控制相關(guān)要求

結(jié)合安全指令采用若干個(gè)G7SA（OMRONG）系列小型纖細(xì)型安全繼電器、若干個(gè)阻容延時(shí)單元和若干電流載保護(hù)元件，實(shí)現(xiàn)上述要求，其結(jié)果是安全性能水平能滿足要求，但元器件多，故障多，可靠性差，因此一般不用此方法。

4.2 采用安全模塊+PLC

Pilz的PNOZ系列和 OMRONG的 G9S、R88M系列等用于保護(hù)人和機(jī)器的安全繼電器監(jiān)控急停按鈕、安全門(mén)、光電保護(hù)、雙手控制裝置、壓敏地毯、速度和靜止等許多其他安全功能。而PNOZcompact安全繼電器用于急停按鈕、安全門(mén)、光障、光柵的控制，使其相關(guān)的功能控制水平達(dá)到PLe。而PNOZ X產(chǎn)品系列中的雙手監(jiān)控器（安全繼電器）可保證雙手按鈕的安全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)雙手操作同步時(shí)間監(jiān)控，觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間監(jiān)控從而確保雙手操作控制達(dá)到PLe。但實(shí)現(xiàn)上述功能的所需要安全模塊（集成式安全繼電器）總價(jià)比用安全控制PLC的價(jià)格要高。而各部件用外部連線的方式所產(chǎn)生非安全型故障的概率要遠(yuǎn)大于安全控制PLC要高，使機(jī)械壓力機(jī)的可靠性降低。另外Pilz公司的壓力機(jī)專用基礎(chǔ)安全控制單元（安全PLC）PNOZ m2p并提供相對(duì)應(yīng)的壓力機(jī)專用控制軟件，很大程度地減少了因壓力機(jī)用安全模塊+PLC電子可編程控制器由于編程缺陷而產(chǎn)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 采用安全PLC

Pilz公司的壓力機(jī)專用基礎(chǔ)安全控制單元（安全PLC）PNOZ m2p和OMRONG公司的安全控制單元（安全PLC）G9SP-N20S能滿足壓力機(jī)機(jī)的急停、雙手控制、操作模式選擇（連續(xù)、單次、寸動(dòng)、調(diào)整）、抑制、光柵（光幕）保護(hù)、上死點(diǎn)（或上死點(diǎn)停）和超程（二度落，防連沖）保護(hù)，安全栓保護(hù)，安全雙聯(lián)閥檢測(cè)（對(duì)安全水平達(dá)到PLe，Cat4的不需要）對(duì)抑制，超程等發(fā)信的凸輪（的）運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，故障復(fù)位等。

圖2為本公司JZ21-63B開(kāi)式固定臺(tái)壓力機(jī)電氣控制圖，圖中分別有主電機(jī)、模高電機(jī)、吹料電磁閥、光電保護(hù)等強(qiáng)電控制部分和有OMRONG公司的安全PLC（型號(hào)G9SP-N20S）構(gòu)成的邏輯控制安全模塊以及與G9SP-N20S控制相配的擴(kuò)展模塊CP1W-20ED1，電子凸輪PAC15普通邏輯控制模塊構(gòu)成。在圖2的安全PLC（G9SP-N20S）有安全輸入通道（觸點(diǎn)）20個(gè)，分別為Si0～Si19；安全輸出通道8個(gè)，分別為So0～So7，而且每個(gè)通道均能進(jìn)行短路保護(hù)和短路檢測(cè)。測(cè)試輸出通道6個(gè)，分別T0～T5，分對(duì)各安全輸入觸點(diǎn)Si0～Si19安全輸入的工作狀態(tài)進(jìn)行邏輯檢測(cè)。

