安全繼電器及安全PLC在制造行業(yè)的應(yīng)用
國(guó)內(nèi)外的各制造行業(yè)廠商歷來重視制造過程中的安全與保護(hù)。隨著產(chǎn)能的不斷提升，廠商對(duì)設(shè)備自動(dòng)化的要求越來越高，機(jī)器和設(shè)備也越來越復(fù)雜、速度也越來越快。因此，廠商對(duì)這些機(jī)器的安全要求也越來越高。我們既要能夠保證安全、可靠性，又要保證靈活、易維護(hù)性。這就對(duì)安全元器件的正確和合理的設(shè)計(jì)和選擇提出了一定的要求。
????? 安全功能在工業(yè)設(shè)備上的使用在發(fā)達(dá)國(guó)家已十分普及，例如，在歐洲有強(qiáng)制的安全標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到相應(yīng)安全等級(jí)的設(shè)備不能投產(chǎn)；在美國(guó)則依靠高額的事故賠償來強(qiáng)制設(shè)備的安全性。通常，我們可以參照以下歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)：
EN 1050-1996? 機(jī)械安全? 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
EN 292－1：1991 機(jī)器安全 基本概念與設(shè)計(jì)通則
EN 954-1 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
EN/IEC 60204 機(jī)械安全? 機(jī)械電氣設(shè)備
EN/ISO 13894 機(jī)械的安全 控制系統(tǒng)有關(guān)的安全部件
EN/IEC 61508 主要涵蓋了電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的功能安全
EN 418 緊急制動(dòng)設(shè)備
EN 1088? 與保護(hù)裝置有關(guān)的連鎖裝置?? 設(shè)計(jì)和選擇原則
EN 12415? 機(jī)床 安全? 小型數(shù)控車床和車削中心
EN 12417? 機(jī)床 安全? 加工中心
EN 12478?? 機(jī)床 安全? 大型數(shù)控車床和車削中心
EN 692：1996 機(jī)械壓力機(jī)安全
EN 693：2000 機(jī)床安全 液壓機(jī)
EN 1550：1997 機(jī)床安全 工件夾緊用卡盤設(shè)計(jì)和制造的安全要求
????? 在這方面我國(guó)還處于起步階段，很多有一定危險(xiǎn)性的設(shè)備沒有任何安全保護(hù)措施，這也是工廠事故頻發(fā)的一個(gè)重要原因。隨著國(guó)家對(duì)此重視程度的提高和以人為本理念的逐漸深入人心，設(shè)備的安全性正得到越來越多的重視。
????? 設(shè)備的安全性能由機(jī)械安全防護(hù)和電氣安全控制兩方面組成。機(jī)械安全防護(hù)在本文不做過多介紹，下面詳細(xì)介紹電氣安全控制的原理及應(yīng)用。
????? 安全控制系統(tǒng)必須提供一種高度可靠的安全保護(hù)手段，最大限度地避免機(jī)器的不安全狀態(tài)、保護(hù)生產(chǎn)裝置和人身安全，防止惡性事故的發(fā)生、減少損失。該系統(tǒng)在開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)以及正常維護(hù)操作期間對(duì)機(jī)器設(shè)備提供安全保護(hù)。一旦當(dāng)機(jī)器設(shè)備本身出現(xiàn)危險(xiǎn)，或由于人為原因而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號(hào)，使機(jī)器安全停車，以阻止危險(xiǎn)的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。
????? 一套安全控制系統(tǒng)，由安全輸入信號(hào)（即安全功能，如緊急停止信號(hào)、安全門信號(hào)等）、安全控制模塊（如安全繼電器、安全PLC）、和被控輸出元件（如主接觸器、閥等）三部分組成。
