煙草行業儲葉柜安全聯鎖防護裝置研制

孟科峰，馬廣智，梁盟，李哲

（濟南卷煙廠制絲車間，山東 濟南 250104）

安全生產是我國的一項重要政策，也是社會、企業管理的重要內容之一。特別對生產企業來說，是一項需要真抓實干的重點工作。儲柜是煙草制造企業常見的制絲設備，一般分為儲葉柜、儲梗柜、儲絲柜等。儲柜不僅能夠儲存煙絲制品及在制品，還有調節生產線工藝流程，平衡物料水分等一系列作用，因此，在煙草制造企業使用非常廣泛。物料儲葉柜出料撥輥采用的鏈輪傳動機構運行時存在安全風險，需要不斷地進行改進，降低風險值。

1 問題提出

危險值是危險發生的可能性、頻繁程度和產生后果三者乘積，在LEC 評價體系中，作為危險源最終的危險性評價。

危險值D=可能性L×頻繁程度E×產生后果C

利用LEC 評價方法，對我廠制絲車間進行危險源辨識及風險評價，其中儲葉柜“接觸運動部件的機械傷害”的危險值最高。利用同樣方法，對儲葉柜所有運動部件逐個分析，發現安裝在儲葉柜出料端的“撥輥擠傷”安全隱患危險程度較高，達到135，風險等級高達三級，從而導致儲葉柜“接觸運動部件的機械傷害”危險值較高，如圖1。

圖1 LEC 風險評價法危險等級劃分

2 方案設計

對于安全類型的裝置，我們通過查新發現生產線上常用的急停裝置和流水線上常用的啟停裝置可以提供借鑒[3,4]。根據安全裝置的實現形式，設計方案將分為兩部分：觸發單元和控制單元。觸發單元指安全開關的實體部分，包括裝置本身以及可能用到的觸發及傳動裝置；控制單元指在程序中對安全功能進行實現的電氣控制部分。

2.1 方案分析

（1）觸發單元方案分析。按鈕式觸發單元是車間最常見的急停開關，幾乎所有電控柜以及部分IO 箱都裝有按鈕式安全開關。拉線式觸發單元指在儲葉柜內安裝一條拉線，操作人員在儲葉柜內部觸動拉線便可觸發開關。

（2）控制單元方案分析。程序控制是對設備進行改造的常見思路，在原控制程序中增加部分內容，實時監測開關的狀態，當開關觸發后，由程序控制對設備進行停止，從而實現保護的功能。設備斷電是車間現場急停開關的常用方法，即按下后對設備進行斷電。

2.2 方案篩選

（1）方案選擇。根據方案評價加權分和評價目標的加權系數進行加權計算，運用評價法對兩種方案進行比較分析得出最優方案。

①得分計算。

②最優方案選擇。

對評價值進行對比，可知：

表1 觸發單元方案評價計算表

表2 控制單元方案評價計算表

根據評價值W 可以明顯地看出，觸發單元的方案拉線式觸發，控制單元的方案程序控制設備分別為兩個單元的最佳方案。將兩部分單元組合即形成了最終方案。

表3 方案選擇表

3 方案細化

3.1 觸發單元配置

（1）開關型號選擇。從防護等級、復位方式、有無急停按鈕、規格等方面，對比歐姆龍 OMRONWL-MD202、施耐德 Telemecanique XY2-CD111 和施邁賽SCHMERSALTQ 441-0101YUR-M20，通過綜合分析，選擇施邁賽SCHMERSALTQ 441-0101YUR-M20 開關。

（2）拉線材料選擇。拉線是觸發開關的關鍵部件，據查閱資料，常用的拉線材料一般有帶PVC 外皮的拉線、鋼絲繩、尼龍繩。

根據標準對拉繩的材料進行優選，發現帶PVC 外皮的拉線雖然是標準配件，能夠有效地保護操作人員手部不被劃傷，但是磨損后會產生雜物與尼龍類似，不可剔除；而鋼絲繩保護程度雖一般，但磨損后的雜物能夠在金屬探測器處剔除，綜合分析，選擇鋼絲繩作為拉線的材料。

（3）拉線規格選擇。安全開關的主要工作方式是通過拉動拉線，使拉線產生形變量，帶動拉線開關的感應機構。當開關行程達到開關的動作行程尺寸74mm 時，便會產生動作信號。利用SolidWorks simulation 模塊對拉線進行強度校核，對拉線開關施加動作力，并記錄其滿足規定形變量所需的動作力數值。通過將模型導入及相關參數輸入，得到等效應力云圖，如圖2 所示，當拉線形變滿足動作行程74mm 時，分析可知需要動作力5.5N。