由圖2可得，對(duì)安全PLC（G9SP-N20S）有安全輸入通道根據(jù)下列安全指令；“急?！保ㄈ哂?T0，T1檢測(cè)），“光柵（保護(hù)）”（冗余 +T0，T1檢測(cè)），“超程監(jiān)控”（單通道 +T1 檢測(cè)），“故障復(fù)位”（冗余 +T0，T1 檢測(cè)），“雙手控制”（冗余 +T0，T1檢測(cè)），安全栓（冗余+T0，T1 檢測(cè)），工作模式選定其中包括“調(diào)整”，“寸動(dòng)”，“單次”，“連續(xù)”（單通道 +T1 或 T0 檢測(cè)），“抑制”（單通道+T0檢測(cè)），“模高電機(jī)”其中包括“上升，下降”（單通道+T0檢測(cè)），“雙聯(lián)閥故障”（單通道+T1檢測(cè)）輸入對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，并按GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》中5.4條要求編程,實(shí)現(xiàn)了安全雙聯(lián)閥，電機(jī)等按要求安全輸出。

4.3.1 急停操作

由圖2可得，急停操作指令是兩個(gè)急停按扭SB1和SB2串連后發(fā)出的，而且每個(gè)急停按扭均具有強(qiáng)止斷開(kāi)功能，它們的兩對(duì)，四組常閉觸點(diǎn)通過(guò)串連后冗余輸入實(shí)現(xiàn)，滿足了GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》中5.4.8.2條要求。實(shí)現(xiàn)切斷安全PLc“G9SP-N20S”內(nèi)部離合器控制電路的供電電源，使安全雙聯(lián)閥失電后復(fù)位，離合器排氣后脫開(kāi)，制動(dòng)器合上，壓力機(jī)的滑塊立刻停止運(yùn)動(dòng)，滿足了GB16754-2008中4.1.4條“0”類停機(jī)要求。由于由于急停按扭的兩個(gè)中觸點(diǎn)分別接入安全PLc“G9SP-N20S”的T0和T1的檢測(cè)回路則在急停操作過(guò)程中發(fā)生如下四類故障：

（1）若其中的一路常閉觸點(diǎn)輸入出現(xiàn)故障，則PLc“G9SP-N20S”接到故障信號(hào)后將切斷安全PLc“G9SP-N20S”內(nèi)部離合器控制電路的電源，使壓力機(jī)的滑塊運(yùn)動(dòng)處在停止（安全）狀態(tài)。

（2）如果兩路同時(shí)出現(xiàn)不能復(fù)位的故障，則PLc“G9SP-N20S”同時(shí)接到仍是兩個(gè)“急?！毙盘?hào)安全PLc“G9SP-N20S”內(nèi)部離合器控制電路的電源仍被切斷，壓力機(jī)的滑塊運(yùn)動(dòng)仍處在停止（安全）狀態(tài)。

（3）如果兩路同時(shí)出現(xiàn)常閉觸點(diǎn)被粘連的故障，因急停按扭用的是常閉觸點(diǎn)強(qiáng)止斷開(kāi)功能的按扭，因此當(dāng)發(fā)出“急?！敝噶詈笕绻|點(diǎn)粘連將被強(qiáng)止斷開(kāi)，而切斷安全PLc“G9SP-N20S”內(nèi)部離合器控制電路的電源，使壓力機(jī)的滑塊運(yùn)動(dòng)處在停止（安全）狀態(tài)。

（4）如果連接SB1和SB2導(dǎo)線發(fā)生斷路，或短路，則因急停按扭的導(dǎo)線分別與安全PLc“G9SP-N20S”的T0和T1的檢測(cè)回路相連，安全PLc“G9SP-N20S”能夠自動(dòng)檢測(cè)SB1和SB2導(dǎo)線連接是否發(fā)生斷路，或短路并在內(nèi)部發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使切斷安全雙聯(lián)閥的控制電源使用壓力機(jī)滑運(yùn)動(dòng)塊處在停止（安全）狀態(tài)。

