常用汽車底盤檢測設備安全控制系統設計

湯雪峰

摘 要：設計了一款以皮爾茲（PILZ PNOZ）S4型安全繼電器為主的汽車底盤檢測設備安全控制系統。該系統將主設備與安全繼電器的常開安全觸點連接，當出現故障時，安全繼電器的常開安全觸點能夠立即斷開，保護電路、設備和人員的安全。

關鍵詞：汽車底盤;檢測設備;安全模塊;安全繼電器

中圖分類號：U463.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-00-04

Design of Safety Control System for Common Automobile Chassis Testing Equipment

TANG Xuefeng

（Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology， Taicang Jiangsu 215411）

Abstract： This paper designs a safety control system of automobile chassis detection equipment based on PILZ PNOZ S4 safety relay. The system connects the main equipment with the normally open safety contact of the safety relay. Even if there is a fault， the normally open safety contact of the safety relay will be disconnected immediately to protect the safety of circuit， equipment and personnel.

Keywords： automobile chassis;testing equipment;safety module;safety relay

1 安全控制系統整體介紹

一套完整的安全控制系統主要由安全輸入信號、安全控制模塊和被控輸出元器件3個部分組成。其中，安全控制模塊最為復雜，主要采集安全輸入信號進行安全輸出控制。在自身出現故障時，安全控制模塊依然要發揮安全控制作用，同時要能檢測到安全輸入信號及被控元器件的故障并做出合理反應。安全繼電器、安全可編程控制器和安全總線系統是常用的安全控制模塊。

本設計中安全控制系統的安全控制模塊選用皮爾茲（PILZ PNOZ）S4型號的安全繼電器，其安全輸出有繼電器觸點輸出和晶體管輸出兩種形式。兩種輸出形式都至少能保證2個安全通道進行輸出控制，其中一個安全通道故障時，另外一個安全通道依然能保證安全繼電器安全功能的實現，并且快速檢測出故障通道。

2 安全控制系統結構設計

汽車底盤檢測設備存在較高的危險性，所以在其安全系統設計中必須考慮周全。安全控制系統由兩個安全繼電器作為安全模塊分別控制兩個運行模式，且兩個安全繼電器無法同時工作。安全繼電器運行時，會向控制模塊可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的公共端輸出24 V電信號，使PLC程序運行。當PLC中的程序運行時，會為主閥提供工作信號，促使主閥將氣壓傳輸到閥島，同時PLC會對電磁閥發出電控信號使其工作。安全控制系統結構框圖如圖1所示。

3 系統主要硬件

系統硬件主要器件包括手持安全按鈕、皮爾茲（PILZ PNOZ）S4型安全繼電器、主閥和閥島以及工作方式選擇開關等幾部分，下面分別進行分析。

3.1 手持安全按鈕

手持安全按鈕可以用來控制設備的運行和停止。當手持安全按鈕部分按下時，觸點閉合，安全繼電器得到信號，再將信號發送到PLC執行工位自動運行程序;當松開或全部按下按鈕時，觸點常開信號斷開，工位自動運行程序暫停。手持安全按鈕剖視圖2所示。

3.2 皮爾茲S4型安全繼電器

皮爾茲S4型安全繼電器集多種功能于一身，擁有雙安全通道，在一條通道出現故障后另外一條完好的安全通道仍然可以保護電路安全[1]。它占用空間面積非常小，可以在更小的空間內得到更好的應用。設備工作出現緊急狀況時，安全繼電器可以關斷氣源、切斷設備的動力電源，從而達到保護設備的目的。皮爾茲S4型安全繼電器的外形如圖3所示。