????? 要使設(shè)備達(dá)到相應(yīng)的安全等級(jí)就離不開必要的安全元件和安全線路，常見的安全元件有急停按鈕、雙手按鈕、安全門開關(guān)、安全光柵等。這些元件通過線路（一般是雙回路）連接到安全控制的核心，此核心不是普通的PLC，因?yàn)樗痪邆浒踩δ堋?br>????? 具有安全要求的機(jī)器中，普通的繼電器或者PLC被廣泛地作為控制模塊，對(duì)安全功能進(jìn)行監(jiān)控。從表面看來，這樣的機(jī)器在一定條件下也能夠保證安全性。但是，當(dāng)普通的繼電器和PLC由于自身缺陷或外界原因?qū)е鹿δ苁r(shí)（如觸點(diǎn)熔焊、電氣短路、處理器紊亂等故障），就會(huì)丟失安全保護(hù)功能，引發(fā)事故。
????? 而對(duì)于安全控制模塊，由于其采用冗余、多樣的結(jié)構(gòu)，加之以自我檢測(cè)和監(jiān)控、可靠電氣元件、反饋回路等安全措施，保證在本身缺陷或外部故障的情況下，依然能夠保證安全功能，并且可以及時(shí)的將故障檢測(cè)出來。從而在最大程度上保證了整個(gè)安全控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保護(hù)了人和機(jī)器的安全。
電氣安全控制的方式大致分為以下幾種：
1.用普通繼電器搭建有自鎖和互鎖功能的雙回路線路。這種是最原始的安全控制方式，能達(dá)到較低的安全等級(jí)。其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是維護(hù)和改造十分復(fù)雜，無法監(jiān)控。
2.使用安全繼電器搭建安全回路。上個(gè)世紀(jì)隨著安全繼電器的出現(xiàn)，它已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中?？梢杂糜诳刂茊我话踩δ?，適用于小型的安全控制系統(tǒng)。其安全輸出通常有繼電器觸點(diǎn)輸出或晶體管輸出。無論采用何種形式的輸出結(jié)構(gòu)，安全繼電器都能夠保證至少2個(gè)通道進(jìn)行輸出的控制。在一個(gè)輸出通道出現(xiàn)故障的情況下，另外一個(gè)冗余的通道依然能夠保證安全繼電器的安全功能，并且及時(shí)檢測(cè)出故障通道。常見的安全繼電器品牌有皮爾茲、施邁賽等，現(xiàn)在西門子、歐姆龍等系統(tǒng)集成商也都相繼推出了自己的安全繼電器產(chǎn)品。此控制方式成本適中，能達(dá)到較高的安全等級(jí)，但如果安全元件多線路依然比較復(fù)雜，不適于大型生產(chǎn)線。
3.使用安全PLC進(jìn)行安全控制。安全可編程控制器的CPU采用冗余的多處理器結(jié)構(gòu)。各個(gè)處理器之間相互監(jiān)控，一旦出現(xiàn)不一致，立刻使控制器處于安全狀態(tài)，并且發(fā)出報(bào)警信息；同時(shí)，安全可編程控制器對(duì)內(nèi)部的RAM，EPROM，輸入輸出寄存器等元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且采用特殊的測(cè)試脈沖對(duì)輸入信號(hào)和輸出被控元件進(jìn)行檢測(cè)，一旦出現(xiàn)任何不安全隱患，控制器立刻切換至安全保護(hù)狀態(tài)。安全總線系統(tǒng)適用于大型、離散式的安全控制系統(tǒng)。其原理是在現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上，采用了一系列的時(shí)間檢測(cè)、地址檢測(cè)、連接檢測(cè)和CRC冗余校驗(yàn)等措施，達(dá)到高的安全等級(jí)。安全PLC是上世紀(jì)末出現(xiàn)的產(chǎn)品，他的優(yōu)點(diǎn)是可編程性能強(qiáng)大，使用安全總線能實(shí)現(xiàn)很高要求的安全控制，但成本較高。
4.使用可編程安全繼電器進(jìn)行安全控制。可編程安全繼電器是近年推出的安全產(chǎn)品，它介于安全PLC和安全繼電器之間，即具有一定的可編程性，價(jià)格卻不是很高。安全繼電器是一個(gè)多功能、可自由配置的模塊化安全系統(tǒng)。與其他普通安全繼電器不同，可編程安全繼電器的安全電路可在個(gè)人電腦上使用圖形配置工具輕松生成。通過基礎(chǔ)模塊上的RS232接口可以直接向可編程安全繼電器寫入程序。
????? 以上簡(jiǎn)單介紹了安全控制的幾種方式，那么與安全等級(jí)密切相關(guān)的安全元件是如何達(dá)到安全控制的目的的呢？下面進(jìn)行分類介紹：
1.防短路功能。安全線路一般使用雙回路控制，即使有一條線路發(fā)生短路，依然能防止設(shè)備在不滿足要求的狀態(tài)下運(yùn)行，另外安全繼電器和安全PLC都有短路診斷功能。
