安全閉鎖系統在球墨鑄鐵管生產線中的設計及應用

張濟凡，王亞飛，劉路召

（1.新興河北工程技術有限公司，河北邯鄲 056000；2.新興鑄管股份有限公司工業設計中心，河北邯鄲 056000）

0 引言

為增加企業競爭力，降低勞動強度，目前國內大部分鑄管生產企業基本采用了自動化設備。所以,只有不斷增強自動化設備的安全控制管理，才能夠更好地保障球鐵管制造企業的自動化生產達到安全的狀態，保證自動化生產線的連續性，減少人工過度干預，從而有效增強企業生產效率，保證工人及設備安全。

1 生產線工藝介紹

以新興鑄管某生產線為例，該條生產包括電爐調質、離心鑄造、產品退火、精修打磨、水壓試驗、水泥內襯、噴鋅、包裝噴漆等多道工序，根據球鐵管生產工藝、原料輔材、生產方式及產品特性分析，該生產線存在的重大安全風險包括：（1）行車轉運時的高空掉物；（2）設備運行時的機械傷害；（3）操作人員進入處于自動運行生產線的地方產生的傷害等。該生產線工藝流程如圖1 所示[1]。

圖1 新興鑄管某生產線工藝流程

2 針對性安全閉鎖方案

2.1 天車轉運及高空墜物

文中為例的新興鑄管某生產線共存在三處行車交叉作業區，分別為高爐鐵水到電爐、電爐到離心鑄造工位；水泥內襯工位到內襯打磨工位；內外壁噴涂到成品庫。每處均由兩臺程控行車自動完成生產。

該區域的危險源主要為高空墜物及鐵水包傾倒過程中的鐵水飛濺，為解決這一危險，該生產線主要采取了如下手段：（1）通過電氣控制技術對程控行車進行路徑規劃；（2）程控行車增加感知系統，當該系統在行車預設行駛路線檢測到異常物體及人員時，將自動停車并上傳報警信息；（3）現場安裝護欄建立無人隔離區，正常生產時，該區域無人進出，當需要人員進入時，相關人員申請并進行掛牌上鎖，保證程控行車停止在安全區域。

2.2 設備機械傷害

文中為例的新興鑄管某生產線中所采用的設備均為自動化設備，且包括數十臺工業機器人，但由于鑄管生產線的本質還是處于人員密集型生產組織模式[1]，故現場存在大量的機械傷害風險。

為解決這一危險，該生產線主要采取如下手段：（1）在生產線設計之初，根據設備作用及能量源將生產線分區，一個區域使用一套獨立的PLC，相互關聯的能量源驅動使用同一個安全繼電器進行控制；（2）根據生產需求和工藝情況，安裝安全閉鎖護欄，及在必要位置加裝安全光柵等元件，并使用安全型PLC 監控現場狀態；（3）在需要人員進出的位置增加安全門鎖，并設置如下功能：正常生產時，安全門鎖必須處于關閉狀態，并通過現場安全型PLC 實時監控門鎖狀態；需要人員進入時，點擊“申請進入”按鈕，待該區域設備完成當此周期生產且設備回到原點后，安全門鎖自動打開，并通過PLC 控制，切斷現場所有相關能量源，現場設備處于安全狀態。待人員離開后，關閉門鎖，并點擊“結束申請”，安全門鎖閉合，現場設備自動回復生產；（4）現場引入“掛牌上鎖”制度，并嚴格遵守這一制度。

2.3 調試、檢修防誤操作

在設備調試、檢修階段，由于現場安全設備不完備、人員麻痹大意、危害能量源認識不清或人員必須進入生產線中觀察設備運行狀態等，在該情況下容易對相關人員造成傷害。其中不能有效控制能量源是造成人員受傷的主要原因，美國勞工部有數據表明：近10%的生產事故，都與“危險能量沒有得到控制”有關。因此，必須明確調試、檢修作業過程中對能量源的控制及建立相應的隔離保護措施是十分必要的。

為解決這一危險，現場所采取的主要手段是：（1）嚴格遵循“掛牌上鎖”制度，所謂上鎖是指用機械鎖鎖定的方式來防止他人隨意操作被檢修或調試的能量源及設備，直到相關工作結束，鎖具移除；掛牌是指使用吊牌來警告他人已經被隔離的能量源或者設備不能隨便操作。上鎖和掛牌必須結合使用，而不是相互代替。（2）通過電氣控制技術，在生產線設計之初，便將能量源進行規劃區分，并使用必要的安全型繼電器進行控制。當人員進行檢修調試時，現場能量源及設備會被強制鎖定，直到任務結束。