該型安全繼電器主要結構為：器件中的A1、A2是電源接線端子（供電電壓有直流24 V和交流220 V兩種，可根據項目需求選擇）;S11、S12和S21、S23分別為安全通道1和安全通道2的接線端子;S34是復位/啟動接線端子;Y32是輸出端子;13和14、23和24、33和34為3項安全常開觸點;41和42為輔助常閉觸點。安全繼電器的狀態由面板上6個LED指示燈表示，電源供電正常時Power燈常亮;安全通道1閉合時ln1燈常亮;安全通道2閉合時ln2燈常亮;安全觸點閉合，Y32有電平輸出時Out燈常亮;S34有復位輸入信號時Reset燈亮;安全繼電器外部故障時Fault燈常亮，安全繼電器內部故障時Fault燈閃爍。

皮爾茲S4型安全繼電器主要工作模式有自動復位/啟動模式、手動復位/啟動模式、下降沿檢測復位/啟動模式、上升沿檢測復位/啟動模式、帶啟動測試的復位/啟動模式等。通過面板上的模式選擇按鈕來設置工作方式。其中：自動復位/啟動模式下，安全通道閉合，安全繼電器自動就緒;手動復位/啟動模式下，安全通道閉合，啟動電路閉合后，安全繼電器就緒;下降沿檢測復位/啟動模式下，安全通道閉合，啟動電路閉合后斷開，安全繼電器就緒;上升沿檢測復位/啟動模式下，安全通道閉合啟動電路閉合一定時間后，安全繼電器就緒;帶啟動測試的復位/啟動模式大多用于安全門，安全繼電器會檢測安全門的開與關的狀態。本設計所選的模式是帶觸點間短路檢測的自動/手動啟動，當手持按鈕半按下或安全繼電器得到電信號使安全通道閉合時，安全繼電器會進行啟動檢測。

3.3 主閥和閥島

主閥是氣源處理的三聯件，包括減壓閥、過濾器和油霧器。其中，減壓閥可對氣源進行穩壓，減少氣壓突變對其他硬件的損傷;過濾器可對氣源進行清潔，壓縮水分，防止空氣中的水分進入裝置;油霧器可對部件進行潤滑，延長機體壽命。主閥外形如圖4所示。

閥島是擁有統一的進氣源，擁有獨立輸出端的多個電磁閥的組合體。通常情況下，每個電磁閥都為常閉。當收到電控信號時，電磁閥打開，送出氣動信號，使其他氣動元器件運行。閥島外形如圖5所示。

主閥和閥島設備中的主要工作方式為：主閥的運作由系統中的PLC控制，當電源接通、PLC對其發出工作信號時，主閥開始工作，將氣壓通過連接的氣管傳輸到閥島，閥島接收到PLC發出的電控信號后控制各氣動元件運行。

3.4 工作方式選擇開關

工作方式選擇開關有三個擋位，分別為1、0、2。1擋為自動運行，0擋為手動運行，2擋為工位自動運行。其開關外形如圖6所示。

4 系統主要電氣線路設計

系統電氣線路設計主要包括電源電氣線路、模式選擇電氣電路、自動模式安全控制線路和手動模式安全控制線路等。

4.1 電源電氣線路

設備中電源部分的線路是總電源將電壓分配至各空氣開關，空氣開關再將電壓傳輸到接線端子排分配給所屬元器件，并且控制所屬元器件的工作電壓通斷。本設計的安全控制系統主要由空氣開關提供電壓，空氣開關將電壓分配至工作方式選擇按鈕和控制手動運行的安全繼電器上，控制工位自動運行模式的安全繼電器工作電壓由工作方式選擇按鈕控制。

4.2 模式選擇電氣線路

設備中模式選擇部分的線路是設備工作模式選擇按鈕中的兩個擋位（0擋和2擋）分別接入控制手動運行時的安全繼電器和控制工位自動運行時的安全繼電器。設置執行時將模式選擇按鈕調到0擋，選擇按鈕上的一對常開觸點閉合，此時控制手動運行的安全繼電器的S11、S12和S21、S22兩對觸點得電，開始執行手動程序。當模式選擇按鈕調到2擋，選擇按鈕上的另一對常開觸點閉合，此時控制工位自動運行的安全繼電器的電源接線端子得電運行。