4.3.2 光柵（光電保護(hù)）和安全栓

上述電氣保護(hù)回路中所選的光電保護(hù)裝置為山東“萊恩”生產(chǎn)“SNC1620”雙電保護(hù)裝置，其安全水平已經(jīng)達(dá)到GB T 16855.1-2008《 機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件 第1部分：設(shè)計(jì)通則》規(guī)定的PLe,Cat4的要求，其輸出為兩路常開(kāi)觸點(diǎn)2KJ，而安全栓通過(guò)位置開(kāi)關(guān)SQ2進(jìn)行位置冗余監(jiān)控并與安全PLc“G9SP-N20S”相連。根據(jù)GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》5.4.1.6“冗余和監(jiān)控的壓力機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)由兩套分離的功能系統(tǒng)組成,每套系統(tǒng)都具有獨(dú)立的停止危 險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)的能力.如果通過(guò)監(jiān)控檢測(cè)到任一系統(tǒng)的失效,就應(yīng)阻止下一次的閉合行程。如果一套系統(tǒng)屬于自保護(hù)型的,即本身功能喪失能防止下一工作行程的啟動(dòng),則該系統(tǒng)不需要監(jiān)控”的規(guī)定，可以對(duì)光電保護(hù)裝置的輸出2KJ不進(jìn)行監(jiān)控，但為防止連接光電保護(hù)裝置2KJ和位置開(kāi)關(guān)SQ2與安全PLc“G9SP-N20S”連接導(dǎo)線因發(fā)生斷路，或短路的故障，因此將光電保護(hù)裝置2KJ接入安全PLc“G9SP-N20S”的T0和T1的檢測(cè)回路。如果連接光電保護(hù)裝置2KJ和位置開(kāi)關(guān)SQ2與安全PLc“G9SP-N20S”連接導(dǎo)線因發(fā)生斷路，或短路，則安全PLc“G9SP-N20S”能夠自動(dòng)檢測(cè)故障結(jié)果并在內(nèi)部發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使切斷安全雙聯(lián)閥的控制電源使用壓力機(jī)滑運(yùn)動(dòng)塊處在停止（安全）狀態(tài)。

4.3.3 超程與抑制監(jiān)控

圖2 JZ21- 63B開(kāi)式固定臺(tái)壓力機(jī)電氣控制圖

本壓力機(jī)電氣回路“超程”與“抑制”監(jiān)控是通過(guò)裝在由無(wú)錫市拓發(fā)自控設(shè)備有限公司研發(fā)的AQ-TSK.XB-3-0安全型凸輪控制器中常閉觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開(kāi)的位置開(kāi)關(guān)SQ1與SQ3（符合GB27606-2011中5.4.7位置開(kāi)關(guān)要求）發(fā)出的。AQ-TSK.XB-3-0安全型凸輪控制器是由三組凸輪驅(qū)動(dòng)的常閉觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開(kāi)位置開(kāi)關(guān)（分別為“抑制”，“超程”，“備用”）和旋變式編碼器構(gòu)成的，當(dāng)凸輪運(yùn)動(dòng)與曲軸運(yùn)動(dòng)同步，凸輪旋轉(zhuǎn)至15°～60°壓住超程監(jiān)控開(kāi)關(guān)，凸輪旋轉(zhuǎn)至0°～180°壓住抑制監(jiān)控開(kāi)關(guān)后，其常觸點(diǎn)斷開(kāi)并給安全PLc“G9SP-N20S”分別發(fā)出的信號(hào)。另外AQ-TSK.XB-3-0安全型凸輪控制器中的凸輪軸與旋變式編碼器同軸硬連接，即旋變式編碼器隨凸輪軸凸輪軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)旋變式編碼器不斷將檢測(cè)凸輪軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和凸輪所處的位置信號(hào)發(fā)送給電子凸輪PAC15（內(nèi)部專用接口輸入），再有電子凸輪PAC15經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)圖 4 中的連線（線號(hào)為 130，131，132，135）輸送給安全 PLC“G9SP-N20S”的擴(kuò)展模塊CP1W-20EDT1進(jìn)行監(jiān)控,從而使“超程”和“抑制”凸輪控制開(kāi)關(guān)與旋變式編碼器構(gòu)成方法的冗余。零外位置開(kāi)關(guān)SQ1和SQ3也接入安全PLc“G9SP-N20S”的T0和T1的檢測(cè)回路，因此當(dāng)“超程”和“抑制”凸輪控制開(kāi)關(guān)發(fā)生故障（包括斷路，和短路）則安全PLc“G9SP-N20S”能夠自動(dòng)檢測(cè)故障結(jié)果并在內(nèi)部發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使切斷安全雙聯(lián)閥的控制電源使用壓力機(jī)滑運(yùn)動(dòng)塊處在停止（安全）狀態(tài)。