2.放粘連功能。安全繼電器與普通繼電器不同，普通繼電器在長(zhǎng)時(shí)間電弧的作用下有可能發(fā)生觸點(diǎn)的粘連，而安全繼電器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，能保證在回路不滿足條件的情況下觸點(diǎn)強(qiáng)制斷開。
3.安全區(qū)域功能。通過安全門鎖和安全光柵行程指定的安全區(qū)域，一旦進(jìn)入安全門或穿越光柵，在安全控制的作用下設(shè)備能夠強(qiáng)制停機(jī)，保證生產(chǎn)人員的安全。
4.冗余功能。安全PLC和安全總線都具有冗余功能，確保在外界干擾下的安全性能不受影響。
????? 對(duì)于安全功能4個(gè)以下的單臺(tái)設(shè)備或流水線，我們可以使用緊湊型安全繼電器。例如，在動(dòng)力車間中的單臺(tái)數(shù)控機(jī)床，其安全功能通常包括數(shù)個(gè)緊急停止按鈕、一扇至二扇安全門，并且安全等級(jí)在3級(jí)以上。對(duì)于這樣一個(gè)應(yīng)用，我們可以采用一個(gè)緊湊型安全繼電器控制所有的緊急停止按鈕；再使用1/2個(gè)緊湊型安全繼電器控制1/2扇安全門。任何一個(gè)安全繼電器被觸發(fā)，安全輸出必須切斷相關(guān)負(fù)載（如控制軸運(yùn)動(dòng)的變頻器或伺服）。
????? 對(duì)于安全功能在4至14個(gè)的設(shè)備或流水線，我們推薦使用模塊化的可編程安全繼電器來得到更高的靈活性和更低的成本。我們以一條油漆自動(dòng)化線為例，在此生產(chǎn)區(qū)域中，通常包括在安裝在噴涂區(qū)域進(jìn)出口的2對(duì)安全光柵、4/8個(gè)安全門、若干個(gè)緊急停止按鈕、2套屏蔽傳感器，并且安全等級(jí)在3級(jí)以上。我們當(dāng)然可以選用緊湊型的安全繼電器來實(shí)現(xiàn)以上安全功能。但是這種解決方案的成本較高、接線繁瑣、故障診斷困難。而可編程安全繼電器的應(yīng)用，不但能夠可靠、高效的完成安全功能，并且能夠從設(shè)計(jì)、購(gòu)買、維護(hù)中降低成本。
????? 對(duì)于安全功能在數(shù)十個(gè)以上、或者大部分的安全功能都離散分布的現(xiàn)場(chǎng)，可編程安全PLC系統(tǒng)和安全總線系統(tǒng)可以使復(fù)雜的安全控制變得簡(jiǎn)便、清晰。在大型沖壓流水線中，安全PLC都有成功的應(yīng)用案例。通常，一條沖壓流水線高10m，長(zhǎng)50m，分為涂油、沖壓、剪切 等幾個(gè)工作區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都有2扇沖程門和若干的緊急停止按鈕；外圍還需要有安全光柵保護(hù)換模區(qū)域；此外沖壓機(jī)械中還有大量的安全信號(hào)（比如上死點(diǎn)、閥信號(hào)等）需要接入安全控制系統(tǒng)，并且以復(fù)雜的邏輯關(guān)系貫穿于整個(gè)安全控制回路。在這種情況下，可編程安全繼電器和安全總線系統(tǒng)是最為合適的解決方案。安全PLC可以簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系。通過安全總線可以將分散在現(xiàn)場(chǎng)的安全輸入信號(hào)通過一根電纜集中至主站進(jìn)行控制。
????? 在我國(guó)的生產(chǎn)制造行業(yè)，各種安全控制系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。以汽車行業(yè)為例，合資企業(yè)使用歐美的進(jìn)口設(shè)備，一般都具有較高的安全等級(jí)，例如一汽大眾、上海大眾、上海通用的生產(chǎn)車間就是如此。而多數(shù)民族汽車品牌大都使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，如奇瑞汽車，長(zhǎng)城汽車等，在其沖壓焊裝和總裝線上大范圍使用了國(guó)產(chǎn)設(shè)備，也大都配備了安全繼電器和安全PLC等安全控制系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)的安全性。隨著以人為本理念的深入貫徹，相信安全控制在未來的工業(yè)生產(chǎn)中將得到更加廣泛的應(yīng)用。
?