4.3 自動模式安全控制線路

設備中模式選擇按鈕調到自動運行時，安全繼電器得電。當手持安全按鈕半按下時，安全繼電器得到工位自動運行的信號。安全繼電器中的觸點S12并聯到復

位/啟動接線端子中的S34，所以工位自動運行時進行啟動檢測[2]。將面板上的模式選擇按鈕調到自動/手動啟動時，可實現帶觸點間的短路檢測。當手持按鈕半按下和松開或者全部按下時，可以達到控制工位自動程序的運行或停止的目的。安全繼電器的兩對常開觸點13、14和23、24由空開接入后連接到執行器，當兩個觸點吸合時，執行器得到工作電壓運行。

4.4 手動模式安全控制線路

設備中模式選擇按鈕調到手動運行時，安全繼電器兩對觸點S11、S12和S21、S22得電開始執行啟動檢測，同時輸出信號給PLC執行手動程序。當發生危險時，安全繼電器可以立即做出反應阻止危險的發生[3]。

4.5 安全繼電器手持安全按鈕電氣線路

設備中的1號和2號端口接入控制工位自動模式的安全繼電器的S11和S12觸點，設備中的3號端口和4號端口通過端子排接入安全繼電器S21和S22觸點。當手持安全按鈕半按下時，安全繼電器會得電，再將信號輸出到PLC中完成工位自動程序的正常運行。

5 系統工作模式和流程

設備手動運行時，操作人員需要持續按下控制面板上的調試按鈕或半按下觸摸屏側邊的使能按鈕，同時PLC程序判斷操作不會導致機械相撞，按鈕側邊的三角形變為綠色，此時操作人員需要在觸摸屏上按下相應的手動按鍵才能操作。發生危險時，調整按鈕松開、使能按鈕松開或全部按下，手動操作無效，安全繼電器關斷氣源[4]。

設備自動運行時，操作人員需要半按下連接到安全繼電器的手持按鈕的安全按鈕，設備自動程序開始運行。危險發生時，將安全按鈕松開或全部按下，設備的自動程序停止運行，此時安全繼電器關斷氣源。設備安全系統工作流程如圖7所示。

6 系統安裝與調試

安裝設備時，由于每一種工作模式由單獨的安全繼電器控制，所以在安裝接線時要區分開來。在接線時，要注意每根線不能打結，線內的銅絲不能裸露在外，要用接線端子套住壓好再接入元器件中。安裝主閥、閥島及氣缸時要確保氣源沒有打開，避免危險情況發生，安裝氣管時不能出現氣管對折、隨意亂放的情況。

設備調試過程中常見工位自動模式下安全繼電器無法正常工作、手動模式下手動程序無法運行、氣缸還未伸出到指定位置就縮回等問題。

為解決上述問題，按照圖紙檢查工作方式選擇按鈕的接線和空氣開關的供電，結果未發現問題。推測安全繼電器本身出現故障，選擇更換一個新的安全繼電器后問題解決。在確定安全繼電器未損壞后，開始按照接線圖紙對安全繼電器的接線進行排查，在排查時發現安全繼電器輸出到PLC的接線由于沒有安裝牢固導致脫落，未能將信號輸入PLC中，連接線重新接好后問題解決。在調試氣缸時發現控制氣缸縮回的磁性開關可以正常使用，在更換新的磁性開關后問題仍然沒有解決，之后考慮到氣缸內活塞被磁化也有可能造成這種情況，在更換氣缸后解決了該問題[5]。

設計的安全系統以皮爾茲S4型安全繼電器為主，將主設備與安全繼電器的常開安全觸點連接，當出現故障時，安全繼電器的常開安全觸點能夠立即斷開，保護電路、設備和人員的安全。

參考文獻：

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[5]王旭東，韓雷.安全控制單元在板坯連鑄機電氣控制系統中的應用[J].自動化技術與應用，2018（1）：15-18.