圖2 應力分析圖

查閱《金屬材料手冊》獲知鋼絲繩直徑與破斷力的關系，車間現有規格的鋼絲繩中，直徑3mm 的鋼絲繩最小破斷力最低，為7.7kN，遠大于觸發安全開關所需要的動作力5.5N，即不會出現鋼絲繩斷裂而開關未觸發的可能性。因此，選擇直徑為3mm 的鋼絲繩作為拉線。

（4）拉線安裝方式選擇。利用TRIZ 技術創新理論選擇，將出現矛盾的情況轉化為通用工程參數，可以理解為撥輥在運動中會產生有害作用，符合通用工程參數中的第31 項：物體產生的有害因素。而對于違規操作無法完全避免的情況，符合通用工程參數中的第37 項：控制和測量的復雜度高，見圖3。

通過查閱阿奇舒勒矛盾矩陣，找到了解決物體產生的有害因素和控制和測量的復雜度高之間矛盾的四種發明原理，并選擇“分割”原理來解決這一矛盾。結合儲葉柜內的具體情況，拉線的安裝方式選擇橫跨式，安裝于撥輥和操作人員之間，在對撥輥和人員進行分離的同時，實現觸發安全開關的功能。橫跨式安裝方式具備以下優點：作為分割介質將撥輥與人員分離開，保證接觸撥輥前使撥輥停止；最大限度地利用柜內空間，使人員在撥輥附近的任意位置都能夠觸發。

（5）拉線安全位置選擇。

根據現場測量，儲葉柜高度1550mm，布料行車略低于儲柜，最低處高度1470mm，儲葉柜內物料高度900～1100mm（根據進柜煙葉量高度有差別），如圖4。拉線的高度應當高于物料可能的最高高度，低于布料行車最低點的高度，這樣能夠最大限度上避免物料或者布料行車運動中觸發拉線開關導致停車情況發生的可能性。因此，拉線安裝的高度應該在（1100mm，1470mm）的范圍內。通過對數據分析與模擬實驗確定，人員的身高在1500～1800 范圍內，臂長350～450mm，彎腰后高度最低至1300mm。

圖3 矛盾矩陣

圖4 儲柜截面圖

綜合考慮可能發生的幾種情形下的動作，結合拉線安裝范圍的要求，最終將拉線高度設計在1250mm 高、距離撥輥水平距離400mm（距撥輥耙釘300mm）的位置。

3.2 控制單元配置

（1）信號傳輸方式選擇。從方案概況、施工難度、成本、程序修改量等綜合分析集中通信和分布式通信兩種信號傳輸方式，最終選擇分布式通信。

（2）控制方式選擇。從方案概述、施工難度、安全性等綜合分析S7 程序控制和安裝中間繼電器，S7 程序控制施工難度小，充分利用原有程序硬件無任何修改，最終選擇S7程序控制。

（3）報警形式選擇。從方案概述、施工難度、效果等綜合分析采用綜合報警，當人體碰觸拉線使拉線開關動作，正在運行的撥輥和底帶就會停止運轉，并且發出報警，主控柜上的紅警燈閃爍、警鈴響起，安裝在儲葉柜I/O 箱上的喇叭也會響起，當按下主控柜上的消音按鈕后，喇叭停止發聲。

4 方案實施效果

通過拉線制作、布線、增加相應程序、安裝調試、測試等程序裝置安裝，經測試裝置有效，并對儲葉柜進行了為期三周的跟蹤觀察，未出現因為安全裝置造成儲葉柜停機情況的發生。

利用LEC 評價法對“撥輥擠傷”的安全隱患進行了重新評估，通過增加安全裝置，在撥輥與人員之間建立一道安全防線，降低了事故發生的可能性，L 值從3 降低至1；有可能因撥輥卷入發生安全事故的時候，人員可以立即通過開關來關停設備，而不是向柜外人員求救，這樣能夠避免造成更嚴重的后果，C 值由15 降至7，因此，“撥輥運行中接觸造成擠傷”安全隱患的危險值從改進前的135 降低到改進后的21，將“撥輥擠傷”風險等級降至二級，提高了儲葉柜的本質安全，消除了安全隱患，保障了員工的生命安全。