4.3.4 雙手開(kāi)動(dòng)

在圖4中的雙手開(kāi)動(dòng)是由二個(gè)能符合GB/T19671-2005表1中類型Ⅱ的要求的按扭 SB3、SB4實(shí)現(xiàn)的，另外每個(gè)按扭各有兩對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)冗余在輸入安全PL“G9SP-N20S”的同時(shí)分別與T0和T1的檢測(cè)回路相連，當(dāng)雙手按扭出現(xiàn)故障或因連接雙手按扭的導(dǎo)線因發(fā)生斷路，或短路后，安全PLc“G9SP-N20S”的T0和T1檢測(cè)通道能夠自動(dòng)檢測(cè)故障結(jié)果并在內(nèi)部發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使切斷安全雙聯(lián)閥的控制電源使用壓力機(jī)滑運(yùn)動(dòng)塊處在停止（安全）狀態(tài)。

4.3.5 壓力機(jī)工作模式選擇，模高調(diào)整選擇控制

機(jī)械壓力機(jī)的工作模式有“調(diào)整”、“連續(xù)”、“單次”、“停止”四種模式，模高調(diào)整模式有“上升”和“下降”，即使滑塊“上升”模高電機(jī)正轉(zhuǎn)，滑塊“下降”模高電機(jī)反轉(zhuǎn)。機(jī)械壓力機(jī)的工作模式的切換和模高調(diào)整選擇均通過(guò)滿足GB27607-2011“機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求”5.4.5條“選擇開(kāi)關(guān)”要求的選擇開(kāi)關(guān)，即所用的選擇開(kāi)關(guān)應(yīng)滿足如下條件：

（1）選擇開(kāi)關(guān)確保在任何非工作位置，其觸點(diǎn)應(yīng)強(qiáng)制斷開(kāi)或用冗余監(jiān)控的硬電路切斷控制電路；

（2）選擇開(kāi)關(guān)在中間位置時(shí)不能進(jìn)行任何操作，同時(shí)其控制系統(tǒng)（安全PLc"G9SP-N20S"）不能啟動(dòng)壓力機(jī)

（3）選擇開(kāi)關(guān)在位置轉(zhuǎn)換過(guò)程中其相關(guān)的觸點(diǎn)應(yīng)先斷徹底后才能接通另一對(duì)觸點(diǎn)；

（4）選擇開(kāi)關(guān)應(yīng)用鑰匙操作；

（5）選擇開(kāi)關(guān)擋位位置標(biāo)識(shí)應(yīng)明確。

因此由圖2可得，選擇開(kāi)關(guān)及其相關(guān)的控制通過(guò)使用符合上述要求的元件外還應(yīng)將其輸出點(diǎn)輸入安全PLC“G9SP-N20S”的同時(shí)分別與T0和T1的檢測(cè)回路相連，當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障或因連接選擇開(kāi)關(guān)的導(dǎo)線因發(fā)生斷路或短路后，安全PLc“G9SP-N20S”的T0和T1檢測(cè)通道能夠自動(dòng)檢測(cè)故障結(jié)果并在內(nèi)部發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使切斷安全雙聯(lián)閥的控制電源使用壓力機(jī)滑運(yùn)動(dòng)塊處在停止（安全）狀態(tài)。

5 機(jī)械壓力機(jī)電氣安全控制回路實(shí)現(xiàn)注意事項(xiàng)

實(shí)現(xiàn)上述用安全型分裂元件，安全模塊+PLC電子可編程控制器和安全PLC三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力機(jī)的安全指令的控制并滿足機(jī)械壓力機(jī)的安全電氣安全控制的要求的分析還應(yīng)關(guān)注如下三個(gè)問(wèn)題；