生產線所采用的安全隔離方案如圖2 所示。

圖2 生產線安全隔離方案

3 電氣控制在安全閉鎖系統中的應用

3.1 控制系統的構成

該電氣系統主要包括：安全型PLC、安全門鎖、帶有STO 功能的變頻器、安全光柵、探測雷達、安全繼電器及子控制系統，其中：安全型PLC用于控制安全門控系統及監控其開閉狀態，并向生產線下發停機指令；安全門鎖用于開啟或關閉生產線的隔離安全門，該門鎖能夠監控門鎖鎖舌狀態、閉合狀態、開啟狀態及門鎖故障信息；帶有STO 功能的變頻器，該系列變頻器具有安全轉矩停止功能，能夠有效保護人員及設備安全；安全光柵安裝于現場無法安裝護欄或人工通道處，主要用于防止人員誤進入；探測雷達，該雷達安裝于程控行車底部，當程控行車自動運行時，探測雷達啟動探測功能；安全繼電器及子控制系統，子控制系統根據現場生產線功能進行分割，每個區域采用一套獨立PLC 進行控制，安全繼電器用于現場能量源的控制。其系統構成圖見圖3 所示。

圖3 控制系統圖

3.2 閉鎖系統的控制方式

該系統的控制方式可以分為三種：申請進入、緊急進入及安全狀態監控。各控制方式具體如下。申請進入：當生產線處于正產生產狀態時，操作員點擊“申請進入”按鈕，PLC 向生產線下發進入命令，等待該區域各設備回到“安全位”后，則生產線PLC 通過安全繼電器切斷該區域內的所有“危險能量源”，同時安全型PLC 控制門鎖開啟，操作員對門鎖進行“掛牌上鎖”后，進入該區域進行工作；待工作完成后，操作員退出該區域，取消“掛牌上鎖”，點擊“申請結束”按鈕，安全門鎖自動落鎖，同時生產線自動恢復生產。

緊急進入：當生產線在生產過程中出現意外故障或安全事故時，操作員拍下“急停按鈕”，該區域各設備立刻停止運行，同時安全繼電器切斷該區域內所有“危險能量源”，操作員在“掛牌上鎖”后，可進入該區域；待故障或事故處理完成后，退出該區域，取消“掛牌上鎖”，拉起急停開關，并將設備手動退回“安全位”，可恢復生產。

安全狀態監控：當生產線正常生產時，光柵、雷達等安全設備檢測到異常狀態時，該區域設備會緊急制動停車，同時安全繼電器切斷“危險能量源”；當異常狀態消失后，操作員可手動恢復生產。其控制流程圖如圖4 所示。

圖4 控制流程圖

4 “掛牌上鎖”在安全閉鎖系統中的應用

4.1 “掛牌上鎖”程序

“掛牌上鎖”制度的程序如圖5 所示[2]。

圖5 “掛牌上鎖”程序

能量識別：能量識別是指辨認待進入區域的危險能量來源，該步驟分為兩步完成：步驟1 應在生產線設計之初，將一個區域內數種可控制、相互關聯的能量源采用統一的電氣安全元件進行控制；步驟2 應在每次進行工作之前，對所有危險能量源的來源進行識別，并填寫“掛牌上鎖”工作單，通知該區域相關人員。

停機：按照既定流程對工作中的設備進行停機操作。

切斷：通過PLC 或手動方式，對已辨識的能量源進行切斷操作，包括閥門、電氣開關、蓄能器件、電機等，并確保已切斷設備不會運行或危險能量無法釋放。

掛牌上鎖：根據工作單，相關操作人員對已切斷設備使用合適的鎖具及危險標識進行上鎖操作，并確保被切斷設備保證在安全位置。實施“掛牌上鎖”的鎖具需保證不能被同級人員或次級人員打開。

測試確認：在工作開始前，相關人員應對已隔離設備進行測試，保證設備無法啟動、危險能量無法釋放。

工作：相關人員進入該區域進行調試、故障排查、維護、檢驗、操作等工作。

去牌摘鎖：待工作完成后，人員退出該區域，由上鎖人員各自解除自己的鎖具，并填寫工作單。

恢復：對被切斷能量源的設備進行恢復操作。

設備測試：根據功能對設備進行必要測試。并通知相關人員，做好設備動作準備。

正產設備：該區域恢復生產。

4.2 “掛牌上鎖”的管理流程

（1）成立小組：成立掛牌管理小組，由分管領導、部門領導、技術人員組成，負責工作推進。

（2）軟硬件準備：在生產線設計之初便對該生產線設計的所有能量源進行全面調查并進行風險評估，制定相應的隔離清單，并根據生產線工藝及上述三大風險制定不同的安全措施。

（3）購買適當鎖具及上鎖裝置。

（4）展開各層人員的培訓，讓所有人員了解“掛牌上鎖”的標準、程序及方法。

5 結束語

文中所述的球墨鑄鐵管生產線安全閉鎖系統由隔離護欄、電氣控制系統及“掛牌上鎖”制度構成，自建立之初便在該生產線的調試、維護、調整、清理、檢驗、操作等過程發揮了重要作用，自從投入使用，該生產線未發生任何重大安全事故，從而可見安全閉鎖系統有效性及重要性。