5.1 冗余控制正確決定

冗余控制和監(jiān)控并不是簡(jiǎn)單用兩個(gè)并聯(lián)的方法聯(lián)接，如圖1中由電子凸輪PAC15控制安全雙聯(lián)閥用的一個(gè)中間繼電器KA2，再通過(guò)中間繼電器的二個(gè)觸點(diǎn)來(lái)控制安全雙聯(lián)閥的二個(gè)線圈，對(duì)安全雙聯(lián)閥的兩個(gè)線圈來(lái)說(shuō)是兩個(gè)通道輸入——冗余，但當(dāng)中間繼電器KA2的觸點(diǎn)粘連后安全雙聯(lián)閥將繼續(xù)通電而無(wú)法復(fù)位使壓力機(jī)連沖，因此對(duì)安全雙聯(lián)閥的兩個(gè)線圈是冗余控制了,但它是通過(guò)單一通道——只用一個(gè)中間繼電器KA2來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，就安全雙聯(lián)閥及其控制實(shí)質(zhì)是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)冗余（控制）控制。

5.2 “物理冗余”和“方法冗余”

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 16855.1-2008《機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件 第1部分：設(shè)計(jì)通則》中6.2.1條用冗余控制有兩種形式，即“物理的冗余”（用雙通道并聯(lián)實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全指令的控制）和“方法的冗余”（用兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全指令控制）。例如，安全模塊+PLC+電子凸輪對(duì)機(jī)械壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)中“超程”和“抑制”等安全指令可以由安全型凸輪控制器中的“超程”和“抑制”凸輪控制“常閉觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開(kāi)的位置開(kāi)關(guān)”另加與凸輪同軸安裝的碼盤(pán)+光電開(kāi)關(guān)（或者是同軸安裝的各類旋轉(zhuǎn)編碼器）對(duì)凸輪進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控，構(gòu)成方法的冗余。但這種“方法的冗余”必須串聯(lián)控制安全雙聯(lián)閥線圈的硬回路中，所用的控制元器件應(yīng)為安全型硬回路繼電器同時(shí)還要對(duì)輸出進(jìn)行監(jiān)控（包括短路和斷路的檢測(cè)），還應(yīng)注意，切勿將安全型硬回路繼電器的輸出信號(hào)再輸入不符合安全要求的可編程電子控制器和電子凸輪中進(jìn)行控制，從而降低控制回路的安全水平。

5.3 “共因故障”（CCF）失效的預(yù)防

圖3 防止CCF失效

上述機(jī)械壓力機(jī)滑塊的運(yùn)行控制選擇同一種模式的冗余控制特別關(guān)注CCF失效模式（即共因故障失效模式），一般在通過(guò)圖3方式來(lái)防止CCF失效。由圖3可用在控制回路應(yīng)用“分離/隔離”，“差異性”，“設(shè)計(jì)/應(yīng)用/經(jīng)驗(yàn)”，“評(píng)價(jià)/分析”，“能力/培訓(xùn)”，“環(huán)境”等六個(gè)方面考濾CCF的預(yù)防措施。對(duì)應(yīng)圖2中的機(jī)械壓力機(jī)的電氣安全控制回路中動(dòng)力供電控制與信號(hào)邏輯控制器件的位置進(jìn)行區(qū)域分離就遵循CCF預(yù)防中的“分離/隔離”原則，用于控制機(jī)械壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)的“超程”和“抑制”安全指令的機(jī)械凸輪，電子凸輪符合CCF中的“差異化”原則，選用安全PLC“G9SP-N20S”滿足了 CCF中預(yù)防中“設(shè)計(jì)/應(yīng)用/經(jīng)驗(yàn)”(所用的元件是經(jīng)驗(yàn)的)和“環(huán)境”（電磁干擾）要求，在上述安全回路的設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)械壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)的失效進(jìn)行分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估符合CCF預(yù)防中“評(píng)價(jià)/分析”原則和在該安全控制電氣回路設(shè)計(jì)，制作時(shí)對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)符合CCF預(yù)防中“能力/培訓(xùn)”原則。

根據(jù)圖2安全電氣回路制作的JH21機(jī)械壓力機(jī)經(jīng)2012年國(guó)抽檢查其安全性能安全達(dá)到GB27607-2011《機(jī)械壓力機(jī)安全技術(shù)要求》規(guī)定的各項(xiàng)性能要求。